專利名稱：低偏移帶隙電壓參考的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電壓參考電路，并且尤其涉及使用帶隙技術來實施的電壓參考電路。更特別地，本發(fā)明涉及一種提供具有減少的對偏移的靈敏度的電壓參考的方法和電路。
背景技術：
帶隙電壓參考電路基于具有相等和相反溫度系數TC的兩個電壓的相加。第一電壓是正向偏置雙極晶體管的基極-射極電壓。該電壓具有約-2.2mV/C的負TC并且通常表示為與絕對溫度相補或CTAT電壓。與絕對溫度成比例的第二電壓或PTAT電壓是通過放大在不同電流密度工作的雙極晶體管的兩個正向偏置基極-射極結的電壓差(ΔVbe)來形成。包括現(xiàn)有技術方法實例的更多關于帶隙電壓參考電路的信息能夠在2003年2月27日提交的Stefan Marinca的共同未決美國申請10/375,593中找到，通過引用將其內容結合于此。
可以理解，對于在1/50比率的集極電流密度工作的雙極晶體管對而言，ΔVbe在室溫大約是100mv級。因為CTAT電壓典型地是大約700mv級，可以理解ΔVbe需要放大約5倍級，以便平衡CTAT電壓。然而，該ΔVbe電壓的放大具有將偏移電壓包括到PTAT電壓中的效應，并且結果是參考電壓精度可能受到影響。與使用雙極技術來實施的類似電路相對而言，當使用CMOS工藝來實施該電路時，這些誤差更大。這種性能上的差別能夠追溯到這樣的事實在簡單的CMOS工藝中只有寄生雙極晶體管可用，而基于MOS晶體管的放大器具有更大的輸入電壓偏移。
圖1是常規(guī)CMOS實施的帶隙電壓參考的實例。提供了三個pMOS晶體管M1、M2和M3，每一個都具有寬度/長度(W/L)的相同縱橫比。提供了第一和第二雙極晶體管Q1和Q2，Q2與Q1相比具有更大的射極區(qū)域。結果，Q1和Q2在不同的電流密度工作(射極電流對于二者是相同的)。耦合到Q1和Q2二者的放大器A1使得兩個輸入電平保持在相同的值，并且結果是在電阻器r1上產生電壓ΔVbe。ΔVbe具有如下形式ΔVbe＝(kT/q)(In(n)) (1)其中k是玻爾茲曼常數，q是電子上的電荷，T是開氏工作溫度，n是兩個雙極晶體管的集極電流密度比率。
由該電路提供的電壓參考Vref能夠確定為Q3的基極-射極電壓加上r2上的電壓降。
Vref＝VbeQ3+(r2/r1)(ΔVbe) (2)r2/r1的縮放值選擇為大約5，并且結果是放大器偏移電壓也以大約6的因子來放大，因為該輸入偏移電壓以1+r2/r1的因子來增益至輸出。因此可以理解，對于每個1mV輸入電壓偏移，大約6mV的誤差反映到帶隙參考中。一種減少該偏移靈敏度的方式是堆疊雙極晶體管。然而，該堆疊受到可用凈空的限制多數電路不得不由可用的2.6V供給電壓來工作，并且結果是堆疊的數量典型地限制到2或3。因此，盡管已知在對放大器的輸入處堆疊晶體管以便生成ΔVbe的倍數值，由于這是在對放大器的輸入處在電阻上生成的，仍然有由該電路所增益的偏移貢獻。
帶隙電壓參考電路中的另一誤差源能夠追溯到電阻器不匹配。如將從對于等式2中各項的觀察中變得明顯的那樣，電阻器比率中的任何誤差直接轉換到參考電壓中。因此希望將該誤差源最小化。
又一誤差源能夠追溯到通常所稱的“曲率”。這是二階誤差分量。在雙極晶體管中，PTAT集極電流處偏置的基極-射極電壓能夠通過下式給出Vbe(T)=VG0(1-TT0)+Vbe0TT0-(σ-1)kTqln(TT0)...(3)]]>
其中Vbe(T)是對于在工作溫度的雙極晶體管的基極-射極電壓對溫度的依從關系，Vbe0是對于在參考溫度的雙極晶體管的基極-射極電壓，VG0是在0K的帶隙電壓或基極-射極電壓，T0是參考溫度，以及σ是飽和電流溫度指數。
等式3的末項貢獻曲率，并且理想上將最小化。
在轉讓給Infineon Technologies，AG的US 6,605,987中提供了在具有低工作電壓的環(huán)境中實施帶隙電路的實例。其描述了將橫向晶體管用于生成具有第一溫度依從關系的第一部分電流。這些橫向晶體管形成放大器的不對稱輸入對，并且它們的集極電流驅動第二對MOS晶體管。由于這些橫向晶體管耦合到MOS晶體管，對于這些MOS晶體管就有必要在低閾電壓工作，這需要使用專門的CMOS工藝來實施。另外，該電路需要使用多個電阻器，這些電阻器需要彼此間的匹配。盡管該電路在只有低工作電壓可用的環(huán)境中是有利的，但是并非適合于所有的應用，因為對于電阻器匹配有要求，而且實施這些MOS晶體管是困難的。
