CN101101493A

CN101101493A - 带启动电路的带隙基准电路和用于启动带隙基准电路的方法

Info

Publication number: CN101101493A
Application number: CNA2007101286487A
Authority: CN
Inventors: 迪特尔·德拉克斯埃里迈耶
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2027-07-09
Also published as: US7911195B2; US20080007244A1; DE102006031549B4; CN101101493B; DE102006031549A1

Abstract

本发明涉及具有启动电路(2，22)的带隙基准电路(1)以及用于启动带隙基准电路的方法。启动电路(2)在电阻器(R3)两端电压达到预置的阈值电压前协助带隙基准电路(1)启动，并在电阻器(R3)两端电压降达到预置的阈值电压时启动电路自动断开。电阻器(R3)与带隙基准电路(1)的二极管半导体(D2)串联连接。作为另一种选择，启动电路(22)在带隙基准电路(1)内一个节点(B1，B2)处的电位和带隙基准电路(1)另一节点(B0)处的电位之间的差值电压，即正比于带隙基准电路(1)的输出电压(Vout)或输出电流的电位，达到预定的阈值电压之前协助带隙基准电路(1)的启动。一旦差值电压达到阈值电压，启动电路(22)自动断开。本发明还涉及启动带隙基准电路(1)的对应方法。

Description

带启动电路的带隙基准电路和用于启动带隙基准电路的方法

技术领域

本发明涉及具有启动电路的带隙基准电路及用于启动带隙基准电路的方法。

背景技术

带隙基准电路也称带隙电路，比如集成电路中要求这种带隙基准电路作为电压和电流的基准。带隙基准电路通常需要启动电路，以便能够可靠地工作。不然就可能存在带隙基准电路工作在不正常工作点的危险，比如，DE 10 2004 004 305A1中公开的带隙基准电路那样。

带隙基准电路的工作原理如下：两个二极管之间的电压差用于在第一电阻器中产生与绝对温度成比例的(PTAT)电流，利用这个电流，在第二电阻器的两端产生一个电压。将第二电阻器两端的电压加在带隙基准电路的两个二极管之一的电压上，或者加给另一个二极管。

图4表示一个具有启动电路42的带隙基准电路1的实例，给出图4，用作与带隙基准电路的启动电路有关的一般问题的说明。

本实例中的带隙基准电路1包括运算放大器A1，所述运算放大器A1具有倒向输入端3、同向输入端4和输出端5。本例中的运算放大器A1不非理想的运算放大器，而是所谓OTA。OTA是电压控制的电流源。运算放大器A1的输出端5给出的电压加给第一和第二PMOS晶体管P1、P2的栅极，形成闭合控制回路。在PMOS晶体管P1、P2上被加给电源电压VDD。

第一PMOS晶体管P1连接到运算放大器A1的倒向输入端3、第一二极管D1和第一电阻器R1。第一二极管D1以及第一电阻器R1的位于第一PMOS晶体管P1相对侧的那一端连接到地。以B1表示从第一PMOS晶体管P1连接到第一电阻器R1和第一二极管D1形成的节点。

第二PMOS晶体管P2连接到运算放大器A1的同向输入端4、第二电阻器R2和第三电阻器R3。第三电阻器R3的位于第二PMOS晶体管P2相对侧上的那一端连接到第二二极管D2的第一端，第二二极管D2的第二端连接到地。第二电阻器R2的位于第二PMOS晶体管P2相对侧上的那一端也连接到地。以B2表示从第二PMOS晶体管P2连接到第二和第三阻器R2、R3形成的节点。

这种带隙基准电路1还包括输出晶体管P3。带隙基准电路1的输出电压Vout，在带隙基准电路1的输出节点BGout处被加给输出晶体管P3，并且加在输出电阻器Rout的两端。所述输出电阻器Rout接地，并连接到输出节点BGout。

