具有可調(diào)溫度靈敏度的低功率參考電流發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】提供了一種改進(jìn)的參考電流發(fā)生器。電壓差發(fā)生器生成相隔相對(duì)小的電勢(shì)的兩個(gè)電壓。這兩個(gè)接近地分隔開的電壓被施加至具有相對(duì)大的阻抗值的電阻元件兩端，以產(chǎn)生小且穩(wěn)定的參考電流。這產(chǎn)生一種節(jié)能、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娏靼l(fā)生器。
【專利說(shuō)明】具有可調(diào)溫度靈敏度的低功率參考電流發(fā)生器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年5月16日提交的美國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)N0.13/472，870的優(yōu)先權(quán)，同時(shí)要求于2011年5月20日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/488，169以及于2011年6月27日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/501，378的優(yōu)先權(quán)。以上申請(qǐng)中的每個(gè)申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容通過(guò)引用合并到本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及集成電路中使用的電流參考電路，并且尤其涉及支持功率降低的集成電路拓?fù)洹?br> 【背景技術(shù)】
[0004]一般而言，在以下說(shuō)明書中，我們將以斜體表示低功率電流參考設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該熟悉的本領(lǐng)域的每個(gè)專用術(shù)語(yǔ)的第一次出現(xiàn)。另外，當(dāng)我們首次介紹我們認(rèn)為是新的或在我們認(rèn)為是新的環(huán)境中將使用的術(shù)語(yǔ)時(shí)，我們將以粗體表示該術(shù)語(yǔ)并且提供我們意圖應(yīng)用于該術(shù)語(yǔ)的定義。另外，在本說(shuō)明書中，當(dāng)指出信號(hào)、信號(hào)標(biāo)志、狀態(tài)位或類似設(shè)備呈現(xiàn)為其邏輯真或邏輯假狀態(tài)時(shí)，有時(shí)我們將分別使用術(shù)語(yǔ)“廣纟和
“否定(/1呀《鉍)”,并且使用術(shù)語(yǔ)“_來(lái)表示信號(hào)從一個(gè)邏輯狀態(tài)到另
一邏輯狀態(tài)的邏輯反轉(zhuǎn)?？蛇x地,我們可以將互斥的“本次《)”狀態(tài)稱作邏輯ο和邏輯I。當(dāng)然，眾所周知的，通過(guò)對(duì)全部這樣的信號(hào)的邏輯含義取反能夠獲得一致的系統(tǒng)操作，使得本文中描述為邏輯真的信號(hào)變成邏輯假，反之亦然。另外，在這樣的系統(tǒng)中，選擇哪些具體電壓電平來(lái)表示每 個(gè)邏輯狀態(tài)毫無(wú)關(guān)系。
[0005]隨著電池供電裝置的激增，功率消耗對(duì)于電路設(shè)計(jì)者變成關(guān)鍵問(wèn)題。支持功率降低的電路拓?fù)湓谘娱L(zhǎng)電池壽命方面是相當(dāng)有價(jià)值的。由于所有模擬電子設(shè)備都需要用于正確操作的偏置電流，所以參考電生實(shí)際上存在于任何集成電路中。該參考電流通常也是溫度補(bǔ)償?shù)模沟秒娏鲗?duì)溫度基本上不敏感或與絕對(duì)溫度成比例(uPTArT )或與絕對(duì)溫度互補(bǔ)(uCTAr )?大多數(shù)參考電流發(fā)生器由于飽和晶體管和相對(duì)小的電阻器的大量使用而消耗相當(dāng)大的功率。
