專利名稱：改進(jìn)的帶隙電壓基準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電壓基準(zhǔn)電路，特別地涉及使用帶隙技術(shù)來(lái)實(shí)施的電壓基準(zhǔn)電路。更具體地，本發(fā)明涉及提供具有很低溫度系數(shù)(TC)和降低的對(duì)放大器噪聲和偏移的靈敏度的方法和電路。
背景技術(shù)：
帶隙電壓基準(zhǔn)電路是基于具有相等且相反溫度系數(shù)的兩個(gè)電壓的相加。第一電壓是正向偏置雙極晶體管的基極-射極電壓。此電壓具有約-2.2mV/C的負(fù)TC，而且通常表示為與絕對(duì)溫度相補(bǔ)或CTAT電壓。作為與絕對(duì)溫度成比例或PTAT電壓的第二電壓是通過(guò)放大在不同電流密度工作的雙極晶體管的兩個(gè)正向偏置的基極射極結(jié)的電壓基準(zhǔn)(ΔVbe)來(lái)形成。這些電路類型是公知的，而且它們工作的進(jìn)一步細(xì)節(jié)在Grey等人的“模擬集成電路的分析和設(shè)計(jì)”第4版第4章中給出，通過(guò)引用將其內(nèi)容結(jié)合于此。
這樣的電壓基準(zhǔn)電路的經(jīng)典偏置已知為“Brokaw單元”，其例子如圖1中所示。第一和第二晶體管Q1、Q2具有耦合到放大器A1非反向和反向輸入的其相應(yīng)集極。每一晶體管的基極公共耦合，而且此公共節(jié)點(diǎn)經(jīng)由電阻器r5耦合到該放大器的輸出。耦合基極和電阻器r5的此公共節(jié)點(diǎn)經(jīng)由另一電阻器r6耦合到地。Q2的射極經(jīng)由電阻器r1與晶體管Q1的射極耦合到公共節(jié)點(diǎn)。此公共節(jié)點(diǎn)然后經(jīng)由第二電阻器r2耦合到地。來(lái)自A1輸出節(jié)點(diǎn)的反饋環(huán)經(jīng)由電阻器r3提供到Q2的集極以及經(jīng)由電阻器r4提供到Q1的集極。
在圖1中，晶體管Q2提供有相對(duì)于晶體管Q1的射極區(qū)域更大的射極區(qū)域，于是兩個(gè)雙極晶體管Q1和Q2工作在不同的電流密度。在電阻器r1上電壓ΔVbe由如下形式得出ΔVbe=KTqIn(n)---(1)]]>
其中k是玻耳茲曼常數(shù)，q是電子上的電荷，T是以開(kāi)爾文表示的工作溫度，n是兩個(gè)雙極晶體管的集極電流密度比。
通常兩個(gè)電阻器r3和r4相等，而且集極電流密度比由Q2與Q1的射極區(qū)域比給出。為了減少由于過(guò)程變化造成的基準(zhǔn)電壓變化，可提供Q2作為n個(gè)晶體管的陣列，每個(gè)晶體管具有與Q1相同的區(qū)域。
電壓ΔVbe產(chǎn)生電流I1，其也是PTAT電流。
Q1和Q2的公共基極節(jié)點(diǎn)的電壓將是Vb=2ΔVbe*r2r1+Vbe1---(2)]]>通過(guò)適當(dāng)?shù)乜s放電阻器的比率和電流密度，電壓“Vb”在第一階是溫度不敏感的，而且遠(yuǎn)離受基極-射極電壓影響的曲率，能夠視為剩余補(bǔ)償。電壓“Vb”通過(guò)r5與r6之比來(lái)縮放到放大器的輸出作為基準(zhǔn)電壓VrefVref=(2ΔVbe*r2r1+Vbe1)(1+r5r6)+(Ib(Q1)+Ib(Q2))r5---(3)]]>這里Ib(Q1)和Ib(Q2)是電流Q1和Q2的基極電流。
雖然廣泛應(yīng)用“Brokaw單元”，它仍然具有一些缺點(diǎn)。等式3中的第二項(xiàng)代表由基極電流引起的誤差。為了減小此誤差，r5必須盡量小。因?yàn)閞5減小，經(jīng)由基準(zhǔn)電壓從電源電壓提取的電流增加而且這是缺點(diǎn)。另一缺點(diǎn)是有關(guān)于如下事實(shí)隨著工作溫度改變，兩個(gè)晶體管的集極-基極電壓也改變。作為早期效應(yīng)(Early effect)(由于偏置的施加所造成的改變有效基極寬度而對(duì)于晶體管工作的效應(yīng))的結(jié)果，進(jìn)入兩個(gè)晶體管的電流受到影響。早期效應(yīng)的進(jìn)一步信息可在前述“模擬集成電路的分析和設(shè)計(jì)”第4版中找到，通過(guò)引用將其內(nèi)容結(jié)合于此。
如果忽略圖1電路中的第二階效應(yīng)，則放大器的輸入偏移電壓Voff反映到基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)中為Vref-off=Voff*r2r4(1+r5r6)---(4)]]>放大器的噪聲也以相同的增益從輸入反映到基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)G=r2r4(1+r5r6)---(5)]]>根據(jù)等式4和圖1，清楚的是，用以減小“Brokaw單元”中的偏移和噪聲靈敏度的簡(jiǎn)單方式是使r4相比于r2更大。但是由于r4較大，Q1和Q2的集極-基極電壓也較大而且增大早期效應(yīng)。
“Brokaw單元”也在與所有未補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓受到困擾相同的方式下受到困擾，因?yàn)樗艿交鶚O-射極電壓“曲率”的影響。
