CN103760946A - 集成电路 - Google Patents

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Abstract

提供了在半导体衬底上制造的集成电路。一种集成电路包括：第一和第二双极型晶体管，第一双极型晶体管的基极和集电极联接到第二双极型晶体管的基极；第一和第二电阻器，串联联接在第二双极型晶体管的发射极和地电位之间，分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2；第三电阻器，联接在一节点和第二双极型晶体管的集电极之间，当电力被供应到集成电路时第一电流流过第三电阻器，第三电阻器具有第三电阻值R3以及第三温度系数TC3；电流镜，联接到第一和第二双极型晶体管，使得当电力被供应到集成电路时第一电流流过第一和第二双极型晶体管中的每个，第一和第二电阻值使得第一电流在温度变化下恒定。

Description

集成电路
本申请是申请日为2010年9月29日、名称为“与温度无关的参考电路”的第201010501592.7号发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开内容总体涉及与温度无关的参考电路（temperatureindependent reference circuits）领域，更具体而言，涉及在半导体芯片上制造的与温度无关的电压参考电路和与温度无关的电流参考电路。
背景技术
与温度无关的参考电路已广泛用于集成电路（IC）中许多年。与温度无关的参考电路的目的是产生在温度变化下基本恒定的（substantially constant with temperature）参考电压和/或参考电流。在现有技术的IC中，经温度补偿的（temperature-compensated）参考电压和经温度补偿的参考电流有时在同一硅芯片上使用分立的电路来生成。一般而言，首先得到与温度无关的电压参考，然后利用该与温度无关的电压得到与温度无关的电流。但是，这种方法的缺陷是，用来分立地生成参考电压和参考电流的线路（circuitry）通常是复杂的，且一般占据该半导体（例如硅）管芯（die）的大面积。
附图说明
在附图的图中以示例而非限制的方式图解了本发明，附图中：
图1图解了用于在集成电路（IC）上同时生成经温度补偿的参考电压和经温度补偿的参考电流两者的与温度无关的参考电路的电路示意图。
图2图解了用于在集成电路（IC）上同时生成经温度补偿的参考电压和经温度补偿的参考电流两者的与温度无关的参考电路的另一示例性电路示意图。
具体实施方式
在以下的描述中阐述特定细节，如器件类型、导电类型、电压、部件值、配置等，以提供对本发明的彻底理解。但是，相关领域的普通技术人员将意识到，实施所描述的实施方案可以不需要这些特定细节。
应意识到，尽管公开了在某些电路配置中利用特定晶体管类型（例如N沟道场效应晶体管）的IC，但是在其他实施方案中也可以使用不同的晶体管类型（例如P沟道）。在另一些实施方案中，以示例的方式示出的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件中的一些或全部可以被替换成双极结型晶体管（BJT）、绝缘栅场效应晶体管（IGFET）或其它提供晶体管功能的器件结构。此外，集成电路领域以及电压和/或电流参考电路领域的技术人员将理解，晶体管器件，如在图中以示例的方式示出的晶体管器件，可以与其它晶体管器件结构集成，或者制作或配置成使得不同的器件共享连接和半导体区域（例如，N阱、衬底等）。对本公开文本来说，“地”或“地电位”指这样的参考电压或电位：电路或IC的所有其它电压或电位都是相对于该参考电压或电位来定义或测量的。