在Gregoire，Jr.的US 6 614 209中給出了特別地設計用于減少所用電阻器數量的帶隙參考電路的實施例子。其描述了利用多個串聯(lián)耦合的PTAT源以生成最終PTAT電壓的帶隙參考電路。雙極晶體管的電流偏置基極-射極區(qū)域耦合在最終PTAT電壓與帶隙電壓參考的輸出端子之間，以便于將基極射極電壓加到最終PTAT電壓，由此生成穩(wěn)定的電壓參考。盡管這種方法能夠實現(xiàn)在帶隙電路中傳統(tǒng)使用的電阻器比率的減少，但是它仍受困于許多缺點。因為該電路并未提供曲率校正，所以有必要生成大的ΔVbe(PTAT)以便平衡基極-射極電壓(CTAT)。US 6 614 209通過使用如專利的圖5中所示的兩級結構來實現(xiàn)該平衡。所需PTAT電壓是由均包括放大器的標記為塊510的初始PTAT源和標記為塊530的端子PTAT源的組合來提供。由于該電路的配置，第二放大器需要高的凈空環(huán)境以有效地工作，因為與第一放大器的輸入相比，其兩個輸入具有大約3ΔVbe(在室溫大約330mV)的公共電壓。這限制了能夠利用該帶隙電壓參考的應用。其次，對兩個放大器的需要增加了在用于實施這種電路的晶模(die)上所需要的區(qū)域和所需要的功率供給。此外，由于沒有提供給該參考的曲率校正，所提供的參考電壓的精度受到限制。另外，因為使用兩個放大器，增加了對偏移和噪聲的貢獻。
因此有必要提供一種帶隙電壓參考電路，該電路具有減少的對電壓偏移的靈敏度而且適于提供電壓曲率的校正。此外有必要提供一種具有對個別值或電阻器匹配效果的更少依賴性的電路。也需提供一種能夠用作溫度傳感器、即對溫度波動靈敏的帶隙參考電路。

發(fā)明內容
與現(xiàn)有技術相關的這些和其它問題通過根據本發(fā)明的電路和方法而得到解決。根據本發(fā)明的第一實施例，提供了一種電路，該電路生成足夠高的ΔVbe值以減少對放大的需要，由此避免固有誤差在電路中放大的問題。在對放大器的輸入處提供晶體管的堆疊，并且唯一的電阻器在該放大器的輸出處提供且用于生成所需的ΔVbe?？梢岳斫?，通過在與該放大器的輸入相對的輸出處提供電阻器，避免了由于該放大器偏移的放大而生成的誤差。通過使用單一電阻器，也消除了由于多個電阻器不匹配而生成的誤差。
本發(fā)明提供具有放大器的電路，該放大器在其非反相輸入處具有在第一電流密度工作的雙極晶體管的第一堆疊，并在該放大器的輸出與其反相輸入之間的反饋回路中提供在第二電流密度工作的雙極晶體管的第二堆疊，該第二電流密度低于第一堆疊的電流密度，使得由于兩個堆疊之間的電流密度差，增強的ΔVbe反映在放大器的輸出處，該增強的ΔVbe在放大器的輸出與參考電位之間耦合的電阻器上建立。通過將該PTAT電壓加到經平衡的CTAT電壓上，該電路可以改型為生成對溫度不敏感的電壓參考。如果PTAT電壓未與經平衡的CTAT電壓相疊加或組合，那么該電路在該放大器的輸出處提供指示電路中溫度的值，即溫度傳感器。
根據本發(fā)明的一個實施例，提供一種帶隙電壓參考電路，包括具有第一和第二輸入節(jié)點且在其輸出處提供參考電壓的放大器。該電路附加地包括至少兩對晶體管，每一對具有適合于在第二晶體管的電流密度不同的電流密度工作的第一晶體管，使得在使用中生成在每一配對的兩個晶體管之間的基極射極電壓差ΔVbe。這些對如此設置，使得在耦合到第一輸入節(jié)點的鏈中提供那些具有第一電流密度的晶體管，且在耦合到第二輸入節(jié)點的鏈中提供那些具有第二電流密度的晶體管，由每一配對所提供的ΔVbe的組合貢獻于在放大器的輸出處的增強ΔVbe，該增強ΔVbe在放大器的輸出處提供的電阻器上生成。
理想的是，提供三對晶體管，每一對貢獻ΔVbe分量，使得在放大器的輸出處的電阻器上生成的增強ΔVbe等效于3ΔVbe。