在帶隙電壓基準(zhǔn)中用作CTAT電壓的而且通過(guò)PTAT集極電流來(lái)偏置的雙極晶體管基極-射極電壓是與溫度有關(guān)的，如等式6所示Vbe(T)=VG0(1-TT0)+Vbe0TT0-(σ-1)kTqIn(TT0)---(6)]]>其中Vbe(T)是對(duì)于在工作溫度的雙極晶體管的基極-射極電壓的溫度相關(guān)性，VBE0是對(duì)于在基準(zhǔn)溫度的雙極晶體管的基極-射極電壓，VG0是在0K溫度的基極-射極電壓或帶隙電壓，T0是基準(zhǔn)溫度，σ是飽和電流溫度指數(shù)(有時(shí)在計(jì)算機(jī)附加模擬器中稱為XTI)。
在圖1中的r2上得到的PTAT電壓只補(bǔ)償?shù)仁?中的前兩項(xiàng)。最后一項(xiàng)，對(duì)于工業(yè)溫度范圍(-40C至85C)提供約2.5mV階的“曲率”，保持為未補(bǔ)償，而且這通過(guò)增益因子G(等式5)增益到基準(zhǔn)電壓中。
由于“Brokaw單元”均衡良好，不容易內(nèi)部地補(bǔ)償“曲率”誤差。在共同轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國(guó)專利No.5,352,973中呈現(xiàn)了用以補(bǔ)償此誤差的一種嘗試，通過(guò)引用將其公開(kāi)結(jié)合于此。在此美國(guó)專利中，雖然補(bǔ)償了“曲率”誤差，但是在此方法中，通過(guò)單獨(dú)的電路，該電路以恒定電流來(lái)偏置額外的雙極晶體管，就要求使用附加電路。
帶隙基準(zhǔn)電路的其他已知例子包括在轉(zhuǎn)讓給RCA公司的US 4,399,398中所述的例子，說(shuō)明了具有反饋的電壓基準(zhǔn)電路，該電路適于響應(yīng)于離開(kāi)預(yù)定值的基準(zhǔn)電勢(shì)來(lái)控制在第一與第二輸出端之間流動(dòng)的電流。此電路是實(shí)現(xiàn)早期效應(yīng)減少的簡(jiǎn)單實(shí)施。該電路用于減少基極電流效應(yīng)，但是以高功率為代價(jià)。所以，此電路只適合于相當(dāng)高電流的應(yīng)用。這可追溯到如下事實(shí)對(duì)于基極電流的補(bǔ)償受到在比晶體管T2更高的電流來(lái)操作晶體管T1的影響，而且隨著功率增加，RS上的損耗散也增加。根據(jù)對(duì)該電路的觀察也可理解，所實(shí)現(xiàn)的功率供給抑制仍是有限的。
因此可理解，雖然圖1中描述的電路具有很低的偏移和噪聲靈敏度，但是仍然需要提供對(duì)于偏移和噪聲的靈敏度的進(jìn)一步減少。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的第一實(shí)施例提供了適于克服現(xiàn)有技術(shù)的這些和其他缺點(diǎn)的改進(jìn)型電壓基準(zhǔn)電路。本發(fā)明提供一種帶隙基準(zhǔn)電路，該電路通過(guò)縮放在不同電流密度工作的兩個(gè)晶體管之間的電壓差，能夠在放大器的輸出提供電壓基準(zhǔn)。本發(fā)明的電路進(jìn)一步適于減少兩個(gè)晶體管的集極-基極區(qū)之間的電壓差，由此最小化早期效應(yīng)。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，提供了一種帶隙基準(zhǔn)電壓電路，包括具有第一和第二輸入并且在其輸出提供電壓基準(zhǔn)的第一放大器。該放大器在其第一輸入耦合到第一晶體管且在第二輸入耦合到第二晶體管，第二晶體管具有比第一晶體管的射極區(qū)域更大的射極區(qū)域。第二晶體管在其射極耦合到負(fù)載電阻器，該負(fù)載電阻器在使用中提供第一與第二晶體管之間的基極射極電壓差的測(cè)量ΔVbe用于在帶隙基準(zhǔn)電壓的形成中使用。根據(jù)本發(fā)明，每一晶體管的基極公共地耦合，使得第一和第二晶體管的基極處于相同電勢(shì)，第一和第二晶體管中的一個(gè)提供于二極管連接的配置中，而且第一和第二晶體管中另一個(gè)的基極集極電壓通過(guò)在反饋環(huán)中耦合到每一晶體管的集極的放大器來(lái)維持于零，由此減少早期效應(yīng)。
還希望該電路包括第三和第四晶體管，第三晶體管耦合到第一晶體管的射極，而第四晶體管經(jīng)由負(fù)載電阻器耦合到第二晶體管的射極，第四晶體管的射極區(qū)域大于第一或第三晶體管的射極區(qū)域，使得第一和第三晶體管比第二和第四晶體管工作于更高的電流密度，而且其中經(jīng)由對(duì)放大器的第二輸入處的反饋環(huán)中的電阻器提供PTAT電壓，使得放大器的輸出處提供的電壓是第一和第三晶體管的基極射極電壓加上PTAT電壓的組合。
希望第三和第四晶體管中的每一個(gè)提供于二極管連接的配置中。第三晶體管的射極優(yōu)選地經(jīng)由第二電阻器耦合到地，該電阻器的值實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓從兩倍于固有帶隙電壓到預(yù)期電壓的轉(zhuǎn)變，由此允許對(duì)電路的偏移調(diào)整。
第三和第四電阻器典型地分別提供在放大器的輸出與第一和第二晶體管的集極之間的每一反饋環(huán)路徑中。
每一反饋環(huán)中提供的電阻器是基本相同的值或者選擇位不同的值。
該電路還可以包括如下電路元件，該電路元件適于為無(wú)二極管連接的晶體管提供基極電流而且從相同晶體管的集極提取該相同電流，由此將第一和第二晶體管中每一個(gè)的集極電流維持于相同值。
