CN101061449A

CN101061449A - 参考电压电路

Info

Publication number: CN101061449A
Application number: CNA2005800391733A
Authority: CN
Inventors: 纪尧姆·德克勒穆
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: US20090322305A1; WO2006054217A3; CN101061449B; ATE420395T1; JP2008521235A; JP5109080B2; EP1815303A2; DE602005012310D1; EP1815303B1; US8125209B2; WO2006054217A2

Abstract

本发明提供一种利用电荷的非易失和非可变地存储的参考电压电路。可调变换模块适用于将与被存储的恒定电荷的相对应的恒定电压变换为输出参考电压。此外，控制环路用与高精度参考电压源有关的外部标定模块对变换模块进行调整。在标定过程中变换模块被调整的结果是输出参考电压等于高精度参考电压。在参考电压电子电路与标定模块断开之后，输出参考电压受非易失存储器所存储的电荷以及可调变换模块的配置支配。其相对于时间和温度保持恒定和精确性，并且只消耗最低限度的电流。

Description

参考电压电路

技术领域

本发明涉及集成电路，特别是涉及提供稳定而精确的参考电压的集成电路。

背景技术

精确的电压参考基准广泛地用于提供多种电子设备的标定、调整和操作等等所需的精确绝对电压值。参考电压已例如使用能带间隙电压技术实现，那里，温度系数相反的二极管和电阻耦连，使器件的总输出电压在温度变化时保持恒定。利用能带间隙技术，在不细调电阻值时精度基本上能达到1％，在细调电阻值时，精度则能达到0.1％。利用例如双曲率技术，依靠耗费更多从而引起不可忽视的电流消耗的更为复杂的技术装置，甚至能得到精度为0.02％的输出参考(基准)电压。例如，MAXIMIntegrated Products，Inc.(Sunnyvale，Califormia，USA)的MAX6126A-SOIC(详细参看http://www.maxim-ic.com)示出使用能带间隙技术的参考电压，特性是：精度为0.02％，温度漂移为3pp/度，维持电流约为550μA。

另一参考电压器件可利用结栅式场效应晶体管(JFET)代替参考电压电路的双极元件。例如，Analog Devices Inc.(参看http://www.analog.com)的ADR433参考电压提供绝对精度为0.03％，温度漂移为10ppm/度并要求800μA的维持电流。

其他众所周知的技术是以所谓隐埋式齐纳二极管为基础，利用齐纳二极管上被调整的电压能达到可比的性能值。例如Analog Devices公司的ADD588参考电压在消耗更大的10mA维持电流的条件下，能达到甚至更好的精度和更低的温度漂移。

特别是，当必须在电池供电的便携式设备中例如蜂窝式电话中装备参考电压电路时，这些大维持电流受到明显的限制。因此，电池供电的便携式设备即使在维持方式中也不能消耗大的维持电流。在维持方式中，电池供电的便携式设备可消耗上至200μA作为所需的维持电流。又因为在维持方式中参考电压还需要感受在便携式电子设备中的不同电学量，所以利用能带间隙技术或者隐埋式齐纳二极管技术实现的参考电压将额外需要至少500μA，由此将电池供电的便携式设备的维持时间减少2至10倍。

为了减少参考电压的电流消耗，Xicor Inc.(可查看http://xicor.com)已开发出参考电压X60008B-41，X60008C-41和X60008D-41。这些参考电压在标定过程中调整电可擦可编程只读存储器(EEPROM)浮栅中所含的电荷。这种参考电压装置在图1中简略说明。

参考电压电路100耦连至标定单元102。参考电压电路100包括EEPROM模块104、参考放大器114、可调电流源112、上隧穿开关108和下隧穿开关110。标定单元102有比较器116以及高精度电压源118。