此外，為了將3ΔVbe的貢獻的效應最大化，該電路優(yōu)選地還適合于生成曲率校正電壓。該曲率校正電壓可以通過以與絕對溫度成比例(PTAT)的電流驅動在所述第一電流密度工作的三個晶體管中的每一個和以恒定電流驅動其它三個晶體管來提供，曲率校正電壓之和與3ΔVbe都施加在放大器的輸出上的電阻器上，由此校正與帶隙電路關聯(lián)的曲率。
PTAT電流的生成優(yōu)選地通過鏡像在放大器的輸出上的電阻器上限定的電流來實現(xiàn)，使得驅動在第一電流密度工作的每一晶體管。
在某些配置中，在MOS工藝實施中提供晶體管中的每一個，并且在其它配置或實施例中，在雙極實施中提供晶體管中的某些?？梢岳斫?，后一種實施也能夠使用CMOS工藝來提供。
某些實施例可以要求晶體管對中的兩對使用雙極晶體管來形成，而第三對使用橫向晶體管來形成。在這些實施例中，第三對可以提供放大器的輸入級。理想的是，這種輸入級提供為放大器的非對稱輸入級。
此外，該電路可以包括耦合到第三對晶體管的負載晶體管對，這些負載晶體管適合于均衡通過第三對晶體管的電流。
在某些實施例中，第三對晶體管都以PTAT電流來驅動。這種PTAT電流可以在該電路外部生成。
某些配置可以使用由PTAT電流源驅動的MOS晶體管來提供該放大器的第二級，該MOS晶體管耦合到負載晶體管之一和形成第三對晶體管的晶體管之一的集極。
在一些實施例中，該電路可以包括在放大器的輸出處提供的MOS晶體管，該MOS晶體管以PTAT電流來驅動，該MOS晶體管的基極直接耦合到放大器的輸出節(jié)點，而射極節(jié)點提供電路的輸出。在這些實施例中，MOS晶體管的源極可耦合到雙極晶體管的射極，該雙極晶體管的集極耦合到參考電位，而該雙極晶體管的基極耦合到電阻器。
替選實施例可以在雙極配置中提供三對晶體管的每一對，該第三對提供放大器的輸入級，該放大器具有耦合到在電壓跟隨器配置中提供的雙極晶體管的輸出節(jié)點，而且其中在放大器的輸出與電壓跟隨器之間的節(jié)點處提供電壓參考。
本發(fā)明也提供一種帶隙電壓參考電路，該電路適合于在其輸出處提供參考電壓，該參考電壓通過所生成的CTAT和PTAT電壓的組合來提供，該CTAT電壓通過正向偏置晶體管的基極射極電壓來提供，而該PTAT電壓通過多個ΔVbe電壓來提供，每一ΔVbe電壓通過在不同電流密度工作的雙極晶體管對來生成，該PTAT電壓通過在放大器的輸出處提供的單個電阻器上施加的電流來唯一地限定。
本發(fā)明的另一實施例提供了一種帶隙電壓參考電路，該電路具有包括第一和第二輸入節(jié)點且在其輸出處提供參考電壓的放大器，每一輸入節(jié)點耦合到至少兩個晶體管的鏈，晶體管如此設置使得第一晶體管的射極耦合到第二晶體管的基極，第二晶體管的射極耦合到放大器的輸入，且每一晶體管的集極耦合到參考電位，而且其中第一鏈中的那些晶體管適合于在第一電流密度工作，而第二鏈中的那些晶體管適合于在第二不同電流密度工作，使得提供在第一和第二鏈中的晶體管之間的基極射極電壓差，該差等效于多個ΔVbe，而且通過在耦合到放大器輸出的單一負載電阻器上提供的電流來生成。
本發(fā)明的又一實施例提供了一種包括放大器的溫度參考電路，該放大器在其非反相輸入節(jié)點處具有可在第一電流密度工作的至少一個雙極晶體管，而且在放大器的輸出與其反相輸入節(jié)點之間的反饋回路中具有可在第二電流密度工作的至少一個雙極晶體管，該第二電流密度低于耦合到非反相輸入端的晶體管的電流密度，使得由于耦合到兩個輸入中每一個的晶體管的電流密度差，ΔVbe反映在放大器的輸出處，而且其中耦合到放大器的輸入節(jié)點中每一個的晶體管以PTAT電流來驅動，使得所建立的ΔVbe電壓對溫度靈敏，由此提供適合于提供溫度測量的電壓參考電路。
通過參照如下附圖將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征，這些附圖是關于本發(fā)明的示例性實施例，而且意圖不在于以任何方式構成限制。如同可以由本領域技術人員理解的，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對下面說明的示例性實施例進行修改和適應。