這樣的電路元件可適于補(bǔ)償未二極管連接的晶體管與另一晶體管之間的基極電流變化，由此減少由基極電流引起的電路中的誤差。
典型地，無(wú)二極管連接的晶體管是第一晶體管，而且適于從第一晶體管的集極提取電流的該電路元件包括由第一和第三晶體管限定的電路支路的復(fù)制，該復(fù)制的支路包括電路的第五和第六晶體管，第五晶體管的基極耦合到第一晶體管的集極，第五晶體管的射極耦合到第六晶體管的集極，第六晶體管的基極耦合到第三晶體管的二極管連接的基極，由此提供電流鏡，使得基極電流通過(guò)第五晶體管從第一晶體管的集極提取。
第一和第二晶體管的基極電流還可以經(jīng)由第七和第八晶體管以及雙極鏡來(lái)鏡像，第六和第八晶體管的基極電流由雙電流鏡從放大器的輸出來(lái)供給，使得第三、第六和第八晶體管中每一個(gè)的集極電流相同。
第五晶體管的集極典型地經(jīng)由電阻器耦合到放大器的輸出，該電阻器的值基本等于第四電阻器的值，使得第五晶體管的基極電流跟蹤第一晶體管的基極電流。
第一和第二晶體管的基極電流還可以經(jīng)由耦合到第五和第七晶體管的一連串鏡來(lái)鏡像，使得鏡像的電流可從第五和第七晶體管的射極提取，由此保證第五和第七晶體管的集極電流基本是相同值，此電流還經(jīng)由耦合在第七晶體管的集極與放大器的輸出之間的電流鏡來(lái)鏡像，由此提供PTAT電流。
某些實(shí)施例還可包括適于提供校正電壓的電路元件，該校正電壓適于補(bǔ)償?shù)谝缓偷谌w管的電壓曲率，該校正電壓的結(jié)合實(shí)現(xiàn)曲率的消除。
這種電路元件典型地適于在負(fù)載電阻器提供PTAT和CTAT電壓的混合。
該校正電壓典型地通過(guò)鏡像電阻器上第四晶體管的基極-射極電壓以及通過(guò)使用MOSFET器件和放大器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生與絕對(duì)溫度相補(bǔ)(CTAT)來(lái)提供，該CTAT電流經(jīng)由至少一個(gè)電流鏡提供回到第四晶體管中，由此在負(fù)載電阻器上復(fù)制具有反曲率的電壓，此復(fù)制的電壓與先前存在的電壓(ΔVbe)的組合實(shí)現(xiàn)曲率的消除。
可通過(guò)改變由電流鏡和第四晶體管提供的電流的斜率來(lái)修改具有反曲率的電壓的大小。
對(duì)本發(fā)明電路的改型可包括耦合到第三和第四晶體管的多個(gè)附加晶體管，這多個(gè)附加晶體管提供于棧布局中，由此允許使用具有較高基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電路。
本發(fā)明還提供了一種提供適于補(bǔ)償早期效應(yīng)的帶隙基準(zhǔn)電壓電路的方法，該方法包括步驟提供第一和第二晶體管，每一晶體管適于工作于不同電流密度，第一晶體管提供于二極管連接的配置中，晶體管還耦合到放大器的輸入，縮放在不同電流密度工作的兩個(gè)晶體管之間的電壓差以便在放大器的輸出提供基準(zhǔn)電壓，提供反饋環(huán)，該反饋環(huán)將第一和第二晶體管中的每一個(gè)耦合到放大器的輸出以便在放大器的輸出提供電壓基準(zhǔn)，使得第一和第二晶體管中每一個(gè)的集極基極電壓較少到零。


現(xiàn)在將參考

本發(fā)明，在附圖中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的典型“Brokaw”單元的例子；圖2是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電路的例子；圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電路的性能模擬；圖4是對(duì)于圖1電路的通過(guò)輸出分配器(r5，r6)的電流及其差異(基極電流)的模擬；圖5是根據(jù)圖2電路的基準(zhǔn)電壓的模擬；圖6是根據(jù)圖2電路的基極電流(Q1)、校正基極電流(Q5)及其差異的模擬；圖7是對(duì)于圖2電路的基極電流、補(bǔ)償基極電流及其差異的模擬；圖8突出了偏移電壓如何影響圖2的電路中Q1和Q2的集極電流；圖9是對(duì)權(quán)利要求1電路的改型，包括在棧布局中提供的附加晶體管；圖10是圖9電路的性能模擬。
具體實(shí)施例方式
已經(jīng)參考圖1說(shuō)明了現(xiàn)有技術(shù)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的帶隙電壓基準(zhǔn)的例子。圖2的電路可細(xì)分為三個(gè)塊主基準(zhǔn)塊100；偏置電流補(bǔ)償塊200；以及曲率校正塊300，每個(gè)塊適于避免與現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)的具體問(wèn)題。如在“背景技術(shù)”部分中描述過(guò)的，有與現(xiàn)有技術(shù)的經(jīng)典Brokaw單元實(shí)施有關(guān)的許多問(wèn)題。這些問(wèn)題可概括為由早期效應(yīng)引起的問(wèn)題、由基極電流引起的靈敏度、由偏移引起的靈敏度、來(lái)自一個(gè)或多個(gè)電阻器上的電壓基準(zhǔn)輸出的輸出所產(chǎn)生的功率要求、以及不可能內(nèi)部地校正曲率的事實(shí)。圖2中所示的配置適于克服這些和其他問(wèn)題，而且對(duì)每個(gè)問(wèn)題的解決方案可追溯到電路內(nèi)的具體元件或功能。