[0006]可以以各種各樣的方式生成參考電流。圖1和圖2示出了兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)示例。在圖1所示的一個(gè)這樣的現(xiàn)有技術(shù)示例參考電流發(fā)生器電路10中，可以利用緩沖器14對(duì)來(lái)自參考電壓發(fā)生器(例如，帶隙參考電壓發(fā)生器)12的電壓進(jìn)行放大并且將其施加至電阻器16兩端。帶隙參考電壓發(fā)生器12和電阻器16對(duì)溫度均是相當(dāng)不敏感的，并且可以對(duì)它們進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)期望的溫度靈敏度(例如，零溫度靈敏度、PTAT, CTAT)。然而，參考電流發(fā)生器電路10消耗相當(dāng)大的功率。電壓發(fā)生器12汲取(draw)相當(dāng)大的功率，標(biāo)稱上為一微安(IyA)量級(jí)。大電壓與相對(duì)小的電阻器相結(jié)合的這種組合產(chǎn)生過(guò)多的電流汲取。在假定1.25V的典型帶隙參考電壓和IOOkQ的典型片上電阻器的情況下，參考電流發(fā)生器電路10消耗1.25/100e3=12.5μ A的參考電流。該電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了許多現(xiàn)代電池供電裝置所施加的極限。
[0007]類似地，圖2中示出的結(jié)構(gòu)在可實(shí)現(xiàn)好的溫度靈敏度方面也是典型的。然而，參考電流發(fā)生器電路18中的有源器件工作于飽和區(qū)并且通常會(huì)汲取遠(yuǎn)大于I μ A的電流。
[0008]考慮到電流參考發(fā)生器的廣泛使用以及這些電路的相當(dāng)大的功率需求，我們主張需要一種用于超低功率的溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娏靼l(fā)生器的改進(jìn)的方法和設(shè)備。這樣的方法和設(shè)備對(duì)于在諸如電池供電的電子設(shè)備的功率敏感系統(tǒng)中使用是重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本公開內(nèi)容的優(yōu)選實(shí)施方式，提供了一種用于生成參考電流的電路，該電路包括用于提供第一電壓和第二電壓的電壓差發(fā)生器。電壓差發(fā)生器包括用于供應(yīng)第一供應(yīng)電壓的參考電壓發(fā)生器。電壓差發(fā)生器還包括電耦接至第一供應(yīng)電壓的電壓緩沖放大器，并且該電壓緩沖放大器用于供應(yīng)第二供應(yīng)電壓。電壓差發(fā)生器還包括電耦接至第二供應(yīng)電壓的電壓梯(voltage ladder)，并且該電壓梯用于供應(yīng)第一電壓和第二電壓。所述用于生成參考電流的電路還包括電耦接至第一電壓的第一緩沖器。第一緩沖器用于供應(yīng)第三電壓。第一緩沖器包括第一放大器，該第一放大器用于接收第一電壓和第三電壓并且將第一電壓和第三電壓進(jìn)行比較。響應(yīng)于該比較，第一放大器輸出第一控制電壓。第一緩沖器還包括第一晶體管器件，該第一晶體管器件用于接收第一控制電壓并且作為響應(yīng)提供第三電壓。所述用于生成參考電流的電路還包括電耦接至第二電壓的第二緩沖器。第二緩沖器用于提供第四電壓。第二緩沖器包括第二放大器。第二放大器用于接收第二電壓和第四電壓并且將第二電壓和第四電壓進(jìn)行比較。響應(yīng)于該比較，第二放大器輸出第二控制電壓。第二緩沖器還包括第二晶體管器件，該第二晶體管器件用于接收第二控制電壓并且作為響應(yīng)供應(yīng)第四電壓。所述用于生成參考電流的電路還包括電耦接于第三電壓和第四電壓之間的電阻元件。電阻元件用于生成作為第三電壓和第四電壓的函數(shù)的參考電流。
[0010]在一個(gè)其它實(shí)施方式中，提供了一種用于生成參考電流的電路，該電路包括電壓差發(fā)生器。電壓差發(fā)生器用于供應(yīng)第一電壓和第二電壓。所述用于生成參考電流的電路還包括電耦接至第一電壓的第一緩沖器。第一緩沖器用于供應(yīng)第三電壓。所述用于生成參考電流的電路還包括電耦接至第二電壓的第二緩沖器。第二緩沖器用于供應(yīng)第四電壓。所述用于生成參考電流的電路還包括電耦接于第三電壓和第四電壓之間的電阻元件。該電阻元件用于生成作為第三電壓和第四電壓的函數(shù)的參考電流。
[0011]我們主張本公開內(nèi)容的這些實(shí)施方式中的每個(gè)實(shí)施方式提供超低功率的溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娏靼l(fā)生器，該發(fā)生器的性能通常能夠比得上最優(yōu)的現(xiàn)有技術(shù)，而與這樣的現(xiàn)有技術(shù)的已知實(shí)現(xiàn)相比，需要較少的電路并且消耗較少功率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]本文所描述的附圖僅用于示出所選實(shí)施方式而非所有可能的實(shí)現(xiàn)的目的，并且不意在限制本公開內(nèi)容的范圍。
[0013]圖1以框圖形式示出了現(xiàn)有技術(shù)的參考電流發(fā)生器電路的實(shí)施方式；[0014]圖2以框圖形式示出了現(xiàn)有技術(shù)的參考電流發(fā)生器電路的另一實(shí)施方式；