現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明進行說明，其中圖1是在CMOS技術中提供的帶隙電壓參考電路的典型現(xiàn)有技術配置的實例，圖2是根據本發(fā)明第一實施例的電路實例，圖3是根據本發(fā)明第二實施例的電路實例，圖4是根據本發(fā)明第三實施例的電路實例，圖5是圖2電路的性能模擬，示出了輸出參考電壓。
圖6是示意圖，示出了使用二極管堆疊的本發(fā)明的實施。
具體實施例方式
已經參照圖1說明了現(xiàn)有技術。
圖2是根據本發(fā)明的帶隙電壓參考的實例。
該電路包括放大器A1，其根據標準技術適合于使其兩個輸入(反相輸入和非反相輸入)基本上保持在相同的電平。對于本領域技術人員而言，放大器的工作是公知的，而且出于方便的緣由，這里不予解釋。第一Q1、第二Q2和第三Q3晶體管耦合到放大器的非反相輸入，而對應組的三個晶體管Q4、Q5和Q6耦合到反相輸入。三個晶體管的這些組中的每一組可以被認為形成了耦合到它們相應輸入節(jié)點的晶體管鏈。Q4、Q5和Q6的射極區(qū)域分別是Q1、Q2和Q3的“n”倍。
Q1、Q2和Q3如此設置使得Q1的射極耦合到Q2的基極，Q2的射極耦合到Q3的基極，以及Q3的射極耦合到放大器的非反相輸入。類似地，Q4的基極耦合到Q5的射極，Q5的基極耦合到Q6的射極，以及Q4的射極耦合到放大器A1的反相輸入。這些晶體管的每一個的集極都接地。這樣，當雙極晶體管以適當的電流來偏置時，從在高電流密度工作的雙極堆疊(Q1、Q2、Q3)到在低電流密度工作的雙極堆疊(Q4、Q5、Q6)建立了基極-射極電壓的差。這些配對中的每一對貢獻ΔVbe，并且當組合時提供3ΔVbe的差。
在放大器的輸出處，提供了第一nMOS晶體管M1。器件M1的柵極耦合到放大器的輸出。M1的漏極耦合到二極管連接的pMOS晶體管M5。在M1的源極與另一晶體管Q7的射極之間的節(jié)點處提供該電路的參考電壓Vref。Q7的基極耦合到另一pMOS晶體管M6的漏極，并通過電阻器r1接地。M6和M5的柵極公共地耦合，并進一步耦合到另外三個的pMOS晶體管M2、M3和M4的柵極，其源極耦合到供給電壓而其漏極耦合到Q1、Q2和Q3的射極，由此分別提供電流I3、I4和I5。在Q4、Q5和Q6的射極處分別提供恒定電流I6、I7和I8。
由于在Q1/Q4、Q2/Q5和Q3/Q6的射極區(qū)域之間的相應差，在r1上反映了三個ΔVbe的差?？梢岳斫猓糯笃鞯妮敵鎏庱詈系倪@個單一電阻器的存在足以生成所需的三個ΔVbe。結果，通過M5和M6所鏡像的電流I1和I2是PTAT電流。類似地，強制到晶體管Q1、Q2和Q3中的電流I3、I4和I5也是PTAT電流。如上所提到的，強制到在比Q1、Q2或Q3工作于更低電流密度的雙極晶體管Q4、Q5和Q6中的電流I6、I7和I8是恒定電流。對于每一相應的晶體管對，建立了如下類型的負曲率電壓Vcurv＝(kT/q)(In(T/To))(4)該PTAT電壓(3ΔVbe)以及三個組合曲率電壓之和均施加在r1上。因為Q7也偏置于PTAT，所以該參考電壓將在除去曲率的情況下等于VG0。
可以理解，通過在對放大器的每一輸入支路上堆疊三對晶體管，生成3ΔVbe電壓，并且通過以PTAT電流來偏置在高電流密度工作的三個雙極晶體管和以恒定電流來偏置在低電流密度工作的雙極晶體管，建立了該電路中的內在曲率校正機制。
也可以理解，放大器的偏移電壓僅在r1上反映，而且因為r1位于放大器的輸出上，該偏移電壓并未由放大器增益或放大。
圖3示出本發(fā)明技術的替選實施例。在該實施例中，提供了兩級放大器，而且使用了提供放大器第一級的橫向雙極晶體管的非平衡對來實施圖2的技術。這個第一級包括提供為單一射極區(qū)域橫向PNP型晶體管的第一晶體管Q3和相同類型的但是具有縮放為“n”倍于Q3射極區(qū)域的射極區(qū)域的第二晶體管Q4。Q3和Q4均以PTAT電流I8來偏置，該電流典型地從外部生成的電流源來提供。負載晶體管MN1和MN2適合于均衡流過Q3和Q4的電流。結果第一ΔVbe建立到放大器的第一級中。