图1图解了用于在IC上同时生成经温度补偿的参考电压和经温度补偿的参考电流两者的与温度无关的参考电路100的电路示意图。（在本申请的语境中，认为术语“IC”与单块器件（monolithic device）是同义的。）与温度无关的参考电路100包括NPN双极型晶体管Q1、Q2、Q3和Q4。晶体管Q1和Q2是相匹配的器件，其中Q1相对于Q2的发射极尺寸比（emitter size ratio）为“a”，其中“a”是大于1的整数。Q2的发射极被示为联接到地。Q1的发射极，即节点VX，通过串联连接的电阻器R1和R2联接到地。在示出的实施方案中，与温度无关的电流参考IREF流过电阻器R1和R2，其中IREF=VX/(R1+R2)。Q1的集电极，即节点102，联接到Q3的基极和电阻器R3的一端。R3的另一端，即节点103，连接到晶体管Q4的发射极。节点103提供从与温度无关的电流参考IREF得到的与温度无关的电压参考VREF，如下文更详细描述的。
继续来看图1的实施例，晶体管Q4的基极共同联接到Q3的集电极、电阻器R4和p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（PMOS）MP1的漏极。R4的另一端和MP1的源极被连接到电压供应电位VDD。MP1的栅极被联接以接收上电（PU）信号，该上电信号确保该电路的适当运作。在上电时，VDD从地电位攀升（ramp up），且PU初始是低的，以将电流驱动到Q4的基极。当VDD达到高至足以让电路100运作的电位时，上电信号PU变为高，从而关闭（turn off）MP1。
与温度无关的参考电路100还包括联接在VDD和Q4的集电极之间的PMOS晶体管MP2。MP2的栅极和漏极共同联接到与NPN晶体管Q1和Q2成电流镜配置（current mirror configuration）的相匹配的PMOS晶体管MP3和MP4的栅极，从而通过MP4来反射与温度无关的电流参考IREF，以供在该IC上别的地方输出。本领域的从业者将意识到，图1的电路生成经温度补偿的电流IREF，然后该电流被用来在节点103处生成经温度补偿的电压VREF。为了实现该结果，电阻器R3和R1具有比值M并且相匹配，这意味着它们具有相同的电阻温度系数（temperature coefficient of resistance），因为它们在该IC上由相同的材料制成。在一个实施方案中，R1和R3包括注入有或掺杂有P型掺杂剂的半导体材料。
温度系数TC可以被定义为当温度改变1摄氏度时物理性质的相对变化。电阻器R3和R1的温度系数TC3为正，且大于ΔVBE的正温度系数TC1。具体而言，ΔVBE是晶体管Q1的基极－发射极间的电压与晶体管Q2的基极－发射极间的电压之差。电阻器R2由与电阻器R3和R1相比不同的材料类型（例如，多晶硅）制成。R2的温度系数TC2也为正，但小于TC1。当该电路在适当运作时，电流镜晶体管MP2和MP3迫使流过Q1和Q2的电流相等，从而导致了串联连接的电阻器R1和R2两端的ΔVBE。电阻比R1/R2被选择为使得TC1=TC2×(R2/(R1+R2))+TC3×(R1/(R1+R2))。这使组合电阻R1+R2随温度的变化与ΔVBE随温度的变化相同，从而导致了流过R1和R2的在温度变化下恒定（constant over temperature）的电流IREF。
为了更好地理解与温度无关的参考电路100的运作，可以用以下等式数学地表示与温度无关的电流参考IREF：
I REF = ΔV BE ( R 1 + R 2 ) - - - ( 1 )
为了实现与温度无关的电流参考IREF，ΔVBE的百分比变化应等于总电阻(R1+R2)的百分比变化。如进一步示出的，ΔVBE的百分比变化可以用下面的等式（2）计算：
Figure BDA0000428294840000042
其中，ΔVBEF表示在最终温度下Q1和Q2之间的基极－发射极电压之差，ΔVBEI表示在初始温度下Q1和Q2之间的基极－发射极电压之差。
本领域技术人员已知，可以根据以下等式确定ΔVBE：
ΔVBE＝VBE2-VBE1＝VT·lna             (3)其中，ln是自然对数，“a”是Q1对Q2的相对尺寸比，VT是仅随温度改变而改变的常量。这导致如下所示的等式（4），等式（4）给出了用VT表示的ΔVBE的百分比变化：
