專利名稱：用作低電壓檢測(cè)電路的帶隙電壓比較器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及具有低電壓檢測(cè)和通電復(fù)位(reset)的半導(dǎo)體集成電路，更具體地說(shuō)，涉及一種利用具有低電壓閾值的帶隙電壓比較器的集成電路，其在很寬的溫度范圍內(nèi)具有長(zhǎng)期的電壓穩(wěn)定性。
各種電氣裝置，例如蜂窩式電話、膝上型計(jì)算機(jī)、無(wú)鍵和無(wú)線輸入裝置以及其它基于集成電路的產(chǎn)品，可以例如利用電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、發(fā)電機(jī)等供電，它們需要穩(wěn)定和精確的電壓基準(zhǔn)以便有效和可預(yù)測(cè)工作。重要的是，在這些電池供電的裝置中在所有可能的工作條件下采用精確和可靠的方式將電子電路起動(dòng)和關(guān)斷。在起動(dòng)(通電)過(guò)程中，在開(kāi)始其工作之前必須達(dá)到一最小電壓值，以及在工作過(guò)程中，當(dāng)電壓下降低于一臨界值時(shí)裝置必須停止或禁止進(jìn)一步工作。執(zhí)行這些功能的典型應(yīng)用是通電復(fù)位(POR)和功率下降(powerlow)復(fù)位(突卸載復(fù)位(BOR))。
POR和BOR電路通常結(jié)合電壓比較器電路利用一精確的電壓基準(zhǔn)，以確定是否達(dá)到一裝置可以正常工作時(shí)的臨界電壓值。在集成電路中使用的典型的電壓基準(zhǔn)已置入式(buried)齊納和帶隙基準(zhǔn)。置入式齊納基準(zhǔn)是一種十分穩(wěn)定和精確的電壓基準(zhǔn)，然而，其通常工作在約5伏或者更高并為實(shí)現(xiàn)最佳工作吸取幾百微安的電流。新近的由電池供電的電子系統(tǒng)可以在2伏或者更低的電池的電壓下工作，因此，置入式齊納技術(shù)不適于作為一必須在這種低電壓下工作并且還具有低功率消耗的電壓基準(zhǔn)。對(duì)于這些應(yīng)用可以利用“帶隙基準(zhǔn)”。
可以利用半導(dǎo)體電路產(chǎn)生通常為1.2伏的帶隙電壓基準(zhǔn)。這一基準(zhǔn)下文稱為帶隙電壓，并可以補(bǔ)償由于溫度改變帶來(lái)的變化，其通過(guò)將一具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓電路與具有正溫度系數(shù)的電壓電路結(jié)合以便形成一具有零溫度系數(shù)的電壓電路，即在很寬的溫度范圍內(nèi)基本維持同一帶隙電壓值。在DavidM.Susak的5900773號(hào)美國(guó)專利中更完整地介紹了精確的帶隙電壓基準(zhǔn)電路，這里引用可供全面參考。
帶隙基準(zhǔn)與電壓比較器結(jié)合可用于檢測(cè)POR和BOR電路的工作電壓電平?？梢詫痘鶞?zhǔn)和比較器結(jié)合到一個(gè)電路中，例如在Willam Slemmer的名稱為“直流求和型帶隙電壓比較器”(下文稱為“Slemmer”)的5781043號(hào)美國(guó)專利中公開(kāi)的電路中。Slemmer專利公開(kāi)了一種用于檢測(cè)電源的電壓變化的直流求和型帶隙電壓比較器。當(dāng)檢測(cè)電源電壓電平低于一定值時(shí)，Slemmer比較器將使一轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將電源轉(zhuǎn)換到待用電池。Slemmer帶隙電壓比較器利用共同求和的4個(gè)電流源，以形成一求和節(jié)點(diǎn)電壓電平，以及產(chǎn)生一邏輯信號(hào)，其指示何時(shí)求和節(jié)點(diǎn)電壓大于、等于或小于預(yù)定值。該預(yù)定值對(duì)應(yīng)于期望電源電壓切換值。
在先技術(shù)的電壓基準(zhǔn)和比較器電路太復(fù)雜，吸取太大的電流，需要工作電壓電平高于新近由電池供電的電子系統(tǒng)中可得到的電壓，并且受溫度和電壓穩(wěn)定性變化的影響。因此，需要提供一種改進(jìn)的電壓比較器，其具有低的工作電流、在很寬的工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)，以及能以集成電路簡(jiǎn)單可靠地實(shí)現(xiàn)。
通過(guò)提供一種改進(jìn)的帶隙電壓比較器，其可以與集成電路裝置中的其它電路一起用作為一低電壓檢測(cè)電路，本發(fā)明克服了上述問(wèn)題以及已有技術(shù)的其它缺點(diǎn)和缺陷。該集成電路裝置例如可以是但不局限于由MicrochipTechnology Ihc.(更完整表述的網(wǎng)址為http:www.microchip.com/)制造的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)PIC微控制器系列，這里引用可供全面參考。本發(fā)明可以工作在1伏和1伏以上的電壓，并且工作中僅吸取相對(duì)少量的電流。以集成電路實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各實(shí)施例是高效的并且僅需要很小面積的模片(die)。在所有的加工過(guò)程轉(zhuǎn)變(proess comer)和工業(yè)溫度范圍內(nèi)精確的各突變(trip)點(diǎn)最好是上或下(plus or minut)50毫伏。