还将输出晶体管P3的栅极接线端连接到两个PMOS晶体管P1、P2的栅极接线端。这种连接形成节点BIAP。在许多情况下，运算放大器A1本身比如借助附加的电流镜从带隙基准电路1取得它的偏置电流，因此，直到带隙基准电路1启动运算放大器A1才能充分发挥作用。所需的偏置电流的产生也可能与带隙基准电路1无关，并且具有合理的众所周知的大小。

为了说明一般性问题而提供的带隙基准电路1所用的启动电路42包括PMOS晶体管P4、第一NMOS晶体管N1和第二NMOS晶体管N2。

常规的带隙基准电路1所用的启动电路42的工作过程有如下面所述。

如果带隙基准电路1的输出电压Vout还没有达到一定的值，也即带隙基准电路1尚未启动，则由启动电路42的PMOS晶体管P4和第一NMOS晶体管N1组成的辅助电路接通第二NMOS晶体管N2。第二NMOS晶体管N2下拉节点BIAP，使电流开始在带隙基准电路1的中心部位流动，即在带隙基准电路1的内部流动。运算放大器A1应该在这一点对于带隙基准电路1及时进行充分的控制。若没有这个启动助手，运算放大器A1的两个输入端3、4只能在保持地电位不变，运算放大器A1就没有任何理由改变它的状态。

如果带隙基准电路中存在足够大的电流流动，并且带隙基准电路1的输出节点Bgout处的输出电压Vout足够高，则启动电路42的第二NMOS晶体管N2可能再次断开，因此，通过运算放大器A1自动地使带隙基准电路1再次进入它的正确的工作点。

假定运算放大器A1在负方向具有不可忽略的偏置电压，即运算放大器A1的同向输入端4必须在负方向，以使它的输出端5在中心位置，并且假定启动电路42刚好在预备的工作点工作，则在带隙基准电路1中流动的是“适度的”电流。使运算放大器A1的两个输入端3、4也处在“适度的”启动状态。在这种情况下，可能发生的情况是，一般条件下，不足以使运算放大器A1进行灵活的操作。

虽然如此，如果能够发生带隙基准电路1的运算放大器A1的灵活操作，则可以想象，运算放大器A1正在错误的方向进行控制：如果带隙基准电路1内的电流并不是足够大，并因此而使电阻器R1、R2、R3两端的电压并不足以使不可忽略的电流流过两个二极管D1、D2，则运算放大器A1的输入端3、4在可以忽略的电平下受到驱动。在假定上述运算放大器A1的偏置电压的同时，运算放大器按错误的方向上操纵，即带隙基准电路1的运算放大器A1试图减小带隙基准电路1中的电流。然而，如果启动电路42已经达到启动状态，即这时启动电路42打算断开，显然，带隙基准电路1可能永远不会达到它所需要的工作点。事实上，为了达到这个工作点，可要求足够大的电流流过两个二极管D1、D2，使运算放大器A1的驱动超过它自己的偏置电压。仅仅是在这种情况下，自动控制才能满意地工作。

因此，启动电路42的断开点是相当重要的。尤其是对于相当低的电源电压和输出电压以及相当低的温度，上述条件可以是非常不利的，以致于使用灵活的部件值设计启动电路42变为不可能实现的。

发明内容

于是，本发明的目的在于，设计一种具有启动电路的带隙基准电路，使带隙基准电路能够更为可靠地达到它的工作点。

本发明的另一个目的在于，限定一种用于启动带隙基准电路的更为可靠的方法。

所述目的是通过一种电子学电路得以实现的，所述电子学电路包括：

-带隙基准电路，它包括至少一个二极管通路，所述二极管通路包含二极管半导体，其中的二极管通路包含与二极管半导体串联连接的电阻器，而且电阻器两端的电压与二极管半导体的绝对温度成正比；和