正如能夠從圖2看到的，此電路是基于使用帶隙技術(shù)來(lái)產(chǎn)生電壓基準(zhǔn)。公知地，通過(guò)使用在不同電流密度工作的兩晶體管之間的縮放差異，有可能在放大器組合這些而且在此放大器輸出提供電壓基準(zhǔn)。根據(jù)本發(fā)明的電路，主塊100包括具有反向和非反向輸入的放大器A1。第一晶體管Q1提供有第一射極區(qū)域，而第二晶體管Q2提供有n1倍于Q1第一射極區(qū)域的第二射極區(qū)域。Q2提供于二極管連接的配置中，使得集極連到基極。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的工作，放大器A1將其兩個(gè)輸入保持于基本相同的電平，因此Q1也工作于零基極-集極電壓。Q1和Q2二者的基極在相同電勢(shì)耦合，其方式與圖1中所述相似。但是根據(jù)本發(fā)明，放大器的輸出在反饋配置中提供到Q1和Q2的公共基極以及到Q1和Q2的集極。希望提供此反饋，使得經(jīng)由電阻器r3耦合Q2的集極以及經(jīng)由電阻器r4耦合Q1的集極?？煽闯鯭1和Q2具有零集極-基極電壓，Q1是二極管連接的晶體管，并且Q2由于放大器A1也具有零集極-基極電壓且因此消除了“早期”效應(yīng)。這套電路如圖2的虛線框100A內(nèi)所示?？衫斫?，盡管框100A內(nèi)的布局圖示了Q1的基極-集極電壓由放大器控制器，而Q2的基極-集極電壓借助于二極管連接布局來(lái)控制，但是等效地，Q1可以是二極管連接的，而Q2由放大器控制。將進(jìn)一步理解，如果可忽略基極電流，比如在具有高β的應(yīng)用情況中，則不要求用以補(bǔ)償基極電流的附加電路。
每個(gè)晶體管Q1和Q2的射極典型地分別耦合到另兩個(gè)晶體管Q3和Q4的集極(也是二極管連接)。在Q1的情況下這是直接連接，而對(duì)于Q2則是經(jīng)由電阻器r1。Q3提供有與Q1相同的射極區(qū)域，而Q4具有n2倍于Q1和Q3射極區(qū)域的射極區(qū)域。因此，與Q2和Q4相比，Q1和Q3工作于更高的電流密度，而且在r1上得到ΔVbe電壓，其是PTAT電壓。這造成PTAT電流從放大器的輸出通過(guò)Q1流到Q3以及經(jīng)由r1通過(guò)Q2到Q4。Q3和Q6的公共射極經(jīng)由電阻器r2連接到地節(jié)點(diǎn)。此電阻器具有如下作用對(duì)于r2＝0，將基準(zhǔn)電壓從兩倍于固有帶隙電壓(～2.3v)轉(zhuǎn)變到預(yù)期值，例如典型的2.5v。
偏置電流補(bǔ)償塊200具有如下作用為Q1提供基極電流Ib以及從其集極提取相同電流。如果是此情況，則經(jīng)過(guò)r1和r3的電流基本相同并且它們不受基極電流影響。經(jīng)過(guò)r4的電流是與Q1的射極電流相同的電流。因此，r3和r4上的電壓降是ΔVbe電壓的縮放復(fù)制。此塊的電路在基極電流的貢獻(xiàn)可能引入誤差的具有低或中等β的應(yīng)用中是有用的，而且特別地提供用于減少這些誤差。可理解，雖然r1和r3典型地選擇為具有相同的值，但是它們對(duì)于某些應(yīng)用可能專門地選擇為具有不同的值。使用偏置電流補(bǔ)償塊的優(yōu)點(diǎn)在于，基極電流將通過(guò)基極電流的減去以及隨后重新引入到主塊100中來(lái)補(bǔ)償，不管所選r1和r3的值是怎樣的。
基極電流Ib是通過(guò)經(jīng)由Q5和Q6對(duì)電流I2進(jìn)行鏡像來(lái)從Q1的集極提取的。這些晶體管形成了與由Q1和Q3提供的支路等價(jià)的支路。由于塊100中的Q3和塊200中的Q6具有相同的基極-射極電壓，它們的集極電流基本同為I2?；鶚O電流Ib也經(jīng)由Q8、Q7以及通常是雙極pnp二極管連接晶體管的典型雙極鏡IM1來(lái)鏡像。Q8和Q6的基極電流(2Ib)經(jīng)由雙電流鏡IM2來(lái)往回供給。以此方式，Q3、Q6和Q8將具有完全相同的集極電流，因?yàn)樗鼈児ぷ饔谙嗤幕鶚O電流。為了最小化從Q1到Q5的基極電流差異，以與r4基本相同的值來(lái)提供額外的電阻器r8，由此保證Q1到Q5工作在相似條件下，具有相同的集極電流和基本為零的基極-集極電壓。因此，Q5的基極電流將跟蹤Q1的基極電流。由于Q1/Q3和Q5/Q6所提供的兩個(gè)支路之間的相似性，實(shí)現(xiàn)的基極電流的跟蹤性能是很準(zhǔn)確的。
基極電流Ib也從電流鏡IM4鏡像到通常是雙極npn二極管連接晶體管的“主”鏡IM5。此電流從Q5和Q7的射極經(jīng)由鏡IM5和IM7來(lái)提取，以保證Q5和Q7的集極電流與Q3的集極電流I2基本相同。PTAT電流I2經(jīng)由連接在基準(zhǔn)電壓與Q7的集極之間的“主”鏡IM8來(lái)鏡像。以此方式，根據(jù)圖2的單元也可產(chǎn)生PTAT電流。