在本發(fā)明的各實(shí)施例中，可以獨(dú)立地設(shè)定通電和斷電突變點(diǎn)即可編程的滯后(hysteresis)。這些突變點(diǎn)對(duì)于VDD上升和下降次數(shù)是不敏感的。本發(fā)明的各實(shí)施例可以在低電壓的條件下即下降的VDD下立即發(fā)生POR或BOR。對(duì)于在檢測(cè)上升突變點(diǎn)后的POR信號(hào)，延遲(hold-off)時(shí)間例如可以是但不局限于1-10微秒(可編程)。本發(fā)明的各實(shí)施例當(dāng)處于待用模式(休眠模式)時(shí)可以不吸取電流，以及當(dāng)退出待用模式時(shí)可以估計(jì)電壓電平。如果當(dāng)由待用模式轉(zhuǎn)為工作模式時(shí)存在低電壓狀態(tài)則將產(chǎn)生低電壓狀態(tài)信號(hào)。因此，本發(fā)明非常適合于通電復(fù)位(POR)和功率下降復(fù)位(突卸載(brown-out)復(fù)位(BOR))模式。這種電路的可預(yù)測(cè)和高效工作將保證所有的用電池(2伏或者更高)工作的所有應(yīng)用可靠地工作。
根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例，可以利用通常的制造方法在一半導(dǎo)體集成電路基片上實(shí)現(xiàn)一種改進(jìn)的帶隙電壓比較器電路。通常的PNP晶體管例如是但不局限于橫向PNP(LPNP)晶體管可以用在僅需要兩個(gè)電流鏡以形成一帶隙電壓比較器的電路中。僅使用兩個(gè)電流鏡大大簡(jiǎn)化了帶隙電路并提高了突變電壓對(duì)于溫度變化的穩(wěn)定性。用于第二電流鏡電路的PNP晶體管發(fā)射極的面積可以是用于第一電流鏡電路的PNP晶體管發(fā)射極的面積的約4-48倍，其取決于比較器電路所需的增益。在圖4A中表示本發(fā)明的一基本示范性的帶隙電壓比較器線路圖，下面將更詳細(xì)地介紹。
在圖4的示意圖中表示根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的具有可調(diào)節(jié)突變點(diǎn)的帶隙比較器電路，下面將更詳細(xì)地介紹。在

圖11中表示圖2中所示的帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施例的工作模擬的曲線。在圖5中表示可以與圖4中所示的帶隙比較器電路結(jié)合使用的輸出緩沖器電路。在圖6中表示可以結(jié)合圖4中所示的帶隙比較器使用的通電復(fù)位延遲電路，下面將更詳細(xì)地介紹。在圖7中表示可以結(jié)合圖4中所示的帶隙比較器使用的斷電輸出鎖定電路，下面將更詳細(xì)地介紹。
在由Paul Gday和Robert Meyer所著的由John Wiley&Sons,ISBN按0-471-897493-0出版的“模擬集成電路的分析和設(shè)計(jì)”(1984，第2版)中更完整地介紹了集成電路裝置中的帶隙電壓工作情況，這里引用可供全面參考。
本發(fā)明的一個(gè)特征是帶隙電壓比較器在1伏和其以上工作。
另一個(gè)特征是低電流工作。
再一個(gè)特征是通電和斷電突變點(diǎn)可以獨(dú)立地設(shè)定。
再一個(gè)特征是當(dāng)檢測(cè)到電源低電壓狀態(tài)時(shí)立即產(chǎn)生通電復(fù)位(POR)信號(hào)。
再一個(gè)特征是在檢測(cè)到電源電壓上升超過(guò)一期望電壓值(突變點(diǎn))之后將一POR信號(hào)OK時(shí)間延遲。
再一個(gè)特征是當(dāng)處于待用模式時(shí)，基本上不利用電源供電。
再一個(gè)特征是當(dāng)從待用模式轉(zhuǎn)為工作模式時(shí)估計(jì)電壓電平并且如果出現(xiàn)低電壓狀態(tài)產(chǎn)生POR信號(hào)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，利用通常的半導(dǎo)體制造方法在一集成電路上可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，同時(shí)僅需要其上很小的制造面積。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是低電流工作。
再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是突變點(diǎn)對(duì)于電壓上升和下降次數(shù)不敏感。
再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在所有的加工過(guò)程轉(zhuǎn)變和工業(yè)溫度范圍內(nèi)精確的突變點(diǎn)最好為上下約50毫伏。
根據(jù)如下的對(duì)于在附圖中所表示的本發(fā)明的各優(yōu)選實(shí)施例更具體的介紹，將會(huì)使本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)變得更清楚。
圖1是一具有通電復(fù)位的帶隙比較器電壓檢測(cè)系統(tǒng)的微控制器集成電路方塊示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)的線路方塊圖。