[0015]圖3以框圖形式示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的參考電流發(fā)生器電路的實(shí)施方式；
[0016]圖4以框圖形式示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的參考電流發(fā)生器電路的另一實(shí)施方式；
[0017]圖5以框圖形式示出了根據(jù)圖4中所示的公開內(nèi)容的參考電流發(fā)生器電路的更詳細(xì)實(shí)現(xiàn)；
[0018]圖6以框圖形式示出了在根據(jù)圖3、圖4、圖5以及圖7中所示的公開內(nèi)容的參考電流發(fā)生器的實(shí)施方式中使用的示例性的基于晶體管的電阻元件；以及
[0019]圖7以框圖形式示出了根據(jù)圖4中所示的公開內(nèi)容的參考電流發(fā)生器電路的另一更詳細(xì)實(shí)現(xiàn)。
[0020]在附圖中，相似元件將盡可能類似地標(biāo)記。然而，該實(shí)踐僅為了便于參考并且避免不必要的附圖標(biāo)記的激增，而并不意在暗示或示教本公開內(nèi)容要求若干實(shí)施方式中的功能或結(jié)構(gòu)中的一致性。
【具體實(shí)施方式】
[0021]描述一種新的參考電流發(fā)生器，其與現(xiàn)有的電流參考發(fā)生器相比汲取明顯較少的功率(例如，少10-1000倍的量級(jí))而仍然實(shí)現(xiàn)顯著的溫度補(bǔ)償。本申請(qǐng)中先前描述的現(xiàn)有技術(shù)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)良好的溫度靈敏度。然而，該實(shí)現(xiàn)是以消耗的功率超過(guò)電流預(yù)算為毫微安量級(jí)的超低功率集成電路的低功率需求為代價(jià)來(lái)達(dá)到的。公開了新的參考電流發(fā)生器拓?fù)?，該參考電流發(fā)生器拓?fù)湓趯?shí)現(xiàn)最小功率的同時(shí)仍然保持良好的溫度靈敏度。如圖1中所示的架構(gòu)一樣，本申請(qǐng)的新的參考電流發(fā)生器將電壓施加至電阻元件兩端以生成參考電流。然而，代替生成相對(duì) 大的電壓來(lái)施加至相對(duì)小的電阻器兩端(其導(dǎo)致高電流汲取)，新的參考電流發(fā)生器提供值相對(duì)接近的兩個(gè)電壓并且將這些電壓施加至具有相對(duì)高的阻抗值(例如，大于1ΜΩ )的電阻元件兩端。將相對(duì)小的電壓差施加至相對(duì)大的值的電阻元件兩端提供了改進(jìn)很多的功率效率。
[0022]根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方式，圖3呈現(xiàn)了示出參考電流發(fā)生器20的框圖。參考電流發(fā)生器20包括電壓差發(fā)生器22，電壓差發(fā)生器22生成在圖3中被標(biāo)記為V_24和Vb()t26的兩個(gè)接近地分隔開的(closely separated)的電壓。這兩個(gè)電壓Vt()p24和Vb()t26被施加至電阻元件28的兩端，以產(chǎn)生圖3中被標(biāo)記為IMf的期望的參考電流。作為示例，假定由電壓差發(fā)生器22生成的電壓處于相差I(lǐng)OmV的兩個(gè)不同電勢(shì)。進(jìn)一步假定電阻元件28具有50ΜΩ的阻抗值。在這些情況下，參考電流發(fā)生器20產(chǎn)生200皮安(200pA)的相對(duì)小的參考電流Iref (被計(jì)算為0.01V/50e6 Ω )。
[0023]類似地，根據(jù)本公開內(nèi)容的另一實(shí)施方式，圖4呈現(xiàn)了示出參考電流發(fā)生器30的框圖。參考電流發(fā)生器30包括電壓差發(fā)生器22。如在圖3中的實(shí)施方式中，電壓差發(fā)生器22生成在圖4中被標(biāo)記為V_24和Vb(rt26的兩個(gè)接近地分隔開的電壓。通過(guò)上緩沖器32和下緩沖器34對(duì)這兩個(gè)接近地分隔開的電壓Vt()p24和Vb(rt26進(jìn)行緩沖。所獲得的來(lái)自上緩沖器32和下緩沖器34的輸出電壓被施加至電阻元件28兩端，以產(chǎn)生圖4中被標(biāo)記為IMf的期望參考電流。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，電壓緩沖放大器(上緩沖器32和下緩沖器34)的設(shè)計(jì)技術(shù)是已知的。示例性替代實(shí)施方式可以包括諸如
共漏極放大器(也稱為源被廣燧器)的電路，或諸如以#位禮^配置連接的差分放大器的更復(fù)雜的電路。然而，為了使功率最小化，通常理想的是，利用具有亞閾值偏置晶體管(sub-threshold-biased transistors)的電路拓?fù)?。同樣，為了隔離和性能原因，通常