根據(jù)對(duì)塊200的電路部件的觀察將進(jìn)一步理解，一套電路用來(lái)拉動(dòng)基極電流，而另一套電路用來(lái)產(chǎn)生和提供基極電流回到塊100中。通過(guò)使用兩套不同的電路部件，有可能更準(zhǔn)確地提取基極電流。這是因?yàn)榇颂崛‰娐窙](méi)有附加功能，特別是與待重新引入的基極電流的產(chǎn)生有關(guān)聯(lián)的功能。第二套電路具有重新提供此基極電流的特別用途。提取基極電流的第一套元件是通過(guò)復(fù)制的支路來(lái)提供的，此支路具有Q5和Q6。其他部件產(chǎn)生可反饋到Q1和Q2的耦合基極的基極電流。
雖然將基極電流提取和重新引入到塊100能夠使用較簡(jiǎn)單的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中用來(lái)從Q1的集極提取基極電流的電路具有將此基極電流重新提供給Q1和Q2的基極的附加功能，但是這樣的電路將不實(shí)現(xiàn)對(duì)于使用上述布局而言是可能的提取準(zhǔn)確性。
第二階效應(yīng)或者典型帶隙電壓的“曲率”是經(jīng)由塊300來(lái)補(bǔ)償。塊300的電路適于以與在如下申請(qǐng)中所述相似的方式來(lái)發(fā)展負(fù)的“曲率”電壓，該申請(qǐng)是于2003年2月27日提交的共同未決和共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)10/375,359，通過(guò)引用將其內(nèi)容結(jié)合于此。該“曲率”校正是通過(guò)對(duì)電阻器r7上的Q4基極-射極電壓進(jìn)行鏡像而且通過(guò)經(jīng)由MOSFET器件M1以及電流鏡IM9和IM11產(chǎn)生CTAT電流來(lái)執(zhí)行的。CTAT電流反饋到二極管連接的晶體管Q4中，以便增大其曲率，由此在r1上復(fù)制負(fù)的電壓“曲率”。此該負(fù)的電壓“曲率”依賴于Q4的集極電流的斜率，而且通過(guò)比率r3/r1來(lái)增益以便補(bǔ)償Q3和Q1的正電壓“曲率”。
經(jīng)過(guò)r2的電流是從Q3、Q4、Q6和Q8流動(dòng)的PTAT電流與從r7和IM11流動(dòng)的CTAT電流的組合。從電流鏡IM10產(chǎn)生的額外CTAT電流I4保證了r2上的電壓降是所要求的轉(zhuǎn)變電壓，而且基準(zhǔn)電壓是預(yù)期的補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓?？衫斫猓a(chǎn)生的CTAT電流的斜率能夠通過(guò)電流鏡IM11和晶體管Q4的選擇來(lái)變化。已在負(fù)載電阻器r1上的CTAT電流和PTAT電流然后通過(guò)負(fù)載電阻器r1與反饋電阻器r3之比的選擇來(lái)增益。
如果考慮Q2和Q4的射極區(qū)域相同，則n1＝n2＝n且r3＝r4，那么PTAT電壓ΔVbe是ΔVbe=2KTqIn(n)---(7)]]>基準(zhǔn)電壓Vref為Vref=Vshift+Vbe.Q3+Vbe.Q1+I1*r3=Vshift+2(Vbe1+ΔVber3r1)---(8)]]>其中Vshift是PTAT和CTAT電壓的組合Vshift＝(4I1+I3+I4+I5)r2(9)這里Vbe1是Q1和Q3的基極-射極電壓。
為了看到放大器的偏移電壓對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響，考慮忽略基極電流，r3＝r4，n1＝n2＝n，而且放大器A具有如圖2所示的輸入偏移電壓Voff。如果該偏移電壓為零，則兩個(gè)電流I1和I2平衡。
對(duì)給定的電壓Voff，電流變?yōu)椴黄胶?，如等?0所示I1r3＝I2r3+Voff(10)如等式10所示，對(duì)于正的偏移電壓，I1＞I2。由于進(jìn)入高電流密度側(cè)(Q1，Q3)的電流I2減少而且進(jìn)入低電流密度側(cè)(Q2，Q4)的電流I1增加，ΔVbe減少。這趨向于減少電流I1，而且此固有的負(fù)反饋具有的作用是重新平衡r3上作為主PTAT電壓的電壓降。對(duì)于負(fù)的偏移電壓I1＜I2，ΔVbe增加而且PTAT電壓減少。
為了看到從根據(jù)圖1的電路到根據(jù)圖2的電路的改進(jìn)，模擬兩個(gè)適當(dāng)?shù)碾娐贰?br> 在根據(jù)圖1的模擬電路中，電阻值為r1＝20k；r2＝56.5k；r3＝r4＝100k；r5＝10.1k；r5＝10k。Q1是單位5×5微米射極晶體管。Q2是50個(gè)相同射極區(qū)域的單位晶體管的區(qū)域。集極電流I1和I2是在室溫下約5uA的PTAT電流。模擬的基準(zhǔn)電壓如圖3中所示。對(duì)于從-40C到85C的溫度范圍，基準(zhǔn)電壓變化約為3mV。這對(duì)應(yīng)于約10ppm/C的TC。
圖4示出了經(jīng)過(guò)增益電阻器(r5，r6)的電流及其差異(兩個(gè)基極電流之和)。電流差異能夠看作誤差，因?yàn)橐蜃印癰eta”或者集極電流對(duì)基極電流的比率由于過(guò)程變化而具有大的擴(kuò)展?？煽闯龃苏`差電流導(dǎo)致在r5＝10k上發(fā)展約為1.6mV的誤差電壓。