EEPROM模块104具有浮栅并提供非易失的电荷存储，在10至100年之间基本上不损失。因此，EEPROM模块104的电荷俘获功能度也能用等效电容器106来说明。参考放大器114直接用来将EEPROM模块104浮栅存储的电荷转换为参考电压电路100输出端122上的输出电压。参考放大器114因此起缓冲器作用，它的输出对应于参考输出电压。

在标定过程中，参考电压电路100耦连至标定模块102，比较器116则起反馈放大器作用。它将缓冲器114的输出与从高精度电压源118得到的电压比较，并产生控制信号作为指示参考电压与高精度电压信号之间偏差的输出。如果参考电压太低，则开关108被激活，电流控制的高电压加至EEPROM模块104，通过隧道效应引起更多的电荷积累在EEPROM电容上。相反，如果参考电压太高，另一开关110按类似方式以相反的极性起作用。

由此可见，EEPROM模块104中被俘获的电荷被调整直到缓冲器114的输出与高精度电压源118的值匹配。然后，参考电压电路100和标定模块102断开，而参考电压电路100的参考电压输出122以很高的精度和良好的时间稳定性而保持可用状态。例如，绝对精度可以好至0.02％而温度漂移为3ppm/度。参考电压电路所需要的电流也可低于1μA，由此满足最轻便的电池供电的电子设备功率消耗限制。更多的信息可参看McCreary等人的“Precision voltage reference using EEPROM and flogtinggate trim(采用EEPROM和浮栅调整的精确参考电压)”，可在http://www.eetimes.com/article/show Article.jhtml？article ID＝12802489得到。

虽然图1所示参考电压原则上满足用在电池供电的便携式设备中的参考电压的要求，但它是通过使用必须特别适用于模拟电压值的EEPROM模块实现的。为了实现参考电压电路中的EEPROM模块，EEPROM的一般性能必须精确并适当地分类，为的是能预测EEPROM模块在标定过程中怎样起作用。EEPROM模块的这种分类需要大量的测试芯片和测试电路以及相应的广泛而精巧的开发和测试过程。

另外，在EEPROM模块中被俘获的电荷的电控调整仅在标定过程中需要。一旦标定完成，EEPROM模块只要俘获性质不同的电荷。通常，借助于EEPROM模块的性质不同的电荷非易失存储花费更多，因为非易失存储也能以其他低成本电子元件配置。

发明内容

本发明提供一种参考电压电子电路，其包括电容性元件，它有浮栅用于恒定电荷的非易失和非可变地存储，参考电压电子电路进一步具有可调变换模块，它有一个输入端耦连至电容器。这个输入端被供给与电容器所存储的恒定电荷相应的恒定电压。然后，变换模块提供这个恒定电压的可调整的变换，以输出参考电压。此外，参考电压电子电路还包括控制环路，其借助于使用高精度参考电压源的外部标定模块调整变换模块。

和现有技术的装置相反，本发明提供一种借助于电容器或等效的只读存储器(ROM)器件的非可变地存储任意电荷。然后，在与外部标定模块联合进行标定的过程中，可调变换模块的变换特性被适当调整以得到所需要的输出参考电压。与调整存储在电容器中的电荷不同，这里调整的是可调变换模块的增益或变换特性。这能使俘获电荷的电容性元件用非可擦存储器件实现。

比较好的是，以模拟方法进行可调变换模块的调整。因此，不再需要数字存储器的分类和模造例如数字只读存储器(ROM)模块。ROM俘获的电荷在标定过程中保持恒定，并且输出参考电压的调整能用变换模块的模拟调整方法来实现。

标定模块一般是将变换模块的输出参考电压与从高精度参考电压源得到的高精度参考电压比较，产生控制信号指示输出参考电压相比于高精度参考电压是否太高或太低。基于这个控制信号，改变可调变换模块的放大和变换特性使输出参考电压与高精度参考电压之间的差最小化。一旦标定过程结束即参考电压基本上等于高精度电压，外部标定单元便与参考电压电子电路断开，然后参考电压电子电路便提供恒定而精确的输出参考电压，具有低的温度漂移和低的电流消耗例如甚至低于1μA。