-启动电路，用于启动带隙基准电路，在电阻器两端的电压达到预置的阈值之前，该启动电路协助带隙基准电路的启动，并在电阻器两端电压达到阈值电压时，该启动电路自动断开。带隙基准电路通常是公知的，如P.E.Allen，D.R.Holberg的“CMOS模拟电路设计”(第二版，Oxford大学出版社，纽约，美国，2002年，157页)、J.H.Huijsing等人(编辑)的“模拟电路设计”(Kluwer学院出版社，1996年，269-350页)、A.Annema的“具有DTMOST特征的低功率带隙基准”(固体电路的IEEE期刊，第34卷第7期，1999年7月，949-952页)、R.J.Widlar的“集成电路电压调节器的新发展”(固体电路的IEEE期刊，第SC-6卷第1期，1971年2月，第2页及其后)、Tsividis的“CMOS的电压基准”(固体电路的IEEE期刊，第SC-13卷第6期，1978年12月，第774页及其后)、Doyle的“具有1伏电源电压的CMOS子带隙基准电路”(固体电路的IEEE期刊，第39卷第1期，2004年1月，第252页及其后)。这些文献述及比如包括两个二极管通路，每个二极管通路包括一个二极管半导体。常规的二极管比如可以用作二极管半导体，就像上述的带隙基准电路1那样。然而，这里的术语二极管半导体不仅用于常规的二极管，通常也用于具有二极管性质的半导体，具体地说，比如还有晶体管。可用于带隙基准电路的晶体管比如是垂直双极性晶体管，或者比如在准阈区工作的MOSFET。

带隙基准电路在它们的输出端可以提供基准电压，就像本文开始段落描述的带隙基准电路1中的情况一样。然而，带隙基准电路还可提供基准电流。

按照本发明，切断启动电路的标准是电阻器两端的电压降，这个电阻器与带隙基准电路的二极管半导体是串联连接的。带隙基准电路一旦启动，足够大的电流就在带隙基准电路中流动，使这个电阻器两端的电压降达到阈值电压。进而，电阻器连接在带隙电路内，因而使电阻器两端的电压正比于二极管半导体的绝对温度。

所述目的是通过一种电子学电路实现的，所述电子学电路包括：

-带隙基准电路；和

-启动电路，用于启动带隙基准电路，在带隙基准电路内一个节点的电位和带隙基准电路的另一个节点的电位之间的差值电压，它正比于带隙基准电路的输出电压或输出电流的电位，在所述差值电压达到预定的阈值电压之前启动电路协助带隙基准电路的启动，并且当差值电压达到阈值电压时启动电路自动断开。

按照本发明，对于本发明电子学电路的这个实施例而言，断开标准是达到比如由启动电路的差分放大器产生的预置差值电压。这个差值电压是从带隙基准电路内的一个节点的电位和带隙基准电路的另一个节点的电位获得的，即在正比于带隙基准电路的输出电压或输出电流的电位获得的。

带隙基准电路中的节点，具体地说是在带隙基准电路的二极管通路中的节点，其中的二极管分支包含二极管半导体。如果带隙基准电路包括两个二极管通路，每个二极管通路包含一个二极管半导体，则在带隙基准电路中节点的电位还可以是带隙基准电路内两个节点的电位的平均值。

本发明的目的还通过一种启动带隙基准电路的方法来实现，所述方法包括如下方法步骤：

-借助启动电路协助带隙基准电路的启动，其中，所述带隙基准电路包括：至少一个二极管通路，所述二极管通路包含二极管半导体；以及与二极管半导体串联连接的电阻器；所述启动电路协助带隙基准电路的启动，同时，带隙基准电路内电阻器两端的电压降小于预置阈值电压，其中，电阻器两端的电压降正比于二极管半导体的绝对温度；和

-当电阻器两端的电压达到阈值电压时，所述启动电路自动断开。

-借助启动电路协助带隙基准电路的启动，其中，所述带隙基准电路包括：二极管通路，所述二极管通路包含二极管半导体；并且，所述启动电路协助带隙基准电路的启动，同时，在二极管通路内的一个节点的电位和带隙基准电路的另一个节点电位之间的差值电压，该电压正比于带隙基准电路的输出电压或输出电流的电位，小于预置的阈值电压；

-当所述差值电压达到阈值电压时启动电路自动断开。

例如，可以通过差分放大器产生或监视所述差值电压。如果带隙基准电路包括两个二极管通路，每个二极管通路包含一个二极管半导体，则带隙基准电路内节点的电位也可以是在带隙基准电路内两个节点电位的平均值。