圖3是圖2中所示的電阻編程部件的線路方塊圖。
圖4是圖2中所示的帶隙比較器部件的線路圖。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的基本帶隙比較器電路的線路圖。
圖5是圖2中所示的緩沖器部件的線路圖。
圖6是圖2中所示的可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路的線路圖。
圖7是圖2中所示的帶有輸出啟用(enable)的施密特觸發(fā)器的線路圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的帶隙比較器模擬工作的曲線圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的延遲的通電復(fù)位模擬工作的曲線圖。
圖10是表示圖4中所示的帶隙比較器滯后的正和負(fù)斜率突變點(diǎn)的曲線圖。
圖11是圖2中所示的帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)電平工作模擬的曲線圖。
本發(fā)明的各實(shí)施例包含一僅需要兩個(gè)電流源的帶隙電壓比較器，用于在指定的工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓工作。本發(fā)明的各實(shí)施例還可包含通電復(fù)位延遲電路以及按照斷電控制的輸出鎖定。本發(fā)明可以利用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管器件以集成電路制造，并可以結(jié)合由所有類型的電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、發(fā)電機(jī)等供電的集成電路邏輯電路使用，例如是但不局限于微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器器件、無(wú)鍵和無(wú)線輸入裝置以及任何其它的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)，它們可以從可靠和精確的通電復(fù)位(POR)和突卸載復(fù)位(BOR)邏輯電路獲益，該電路用于在所需的工作電壓值的范圍內(nèi)控制數(shù)字邏輯電路的工作。本發(fā)明還可以用于當(dāng)電源電壓下降低于一預(yù)定最小值時(shí)禁止邏輯電路的工作。本發(fā)明還可以用于延遲數(shù)字邏輯電路的開(kāi)始工作，一直到已達(dá)到所需的最小電源電壓經(jīng)過(guò)一預(yù)定時(shí)間為止。然而，如果電源電壓下降低于一預(yù)定最小值，則本發(fā)明可以立即發(fā)信號(hào)暫停數(shù)字邏輯電路的工作，使得不能發(fā)生異?；蚬收瞎ぷ?。
下面參照附圖，介紹本發(fā)明的各優(yōu)選實(shí)施例的細(xì)節(jié)。在各附圖中相同的元件將使用相同的數(shù)字和/或字母標(biāo)注，類似的元件將使用帶有不同的文字下標(biāo)的相同的數(shù)字和/或字母標(biāo)注。
參照?qǐng)D1，該圖表示其上具有電子電路的集成電路的方塊示意圖?？傮w用數(shù)字100標(biāo)注的集成電路包含帶隙電壓比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200，其輸出用于通電復(fù)位(POR)和/或突卸載復(fù)位(BOR)，根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例，電子電路102例如可以是但不局限于由(按更完整的網(wǎng)址http:www.microehip.com/確定的)Microchip Technology Ihc.制造的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)PIC微控制器系列，這里引用可供全面參考。任何電子裝置例如蜂窩式電話、膝上型計(jì)算機(jī)、無(wú)鍵和無(wú)線輸入裝置以及其它基于集成電路的產(chǎn)品，可以例如利用電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、發(fā)電機(jī)等供電，它們需要穩(wěn)定和精確的電壓基準(zhǔn)以便有效和可預(yù)測(cè)工作，它們均在考慮之列并在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例，帶隙電壓比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200可以可編程方式斷電以使集成電路100節(jié)電。監(jiān)測(cè)在節(jié)點(diǎn)202(PWR)和節(jié)點(diǎn)208(AGND)之間的功率。帶隙啟用/禁用(enable/dis able)輸入節(jié)點(diǎn)204(NEN)可以用于啟用/禁用帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200，帶隙輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)206(NPOR)可以用于禁止集成電路100中的邏輯電路的工作。也可以將低電壓檢測(cè)控制寄存器(未示出)組合到數(shù)字邏輯電路中，用于可編程地控制突變電壓值和指示帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200的工作的狀態(tài)標(biāo)志。這一低電壓檢測(cè)控制寄存器最好能夠在低的電壓下工作并且還可以利用用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢岳靡兹坻溌坊蚱渌呻娋幊痰闹蛔x存儲(chǔ)器(EPROM)或可電擦除的EPROM(EEPROM)來(lái)存儲(chǔ)編程的信息和/或發(fā)生的事件。