根据优选实施例，参考电压电子电路的可调变换模块包括运算放大器和形成反馈环路的至少第一和第二可调电阻。这个反馈环路一般通过将运算放大器的输出连接至它的反相输入端，输出电压用两个电阻调节。在这种结构中，运算放大器力图输出一个电压使输入电压相等。一般，运算放大器结构的增益系数正比于1加两个电阻的比率。借助于外部标定模块对第一和/或第二电阻进行调整，能控制可调变换模块的增益而使输出参考电压等于标定模块的高精度电压。因此，第一和/或第二电阻的调整被外部标定模块有效地控制。

例如，第一和/或第二电阻可用激光方法结合第一和/或第二电阻厚度和/或宽度的机械处理进行修整。因为在标定过程结束以后，无论是第一和/或第二电阻还是ROM模块所存储的电荷都不必改变。所以第一和/或第二电阻也能实现用一次可变电阻例如变成激光修整对象的电阻。其他的技术像保险丝的熔断原则上也能通过有选择地熔断例如多晶硅保险丝实现电阻的非可变的调整。

根据本发明又一优选实施例，参考电压电子电路的电容性元件包括可擦可编程只读存储器(EPROM)模块。EPROM模块可用于相异电荷的非易失存储。比较好的是，EPROM模块受一次性编程的支配，那里EPROM模块被暂时地耦连至电压源。这样，EPROM模块存储任意电荷相对于温度和时间的变化是稳定的。依赖于这个被存储的电荷，在标定过程中可以改变可调变换模块的增益系数。特别是，用EPROM模块实现电荷俘获器件，整个参考电压电路的产品成本相比于现有技术使用EEPROM模块实现的成本能显著地降低，EEPROM模块需要俘获的电荷的标定、相当复杂的模造和精心的EEPROM模块分类。

在另一实施例中，每一可调变换模块的第一和/或第二电阻包括一组电阻和一组基于金属氧化物半导体(MOS)的开关的电路。第一和/或第二电阻的电阻值由相应电阻组的开关组配置确定。因此，电阻的电路可实现为一组带有与每个电阻并联的相应开关的电阻串联而成的电路。这样，电阻组中的每个电阻都能被接入和遮断以增加或减小第一和/或第二电阻的总电阻值。

一般，第一和/或第二电阻包括大量的单个电阻，每个电阻具有预定的不同值。使用大量这样的单个电阻是有利的，因为第一和/或第二电阻值之间的匹配精度与

成正比增加，这里的N表示构成第一和/或第二电阻的单个电阻的总个数。通常，第一和/或第二电阻的精度调得越高，所能得到的参考电压输出的精度就越高。一般，第一和/或第二电阻通过基于互补金属氯化物半导体(CMOS)技术的开关来实现，单个电阻包括多晶硅膜或者是基于衬底上P-或n-扩散所实现的扩散电阻。特别是，这种设计可用于第一和/或第二电阻的紧凑设计和有效率的大量产品制造。

根据本发明的又一优选实施例，第一和/或第二电阻的电阻值通过标定模块确定。比较好的是，当开关结构实现为基于金属氧化物半导体的开关的电阻电路时，第一和/或第二电阻的开关配置被进一步作为一组驱动信号存储，它们适用于驱动每个电阻的开关控制极。这些驱动信号能用EPROM模块有效地存储。这样，用来调整变换模块因而改变参考电压电子电路的参考放大器增益系数的第一和/或第二电阻电阻值调制，能通过开关配置以数字方式存储。这个特性也能实现用数字控制电路调整变换模块的控制环路。响应输出参考电压与标定模块的高精度电压之间的偏差检测，第一和/或第二电阻的不同开关能有选择地接通或断开。