Q3的基極節(jié)點等效于圖2中所示放大器的非反相輸入，而且兩個晶體管Q1和Q2堆疊于此。Q2的射極耦合到Q3的基極，而Q1的射極耦合到Q2的基極。Q1和Q2中每一個的集極接地。
類似地，Q4的基極節(jié)點相當于圖2中所示放大器的反相輸入，而且兩個晶體管Q5和Q6堆疊于此。Q5的射極耦合到Q4的基極，而Q6的射極耦合到Q5的基極。Q5和Q6中每一個的集極接地。Q5和Q6中每一個的射極區(qū)域縮放為“n”倍于Q1和Q2的射極區(qū)域。
圖3中“放大器”的第二級由通過電流源I5驅動的nMOS晶體管MN3來提供。MN3的漏極也耦合到M1的柵極。M1的源極耦合到PNP晶體管Q7的射極，而且這個公共節(jié)點提供了用于該電路的輸出節(jié)點Vref。Q7的基極經由電阻器r1耦合于地，也耦合到pMOS晶體管M6的漏極。M6的柵極耦合到在二極管連接的配置中提供的另一pMOS晶體管M5的柵極，由此提供了電流鏡的主部件?？梢岳斫猓M管圖3示出M5配置為主部件，但是替選的設置可合適地將M6配置為該主器件，而M5作為從器件。然而，如圖3中所示，M5的漏極耦合到M1的漏極，由M5和M6的組合所提供的鏡也耦合到M2和M3，M2和M3又分別耦合到Q2和Q1的射極。這樣，通過r1生成的PTAT電流I1鏡像為I2、I3和I4，由此以PTAT電流來驅動部件Q1、Q2、Q3/Q4和M1中的每一個，而部件Q5和Q6耦合到外部提供的電流源，該電流源理想地提供支配性CTAT電流。如上所詳述，在Q3和Q4上建立第一ΔVbe，而從Q1和Q2到Q5和Q6建立其它兩個ΔVbe。
在Q1、Q2和Q3上建立的3ΔVbe(1)與在Q4、Q5和Q6上建立的3ΔVbe(n)加以組合，而且以與參照圖2所描述的相似方式，該輸出電壓是在去除曲率分量的情況下提供的。該實施與圖2中的實施的一個差別在于，Q3和Q4都以相同的優(yōu)選為PTAT的電流I8來偏置，而在圖2的實施中，形成第三對的晶體管中的一個晶體管以恒定電流來驅動，另一晶體管則以PTAT電流來驅動。作為以相同類型的電流來驅動第三對的兩個晶體管的結果，該曲率效應并未完全消除。該曲率的效應可以通過以支配性CTAT電流來驅動Q5和Q6而最小化。以PTAT和CTAT電流的縮放值來驅動Q5和Q6就影響了組合的輸出，使帶隙電壓電路固有的曲率得以去除。
將放大器的第一級設置為在一側有一個橫向晶體管而在另一側有大量橫向晶體管就克服了橫向晶體管的一個主要缺點或不足。這涉及到這樣的事實橫向晶體管具有兩個集極，一個連接于襯底而另一個用作“真正的”集極。因此，總的集極電流在兩個集極之間分開，而且該真正的集極中的電流針對相同的射極電流而具有大的展開。通過使用大量晶體管，該效應可以有所削弱?？梢岳斫?，圖3的電路由于它僅讓兩個附加晶體管設置于對放大器的輸入支路上所以能夠在具有更低凈空量能力的應用中使用；與在圖2中所需的三對相對而言，在對放大器的輸入上實施兩對則需要更少的凈空，然而該電路仍然提供所需的3ΔVbe(兩個在外部，而一個則到放大器輸入對中)。另外，與圖2的電路相比，圖3的電路貢獻較少1/f噪聲，因為圖3電路的輸入級基于雙極晶體管，而在圖2中輸入級基于MOS晶體管。
圖4示出了根據本發(fā)明的另一實施例。在該實施例中，該技術在完全雙極的設置中實施，而且提供經緩沖的電壓參考。
Q1和Q2在堆疊設置中來提供而且都在二極管連接的配置中來提供。類似地，Q5和Q6在二極管連接的設置中來提供，使每個的基極直接耦合到它們相應的集極，Q6的基極也耦合到Q5的射極。電流I7耦合到該晶體管對，該電流是理想地提供為支配性CTAT電流而且在外部生成的恒定電流源。放大器的第一級由晶體管Q3/Q4/Q8/Q9來提供，使Q3和Q4的公共射極耦合到外部生成的PTAT電流I8。Q3和Q4的集極分別耦合到Q8和Q9的集極，Q8在二極管連接的配置中來提供。Q9的集極也耦合到提供放大器第二級的另一晶體管Q10的基極。Q10也耦合到外部提供的支配性PTAT電流I5。以與MOS晶體管M1、M5和M6類似的方式，圖4的雙極實施提供了作為電壓跟隨器來提供的雙極晶體管Q7，其射極耦合到電流鏡的第一晶體管Q11，使得通過r1生成的電流I2由Q13鏡像為I4以驅動Q2和Q1。晶體管Q12提供為主鏡，而且提供了耦合到Q7集極的電流I2。該電路的參考電壓在Q10與Q7的基極之間的節(jié)點處提供，而且這樣從放大器的第二級直接分接(tap)?？梢岳斫猓@種配置具有非常低的偏移靈敏度，而且靈敏度隨著pnp雙極晶體管Q4的數量(n)增加而降低。