參照?qǐng)D2，該圖是帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200的線路方塊圖。帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200的一個(gè)實(shí)施例包含電阻編程部件210(BGC-RNET)、帶隙比較器212(BGC)、緩沖器214(BGC-BUF)、可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路216(REDTRIG-OSD)和帶有輸出啟用施密特觸發(fā)器218(STOE)。
參照?qǐng)D3，該圖是表示圖2中所示的電阻編程部件的線路圖。電阻編程部件210用于設(shè)定帶隙比較器212的不同的突變電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R303-R306的組合電阻比，可以調(diào)節(jié)帶隙比較器212的電壓突變點(diǎn)和溫度補(bǔ)償，下文將更完整地介紹。
參照?qǐng)D4，該圖是表示圖2中所示的帶隙比較器部件的線路圖。通過(guò)圖3中的電阻編程部件210調(diào)節(jié)帶隙比較器212的突變電壓。帶隙比較器212包含雙極型晶體管，根據(jù)它們的特性生成帶隙電壓。晶體管Q401-404例如可以是但不局限于橫向PNP(LPNP)晶體管。晶體管MN407-MN414是N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管，晶體管MP405-MP406是P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管。晶體管Q404和Q402形成第一電流鏡，晶體管Q401和Q403形成第二電流鏡。晶體管MP405-MP406是電流鏡，以便形成互補(bǔ)來(lái)自晶體管MN413-MN414的下拉電流的上拉電流。晶體管MN411和MN414檢測(cè)通過(guò)Q403的電流，該電流與通過(guò)Q401(電流鏡)的電流相同。晶體管MN409和MN410檢測(cè)通過(guò)Q404的電流，該電流與通過(guò)Q402(電流鏡)的電流相同。通過(guò)組合MP406、MN413和MN414以及MP405、MN407和MN408形成雙穩(wěn)電路，其中輸出BGC-OUT具有高或低邏輯狀態(tài)，其取決于通過(guò)Q401(Q403)的電流是大于還是小于通過(guò)Q402(Q404)的電流。PNP晶體管也可以用在這里所述的帶隙比較器，它們均在考慮之列并在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
參照?qǐng)D5，該圖是表示圖2中所示的緩沖器部件的線路圖。緩沖器214是一反相緩沖器，其輸出用于觸發(fā)可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路216。NMOS晶體管MN501和PMOS晶體管502形成第一反相器，NMOS晶體管503和PMOS晶體管504形成第二反相器，NMOS晶體管505和PMOS晶體管506形成第三反相器。
參照?qǐng)D6，該圖是表示圖2中所示的可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路的線路圖?？芍匦掠|發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路216形成一用于延遲來(lái)自緩沖器214的輸出信號(hào)通電復(fù)位延遲電路。一旦由帶隙比較器212檢測(cè)到足夠高的電壓，電容C602和電阻R601確定導(dǎo)通的延遲時(shí)間常數(shù)。通過(guò)在NPOR206工作之前要求時(shí)間延遲，可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路216可有助于降低噪聲的影響。
參照?qǐng)D7，該圖是表示圖2中所示的帶有鎖定輸出啟用(STOE)施密特觸發(fā)器218的線路圖。STOE218適于關(guān)斷帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200的全部電路，使得基本上不消耗功率，同時(shí)鎖定可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路216的輸出。