為了量化通過(guò)使用本發(fā)明的電路和方法而可能的改進(jìn)類型，設(shè)計(jì)和模擬了根據(jù)圖2的電路。在此示例性模擬電路中，電阻值為r1＝30k；r2＝5k；r3＝r4＝r8＝190k；r7＝142k。Q1、Q3、Q5、Q6、Q7、Q8是單位區(qū)域雙極晶體管；Q2和Q4每個(gè)是在25個(gè)并行單位區(qū)域雙極晶體管的區(qū)域上。從區(qū)域的觀點(diǎn)來(lái)看，兩個(gè)電路(圖1和圖2)是可比較的，因?yàn)閱挝浑p極晶體管的總數(shù)接近圖1中的Q2是50個(gè)單位，圖2中的Q2和Q4每個(gè)是25個(gè)單位。經(jīng)過(guò)r3、Q2、r1和Q4的電流是在室溫下約為5uA的PTAT電流，這與對(duì)于根據(jù)圖1的電路而言是相同的。放大器在兩個(gè)電路中也是相同的。
根據(jù)圖2的模擬基準(zhǔn)電壓如圖5中所示。對(duì)于相同的溫度范圍-40C到85C，根據(jù)圖4的總電壓變化約為40uV。這對(duì)應(yīng)于約為0.15ppm/C的TC，而且這是TC減少10/0.15＝68。
如果到圖2的電路中的電壓基準(zhǔn)的斜率通過(guò)精細(xì)調(diào)諧來(lái)補(bǔ)償，則僅保留剩余電壓曲率并且在圖6中顯示。如圖5所示，剩余的“曲率”電壓對(duì)應(yīng)于約為0.025ppm/C的TC。
圖7示出了Q1和Q5的基極電流如何相互跟蹤。正如所能看到的，這些電流在室溫下約為63nA，而且它們的差異對(duì)于整個(gè)溫度范圍是小于30pA。與由于到圖1的電路中的基極電流所造成的1.6mV電壓誤差相比，此電流在圖2中的r4上的電壓降小于6uV。
對(duì)于兩個(gè)電路，模擬了放大器輸入偏移電壓對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響。對(duì)于根據(jù)圖1的電路，到放大器的輸入中的1mV偏移電壓反映為到基準(zhǔn)電壓中的1.88mV誤差。對(duì)于根據(jù)圖2的電路，1mV偏移電壓反映為0.57mV。這對(duì)應(yīng)于電路偏移和噪聲靈敏度從圖1的電路到圖2減少了多于3倍。
圖8突出了偏移電壓如何影響圖2的電路中的Q1和Q2集極電流。第一個(gè)圖示出了1mV偏移電壓所造成的Q1和Q3集極電流變動(dòng)。下方的圖示出了對(duì)于相同偏移電壓的Q2和Q4集極電流變動(dòng)?？煽闯銎齐妷褐饕从车礁呙芏入娏鱾?cè)(Q1和Q3)中，而且這歸因于前面提到的針對(duì)偏移電壓的固有反饋。
圖2中第二放大器A2的偏移電壓對(duì)基準(zhǔn)電壓具有很低的影響。對(duì)于A2的1mV偏移將轉(zhuǎn)換為對(duì)于根據(jù)圖2的電路基準(zhǔn)電壓中的小于30uV誤差。
根據(jù)圖2的基準(zhǔn)電壓能夠通過(guò)堆疊更多雙極晶體管來(lái)適應(yīng)于較高的基準(zhǔn)電壓值。旨在產(chǎn)生5V基準(zhǔn)電壓的一個(gè)這樣的例子如圖9中所示。圖9與圖2非常相似，僅有的區(qū)別在于添加了部件到主基準(zhǔn)塊100以及主基準(zhǔn)塊100與其他兩個(gè)塊200、300之間耦合布局的后續(xù)改變。
在圖9中，附加的晶體管Q9、Q10、Q11和Q12在棧布局中提供為耦合到晶體管Q3和Q4。所有四個(gè)新晶體管在二極管連接配置中提供為Q9的集極耦合到Q3的射極，Q10的集極耦合到Q9的射極。相似地，Q11的集極耦合到Q10的射極，Q12的集極耦合到Q10的射極。Q11和Q12提供與電阻器r2與晶體管Q4之間。第一塊100到第三塊300的耦合是通過(guò)Q11和Q12的公共節(jié)點(diǎn)以及Q12和r2來(lái)提供。以相似方式，塊100到塊200的耦合是通過(guò)耦合到Q10、Q12和r2的公共節(jié)點(diǎn)的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解的，晶體管堆疊的實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)電路在較高電壓的工作。由于這樣所示晶體管的數(shù)目?jī)H用于示例性目的，任何數(shù)目的不同屬性的堆疊晶體管可等效地加以使用。
圖9也示出了能夠校正曲率的替選方法。在此實(shí)施例中，在圖2的等效塊300中出現(xiàn)的放大器和MOSFET布局由晶體管qn17和電阻器r9布局所取代。qn17的基極耦合到Q4的射極，集極耦合到電流源IM9，而射極耦合到電阻器r9。R9的第二端子耦合到Q12的射極。曲率校正是以與前述相似的方式來(lái)提供的。Q4的基極-射極電壓經(jīng)由Q12在電阻器r9上耦合，而且使用電流鏡IM9和IM11來(lái)產(chǎn)生CTAT電流。CTAT電流反饋到二極管連接的晶體管Q11中，以便增大其曲率，由此在r1上復(fù)制負(fù)的電壓“曲率”。此布局是可能的，因?yàn)樵趫D9的實(shí)施例中可使用更大數(shù)目的堆疊晶體管，而且將理解到任意數(shù)目的不同模式可用來(lái)提供曲率校正塊300的塊功能，并且雖然在圖9和2中已經(jīng)圖示了兩個(gè)示例性實(shí)施例，但是這些只是為了說(shuō)明可以與本發(fā)明的其他塊一起使用的類型，而且可以做出這樣的改型而不脫背離本發(fā)明的精神和范圍。