理想的是，利用通常與這些類型的緩沖放大器相關(guān)聯(lián)的具有高庳和祗庳矣餘
政的電路。關(guān)于電壓差發(fā)生器22和電阻元件28的設(shè)計(jì)的更詳細(xì)討論可以在后續(xù)部分中找到。
[0024]圖5更詳細(xì)地示出了圖4中示出的本申請(qǐng)的參考電流發(fā)生器的實(shí)施方式的示例性實(shí)現(xiàn)。參考電流發(fā)生器36包括電壓差發(fā)生器22。電壓差發(fā)生器22生成兩個(gè)接近地分隔開的電壓Vt()p24和Vb(rt26，并且以最小的功率消耗生成Vt()p24和Vb()t26。根據(jù)本串請(qǐng)以及環(huán)境，可以將接近地分隔開的電壓表征為差別在約I暈伏與I伏之間(優(yōu)選地在約5暈伏與500毫伏之間)的范圍內(nèi)的電壓電勢(shì)。通過(guò)示例，振蕩器的第一代原型包括具有在20毫伏至50毫伏范圍內(nèi)接近地分隔開的電壓的電壓差發(fā)生器22。從多個(gè)串聯(lián)連接的電阻元件中的兩個(gè)所選節(jié)點(diǎn)，來(lái)生成兩個(gè)接近地分隔開的電壓V_24和Vb()t26。被構(gòu)造為一堆串聯(lián)連接的電阻電路元件(例如電阻器)的該電壓梯能夠生成多個(gè)電壓，該多個(gè)電壓處于相差僅若干毫伏的電勢(shì)。然而，用于實(shí)現(xiàn)期望的電壓差所需的電阻器會(huì)非常大且利用現(xiàn)代半導(dǎo)體科技和技術(shù)是無(wú)法做到的。例如，針對(duì)電壓梯考慮1.8V的供應(yīng)電壓和IOOpA的目標(biāo)電流預(yù)算。在該示例性情況下，串聯(lián)連接的電阻器堆的總電阻必須是186Ω。在當(dāng)前的0.18 μ m的制造工藝下，這樣的電阻器將需要大于IOOmm2的芯片面積。
[0025]可選地，優(yōu)選將電壓梯實(shí)現(xiàn)為二;被##法對(duì)?晶體管的串聯(lián)連接堆，其在圖5中示出為NMOS器件38、40、42和44。如NMOS器件42和NMOS器件44之間的省略號(hào)所示，可以將另外的二極管接法的晶 體管置于該串聯(lián)連接堆中，以便將所選擇的電壓調(diào)節(jié)至期望的電勢(shì)。在所示實(shí)施方式中，電壓V_24是NMOS晶體管38和NMOS晶體管40之間的節(jié)點(diǎn)上形成的電壓電勢(shì)。類似地，電壓Vb()t26是NMOS晶體管40和NMOS晶體管42之間的節(jié)點(diǎn)上形成的電壓電勢(shì)。利用二極管接法的晶體管的串聯(lián)連接堆來(lái)生成V_24和Vb(rt26是重要的，這是因?yàn)槠浯_保V_24和Vb(rt26之間的電壓差相對(duì)較小。利用二極管接法的晶體管的串聯(lián)連接堆來(lái)生成V_24和Vb(rt26還確保V_24的電壓值大于Vb()t26的電壓值。根據(jù)特定環(huán)境下的特定實(shí)現(xiàn)的需求和規(guī)格，可以使用其它泫。為了使功率最小化，通常理想的是，使用具有亞閾值偏置晶體管的電路拓?fù)洹Ｈ欢?，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以實(shí)現(xiàn)類似的電路拓?fù)涠痪哂衼嗛撝灯镁w管，盡管這樣不能實(shí)現(xiàn)功率的絕對(duì)最小化。已知，在全部器件基本上等同的情況下，亞閾值偏置的二極管接法的晶體管堆的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓是溫度不敏感的。另外，通過(guò)調(diào)整串聯(lián)連接堆中的器件的大小能夠使得內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓為PTAT或CTAT，從而簡(jiǎn)化了溫度補(bǔ)償處理。另外，理想的是，利用類似的電路結(jié)構(gòu)而非獨(dú)立的結(jié)構(gòu)來(lái)生成V_24和Vb()t26，從而確保它們直接追蹤彼此在制造工藝中發(fā)生的工藝變化、溫度變化以及電壓變化。使用PMOS器件是二極管堆的可行替代實(shí)施方式。
[0026]根據(jù)本公開內(nèi)容，接近地分隔開的電壓V_24和Vbtrt26分別各自驅(qū)動(dòng)在圖4、圖5和圖7中示出為上緩沖器32和下緩沖器34的緩沖放大器。因此，理想的是，選擇具有基本上大于地電勢(shì)且基本上小于供應(yīng)電壓的值的Vt()p24和Vb(rt26。這具有在
高增益區(qū)域(high gain region )中偏置每個(gè)緩沖放大器的理想效果。