圖5示出了使用圖2電路的模擬結果。如從該結果的察閱中明顯可見，在-40℃到約85℃的溫度范圍內(這種參考電路的正常工作條件)，圖2的電路示出了約0.14mV的總電壓變化，這對應于約1ppm/℃的溫度系數。
可以理解，參照本發(fā)明的三個優(yōu)選實施例而在此已經說明的是這樣的帶隙參考電路，其不依賴于電阻器匹配或值而且具有低的偏移靈敏度，以及提供了內部曲率校正。通過從在高電流密度比率工作的三對晶體管和在低電流密度比率工作的三對晶體管來提供足夠的ΔVbe電壓，就不必放大ΔVbe，而且這樣也不放大該電路中固有的任何電壓偏移。本發(fā)明的電路在放大器的輸出處提供僅一個電阻器，而且由于該偏移在該電阻器處生成，因此沒有放大。
本發(fā)明的電路使用三對晶體管以對于每一對產生ΔVbe貢獻＞120mV?？梢岳斫?，如果該參考經曲率校正，則標稱帶隙電壓大約是1.15V。如果該參考未經曲率補償，則標稱電壓大約是1.25V。對于校正參考的情況，在室溫的1.15V電壓是基于大約700mV基極-射極電壓(CTAT)的貢獻，以及其差提供為PTAT分量。該差是所需的PTAT電壓，其為1.15V-0.7V＝0.45V。結果，對于在不同電流密度工作的雙極晶體管對的所需ΔVbe電壓是大約450mV/3＝150mV。由于ΔVbe從In(n)分量中產生(見等式1)，通過簡單地縮放在不同電流密度工作的晶體管的比率來得到該值＞＞120mV并非是簡單的實施。每一晶體管對需要大約0.8V，而且在多數應用中最小供給電壓是大約2.6V，由此將晶體管的最大數量限定在3對。為了使用僅3ΔVbe和為了使得輸出電壓處于3ΔVbe具有效果的電平，有必要將3ΔVbe的這一生成與曲率校正機制結合起來。如果未提供曲率校正，那么輸出電壓將是大約1.25V(硅的帶隙)，在正常工作區(qū)域中為大約2.5mV的低貢獻。通過施加曲率校正，在沒有這樣的低貢獻情況下提供該輸出電壓，并且這樣由3ΔVbe提供的貢獻更為顯著?？梢岳斫?，為了在單級環(huán)境(即只有一個放大器)中實施這種帶隙電壓參考電路，有必要進行一些曲率校正，否則由晶體管的堆疊而生成的電壓將不足以補償。
可以理解，本發(fā)明利用了一種放大器，該放大器在其非反相輸入處具有在第一電流密度工作的雙極晶體管的第一堆疊，而且在放大器的輸出與其反相輸入之間的反饋回路中提供了在比第一堆疊的電流密度更低的第二電流密度工作的雙極晶體管的第二堆疊。由于兩個堆疊的電流密度差，在放大器的輸出處反映了增強的ΔVbe。該PTAT電壓在耦合到放大器輸出和耦合到參考電位(典型地為地)的電阻器上得以建立。如果該PTAT電壓相加到平衡的CTAT電壓，則提供了對溫度不靈敏的電壓參考。然而，如果該PTAT電壓不與平衡的CTAT電壓相疊加或結合，那么在該電阻器上建立的電壓不是對溫度不靈敏的，即ΔVbe電壓與溫度波動直接相關(見等式1)，并且這樣，可以使用這種電路來提供溫度傳感器。
圖6示出了根據本發(fā)明如何能夠提供這種電路以提供電壓參考(即對溫度波動不靈敏)和溫度傳感器(即給出關于片上溫度的輸出值)的簡化示意圖。提供了具有反相和非反相輸入的放大器。在該放大器的輸出處提供電阻器r1耦合在放大器的輸出與地之間。提供了二極管(D1、D2、D3)的第一堆疊而且耦合到放大器的非反相輸入。這個第一堆疊或鏈以電流I3來驅動，該電流理想地是PTAT電流。在放大器的反相輸入與輸出之間的反饋回路中提供二極管的第二鏈。這個鏈以第二電流I6來驅動，適合于在比第一堆疊的電流密度更低的第二電流密度下工作?？梢岳斫猓线m地配置的雙極晶體管能夠等效地代替所提到和說明的二極管來使用。
在使用中，如果該電路要用作對溫度不靈敏的電壓參考，那么去除帶隙電壓電路固有的任何曲率分量是重要的?？梢岳斫猓珻TAT電壓提供了能夠通過將這樣的CTAT電壓和PTAT電壓電流的負曲率分量相組合來避免的正曲率貢獻。