參照?qǐng)D4A，該圖是表示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的基本帶隙比較器電路的線路圖。晶體管Q3和晶體管Q0形成第一電流源，晶體管Q1和晶體管Q2形成第二電流源。最好，晶體管Q0-Q3是橫向PNP(LPNP)晶體管。通過(guò)使其中的電壓極性反相也可以使用NPN晶體管。最好，每個(gè)晶體管Q1和晶體管Q2的發(fā)射極面積可以為每個(gè)晶體管Q0和晶體管Q3的發(fā)射極面積的約4-48倍。面積比越大，比較器電路的增益越大。通過(guò)參照一些方程式和下面對(duì)它們的說(shuō)明，可以更好地理解圖4A所示的基本帶隙比較器電路的基本工作原理。
(1)令TK=開(kāi)式絕對(duì)溫度(下文稱為“K”)(2)VtK=(k/q)×TK熱電壓，k/q=87.6微伏/(°K)(3)Is=C×TK^×N×EXP^-(Vgo/VtK),PN結(jié)的反向飽和電流。
方程式是按根據(jù)對(duì)于指定半導(dǎo)體加工過(guò)程的數(shù)據(jù)照經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的。特別是常數(shù)C、N和Vgo是與處理方法相依的。
(4)Vd(TK)=VtK×Ln(Id/Is)，其為關(guān)于在正向偏置工作狀態(tài)的PN結(jié)的二極管方程式。
(5)根據(jù)I1和I2和RF，求解Q0的VTP如下VTP=(I1+I2)×RF+VtK×Ln(I1/(A1/Is))(6)根據(jù)RF、RS、I1和I2求解Q1的VTP如下VTP=(I1+I2)×RF+I2×RS+VtK×Ln(I2/(A2/Is))(7)由方程式6減去方程式5得到如下I2×RS+VtK×{Ln(I2/(A2/Is))-Ln(I1/(I1/Is×A1))}=0I2=VtK×Ln{(I1×A2)/(I2×A1)}/RS該比較點(diǎn)是當(dāng)I1=I2時(shí)的VTP電壓(8)I=VtK×Ln(I2×A1)/RS(9)將方程式8代入方程式5得到如下VTP=2×RF×VtK×Ln(A2/A1)/RS+VtK×Ln{(VtK×Ln(A2/A1))/(RS×Is)}(10)將方程式3代入方程式9得到如下VTP=VtK×{2×RF/RS×Ln(A2/A1)+Ln(VtK×Ln(A2/A1)/(RS)-Ln(Is)}(a)展開(kāi)項(xiàng)“Ln(Is)”
VTP=VtK×{2×RF/RS×Ln(A2/A1)+Ln(VtK×Ln(A2/A1)/(RS)-Ln(C×Tk^n×EXP^-(Vgo/VtK)))}(b)化簡(jiǎn)VTP=VtK×{2×RF/RS×Ln(A2/A1)+Ln(VtK×Ln(A2/A1)/(RS)-Ln(C×Tk^N)+Vgo/VtK}(c)進(jìn)一步化簡(jiǎn)VTP=VtK×{2×RF/RS×Ln(A2/A1)+Ln(VtK×Ln(A2/A1)/(RS)-Ln(C×Tk^N)}+Vgo(d)將方程式2代入方程式10得到如下VTP(TK)=(k/q×TK)×{2×RF/RS×Ln(A2/A1)+Ln(k/q×TK)×Ln(A2/A1)/RS}-Ln(C×Tk^N)}+Vgo方程式10d可預(yù)測(cè)圖4A中所示的帶隙比較器的作為溫度TK的函數(shù)的電壓突變點(diǎn)VTP。因此，當(dāng)I2大于I1時(shí)，由帶隙比較器檢測(cè)的電壓大于VTP，以及當(dāng)I2小于I1時(shí)，由帶隙比較器檢測(cè)的電壓小于VTP。由于晶體管Q3和晶體管Q0形成第一電流鏡，I1=I3，晶體管Q1和晶體管Q2形成第二電流鏡I2=I4，故測(cè)量I3I4和之間的差相對(duì)容易，這樣由其可以產(chǎn)生數(shù)字邏輯輸出，用于控制通電復(fù)位信號(hào)。
圖4A中所示的電路最好工作在約從0.6伏到5伏。該范圍僅由PN結(jié)電壓所限制，例如硅雙極晶體管具有約0.6伏PN結(jié)電壓。鍺熱載流子和肖特基雙極晶體管可以具有更低的PN結(jié)電壓并可以有效地用于本發(fā)明。
對(duì)于一種特定的半導(dǎo)體加工過(guò)程，為了使VTP隨溫度的變化降到最小，需取得方程式對(duì)于TK的一階微商。還需要將正溫度電阻比和發(fā)射極面積比A2/A1計(jì)入設(shè)計(jì)條件中如下(11)dVTP(TK)/dTK=(k/q)×{2×RF/RS×Ln(A2/A1)+1-Ln(RS×C×TK^(N-1)/(K/q×Ln(A2/A1))-N}設(shè)dVTP(TK)/dTK=0(方程式11)及求解在期望工作溫度范圍的中點(diǎn)的RF/RS，將優(yōu)先提供在期望工作溫度范圍的最佳的溫度特性。
(12)RF/RS(TK)={Ln(RS×C×TK^(N-1))-Ln(k/q×Ln(A2/A1)+N-1}/{2×Ln(A2/A1)}可以表示RF/RS電流比取決于加工過(guò)程相依Is函數(shù)、發(fā)射極面積比A2/A1，以及開(kāi)式絕對(duì)溫度TK。對(duì)于大多數(shù)典型應(yīng)用最好A1=1面積單位，A2可以是A1的整數(shù)倍，其范圍為約4-48，其取決于帶隙比較器所需的增益。面積比A2/A1越大，增益越大，導(dǎo)致比較器的靈敏度越高。應(yīng)注意，帶隙比較器的VTP僅為TK的弱相關(guān)函數(shù)并主要由帶隙電壓常數(shù)Vgo設(shè)定的。