[0027]上緩沖器32包括兩級(jí)，第一級(jí)包括放大器電路46而第二級(jí)包括NMOS器件48?？梢岳帽绢I(lǐng)域的技術(shù)人員已知的技術(shù)(例如之前提到的那些技術(shù)，其可以包括諸如共漏極放大器(也稱為源極跟隨器)的示例性電路或者諸如以單位增益配置連接的差分放大器的更復(fù)雜的電路)來(lái)實(shí)現(xiàn)放大器電路46。放大器電路46被配置成利用負(fù)反饋來(lái)使得NMOS器件48的源極的電壓與放大器電路46的正輸入端處的V_24相同。放大器電路46對(duì)NMOS器件48的柵極處的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持NMOS器件48的源極處的電壓基本上恒定，該電壓基本上等于Vt()p24。
[0028]與上緩沖器32類似，下緩沖器34包括兩級(jí)，第一級(jí)包括放大器電路50，而第二級(jí)包括PMOS器件52。再者，放大器電路50被配置成利用負(fù)反饋。下緩沖器34與上緩沖器32的區(qū)別在于:使用PMOS器件以及利用負(fù)反饋使得PMOS器件52的源極的電壓與放大器電路50的正輸入端處的Vb()t26相同。放大器電路50調(diào)節(jié)PMOS器件52的柵極處的電壓，以保持PMOS器件52的源極處的電壓基本上恒定，該電壓基本上等于Vb()t26。從而，將V_24和Vb(rt26的緩沖后的變形施加至電阻元件28兩端。
[0029]電阻元件28必須提供非常大的阻抗(通常>1ΜΩ )以確保最小功率，并且應(yīng)該具有相對(duì)小且主要為線性的溫度靈敏度以允許溫度補(bǔ)償。如果晶體管偏置在亞閾值區(qū)域內(nèi)，則晶體管可用作電阻元件并且可以實(shí)現(xiàn)非常高的阻抗。然而，晶體管趨于對(duì)溫度具有大的非線性靈敏度。多晶硅電阻器由于能夠被制成具有相當(dāng)高的阻抗并且具有小且相對(duì)線性的溫度靈敏度而更有吸引力。例如，可以利用遠(yuǎn)小于0.5mm2的芯片面積以0.18 μ m工藝來(lái)制造10ΜΩ的P型多晶硅電阻器。
[0030]也可以利用電流電壓特性與電阻器類似的各種基于晶體管的拓?fù)?，?lái)在較小面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)電阻元件28。根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方式，在圖6中示出這樣的基于晶體管的拓?fù)?4?；诰w管的拓?fù)?4能夠在端子“pOS”56和端子“neg” 58之間生成如同電阻器的非常高阻抗的裝置。電阻元件28可以在小面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且在NMOS器件60和NMOS器件62偏置在亞閾值區(qū)域內(nèi)的情況下具有最小功率。然而，應(yīng)該注意，線性度通常將不會(huì)與通常通過(guò)傳統(tǒng)電阻器(例如之前討論的多晶硅電阻器)實(shí)現(xiàn)的線性度相匹配。
[0031]圖7示出了本申請(qǐng)的參考電流發(fā)生器64的另一詳細(xì)實(shí)施方式。參考電流發(fā)生器64包含如之前公開的電壓差發(fā)生器66，電壓差發(fā)生器66生成兩個(gè)接近地分隔開的電壓V_24和Vb()t26。如之前所公開的，接近地分隔開的電壓V_24和Vb()t26分別各自對(duì)緩沖放大器(具體地，上緩沖器32和下緩沖器34)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。上緩沖器32和下緩沖器34如之前所公開的那樣同樣運(yùn)行。除之前討論的串聯(lián)連接的二極管接法的晶體管堆之外，電壓差發(fā)生器66包括由NMOS晶體管68和70表示的兩晶體管參考電壓發(fā)生器以及電壓緩沖器72。該兩晶體管參考電壓發(fā)生器為串聯(lián)連接的二極管接法的晶體管堆提供基本上穩(wěn)定的供應(yīng)電壓。NMOS器件70和NMOS器件68工作在^^存.(weak inversion )模式下或亞閾值區(qū)域內(nèi)，從
而與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比大幅降低功率消耗?？梢岳帽绢I(lǐng)域的技術(shù)人員已知的技術(shù)(包括包含美國(guó)專利申請(qǐng)12/823，160中所描述的兩晶體管參考電壓發(fā)生器的變型的電路，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并到本文中)來(lái)生成穩(wěn)定的供應(yīng)電壓。電壓緩沖放大器72接收由上述兩晶體管參考電壓發(fā)生器所生成的基本上穩(wěn)定的供應(yīng)電壓，并且驅(qū)動(dòng)電壓梯的供應(yīng)電壓輸入，從而將電壓梯的負(fù)載與參考電壓發(fā)生器隔離。