在另一方面，本发明提供一种标定参考电压电子电路的方法，其包括用电容器或只读存储器器件存储恒定电荷的步骤，所述只读存储器具有非易失和非可变地存储电荷的浮栅。恒定电荷存储以后，与恒定电荷对应的恒定电压被供给起参考放大器作用的可调变换模块的输入。通过可调变换模块将恒定电压变换为输出参考电压。还有，响应从使用高精度参考电压源的外部标定模块接收到的控制信号，通过调整变换模块，对参考电压电子电路进行标定。

外部标定模块将可调变换模块提供的输出参考电压与高精度电压比较。输出参考电压与高精度电压之间的偏差导致相应控制信号的产生，该信号由可调变换模块进行处理或者由标定模块本身进行处理。在后一种情况下，外部标定模块适用于对可调变换模块进行调整，使输出参考电压对应于高精度参考电压。

再一方面，本发明提供标定模块，其用标定具有电容性元件或只读存储器的参考电压电子电路，所述只读存储器具有用于非易失和非可变地存储恒定电荷的浮栅。参考电压电子电路进一步具有可调变换模块，其具有耦连至电容性元件或只读存储器的输入端，并提供与恒定电荷相应的恒定电压。标定模块包括高精度参考电压源和适用于将参考电压电子电路的输出与高精度电压源比较的比较器模块。比较器模块还适用于调整参考电压电子电路的可调变换模块。一般通过改变使用运算放大器的控制环路的第一和/或第二电阻对变换模块进行调整。第一和/或第二电阻一般是作为一组电阻的电路实现的，这些电阻能利用CMOS实现的开关有选择地与第一和/或第二电阻相连或断开。

再一方面，本发明提供电池供电的便携式电子设备，其具有使用本发明的参考电压电子电路的电压调节器。

再一方面，本发明提供一种蜂窝式电话，其包括根据本发明的参考电压电子电路。

下面应注意，权利要求中任何参考符号不构成对本发明的范围的限制。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的优选实施例，附图中：

图1是现有技术利用EEPROM模块实现的参考电压电子电路的简要说明图，

图2是本发明的参考电压电路的方框图，

图3是参考电压电子电路的简要电路图，

图4是形成可调变换模块的第一和/或第二电阻的一组电阻电路图。

具体实施方式

图2是参考电压电子电路200和外部标定模块202的简要方框图。参考电压电子电路200具有电容性电荷俘获模块，图示为等效电容器206。一般，这个电容性模块可采用只读存储器(ROM)例如EPROM来实现。此外，参考电压电路200具有可调变换模块212，它的输入与等效电容器206相连，它的输出与参考电压电路200的输出端口222相连。

标定模块202具有比较器模块216和高精度电压源218。比较器216耦连至参考电压电路200的输出222，将可调变换模块212的输出与由高精度电压源218提供的电压比较。在输出参考电压与高精度电压之间失配的情况下，比较器216产生控制信号供给可调变换模块212。这样，可调变换模块212和比较器模块216形成控制环路，使输出参考电压与由高精度电压源218提供的高精度电压之间的失配减至最小。

如果输出参考电压与高精度电压之间的失配已减至最小，则标定模块202和参考电压电路200断开。如果标定模块202断开，则可调变换模块212以及通过电容性存储模块206俘获的电荷的结构保持不变。在这种由标定过程确定的结构中，参考电压电路200在输出端口222提供稳定而精确的参考电压，同时需要很低电流例如甚至低至1μA。

在图1所示现有技术的实现装置对比，电荷存储器件206不必实现为可重构的存储器件例如EEPROM。因此在本发明中，电荷俘获器件能通过一次可编程的EPROM模块有效地实现，因为参考电压电路200的标定模块只需要改变可调变换模块212。可调变换模块212的调整由标定模块和它的比较器模块216控制。因此，比较器模块216的输出作为反馈信号通过导线220耦连至可调变换模块212。