11-2參照方程式10d，并可重新整理方程式10d為TK的子函數(shù)(作為正和負(fù)溫度函數(shù))如下(13)VTP(TK)=(k/q×TK)×{2×RF/RS×Ln(A2/A1)-Ln(RS×C×TK^(N-1))/(k/q×Ln(A2/A1)}+Vgo方程式(13)中的“2×RF/RS×Ln(A2/A1)”部分是正溫度函數(shù)，方程式(13)中的“RS×C×Tk^(N-1))/(k/q×Ln(A2/A1)”部分是負(fù)溫度函數(shù)。帶隙電壓常數(shù)Vgo具有基本上為零的溫度系數(shù)，取決于用于制造帶隙比較器的半導(dǎo)體加工過(guò)程例如約1.19伏的+/-2％變化。
實(shí)際上，VTP是Vgo從工作范圍中點(diǎn)的溫度上下的變化。最好，適當(dāng)溫度補(bǔ)償?shù)膸侗容^器具有的VTP的變化在工作溫度范圍內(nèi)小于+/-50毫伏，高點(diǎn)接近工作溫度范圍的中點(diǎn)。電阻比RF/RS直接取決于Ln(A2/A1)晶體管發(fā)射極面積比，因此Ln(A2/A1)的數(shù)值越大，所需的電阻比RF/RS越小。通常電阻比RF/RS的范圍可以約為5-15。
下面參照?qǐng)D8，該圖表示帶隙比較器的模擬工作的曲線圖。曲線802代表帶隙比較器212的電壓VP(圖2和4)，曲線804代表帶隙比較器212的輸出電壓VP(BGC-OUT)。當(dāng)電壓VP上升超過(guò)帶隙比較器212的電壓VP時(shí)，帶隙比較器212的BGC-OUT從邏輯低(地或“AGND”)轉(zhuǎn)換到邏輯高(VP)。當(dāng)電壓VP下降低于帶隙比較器212的電壓VTP時(shí)，帶隙比較器212的BGC-OUT從邏輯高轉(zhuǎn)換到邏輯低。
參照?qǐng)D9，該圖表示延遲的通電復(fù)位模擬工作的曲線圖。曲線902代表在節(jié)點(diǎn)202(PWR)的電壓，曲線904代表帶隙輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)206(NPOR)的電壓。圖9中的曲線表明有約1毫秒的延遲時(shí)間。利用可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路216(REDTRIG-OSD)的時(shí)間常數(shù)確定這一延遲時(shí)間。通過(guò)綜合電阻R601和電容602確定這一時(shí)間常數(shù)(圖6)。
參照?qǐng)D10，該圖表示正和負(fù)斜率的突變點(diǎn)的曲線，表示帶隙比較器具有約2.3伏的VTP的滯后。曲線1002代表在節(jié)點(diǎn)202的電壓(PWR)，曲線1004代表圖2和5中的緩沖器214反相輸出(OUT)的電壓。通過(guò)利用在圖3中更完整表示和在下面的一個(gè)實(shí)例中更詳細(xì)地介紹的電阻編程特征可以將本發(fā)明的帶隙比較器編程使之具有一約為2.3伏的電壓突變點(diǎn)。
參照?qǐng)D11，該圖表示圖2中的帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200的系統(tǒng)電平模擬工作的曲線。曲線1102代表在輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)206(NPOR)的電壓電平。曲線1104代表啟用/禁用輸入節(jié)點(diǎn)204的電壓電平(NPOR)。曲線1106代表在輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)202的電壓電平(PWR)。圖11的曲線表示本發(fā)明的系統(tǒng)電平工作，包含用于使帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200斷電的NEN輸入204。當(dāng)斷電時(shí)，帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200不檢測(cè)電壓VP是高于還是低于所需的比較電壓，但是當(dāng)通過(guò)將NEN輸入204轉(zhuǎn)換到地(邏輯低)啟用帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200時(shí)，帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)200將檢測(cè)檢測(cè)電壓VP是高于還是低于所需的比較電壓VTP。只要NEN輸入204轉(zhuǎn)換到地(啟用)，NPOR將基本上不帶延遲轉(zhuǎn)換到邏輯低狀態(tài)(當(dāng)VP小于VTP時(shí))，并僅按上文介紹的由單次起動(dòng)延遲電路216有意引入的延遲轉(zhuǎn)換到邏輯高(當(dāng)VP大于VTP時(shí))。
反過(guò)來(lái)參照?qǐng)D3和4，帶隙比較器設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例應(yīng)用介紹如下。帶隙比較器按VTP約等于2.3伏設(shè)計(jì)。最好，當(dāng)由電池或其它有限容量的電源供電時(shí)該設(shè)計(jì)具有低的工作電流增加時(shí)間。令I(lǐng)1、I2、I3、I4的工作電流約為0.2微安，以及根據(jù)方程式3令C=3.56828,N=0.994657,Vgo=1.16056:
(3a)Is=3.56828×TK^(0.994657)×EXP^(1.16056/VtK)下面將方程式3a用于設(shè)定圖3中的電阻比，使得圖4所示的帶隙比較器具有約2.3伏的VTP。R303等效于圖4A中的RS。對(duì)于升高的VP，利用方程式14計(jì)算上電平突變點(diǎn)。