模擬了根據(jù)圖9的電路，其模擬結(jié)果如圖10中所示。對(duì)于此電路，電阻值為r1＝30k，r2＝5k，r3＝r4＝r8＝200k，r7＝60k；雙極晶體管Q1、Q3、Q5、Q7、Q8、Q9、Q10每個(gè)是5u×5u的單位射極區(qū)域；雙極晶體管Q2、Q4、Q11和Q12每個(gè)是12個(gè)5u×5u單位射極區(qū)域的區(qū)域。對(duì)于根據(jù)圖9的電路在25C的溫度執(zhí)行1000次迭代的MONTE CARLO分析，以觀察由于過(guò)程變化所造成的基準(zhǔn)電壓擴(kuò)展。如圖10中所示，分布中的參數(shù)“σ”在5V基準(zhǔn)電壓中是1.25mV。對(duì)于3σ，基準(zhǔn)電壓的偏離約為0.075％。
根據(jù)本發(fā)明電路的帶隙電壓基準(zhǔn)有利之處還在于產(chǎn)生如果執(zhí)行額外的修整則要求的固有PTAT和CTAT電流。
可理解，已經(jīng)參照具體的雙極晶體管NPN配置說(shuō)明了本發(fā)明，這不表示本發(fā)明的應(yīng)用限于這樣的配置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解，通過(guò)在PNP架構(gòu)等等中的實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)許多配置上的改型和變形?？衫斫?，此處所述的是根據(jù)本發(fā)明的帶隙電壓基準(zhǔn)的示例性實(shí)施例。具體的部件、特性和值已經(jīng)用來(lái)詳細(xì)說(shuō)明該電路，但是并不以任何方式限制本發(fā)明，除根據(jù)所附權(quán)利而認(rèn)為必要的除外。進(jìn)一步可理解，已經(jīng)使用其常規(guī)符號(hào)來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的一些部件，而且已經(jīng)省略實(shí)際的功能說(shuō)明，例如如何構(gòu)造放大器。這樣的功能對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，而且在需要附加細(xì)節(jié)時(shí)，將理解到可以在許多的標(biāo)準(zhǔn)教科書(shū)中能夠找到。
相似地，此說(shuō)明書(shū)中使用的字眼包括旨在表明所述特性、整數(shù)、步驟或部件的存在，但是并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特性、整數(shù)、步驟、部件或其分組的存在或添加。
權(quán)利要求
1.一種帶隙基準(zhǔn)電壓電路，包括具有第一和第二輸入并且在其輸出提供電壓基準(zhǔn)的第一放大器，該放大器在其第一輸入耦合到第一晶體管且在第二輸入耦合到第二晶體管，第二晶體管具有比第一晶體管的射極區(qū)域更大的射極區(qū)域，而且其中第二晶體管在其射極耦合到負(fù)載電阻器，該負(fù)載電阻器在使用中提供第一與第二晶體管之間的基極射極電壓差的測(cè)量ΔVbe用于在帶隙基準(zhǔn)電壓的形成中使用，每一晶體管的基極公共地耦合，使得第一和第二晶體管的基極處于相同電勢(shì)，第一和第二晶體管中的一個(gè)提供于二極管連接的配置中，第一和第二晶體管中另一個(gè)的基極集極電壓通過(guò)在反饋環(huán)中耦合到每一晶體管的集極的放大器來(lái)維持于零，由此減少早期效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，還包括第三和第四晶體管，第三晶體管耦合到第一晶體管的射極，而第四晶體管經(jīng)由負(fù)載電阻器耦合到第二晶體管的射極，第四晶體管的射極區(qū)域大于第一或第三晶體管的射極區(qū)域，使得第一和第三晶體管比第二和第四晶體管工作于更高的電流密度，而且其中經(jīng)由對(duì)放大器的第二輸入處的反饋環(huán)中的電阻器提供PTAT電壓，使得放大器的輸出處提供的電壓是第一和第三晶體管的基極射極電壓加上該P(yáng)TAT電壓的組合。
3.如權(quán)利要求2所述的電路，其中第三和第四晶體管中的每一個(gè)提供于二極管連接的配置中。
4.如權(quán)利要求2所述的電路，其中第三晶體管的射極經(jīng)由第二電阻器耦合到地，該電阻器的值實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓從兩倍于固有帶隙電壓到預(yù)期電壓的轉(zhuǎn)變，由此允許對(duì)電路的偏移調(diào)整。
5.如權(quán)利要求3所述的電路，還包括第三和第四電阻器，分別提供在放大器的輸出與第一和第二晶體管的集極之間的每一反饋環(huán)路徑中。
6.如權(quán)利要求5所述的電路，其中每一反饋環(huán)中提供的電阻器是基本相同的值。
7.如權(quán)利要求5所述的電路，其中每一反饋環(huán)中提供的電阻器具有不同的值。
8.如權(quán)利要求5所述的電路，還包括如下電路元件，該電路元件適于為無(wú)二極管連接的晶體管提供基極電流而且從相同晶體管的集極提取該相同電流，由此將第一和第二晶體管中每一個(gè)的集極電流維持于相同值。
9.如權(quán)利要求5所述的電路，還包括如下電路元件，該電路元件適于為無(wú)二極管連接的晶體管提供基極電流而且從相同晶體管的集極提取該相同電流，該電路元件適于補(bǔ)償無(wú)二極管連接的晶體管與另一晶體管之間的基極電流變化，由此減少由基極電流引起的電路中的誤差。