Figure BDA0000428294840000043
其中，VTF是常量VT在最终温度下的值，VTI是常量VT在初始温度下的值。
如所示出的，(R1+R2)的百分比变化可以用下面的等式（5）计算：
(R1+R2)的百分比变化
= ( R 1 F - R 1 I R 1 I + R 2 I ) · 100 % + ( R 2 F + R 2 I R 1 I + R 2 I ) · 100 % - - - ( 5 )
以上等式可以这样实现：根据每个电阻器的电阻的百分比变化来设置R1和R2，使得总电阻随温度的总百分比变化与ΔVBE随温度的总百分比变化匹配。如上文说明的，在一个实施方案中，电阻器R1和R2由不同的材料制成，因此这两个电阻器的电阻值随温度的百分比变化不同。
作为示例，我们假定ΔVBE在100℃的温度跨度上改变33%（例如，ΔVBEF=48mV，ΔVBEI=36mV），并且R1和R2在相同的温度跨度上分别改变60%和6%，则R1对R2的比值可以为50/50，这意味着R1提供温度补偿的30％且R2提供温度补偿的3％，所述温度补偿基本抵偿了ΔVBE的33％的变化。换句话说，组合电阻R1+R2随温度的百分比变化被设置为与ΔVBE随温度的百分比变化相同，这导致了流过R1和R2的在温度变化下基本恒定的电流IREF。
现在转向与温度无关的参考电路100的与温度无关的电压参考方面，在节点103处生成的输出参考电压VREF与电阻器R3两端的电压VR3有关，该电压VR3由IREF确定（例如，VR3=R3×IREF）。因为如上文所述IREF基本不随温度而改变，所以电压VR3具有与R3相同的温度系数（即TC3）。如所示出的，输出参考电压VREF是Q3的VBE（VBE3）与电压VR3之和，Q3的VBE一般具有温度系数-2mV/℃，电压VR3具有正温度系数TC4。用不同的数学项表示，
VREF＝VBE3+VR3             (6)
等式（6）显示，为了实现与温度无关的电压VREF，电压降VR3随温度的变化必须基本等于VBE3随温度的变化的绝对值。即，VR3的温度变化被设置为约+2mV/℃，以基本抵偿VBE3的温度变化。
另一种看待方式是，使得在给定的温度范围内，电阻R3的变化抵偿电压VBE3的变化，如下面的等式（7）中表示的，其中VBE3F和VBE3I分别是在高温和低温下最终和初始的基极－发射极电压，VR3F和VR3I分别是在高温和低温下R3两端的最终和初始电压。
VBE3F-VBE3I＝-(VR3F-VR3I)           (7)
例如，让我们假定VBE3的温度系数恰好是-2mV/℃，使得对于100℃的温度增加，VBE3两端的电压降减小200mV。为了实现与温度无关的输出参考电压VREF，对于相同的100℃的温度增加，电压降VR3必须也增加200mV。因为R3和R1是相匹配的电阻器（即，由相同的材料制成），所以对于单位温度跨度，它们的电阻值以相同的百分比改变。参考输出电流IREF按照上文提供的描述来设置，这意味着R3可以由以下等式确定。
R 3 = ΔV R 3 ΔV R 1 · R 1 - - - ( 8 )
其中，ΔVR3=VR3F-VR3I且ΔVR1=VR1F-VR1I。VR1的变化取决于R1的电阻值和IREF。在该实施例中，VR3的变化是200mV。因此，R3可被确定为使得对于单位温度变化，电压VBE3的减少与电压降VR3的增加相同。
图2图解了用于在集成电路（IC）上同时生成经温度补偿的参考电压和经温度补偿的参考电流两者的与温度无关的参考电路200的另一示例性电路示意图。与温度无关的参考电路200在每个方面都与图1的电路100相同，只是在与温度无关的参考电路200中用PMOS晶体管MP5代替了与温度无关的参考电路100中的电阻器R4。PMOS晶体管MP5用作另一电流镜晶体管，其确保流过NPN晶体管Q3的电流在温度变化下保持恒定。此外，用晶体管MP5代替电阻器R4的另一优点是，减小了与温度无关的参考电路200的总面积。本领域的从业者将理解，该改进消除了图1的实施方案中存在的VREF中的相对次要的误差项（relatively minor error term）。该误差项趋于使得VREF因电压VBE3中的电流密度变化而略微改变。