(14)RF=R305+(R302×R304)/(R302+R304)由于從節(jié)點(diǎn)RESC(圖4)到地的電壓為Vgo,VTP將為Vgo+0.8×11×R302使通過(guò)R304的電流比通過(guò)R305的電流大10倍。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就使PNP晶體管因VTP溫度變化的對(duì)負(fù)載影響減到最小。
令VTP=2.3伏，則(15)R302=(VTP-Vgo)/(0.8微安×11)=125千歐計(jì)算R304如下(16)R304=Vgo/(0.8微安×11)=150千歐根據(jù)方程式12，按該Microchip120k加工過(guò)程利用上述數(shù)值的在25℃時(shí)的RF/RS電阻比最好應(yīng)等于5.384，以實(shí)現(xiàn)最好的溫度特性。在計(jì)算R303時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮工作電流和溫度如下(17)R303=VtK×In(A2/A1)/(0.2微安)=86.8微伏×In(8)/(0.2微安)=268.3千歐(18)RF=5.384×268.3千歐=1444.5千歐(19)R305=RF-(R302×R304)/(R302+R304)=1376.3千歐(20)R306約等于期望的VTP滯后％×(R302+R304)因此，本發(fā)明很好地適合于實(shí)現(xiàn)其目的以及得到上述結(jié)果和優(yōu)點(diǎn)以及其它固有的優(yōu)點(diǎn)，雖然是通過(guò)參照本發(fā)明的各優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明和定義的，但這些并不意味著對(duì)本發(fā)明的限制，不會(huì)推斷這種限制。對(duì)在本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以考慮對(duì)本發(fā)明進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的改進(jìn)、替換以及等效。所表示和說(shuō)明的本發(fā)明的各優(yōu)選實(shí)施例僅是示范性的，沒(méi)有超出本發(fā)明的范圍。因此，僅由所提出的權(quán)利要求的構(gòu)思和范圍限制本發(fā)明，全面認(rèn)定在所有方面等效物。
權(quán)利要求
1．一種帶隙電壓比較器包含第一和第二晶體管，用于形成第一電流鏡，其中第二晶體管按二極管連接；第三和第四晶體管，用于形成第二電流鏡，其中第三晶體管按連接二極管；第一、第二、第三和第四晶體管都包含發(fā)射極、基極和集電極；具有第一和第二端的第一電阻，其中第一端連接到第二晶體管的基極和集電極以及第一晶體管的基極；第一電阻的第二端連接到第一電壓節(jié)點(diǎn)；具有第一和第二端的第二電阻，其中第一端連接到第三晶體管的基極和集電極以及第四晶體管的基極；第二電阻的第二端連接到第一電阻的第一端；以及第一、第二、第三和第四晶體管的發(fā)射極連接到第二電壓節(jié)點(diǎn)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中的第一和第二晶體管具有基本相同的發(fā)射極面積。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中的第三和第四晶體管具有基本相同的發(fā)射極面積。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中的第三和第四晶體管具有的發(fā)射極面積為第一和第二晶體管具有的發(fā)射極面積的約4-48倍。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶隙電壓比較器，其中的第三和第四晶體管具有的發(fā)射極面積為第一和第二晶體管具有的發(fā)射極面積整數(shù)倍。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中的第一電阻的電阻值為第二電阻的電阻值的約5-15倍。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中的第一電壓節(jié)點(diǎn)是一公用的電壓節(jié)點(diǎn)，第二電壓節(jié)點(diǎn)是一參照公用的電壓節(jié)點(diǎn)的正電壓節(jié)點(diǎn)。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶隙電壓比較器，其中的公用的電壓節(jié)點(diǎn)和正電壓節(jié)點(diǎn)之間的電壓值約為0.6-5伏。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中的第一、第二、第三和第四晶體管是PNP結(jié)晶體管。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中的第一、第二、第三和第四晶體管是NPN結(jié)晶體管。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中的第一、第二、第三和第四晶體管以及第一電阻和第二電阻制造在一個(gè)集成電路模片上。