本发明的目的还可以通过一种操作带隙基准电路的启动电路的方法来实现，其中，断开启动电路的标准是：获得与带隙基准电路的二极管半导体串联连接的电阻器两端的预置电压，其中，所述电阻器两端的电压正比于所述二极管半导体的绝对温度；或者，断开启动电路的标准是：达到一个预置差值电压，即带隙基准电路内一个节点的电位和另一个节点的电位之间的差值电压，这个差值电压是与输出电压的电位成正比，或与带隙基准电路的输出电流的电位成正比。

带隙基准电路的二极管半导体比如可以是常规二极管，就象上述带隙基准电路1中的情况一样。但是，术语二极管半导体在这里不仅用于常规二极管，而且一般性地用于具有二极管性质的半导体，特别是比如还有晶体管。可以用于带隙基准电路的晶体管比如是垂直双极性晶体管，或者比如是在准阈值区工作的MOS场效应晶体管。

带隙基准电路的输出端可以提供基准电压，就象在说明书第一段描述的带隙基准电路1的情况一样。但是，带隙基准电路也可以提供电流。

附图说明

在所附各示意图中借助于实例的方式表示是本发明的典型实施例，其中：

图1表示本发明第一实施例具有启动电路的带隙基准电路；

图2表示本发明第二实施例具有启动电路的带隙基准电路；

图3说明图2的启动电路如何工作的曲线；

图4表示常规的具有启动电路的带隙基准电路。

图中参考标记

1 带隙基准电路

2 启动电路

3 倒向输入端

4 同向输入端

5 输出端

6 同向输入端

7 倒向输入端

8 输出端

9 MOS二极管

22 启动电路

26a，26b 同向输入端

27a，27b 倒向输入端

28 输出端

29 MOS二极管

31，32 电压曲线

33 交点

42 启动电路

A1，A2 运算放大器

A3 差分放大器

B0，B1，B2 节点

Bgout 输出节点

BIAP 节点

D1，D2 二极管

N1，N2 NMOS晶体管

P1，P2 PMOS晶体管

P3 输出晶体管

P4 MOS晶体管

R1-R7 电阻器

Rout 输出电阻

S1 节点

VDD 电源电压

Vout 输出电压

具体实施方式

图1表示已本说明书第一段描述的带隙基准电路1和用于该种带隙基准电路1的本发明启动电路2的第一实施例。

在这个示例性的实施例中，启动电路2包括运算放大器A2，它具有同向输入端6、倒向输入端7和输出端8，还有电阻器R4和MOS二极管9。这个示例性的实施例中，运算放大器A2还是处在非理想的运算放大器的情况，并且还是一个运算互导放大器(OTA)。OTA是一种电压控制的电流源。

启动电路2的电阻器R4的一端连接到运算放大器A2的输出端8，并且连接到MOS二极管9的终端之一。电阻器R4的另一端连接到地，MOS二极管9的第二终端连接到节点BIAP。

启动电路2的运算放大器A2的两个输入端6、7连接到带隙基准电路1的第三电阻器R3的相应两端，以使第三电阻器R3两端的电压降能够加到启动电路2的运算放大器A2的两个输入端6、7。电阻器R3两端的电压降正比于第二二极管半导体D2的绝对温度。

如果带隙基准电路1尚未达到充分的启动状态，通过电阻器R3流动的电流就相当小。这意味着，运算放大器A2的驱动电平相当低，因此，运算放大器A1的驱动电平也是相当低的。这是因为，若假定流过两个二极管D1、D2的电流可以忽略，则两个节点B1、B2处在相同的电位。于是，两个运算放大器A1、A2只提供相当小的输出电流，从而可以经过启动电路2的电阻器R4和MOS二极管9允许节点BIAP进行操作。