可以利用任何已知的技術(shù)(包括本文所公開的技術(shù))來(lái)設(shè)計(jì)電壓緩沖放大器72。然而，為了使功率最小化，通常理想的是，利用具有亞閾值偏置晶體管的電路拓?fù)?。同樣，為了隔離和性能原因，通常理想的是，利用通常與這些類型的緩沖放大器相關(guān)聯(lián)的具有高阻抗輸入和低阻抗輸出的電路。圖7還示出了電流鏡74。電阻元件28被設(shè)置為與二極管接法的PMOS器件76串聯(lián)，從而PMOS器件76將參考電流IMf鏡像至PMOS器件78。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，盡管通常利用亞閾值偏置晶體管來(lái)使相關(guān)功率最小化，然而電流鏡74可以是許多不同變型之一。
[0032]當(dāng)設(shè)計(jì)參考電流發(fā)生器時(shí)，通常理想的是，將參考電流的溫度靈敏度調(diào)整至目標(biāo)值。雖然使電流遵循與絕對(duì)溫度成比例(PTAT)的特性或與絕對(duì)溫度互補(bǔ)(CTAT)的特性也是有用的，但是通常理想的是，使溫度靈敏度最小化。芯片設(shè)計(jì)者可以改變?nèi)舾稍O(shè)計(jì)變量的溫度靈敏度來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的溫度靈敏度。例如，可以基于圖6中所示的電阻元件28的溫度靈敏度來(lái)選擇電阻元件28。已知一些電阻器的阻抗隨溫度增大，而其它電阻器的阻抗隨溫度減小?？蛇x地，圖3、圖4、圖5和圖7中所示的V_24-Vb()t26的溫度靈敏度為高線性的并且可以通過(guò)調(diào)整堆中的二極管接法的晶體管的大小來(lái)簡(jiǎn)單地將溫度靈敏度從CTAT改變?yōu)镻TAT0可以通過(guò)調(diào)整圖7所示的兩晶體管參考電壓發(fā)生器的NMOS晶體管68和70的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度靈敏度的類似改變。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，上述PTAT和CTAT適應(yīng)性改變是通過(guò)其可以調(diào)整諸如本文所描述的那些電路以使電流遵循PTAT或CTAT特性的方法的連續(xù)體的示例。也可以改變緩沖器和電流鏡結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度靈敏度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以利用上述設(shè)計(jì)技術(shù)與其它已知技術(shù)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的溫度靈敏度。
[0033]在題為“A 0.9%/V, 82ppm/ 5C> 25.5nff CMOS Oscillator for Ultra-Low PowerSensing Systems”(其主題的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用清楚地合并到本文中)的未出版的原稿中描述了振蕩器的第一代原型。該振蕩器消耗僅25nW并且在T=0°C至T=40°C的溫度范圍內(nèi)具有僅82ppm/°C的溫度靈敏度，這使得其成為當(dāng)前一代片上振蕩器的超低功率替代者。我們的第二代原型振蕩器以近似InA的電流汲取運(yùn)行。
[0034]因此，顯然本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N用于超低功率溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娏靼l(fā)生器的改進(jìn)方法和設(shè)備。特別地，我們認(rèn)為本申請(qǐng)的方法和設(shè)備提供了總體上能夠比得上最優(yōu)的現(xiàn)有技術(shù)的性能，而與這樣的現(xiàn)有技術(shù)的已知實(shí)現(xiàn)相比需要較少電路且消耗較少功率。