通过采用非可变的电容性模块206实现电荷俘获器件，整个参考电压电路200与利用基于EEPROM的可重构模块来实现相比，能成本有效地制造。而且通过调整变换模块212，电荷俘获模块不必分类或模造。所以，参考电压电路200的制造和开发时间相比于图1所示的实现方法能显著地减少。

图3简要地示出参考电压200和外部标定模块202的电路图。这里，参考电压电路的只读存储器用EPROM模块204实现，这个模块通过开关208与电压源210相连。等效电容206只表示EPROM模块204的电容功能度。EPROM模块204的浮栅与可调变换模块212的输入端相连，它在输出端点222提供输出参考电压。与图2已说明的类似，参考电压电子电路200的输出耦连至外部标定模块202，这个模块具有高精度参考电压源218和比较器216。

可调变换模块212进一步作为反馈环路实现，其具有运算放大器214以及第一和第二电阻224和226。这里，两个电阻224、226图示为可利用标定模块202进行调整的可调电阻。因此，比较器模块216的输出耦连至电阻224和电阻226。

运算放大器214，电阻224、226以及比较器216形成一个反馈环路，这个环路力图将运算放大器214的输出电压调节为与高精度参考电压源218提供的电压相同的电压。特别是，运算放大器214、电阻224和电阻226的配置表现为负反馈结构，那里运算放大器力图以使它的输入电压相等的方式产生输出电压。这样，通过改变两个电阻224、226中的两个或任一个，运算放大器214的输出电压能得到足够的调整。

假如运算放大器214有大的增益系数，则输出端口222的输出电压近似为：

V_{ref} = V_{0} (1 + \frac{R_{1}}{R_{2}}),

这里V₀相当于被加至运算放大器214的非反相输入端口的电压，V_ref表示输出参考电压，R₁和R₂分别相当于电阻224和226的电阻值。

输入电压由通过EPROM模块204俘获的电荷支配。因为模块204一般由一次性编程进行初始化，数字存储电荷值可以为任意大小，所以运算放大器214非反相输入端口的电压V₀可相应地变化。于是，为了得到预定的参考电压V_ref，电阻224、226中至少一个必须适当地细调。原则上，这个细调可采用激光或保险丝熔断的方法，或者安排许多的单个电阻和开关实现可调电阻224、226的方法进行。

当在标定过程中输出端口222的输出参考电压大于高精度参考电压时，电阻值224被减小，例如借助电子开关使这个电阻的一部分短路。在其他情况下，如果输出参考电压太低，则可将电阻224增大，或者反过来以类似方法将电阻226的电阻值减小。依赖于两个电阻224和226的具体实现情况，变换模块212的调整可通过增加或减小任一电阻224、226，或者综合调整它们的电阻值来进行。

一般，标定过程迭代地重复直至电阻224或226不能进一步调整，或者输出参考电压与高精度外部电压之间的失配在参考电压电路200的允许范围以内。当基于CMOS技术将电阻224和226实现为包括大量的单个电阻和开关的多节电阻时，输出端口222上的输出参考电压的精度主要受电阻224和226的精度支配，该精度本身也依赖于它们的基本电阻的精度和实现电阻224和226所需要的基本电阻的数量。例如，对于1.25V的输出参考电压，利用本发明能原则上实现温度漂移为10ppm每度和电流消耗为500μA条件下的0.1％的精度。

图4简要表示利用由电阻302和电阻304串联耦连而成的多节电阻300实现可调电阻224和226。多节电阻300有开关306、308与各个电阻302、304并联。开关306、308都用于使相应的电阻302、304短路。一般，开关306、308实现为基于CMOS、PMOS或NMOS的开关。多节电阻300仅是片段的图示，其可包含大量的电阻和开关，超过100甚至1000个独立的单个电阻302、304和开关306、308。通常，通过供给大量的电阻302、304，多节电阻300的总电阻的匹配精度增加为 N是电阻302、304的总数。这样，即使每个电阻302、304可能表现出绝对电阻值的明显变化，但电阻224和226的很精确的相对匹配是能实现的。