为了断开MOS二极管9，要求带隙基准电路1的第三电阻器R3两端有一个不可忽略的电压降；本发明的示例性实施例中所要求的电压降是10毫伏。因为第三电阻器R3两端只有一次达到这个电压降，所以启动电路2的运算放大器A2要提供足够大的电流，以便使节点S1上的电位(这个电位是通过连接运算放大器A2的输出端8、MOS二极管9，以及启动电路2的电阻器R4所形成的)达到的电平可使MOS二极管9反向偏置，并且启动电路2本身借此而自动断开。

于是，可以使用远大于图4中所示常规启动电路42可能的元件范围的元件值来设计带隙基准电路1。

一旦克服了运算放大器A1的输入端3、4上的偏差电压，经过带隙基准电路1的运算放大器A1的闭合回路就能正确的工作。一般地说，对于相当低的毫伏级电平，就是这样的情况。期望的是，一旦带隙基准电路1已经达到它的最终的工作点，启动电路2就能够可靠地断开。对于这个示例性的实施例，几十毫伏(如50毫伏)就是这样的情况。于是，可以获得相当宽的范围，可将启动电路2的断开阈值设置在整个范围内。

图2表示本发明另一实施例用于带隙基准电路1的启动电路22。启动电路22包括差分放大器A3，所述差分放大器A3具有两个倒向输入端27a、27b、两个连接在一起的同向输入端26a、26b，以及输出端28；还包括电阻器R5和MOS二极管29。电阻器R5的一端接地，电阻器R5的另一端连接到差分放大器A3的输出端28。MOS二极管29的一侧连接到差分放大器A3的输出端28，MOS二极管29的另一侧连接到节点BIAP。

第一倒向输入端27a连接到节点B1，第二倒向输入端27b连接到节点B2。两个同向输入端26a、26b连接到一个节点B0。节点B0是包括电阻器R6和电阻器R7在内的分压器的一部分。两个电阻器R6、R7形成输出电阻Rout，因而在节点B0的电压正比于带隙基准电路1的输出电压Vout。

从而，启动电路22的差分放大器A3就可以将第一、第二电阻器R1、R2两端的电压降与在节点B0上的电压进行比较，即与带隙基准电路1输出电压Vout的一个比例值相比较。

图3所示的曲线用于说明启动电路22是如何工作的。图3的曲线图表示在节点B1、B2处的电压曲线31，以及节点B0处的电压曲线32。这些曲线是相对于提供给两个PMOS晶体管P1、P2的电流所绘制的。节点B0处的电压曲线32是线性的。节点B1、B2处的电压曲线，开始时，也就是在两个二极管D1、D2导通时，曲线31变为平坦之前是近似线性的。因此，通过监视两个电压的交点33，就可以极好地确定包括两个二极管D1、D2在内的二极管通路是否正在通过足够大的电流。现在，差分放大器A3准确地监视着这个标准，并且，当明显超过所述标准时断开启动电路22。

所期望的是，分别具有两个倒向输入端27a、27b和两个同向输入端26a、26b的差分放大器A3在各种情况下都有一个平均的过程。在本示例性的实施例中，这是通过在各种情况下都与差分输入级并联连接的两个晶体管来实现的。这样做的理由是，例如可以通过栅极漏电流使节点B1、B2具有相对而言为相等的负载。作为另一种可供选择的方式，也可以选择常规的放大器解决方案，例如，比较节点B1、B0处的电压。

图2中所示的启动电路22也可以在不使用电阻器R5的条件下提供启动电流。然而，在这种情况下必须考虑到，当带隙基准电路1完全断开时，差分放大器A3可能不会提供电流，并为此而可能要求有一个专用的启动电路。

请求保护的带隙基准电路1所用的启动电路，以及请求保护的用于启动带隙基准电路的方法，以及图1和图2所示的启动电路2、22，都不限于所示的带隙基准电路1。具体地说，如果不用两个二极管D1、D2，也可以使用晶体管，如垂直双极性晶体管，或者比如在准阈区的MOS场效应晶体管。此外，第一和第二电阻器R1、R2并非绝对必要的。