12．根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙電壓比較器，其中當(dāng)通過(guò)第二和第三晶體管的電流相等時(shí)，利用第二和第三晶體管帶隙電壓的VtK確定電壓突變點(diǎn)VTP。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的帶隙電壓比較器，其中下列利用方程式確定作為溫度TK的函數(shù)的電壓突變點(diǎn)VTPVTP(TK)=(k/q×TK)×{2×RF/RS×Ln(A2/A1)+Ln(k/q×TK)×Ln(A2/A1)/RS}-Ln(C×TK^N}+Vgo；其中VTP是以伏計(jì)的電壓突變點(diǎn)，k/q=86.7微伏，TK是開(kāi)式絕對(duì)溫度，RF是第一電阻的電阻值，RS是第二電阻的電阻值，A2是第三晶體管的發(fā)射極面積，A1是第二晶體管的發(fā)射極面積，C、N和Vgo是半導(dǎo)體加工過(guò)程相依常數(shù)。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的帶隙電壓比較器，其中C=3.56828,N=0.994657,Vgo=1.16056。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的帶隙電壓比較器，其中RF/RS約等于3.56828。
16．一種帶隙電壓比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)，包含帶隙比較器，包含用于形成第一電流鏡的第一和第二晶體管及用于形成第二電流鏡的第三和第四晶體管，其中第二晶體管和第三晶體管按二極管連接；電阻編程部件，包含多個(gè)電阻，它們適于構(gòu)成為具有RF電阻的的第一電阻以及具有RS電阻的的第二電阻，其中第一電阻連接到第二晶體管的基極和集電極以及第一晶體管的基極；以及第二電阻連接到第三晶體管的基極和集電極以及第四晶體管的基極；帶隙比較器突變電壓檢測(cè)電路，包含檢測(cè)輸出端和檢測(cè)輸入端，用于檢測(cè)第一電流鏡的第一電流和第二電流鏡的第二電流，其中當(dāng)?shù)诙娏鞔笥诘谝浑娏鲿r(shí)檢測(cè)輸出按第一邏輯電平，當(dāng)?shù)诙娏餍∮诘谝浑娏鲿r(shí)檢測(cè)輸出按第二邏輯電平，因此，第一邏輯電平指示工作電壓高于期望的電壓值，第二邏輯電平指示工作電壓低于期望的電壓值。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)，還包含可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路，其連接到該檢測(cè)輸出端，其中當(dāng)檢測(cè)輸出從第二邏輯電平變到第一邏輯電平時(shí)引入期望的延遲時(shí)間。
18．根據(jù)權(quán)利要求17所述的帶隙電壓比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)，還包含一反相緩沖器電路，其連接在帶隙比較器突變電壓檢測(cè)電路的檢測(cè)輸出端和可重新觸發(fā)的單穩(wěn)單次起動(dòng)延遲電路之間。
19．根據(jù)權(quán)利要求18所述的帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)，還包含施密特觸發(fā)器和輸出啟用電路，其中輸出啟用電路斷開(kāi)到帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)的電壓以便節(jié)電。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)，其中帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)制造在一集成電路模片上并適于控制也制造在一集成電路模片上的數(shù)字邏輯電路的工作。
21．根據(jù)權(quán)利要求20所述的帶隙比較器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)，其中數(shù)字邏輯電路是從微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理邏輯電路、專用集成電路、可編程邏輯電路陣列、無(wú)鍵和無(wú)線輸入電路中選擇的。
全文摘要
一種僅需要兩個(gè)電流源求和的帶隙電壓比較器可用于檢測(cè)在集成電路上的邏輯電路的低電壓狀態(tài),該集成電路可以利用電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池等供電。在帶隙低電壓檢測(cè)系統(tǒng)中可以將獨(dú)立的高和低電壓突變點(diǎn)編程。在認(rèn)定電壓電平正常狀態(tài)信號(hào)之前,可使用通電復(fù)位延遲?？梢詫峨妷罕容^器低電壓檢測(cè)系統(tǒng)斷電以便節(jié)電,可以重新供電以便快速確定是否存在期望的電壓電平。
文檔編號(hào)G05F3/26GK1311443SQ0110465
公開(kāi)日2001年9月5日 申請(qǐng)日期2001年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月18日
發(fā)明者萊頓·伊格, 威廉·斯米特 申請(qǐng)人:密克羅奇普技術(shù)公司