因此，我們認(rèn)為本公開內(nèi)容將全部這樣的變型和修改包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于生成參考電流的電路，所述電路包括: 電壓差發(fā)生器，用于供應(yīng)第一電壓和第二電壓，所述電壓差發(fā)生器包括: 參考電壓發(fā)生器，用于供應(yīng)第一供應(yīng)電壓； 電壓緩沖放大器，其電耦接至所述第一供應(yīng)電壓并且用于供應(yīng)第二供應(yīng)電壓；以及電壓梯，其電耦接至所述第二供應(yīng)電壓并且用于供應(yīng)所述第一電壓和所述第二電壓；第一緩沖器，其電耦接至所述第一電壓，所述第一緩沖器用于供應(yīng)第三電壓，所述第一緩沖器包括: 第一放大器，所述第一放大器用于: 接收所述第一電壓； 接收所述第三電壓；以及 將所述第一電壓與所述第三電壓進(jìn)行比較，并且作為響應(yīng)輸出第一控制電壓；以及第一晶體管器件，用于接收所述第一控制電壓，并且作為響應(yīng)供應(yīng)所述第三電壓；第二緩沖器，其電耦接至所述第二電壓，所述第二緩沖器用于供應(yīng)第四電壓，所述第二緩沖器包括: 第二放大器，所述第二放大器用于: 接收所述第二電壓； 接收所述第四電壓；以及 將所述第二電壓與所述第四電壓進(jìn)行比較，并且作為響應(yīng)輸出第二控制電壓；以及第二晶體管器件，用于接收所述第二控制電壓，并且作為響應(yīng)供應(yīng)所述第四電壓；以及電阻元件，其電耦接在所述第三電壓和所述第四電壓之間，所述電阻元件用于生成作為所述第三電壓和所述第四電壓的函數(shù)的參考電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述第一電壓和所述第二電壓的特征還在于接近地分隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述參考電壓發(fā)生器的特征還在于包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中，所述多個(gè)晶體管器件的特征還在于是多個(gè)選自NMOS晶體管器件或PMOS晶體管器件之一的晶體管器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電壓緩沖放大器的特征還在于包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電壓梯的特征還在于包括工作在亞閾值域內(nèi)的多個(gè)串聯(lián)連接的電阻電路元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中，所述多個(gè)串聯(lián)連接的電阻電路元件的特征還在于是選自二極管接法的NMOS器件或二極管接法PMOS器件之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述第一放大器的特征還在于包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述第一晶體管器件的特征還在于工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述第二放大器的特征還在于包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管器件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述第二晶體管器件的特征還在于工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電阻元件的特征還在于是工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中，所述多個(gè)晶體管的特征還在于包括選自NMOS器件或PMOS器件之一的器件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，至少對(duì)所述電壓差發(fā)生器、所述第一緩沖器、所述第二緩沖器以及所述電阻元件中所選擇的一個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)以至少實(shí)現(xiàn)最小溫度靈敏度、與絕對(duì)溫度成比例的特性以及與絕對(duì)溫度互補(bǔ)的特性中所選擇的一個(gè)。
15.一種用于生成參考電流的電路，所述電路包括: 電壓差發(fā)生器，用于供應(yīng)第一電壓和第二電壓； 第一緩沖器，其電耦接至所述第一電壓，所述第一緩沖器用于供應(yīng)第三電壓； 第二緩沖器，其電耦接至所述第二電壓，所述第二緩沖器用于供應(yīng)第四電壓；以及電阻元件，其電耦接于所述第三電壓和所述第四電壓之間，所述電阻元件用于生成作為所述第三電壓和所述第四電壓的函數(shù)的參考電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電路，其中，所述電壓差發(fā)生器的特征還在于包括: 參考電壓發(fā)生器，用于供應(yīng)第一供應(yīng)電壓； 電壓緩沖放大器，其電耦接至所述第一供應(yīng)電壓并且用于供應(yīng)第二供應(yīng)電壓；以及 電壓梯，其電耦接至所述第二供應(yīng)電壓并且用于供應(yīng)所述第一電壓和所述第二電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路，其中，所述第一緩沖器的特征還在于包括: 