特别对于图2中所示的电子学电路的差值电压，也可以不使用节点B1、B2处电位的平均值，而是只使用节点B1或B2处的电位之一。此外，可以使用电阻器R3的与二极管D2相连的那一端的电位来代替节点B2的电位。

Claims

1.一种电子电路，它包括：

-带隙基准电路(1)，具有至少一个二极管通路，所述二极管通路包含二极管半导体(D1，D2)，其中，所述二极管通路包含与二极管半导体(D2)串联连接的电阻器(R3)，而且，所述电阻器(R3)两端的电压与二极管半导体(D2)的绝对温度成正比；

-启动电路(2)，用于启动所述带隙基准电路(1)，在电阻器(R3)两端的电压达到预置阈值之前，所述启动电路协助带隙基准电路(1)的启动，并在电阻器(R3)两端电压达到阈值电压时，该启动电路自动断开。

2.一种电子电路，它包括：

-带隙基准电路(1)，具有至少一个二极管通路，所述二极管通路包含二极管半导体(D1，D2)；和

-启动电路(22)，用于启动带隙基准电路(1)，在带隙基准电路内一个节点(B1、B2)处的电位和带隙基准电路的另一个节点处的电位之间的差值电压，也即正比于带隙基准电路(1)输出电压(Vout)或输出电流的电位，达到预定的阈值电压之前，所述启动电路协助带隙基准电路的启动，并在差值电压达到阈值电压时，该启动电路自动断开。

3.根据权利要求2所述的电子电路，其中：所述启动电路(22)包括差分放大器(A3)，用于产生或监视所述差值电压。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的电子电路，其中，所述带隙基准电路(1)包括两个二极管通路，每个二极管通路包含一个二极管半导体(D1、D2)。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的电子电路，其中，所述带隙基准电路(1)是带隙电压基准电路或者带隙电流基准电路。

6.一种用于启动带隙基准电路的方法，所述方法包括如下步骤：

-借助启动电路(2)协助带隙基准电路(1)的启动，所述带隙基准电路(1)包括：至少一个二极管通路，二极管通路包含一个二极管半导体(D1、D2)；与二极管半导体(D2)串联连接的电阻器(R3)；所述电阻器(R3)两端的电压正比于二极管半导体(D2)的绝对温度；并且，所述启动电路(2)协助带隙基准电路(1)的启动，同时，在带隙基准电路(1)内电阻器(R3)两端的电压小于预置的阈值电压；并且

-当电阻器两端(R3)的电压达到阈值电压时，该启动电路(2)自动断开。

7.一种用于启动带隙基准电路的方法，所述方法包括如下步骤：

-借助启动电路(22)协助带隙基准电路(1)的启动，所述带隙基准电路(1)包括：二极管通路，所述二极管通路包含二极管半导体(D1、D2)；并且，所述启动电路(22)协助带隙基准电路(1)的启动，同时，二极管通路内的一个节点(B1，B2)处的电位和带隙基准电路(1)的另一节点(B0)处的电位之间的差值电压，即正比于带隙基准电路(1)的出电压(Vout)或输出电流的电位，小于预置的阈值电压，和

-当所述差值电压达到阈值电压时，该启动电路(22)自动断开。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，

所述差值电压是借助差分放大器(A3)产生的。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其中，

所述带隙基准电路(1)包括两个二极管通路，每个二极管通路包含一个二极管半导体(D1，D2)。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法，其中，

所述带隙基准电路(1)是带隙基电压准电路或者带隙电流基准电路。

11.一种用于操作带隙基准电路(1)的启动电路(2，22)的方法，断开所述启动电路(2)的标准是在与带隙基准电路(1)的二极管半导体(D2)串联连接的电阻器(R3)两端获得预置的电压，其中，电阻器(R3)两端的电压正比于二极管半导体(D2)的绝对温度；或者，断开所述启动电路(22)的标准是获得预置的差分电压，即带隙基准电路(1)内的节点(B1，B2)处的电位和另一个节点(B0)处的差值电压，它正比于带隙基准电路(1)的输出电压(Vout)或者输出电流的电位。