用於低功率電壓基準的方法和電路以及偏置電流發生器的製作方法

2023-05-10 19:12:21

專利名稱：用於低功率電壓基準的方法和電路以及偏置電流發生器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電壓基準，並且更特別地，涉及使用帶隙電路實現的電壓基準。本發明更特別地涉及一種電路和方法，其提供可以被調節和調諧的、與絕對溫度成比例的電壓(PTAT)。
背景技術：
傳統的帶隙電壓基準電路基於添加具有相反的且平衡的溫度斜率的兩個電壓分量。圖1示出了傳統的帶隙基準的符號表示。其包括電流源110、電阻器120以及二極體130。應理解，二極體表示雙極電晶體的基極-發射極結。二極體兩端的壓降具有大約為-2. 2mV/°C的負溫度係數TC，並且通常被表示為與絕對溫度互補的(CTAT)電壓，這是因為電壓的輸出值隨著溫度增加而減小。該電壓具有根據以下等式1的典型負溫度係數
ηηrpyrrpηη wwT/*f4T'\= + 會-σ* 予 *崎(端)(等式 1)這裡，Vgo是大約為1. 2V的、零絕對溫度處的外推基極-發射極電壓；T是實際溫度；Ttl是可以為室溫(即，T = 300K)的基準溫度；Vbe(Ttl)是可以為大約0. 7V的、Ttl處的基極-發射極電壓；ο是與飽和電流溫度指數有關的常數，其是依賴於工藝的並且對於CMOS 工藝可以在3至5的範圍中；K是波爾茲曼常數，q是電子電荷，I。⑴和1。(1；)分別是實際溫度T和TO處的相應集電極電流。圖1中的電流源110期望是與絕對溫度成比例的(PTAT)源，以使得電阻器120兩端的壓降是PTAT電壓。隨著絕對溫度增加，電阻器120兩端的壓降也增加。通過在電阻器兩端反映以不同電流密度工作的雙極電晶體的兩個正向偏置的基極-發射極結的電壓差 (AVbe)來生成PTAT電流。集電極電流密度的差可以從兩個類似的電晶體(即，Ql和12(未示出))來建立，其中，Ql具有單位發射極面積，而Q2具有η倍的單位發射極面積。在以下等式O)中提供了具有正溫度係數的、所得到的AVte:
樸 X _ . KTAFft,(等式 2)在例如低功率應用的一些應用中，電阻器120可以較大甚至支配矽管芯的面積，從而增加了成本。因此，期望具有無電阻器的PTAT電壓電路。使用有源器件生成的PTAT 電壓可能經由偏移、失配以及閾值電壓而對過程變化敏感。此外，PTAT電壓單元中使用的有源器件可能會對所得到的PTAT電壓的總噪聲做出貢獻。本發明的實施例的一個目標是提供如下無電阻器的PATA單元其可以以低功率工作，對過程變化具有低敏感度並且具有低噪聲。圖2示出了圖1的電路的操作。通過組合二極體130的CTAT電壓V_CTAT與來自電阻器120兩端的壓降的PTAT電壓V_PTAT，可以在寬溫度範圍(即，_50°C至125°C )內提供相對恆定的輸出電壓Vref。對於η從8至50，室溫處的該基極-發射極電壓差可以是大約 50mV 至 IOOmV0為了平衡來自等式1的負溫度係數和等式2的正溫度係數的電壓分量，期望具有對PTAT分量進行微調的能力，以提高對過程變化的免疫性。因此，在本發明的另一實施例中，目標是提供PTAT分量的微調能力。在本發明的又一實施例中，目標是乘以在不同電流密度處工作的電晶體的AVbe 分量，以提供對溫度變化不敏感的更高基準電壓。


在附圖的圖中示出了本發明，附圖意為示例性的而非限制性的，並且在附圖中，相同的附圖標記旨在指的是相同的或相應的部分。圖1示出了已知的帶隙電壓基準電路。圖2是示出可以如何組合通過圖1的電路生成的PTAT電壓和CTAT電壓以提供基準電壓的圖。圖3a示出了根據本發明的實施例的無電阻器的PTAT單位單元(unit cell)。圖北示出了根據本發明的實施例的、具有附加電晶體的堆疊的無電阻器的PTAT 單位單元。圖3c示出了根據本發明的實施例的PTAT電壓輸出與溫度的關係。圖3d示出了根據本發明的實施例的電壓基準電路的不同分量的噪聲貢獻的仿真結果。圖4示出了無電阻器的偏置發生器的實施例。圖5示出了電壓級聯電路的實施例。圖6示出了本發明的另一實施例，其中，通過將PTAT電壓與基極-發射極電壓分數相加來生成基準電壓。圖7示出了根據本發明的實施例的基極-發射極數字分壓器。圖8示出了基於級聯PTAT電壓加上基極-發射極電壓的分數的基準電壓的實施例。圖9示出了對於根據圖7的不同輸入節點的不同電壓值的仿真結果。
具體實施例方式提供了一種用於沒有電阻器的PTAT單元的系統和方法，其可以以低功率工作，對過程變化具有較小的靈敏度，佔據較小的矽面積並且具有低噪聲。在本發明的另一方面，提