第一放大器，所述第一放大器用于: 接收所述第一電壓； 接收所述第三電壓；以及 將所述第一電壓和所述第三電壓進(jìn)行比較，并且作為響應(yīng)輸出第一控制電壓；以及 NMOS器件，用于接收所述第一控制電壓，并且作為響應(yīng)供應(yīng)所述第三電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述第二緩沖器的特征還在于包括: 第二放大器，所述第二放大器用于: 接收所述第二電壓； 接收所述第四電壓；以及 將所述第二電壓和所述第四電壓進(jìn)行比較，并且作為響應(yīng)輸出第二控制電壓；以及 PMOS器件，用于接收所述第二控制電壓，并且作為響應(yīng)供應(yīng)所述第四電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電路，其中，所述第一電壓和所述第二電壓的特征還在于是接近地分隔開的。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路，其中，所述參考電壓發(fā)生器的特征還在于包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管器件。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電路，其中，所述多個(gè)晶體管器件的特征還在于是多個(gè)選自NMOS晶體管器件或PMOS晶體管器件之一的晶體管器件。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路，其中，所述電壓緩沖放大器的特征還在于包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管器件。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路，其中，所述電壓梯的特征還在于包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)串聯(lián)連接的電阻電路元件。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電路，其中，所述多個(gè)串聯(lián)連接的電阻電路元件的特征還在于是選自二極管接法的NMOS器件或二極管接法的PMOS器件之一。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述第一放大器的特征還在于為包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管器件。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述第一晶體管器件的特征還在于工作在亞閾值域內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電路，其中，所述第二放大器的特征還在于包括工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管器件。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電路，其中，所述第二晶體管器件的特征還在于工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)。
29.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電路，其中，所述電阻元件的特征還在于是工作在亞閾值區(qū)域內(nèi)的多個(gè)晶體管。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的電路，其中，所述多個(gè)晶體管的特征還在于包括選自NMOS器件或PMOS器件中之一的器件。
31.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電路，其中，至少對(duì)所述電壓差發(fā)生器、所述第一緩沖器、所述第二緩沖器以及所述電阻元件中的所選擇的一個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)以至少實(shí)現(xiàn)最小溫度靈敏度、與絕對(duì)溫度成比例的特性以及與絕對(duì)溫度互補(bǔ)的特性中所選擇的一個(gè)。
【文檔編號(hào)】G11C5/14GK103620683SQ201280031226
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月20日
【發(fā)明者】斯克特·漢森, 丹尼斯·西爾韋斯特, 大衛(wèi)·布洛烏 申請(qǐng)人:密執(zhí)安州立大學(xué)董事會(huì)