10.如權(quán)利要求8所述的電路，其中無(wú)二極管連接的晶體管是第一晶體管，而且適于從第一晶體管的集極提取電流的該電路元件包括由第一和第三晶體管限定的電路支路的復(fù)制，該復(fù)制的支路包括電路的第五和第六晶體管，第五晶體管的基極耦合到第一晶體管的集極，第五晶體管的射極耦合到第六晶體管的集極，第六晶體管的基極耦合到第三晶體管的二極管連接的基極，由此提供電流鏡，使得基極電流通過(guò)第五晶體管從第一晶體管的集極提取。
11.如權(quán)利要求10所述的電路，其中第一和第二晶體管的基極電流還經(jīng)由第七和第八晶體管以及雙極鏡來(lái)鏡像，第六和第八晶體管的基極電流由雙電流鏡從放大器的輸出來(lái)供給，使得第三、第六和第八晶體管中每一個(gè)的集極電流相同。
12.如權(quán)利要求11所述的電路，其中第五晶體管的集極經(jīng)由電阻器耦合到放大器的輸出，該電阻器的值基本等于第四電阻器的值，使得第五晶體管的基極電流跟蹤第一晶體管的基極電流。
13.如權(quán)利要求11所述的電路，其中第一和第二晶體管的基極電流還經(jīng)由耦合到第五和第七晶體管的一連串鏡來(lái)鏡像，使得鏡像的電流可從第五和第七晶體管的射極提取，由此保證第五和第七晶體管的集極電流是基本上相同值，此電流還經(jīng)由耦合在第七晶體管的集極與放大器的輸出之間的電流鏡來(lái)鏡像，由此提供PTAT電流。
14.如權(quán)利要求3所述的電路，還包括適于提供校正電壓的電路元件，該校正電壓適于補(bǔ)償?shù)谝缓偷谌w管的電壓曲率，該校正電壓的結(jié)合實(shí)現(xiàn)曲率的消除。
15.如權(quán)利要求14所述的電路，其中適于提供校正電壓的該電路元件適于在負(fù)載電阻器提供PTAT和CTAT電壓的混合。
16.如權(quán)利要求14所述的電路，其中該校正電壓是通過(guò)鏡像電阻器上第四晶體管的基極-射極電壓以及通過(guò)使用MOSFET器件和放大器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生與絕對(duì)溫度相補(bǔ)(CTAT)來(lái)提供，該CTAT電流經(jīng)由至少一個(gè)電流鏡提供回到第四晶體管中，由此在負(fù)載電阻器上復(fù)制具有反曲率的電壓，此復(fù)制的電壓與先前存在的電壓(ΔVbe)的組合實(shí)現(xiàn)曲率的消除。
17.如權(quán)利要求15所述的電路，其中可通過(guò)改變由電流鏡和第四晶體管提供的電流的斜率來(lái)修改具有反曲率的電壓的大小。
18.如權(quán)利要求1所述的電路，還包括耦合到第三和第四晶體管的多個(gè)附加晶體管，所述多個(gè)附加晶體管提供于棧布局中，由此允許使用具有較高基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電路。
19.一種帶隙基準(zhǔn)電壓電路，包括具有第一和第二輸入并且在其輸出提供電壓基準(zhǔn)的第一放大器，該放大器在其第一輸入耦合到第一晶體管且在第二輸入耦合到第二晶體管，該放大器在反饋環(huán)中耦合到每一晶體管的集極，第二晶體管具有比第一晶體管的射極區(qū)域更大的射極區(qū)域，該電路還包括每個(gè)提供于二極管連接的配置中的第三和第四晶體管，而且其中第二晶體管在其射極耦合到負(fù)載電阻器，該負(fù)載電阻器在使用中提供第一與第二晶體管之間的基極射極電壓差的測(cè)量ΔVbe用于在帶隙基準(zhǔn)電壓的形成中使用，每一晶體管的基極公共地耦合，使得第一和第二晶體管的基極處于相同電勢(shì)，第一和第二晶體管中的一個(gè)提供于二極管連接的配置中，第三晶體管耦合到第一晶體管的射極，而第四晶體管經(jīng)由負(fù)載電阻器耦合到第二晶體管的射極，第四晶體管的射極區(qū)域大于第一或第三晶體管的射極區(qū)域，使得第一和第三晶體管比第二和第四晶體管工作于更高的電流密度，而且其中經(jīng)由對(duì)放大器的第二輸入處的放大器反饋環(huán)中的電阻器提供PTAT電壓，使得放大器的輸出處提供的電壓是第一和第三晶體管的基極射極電壓加上該P(yáng)TAT電壓的組合，以及第一和第二晶體管中另一個(gè)的基極集極電壓通過(guò)在反饋環(huán)中耦合到每一晶體管的集極的放大器來(lái)最小化，由此減少早期效應(yīng)。
20.一種提供適于補(bǔ)償早期效應(yīng)的帶隙基準(zhǔn)電壓電路的方法，該方法包括步驟提供第一和第二晶體管，每一晶體管適于工作于不同電流密度，第一晶體管提供于二極管連接的配置中，所述晶體管還耦合到放大器的輸入，縮放在不同電流密度工作的兩個(gè)晶體管之間的電壓差以便在放大器的輸出提供基準(zhǔn)電壓，提供反饋環(huán)，該反饋環(huán)將第一和第二晶體管中的每一個(gè)耦合到放大器的輸出以便在放大器的輸出提供電壓基準(zhǔn)，使得第一和第二晶體管中每一個(gè)的集極基極電壓減少到零。
全文摘要
描述了一種帶隙電壓基準(zhǔn)，其減少了對(duì)噪聲和放大器偏移的靈敏度。通過(guò)配置電路元件使得部件晶體管的基極寬度不因偏置的施加而變化，有可能消除早期效應(yīng)。
文檔編號(hào)G05F3/22GK1890617SQ200480036824
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月9日
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