7供了一種用於提高基準電壓和電流的系統和方法。在本發明的又一方面，提供了一種用於對PTAT分量進行微調的系統和方法。圖3a的無電阻器的PTAT單元是本發明的一方面的實施例。電路300包括被布置成提供與絕對溫度互補的(CTAT)電壓的第一組電路元件。例如，第一組電路元件可以包括通過電流源310供電的電晶體330和340。電晶體330可以是例如NM0S。第二組電路元件被布置成提供與絕對溫度成比例的(PTAT)電壓或電流。例如，第二組電路元件至少可以包括電晶體350和有源元件360。電晶體350由電流源320來供電。在一個實施例中，有源器件360可以是NM0S。電晶體340和350可以是雙極電晶體。第二組電路元件的電晶體350被配置成使得其發射極面積是第一組電路元件的電晶體340的發射極面積的η倍。因此，如果電流源310和320提供相同的電流，並且可以忽略通過電晶體360的柵極的電流，則電晶體340以η倍於電晶體350的電流密度來工作。在一個實施例中，第一組電路元件的電晶體330提供電晶體340和350的基極電流。此外，電晶體330還可以控制電晶體340的基極-集電極電壓，以最小化其厄利效應(Early effect) 0電晶體360還具有多種作用。首先，在電晶體350的發射極處，其經由反饋、根據電晶體340和350的集電極電流密度的比率而生成基極-發射極電壓差。第二，其限制電晶體350的集電極電壓，從而減小電晶體350的厄利效應。電晶體330和360的縱橫比(W/ L)可以被選擇為首先使得電晶體340和電晶體360的基極-集電極電壓跟蹤彼此，以最小化厄利效應。
以以下等式1提供圖3a的電晶體360的漏極處的PTAT電壓
權利要求
1.一種與絕對溫度成比例的PTAT電壓電路，被配置成在所述電路的輸出處提供電壓基準，所述電路包括第一組電路元件，所述第一組電路元件被布置成提供與絕對溫度互補CTAT的電壓或電流；以及第二組電路元件，所述第二組電路元件被布置成提供與絕對溫度成比例PTAT的電壓或電流，其中，所述第二組電路元件包括至少一個雙極電晶體和無電阻器的有源元件，所述有源元件具有電阻，以及所述第一組電路元件包括至少一個雙極電晶體，該至少一個雙極電晶體以η倍於所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的電流密度工作。
2.根據權利要求1所述的PTAT電壓電路，其中，所述第二組電路元件的有源元件限制所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的集電極電壓，從而減小所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的厄利電壓VA。
3.根據權利要求1所述的PTAT電壓電路，其中，所述第一組電路元件包括至少一個 MOSFET,所述至少一個MOSFET提供所述第一組電路元件的至少一個雙極電晶體的基極電流和所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的基極電流。
4.根據權利要求3所述的PTAT電壓電路，其中，所述第一組電路元件的至少一個 MOSFET減小所述第一組電路元件的至少一個雙極電晶體的厄利電壓VA。
5.根據權利要求1所述的PTAT電壓電路，其中，所述第一組電路元件和所述第二組電路元件的集電極偏置電流是從無電阻器的偏置發生器生成的。
6.根據權利要求1所述的PTAT電壓電路，其中，來自所述第二組電路元件的所述無電阻器的有源元件是MOSFET。
7.根據權利要求6所述的PTAT電壓電路，其中，所述輸出對來自所述第一組電路元件的至少一個MOSFET和來自所述第二組電路元件的MOSFET引起的噪聲和偏移電壓不敏感。
8.根據權利要求1所述的PTAT電壓電路，還包括第三組電路元件，所述第三組電路元件包括一系列電阻，所述一系列電阻中的每個均具有可以分接的相應輸出，所述電阻被布置成劃分所述CTAT電壓以在所述輸出處生成獨立於溫度的電壓基準。
9.根據權利要求8所述的PTAT電壓電路，其中，所述一系列電阻包括工作在線性區域或三極體區域中的NMOS。
10.根據權利要求8所述的PTAT電壓電路，其中，所述一系列電阻的數量取決於期望的 CTAT劃分的解析度。
11.根據權利要求10所述的PTAT電壓電路，其中，所述PTAT電壓在所述一系列電阻中與溫度最無關的電阻的輸出處分接。