多节电阻300的总电阻值最终由开关306、308的开关配置给出。比较好的是，这个开关配置以开关控制极的一组驱动信号的形式存储起来。这些驱动信号能利用允许非易失性存储可调变换模块配置的EPROM有效地存储。这样，当标定模块从参考电压电子电路断开时，能有效地保证通过EPROM模块204以及变换模块配置所存储的任意电荷保持不变。

因为本发明的参考电压电路不需要可重构的昂贵EEPROM模块，所以适用于几乎任何形式的便携式电池驱动的电子设备，例如移动电话和移动多媒体设备，如CD播放机、个人数字助理、视频游戏机和摄像机。另外，本参考电压电路可装入维持时间是一个重要参数场合下的其他便携式电子设备，例如利用全球定位卫星(GPS)系统之类的便携式导航设备。

参考号码表：

100参考电压电路

102标定模块

104 EEPROM模块

106等效电容器

108开关

110开关

112可调电流源

114缓冲器

116比较器

118高精度电压源

120导线

122导线

200参考电压电路

202标定模块

204 EPROM模块

206等效电容器

208开关

210电压源

212可调变换模块

214运算放大器

216比较器

218高精度电压源

220导线

222导线

224可调电阻

226可调电阻

Claims

1.一种参考电压电子电路(200)，其特征在于包括：

具有浮栅的电容性元件(204)，其用于非易失和非可变地存储恒定电荷，

可调变换模块(212)，其具有输入端耦连至提供与恒定电荷相应的恒定电压的所述电容性元件，所述可调变换模块将恒定电压可调地变换为输出参考电压，

控制环路，其通过使用高精度参考电压源(218)的外部标定模块(202)调整变换模块。

2.根据权利要求1所述的参考电压电子电路(200)，其特征在于：可调变换模块(212)包括运算放大器(214)和形成反馈环路的至少第一和第二电阻(224、226)，第一和/或第二电阻的电阻值可由外部标定模块调整。

3.根据权利要求1所述的参考电压电子电路(200)，其特征在于：电容性元件包括可擦可编程只读存储器(EPROM)模块(204)。

4.根据权利要求2所述的参考电压电子电路(200)，其特征在于：每个第一和/或第二电阻(224、226)包括一组电阻(302、304)和一组基于金属-氧化物-半导体开关(306、308)的电路(300)，第一和/或第二电阻的电阻值由该组开关的配置确定。

5.根据权利要求4所述的参考电压电子电路(200)，其特征在于：第一和/或第二电阻(224、226)的电阻值由标定模块(202)确定，并且，开关配置用EPROM模块存储。

6.一种标定参考电压电子电路(200)的方法，其特征在于包括步骤：

借助于具有浮栅用于非易失和非可变地存储电荷的电容性元件(204)存储恒定电荷，

向可调变换模块(212)的输入端提供与恒定电荷相应的恒定电压，

用可调变换模块将恒定电压变换为输出参考电压，

响应从使用高精度参考电压源(218)的外部标定模块(202)接收到的控制信号，通过调整变换模块标定参考电压电子电路。

7.一种标定模块(202)，其用于标定参考电压电子电路(200)，所述电路具有用于非易失和非可变地存储恒定电荷的带浮栅的电容性元件(204)，并具有可调变换模块(212)，其具有输入端耦连至提供与恒定电荷相应的恒定电压的所述电容性元件，其中所述标定模块包括：

高精度参考电压源(218)，

比较器模块，其适用于将参考电压电子电路的输出与高精度电压源的输出比较，比较器模块适用于调整参考电压电子电路的可调变换模块(212)。

8.一种电池供电的便携式电子设备，其特征在于具有使用根据权利要求1至5中任一项所述的参考电压电子电路(200)的电压调节器。

9.一种蜂窝式电话，其特征在于包括根据权利要求1至5中任一项所述的参考电压电子电路(200)。