這可通過提供作為恒定電流源的第二電流I6來產生，使得當將CTAT和PTAT電壓相加時，每一個的曲率分量將另一個的抵消掉。
如果該電路要用作溫度傳感器，那么不補償ΔVbe電壓的溫度變化是重要的。用于實現(xiàn)這一點的最容易的方法是也將I6作為PTAT電流來提供，而且理想地具有I3＝I6?？梢岳斫?，在作為溫度傳感器的實施中，依賴于所需要的標稱PTAT電壓，每一鏈中二極管的數目可以是1、2、3或更大?？梢岳斫猓斣撾娐酚米鲗囟炔混`敏的電壓參考時，重要的是當以等效的CTAT電流來均衡PTAT電流時，生成的ΔVbe是適當地足夠高的值。然而，在該電路用作溫度傳感器的情況下，這一點并非如此關鍵，而且每一鏈中二極管或雙極晶體管的數目能夠根據應用來選擇。此外可以理解，當用在溫度傳感器實施中時，如果兩個電流I3和I6在外部生成，則避免對電阻器r1的要求。由于反饋回路中提供二極管，仍然將在放大器的輸出處生成一倍或多倍的ΔVbe(依賴于每一堆疊中二極管的數目)，由此提供必要的信號用于監(jiān)視溫度。
可以理解，已經參照雙極晶體管的特定PNP配置來描述本發(fā)明，而且意圖并不在于將本發(fā)明的應用限于這種配置。如可由本領域技術人員所理解的，在NPN架構等的實施中可實現(xiàn)配置上的許多改型和變形。類似地，在晶體管以nMOS或pMOS配置來提供的情形中，可以理解能夠進行改型以改變哪些晶體管設置于每一配置中，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。此外，在雙極實施中描述本發(fā)明之處，可以理解這種實施可以通過使用寄生元件或等使用CMOS工藝來提供?？梢岳斫猓呀浽诖苏f明的是根據本發(fā)明的帶隙電壓參考的示例性實施例。已經使用特定元件、特征和值來詳細說明該電路，但無論如何意圖不在于本發(fā)明限于任何內容，除非根據所附權利要求而可認為是必要的。
類似地，當字眼包括在本說明書中使用時是用于指明所述特征、整數、步驟或組成的存在，但并不排除存在或附加一個或更多其它特征、整數、步驟、組成或其組合。
權利要求
1.一種帶隙電壓參考電路，包括具有第一和第二輸入節(jié)點且在其輸出處提供參考電壓的放大器，所述電路附加地包括至少兩對晶體管，每一對具有適合于在與該對的第二晶體管的電流密度不同的電流密度工作的第一晶體管，使得在使用中生成在每一配對的兩個晶體管之間的基極射極電壓差ΔVbe，而且其中這些對如此設置，使得在耦合到所述第一輸入節(jié)點的鏈中提供那些具有第一電流密度的晶體管，且在耦合到所述第二輸入節(jié)點的鏈中提供那些具有第二電流密度的晶體管，由每一配對所提供的ΔVbe的組合貢獻于在所述放大器的輸出處的增強ΔVbe，該增強ΔVbe在所述放大器的輸出處提供的電阻器上生成。
2.如權利要求1所述的電路，其中提供三對晶體管，每一對貢獻ΔVbe分量，使得在所述放大器的輸出處的電阻器上生成的增強ΔVbe等效于3ΔVbe。
3.如權利要求2所述的電路，還適合于通過以與絕對溫度成比例(PTAT)的電流驅動在所述第一電流密度工作的三個晶體管中的每一個和以恒定電流驅動其它三個晶體管來生成曲率校正電壓，所述3ΔVbe以及所述曲率校正電壓之和都施加在所述放大器的輸出上的電阻器上，由此校正與帶隙電路關聯(lián)的曲率，并提供對溫度不靈敏的參考電壓輸出。
4.如權利要求3所述的電路，其中所述PTAT電流通過鏡像在所述放大器的輸出上的所述電阻器上限定的電流來生成，使得驅動在所述第一電流密度工作的每一晶體管。
5.如權利要求1所述的電路，其中所述晶體管的每一個在MOS工藝實施中來提供。
6.如權利要求2所述的電路，其中所述晶體管對中的兩對使用雙極晶體管來形成，并且第三對使用橫向晶體管來形成。
7.如權利要求6所述的電路，其中所述第三對提供所述放大器的輸入級。
8.如權利要求7所述的電路，其中所述第三對提供所述放大器的非對稱輸入級。
9.如權利要求7所述的電路，還包括耦合到所述第三對晶體管的負載晶體管對，所述負載晶體管適合于均衡通過所述第三對晶體管的電流。
10.如權利要求7所述的電路，其中所述第三對晶體管都以PTAT電流來驅動。
11.如權利要求10所述的電路，其中所述提供的PTAT電流在所述電路外部生成。