12.根據權利要求8所述的PTAT電壓電路，還包括第四組電路元件，所述第四組電路元件被布置成提供對溫度變化不敏感的獨立電流輸出。
13.根據權利要求12所述的PTAT電壓電路，其中，所述第四組電路元件包括放大器和耦合到所述放大器的反相端子的電阻。
14.根據權利要求13所述的PTAT電壓電路，其中，所述放大器的非反相端子被配置成具有特定的溫度變化，以補償耦合到所述放大器的反相端子的電阻的溫度係數。
15.根據權利要求12所述的PTAT電壓電路，其中，所述一系列電阻的輸出之一被分接為所述放大器的非反相端子的輸入。
16.根據權利要求1所述的PTAT電壓電路，其中，通過在所述第一組電路元件中包括至少一個堆疊電晶體以及在所述第二組電路元件中包括至少一個堆疊電晶體來增大所述 PTAT電壓，其中，所述第一組電路元件的至少一個堆疊電晶體以η倍於所述第二組電路元件的至少一個堆疊電晶體的電流密度工作。
17.一種與絕對溫度成比例的PTAT電壓電路，被配置成在所述電路的輸出處提供電壓基準，所述電路包括單位單元的級聯，每個單位單元包括第一組電路元件，所述第一組電路元件被布置成提供與絕對溫度互補的CTAT電壓或電流；以及第二組電路元件，所述第二組電路元件被布置成提供PTAT電壓或電流，其中，所述第二組電路元件包括至少一個雙極電晶體和無電阻器的有源元件，所述有源元件具有電阻，以及所述第一組電路元件包括至少一個雙極電晶體，該至少一個雙極電晶體以η倍於所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的電流密度工作，並且所述電壓基準基本上等於每個單位單元的電壓基準乘以單位單元的數量。
18.根據權利要求17所述的PTAT電壓電路，其中，在每個單位單元中，所述第二組電路元件的有源元件限制所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的集電極電壓，從而減小所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的厄利電壓VA。
19.根據權利要求17所述的PTAT電壓電路，還包括第三組電路元件，所述第三組電路元件包括一系列電阻，所述一系列電阻中的每個均具有能夠分接的相應輸出，所述電阻被布置成劃分所述CTAT電壓以在所述輸出處生成獨立於溫度的電壓基準。
20.根據權利要求17所述的PTAT電壓電路，其中，在每個單位單元中，通過在所述第一組電路元件中包括至少一個堆疊電晶體以及在所述第二組電路元件中包括至少一個堆疊電晶體來增大所述PTAT電壓，其中，所述第一組電路元件的至少一個堆疊電晶體以η倍於所述第二組電路元件的至少一個堆疊電晶體的電流密度工作。
21.一種提供PTAT電壓電路的方法，所述電路被配置成在其輸出處提供電壓基準，所述方法包括設置第一組電路元件，所述第一組電路元件被布置成提供與絕對溫度互補的CTAT電壓或電流；以及設置第二組電路元件，所述第二組電路元件被布置成提供PTAT電壓或電流，其中，所述第二組電路元件包括至少一個雙極電晶體和無電阻器的有源元件，所述有源元件具有電阻，以及所述第一組電路元件包括至少一個雙極電晶體，該至少一個雙極電晶體以η倍於所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的電流密度工作。
22.根據權利要求33所述的方法，其中，所述第二組電路元件的有源元件限制所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的集電極電壓，從而減小所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的厄利電壓I
23.根據權利要求33所述的方法，其中，所述第一組電路元件包括至少一個M0SFET，所述至少一個MOSFET提供所述第一組電路元件的至少一個雙極電晶體的基極電流和所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的基極電流。
24.根據權利要求35所述的方法，其中，所述第一組電路元件的至少一個MOSFET減小所述第一組電路元件的至少一個雙極電晶體的厄利電壓VA。
25.根據權利要求33所述的方法，其中，所述第一組電路元件和所述第二組電路元件的集電極偏置電流是從無電阻器的偏置發生器生成的。
26.根據權利要求33所述的方法，其中，來自所述第二組電路元件的所述無電阻器的有源元件是MOSFET。