12.如權利要求9所述的電路，其中所述放大器的第二級通過由PTAT電流源驅動的MOS晶體管來提供，所述MOS晶體管耦合到所述負載晶體管之一和形成所述第三對晶體管的所述晶體管之一的集極。
13.如權利要求1所述的電路，還包括在所述放大器的輸出處提供的MOS晶體管，所述MOS晶體管以PTAT電流來驅動，所述MOS晶體管的基極直接耦合到所述放大器的輸出節(jié)點，而射極節(jié)點提供所述電路的輸出。
14.如權利要求13所述的電路，其中所述MOS晶體管的源極耦合到雙極晶體管的射極，所述雙極晶體管的集極耦合到參考電位，而所述雙極晶體管的基極耦合到所述電阻器。
15.如權利要求2所述的電路，其中在雙極配置中提供所述三對晶體管的每一對，所述第三對提供放大器的輸入級，所述放大器具有耦合到在電壓跟隨器配置中提供的雙極晶體管的輸出節(jié)點，而且其中在所述放大器的輸出與所述電壓跟隨器之間的節(jié)點處提供所述電壓參考。
16.如權利要求2所述的電路，還適合于在所述放大器的輸出處提供指示在所述電路上感測的溫度的電壓，由此提供溫度傳感器，所述指示溫度的電壓通過以與絕對溫度成比例(PTAT)的電流驅動第一和第二晶體管鏈的每一個來實現(xiàn)，所述3ΔVbe施加在所述放大器的輸出上的所述電阻器上，由此在輸出節(jié)點處提供指示器件上溫度的電壓。
17.一種帶隙電壓參考電路，適合于在其輸出處提供參考電壓，所述參考電壓通過所生成的與絕對溫度相補(CTAT)的電壓和PTAT電壓的組合來提供，所述CTAT電壓通過正向偏置晶體管的基極射極電壓來提供，而所述PTAT電壓通過多個ΔVbe電壓來提供，每一ΔVbe電壓通過在不同電流密度工作的雙極晶體管對來生成，所述PTAT電壓通過在放大器的輸出處提供的單個電阻器上施加的電流來唯一地限定。
18.一種帶隙電壓參考電路，具有包括第一和第二輸入節(jié)點且在其輸出處提供參考電壓的放大器，每一輸入節(jié)點耦合到至少兩個晶體管的鏈，所述晶體管如此設置使得第一晶體管的射極耦合到第二晶體管的基極，第二晶體管的射極耦合到所述放大器的輸入，且每一晶體管的集極耦合到參考電位，而且其中第一鏈中的那些晶體管適合于在第一電流密度工作，而第二鏈中的那些晶體管適合于在第二不同電流密度工作，使得提供在第一和第二鏈中的晶體管之間的基極射極電壓差，所述差等效于多個ΔVbe，且通過在耦合到所述放大器的輸出的單一負載電阻器上提供的電流來生成。
19.一種包括放大器的溫度參考電路，所述放大器在其非反相輸入節(jié)點處具有可在第一電流密度工作的至少一個雙極晶體管，而且在所述放大器的輸出與其反相輸入節(jié)點之間的反饋回路中具有可在第二電流密度工作的至少一個雙極晶體管，所述第二電流密度低于耦合到所述非反相輸入端的晶體管的電流密度，使得由于耦合到所述兩個輸入中每一個的所述晶體管的電流密度差，ΔVbe反映在所述放大器的輸出處，而且其中耦合到所述放大器的輸入節(jié)點中每一個的所述晶體管以PTAT電流來驅動，使得所述建立的ΔVbe電壓對溫度靈敏，由此提供適合于提供溫度測量的電壓參考電路。
20.如權利要求19所述的電路，其中兩個或更多晶體管在堆疊設置中提供為耦合到所述放大器的輸入節(jié)點中的每一個，每一堆疊中的晶體管之間的電流密度差在所述放大器的輸出處生成增強的ΔVbe。
21.如權利要求19所述的電路，其中所述PTAT電流在所述電路外部地生成。
22.如權利要求19所述的電路，其中所述PTAT電流在所述電路內內部地生成，所述ΔVbe在所述放大器的輸出與參考電位之間耦合的單一電阻器上建立。
23.如權利要求20所述的電路，其中所述增強的ΔVbe作為PTAT電壓建立在所述放大器的輸出與參考電位之間耦合的單一電阻器上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種帶隙電壓參考電路，該電路適合于提供無需放大的足夠大值的ΔV
文檔編號G05F3/08GK1947079SQ200580002389
公開日2007年4月11日 申請日期2005年1月6日 優(yōu)先權日2004年1月13日
發(fā)明者斯特凡·瑪林卡 申請人:模擬裝置公司