27.根據權利要求38所述的方法，其中，所述輸出對來自所述第一組電路元件的至少一個MOSFET和來自所述第二組電路元件的MOSFET引起的噪聲和偏移電壓不敏感。
28.根據權利要求33所述的方法，還包括第三組電路元件，所述第三組電路元件包括一系列電阻，所述一系列電阻中的每個均具有能夠分接的相應輸出，所述電阻被布置成劃分所述CTAT電壓以在所述輸出處生成獨立於溫度的電壓基準。
29.根據權利要求40所述的方法，其中，所述一系列電阻包括工作在線性區域或三極體區域中的NM0S。
30.根據權利要求40所述的方法，其中，所述一系列電阻的數量取決於期望的CTAT劃分的解析度。
31.根據權利要求42所述的方法，其中，所述電壓基準在所述一系列電阻中與溫度最無關的電阻的輸出處分接。
32.根據權利要求40所述的方法，還包括第四組電路元件，所述第四組電路元件被布置成提供對溫度變化不敏感的獨立電流輸出。
33.根據權利要求44所述的方法，其中，所述第四組電路元件包括放大器和耦合到所述放大器的反相端子的電阻。
34.根據權利要求45所述的方法，其中，所述放大器的非反相端子被配置成具有特定的溫度變化，以補償耦合到所述放大器的反相端子的電阻的溫度係數。
35.根據權利要求44所述的方法，其中，所述一系列電阻的輸出之一被分接作為所述放大器的非反相端子的輸入。
36.根據權利要求33所述的方法，其中，通過在所述第一組電路元件中包括至少一個堆疊電晶體以及在所述第二組電路元件中包括至少一個堆疊電晶體來增大所述PTAT電壓，其中，所述第一組電路元件的至少一個堆疊電晶體以η倍於所述第二組電路元件的至少一個堆疊電晶體的電流密度工作。
37.一種提供與絕對溫度成比例的PTAT電壓電路的方法，所述電路被配置成在所述電路的輸出處提供電壓基準，所述電路包括單位單元的級聯，所述方法包括為每個單位單元設置第一組電路元件，所述第一組電路元件被布置成提供與絕對溫度互補的CTAT電壓或電流，為每個單位單元設置第二組電路元件，所述第二組電路元件被布置成提供PTAT電壓或電流，其中，對於每個單位單元，所述第二組電路元件包括至少一個雙極電晶體和無電阻器的有源元件，所述有源元件具有電阻，以及所述第一組電路元件包括至少一個雙極電晶體，該至少一個雙極電晶體以η倍於所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的電流密度工作，並且所述電壓基準基本上等於每個單位單元的電壓基準乘以單位單元的數量。
38.根據權利要求49所述的方法，其中，在每個單位單元中，所述第二組電路元件的有源元件限制所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的集電極電壓，從而減小所述第二組電路元件的至少一個雙極電晶體的厄利電壓VA。
39.根據權利要求49所述的方法，還包括第三組電路元件，所述第三組電路元件包括一系列電阻，所述一系列電阻中的每個均具有能夠分接的相應輸出，所述電阻被布置成劃分所述CTAT電壓以在所述輸出處生成獨立於溫度的電壓基準。
40.根據權利要求49所述的方法，其中，在每個單位單元中，通過在所述第一組電路元件中包括至少一個堆疊電晶體以及在所述第二組電路元件中包括至少一個堆疊電晶體來增大所述PTAT電壓，其中，所述第一組電路元件的至少一個堆疊電晶體以η倍於所述第二組電路元件的至少一個堆疊電晶體的電流密度工作。
41.根據權利要求8所述的PTAT電壓電路，其中，所述一系列電阻能夠選擇性地被短路。
42.根據權利要求41所述的PTAT電壓電路，其中，選擇性地短路是通過數字調整來執行的。
43.根據權利要求42所述的PTAT電壓電路，其中，所述數字調整通過粗略串和微細串。
44.根據權利要求40所述的方法，其中，所述一系列電阻能夠選擇性地被短路。
45.根據權利要求71所述的方法，其中，選擇性地短路是通過數字調整來執行的。
46.根據權利要求72所述的方法，其中，所述數字調整通過粗略串和微細串。
全文摘要
提供了一種用於沒有電阻器的PTAT單元的系統和方法，其能夠以低功率工作，對過程變化具有較差的靈敏度，佔據較少的矽面積，並且具有低噪聲。此外，提供了一種系統和方法，用於通過單位單元的級聯來提高基準電壓和電流。此外，提供了一種用於PTAT分量的系統和方法以對其進行微調，這有利地提供了較少的過程變化性以及較差的溫度靈敏度。
文檔編號G05F1/10GK102369495SQ201080014313
公開日2012年3月7日 申請日期2010年3月19日 優先權日2009年3月31日
發明者S·馬裡恩卡 申請人:美國亞德諾半導體公司