尽管结合特定实施方案描述了本发明，但本领域普通技术人员将意识到，在本发明的范围内多种改型和变体是适当的。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (30)

1.在半导体衬底上制造的集成电路，包括：
第一和第二双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极和集电极联接到所述第二双极型晶体管的基极；
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联联接在所述第二双极型晶体管的发射极和地电位之间，所述第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2；
第三电阻器，所述第三电阻器联接在一节点和所述第二双极型晶体管的集电极之间，当电力被供应到所述集成电路时，第一电流流过所述第三电阻器，所述第三电阻器具有第三电阻值R3以及第三温度系数TC3；以及
电流镜，所述电流镜联接到所述第一和第二双极型晶体管，使得当电力被供应到所述集成电路时，第一电流流过所述第一和第二双极型晶体管中的每一个，所述第一和第二电阻值使得所述第一电流在温度变化下恒定。
2.如权利要求1所述的集成电路，其中所述第二双极型晶体管的发射极对所述第一双极型晶体管的发射极的尺寸比等于N，其中N是大于1的整数。
3.如权利要求2所述的集成电路，其中所述第一双极型晶体管的发射极联接到所述地电位。
4.如权利要求1所述的集成电路，其中所述第一和第二双极型晶体管的基极－发射极电压之差的温度系数TC1等于
TC2×(R2/(R1+R2))+TC3×(R1/(R1+R2))。
5.如权利要求1所述的集成电路，还包括第三双极型晶体管，所述第三双极型晶体管的发射极联接到所述地电位，所述第三双极型晶体管的基极联接到所述第二双极型晶体管的集电极。
6.如权利要求5所述的集成电路，其中所述第三电阻值使得在温度变化下，所述第三双极型晶体管的基极－发射极电压的百分比变化等于所述第三电阻器两端的电压降的百分比变化，从而导致在所述节点处生成在温度变化下恒定的第一电压。
7.如权利要求1所述的集成电路，其中所述第一和第三电阻器包括第一材料类型，所述第二电阻器包括第二材料类型。
8.如权利要求7所述的集成电路，其中所述第一材料类型包括p型注入物。
9.如权利要求8所述的集成电路，其中所述第二材料类型包括多晶硅。
10.如权利要求5所述的集成电路，还包括第四双极型晶体管，所述第四双极型晶体管的基极联接到所述第三双极型晶体管的集电极，所述第四双极型晶体管的发射极联接到所述节点，所述第四双极型晶体管的集电极联接到所述电流镜。
11.如权利要求10所述的集成电路，其中所述电流镜包括第一和第二晶体管，所述第四双极型晶体管的集电极联接到所述第二晶体管。
12.如权利要求11所述的集成电路，其中所述第一和第二晶体管分别包括第一和第二p沟道场效应晶体管。
13.如权利要求12所述的集成电路，还包括联接到所述第一和第二p沟道场效应晶体管的第三p沟道场效应晶体管，所述第三p沟道场效应晶体管被配置来输出所述第一电流。
14.如权利要求13所述的集成电路，还包括第四电阻器，所述第四电阻器联接在供电线与所述第三双极型晶体管的集电极之间。
15.如权利要求14所述的集成电路，还包括联接在所述供电线与所述第三双极型晶体管的集电极之间的第四p沟道场效应晶体管。
16.如权利要求15所述的集成电路，其中所述第四p沟道场效应晶体管的栅极被联接以接收上电（PU）信号，在所述集成电路上电时，所述PU信号初始是低的，在所述供电线达到高至足以让所述集成电路运作的电压电位时，所述PU信号变为高。
17.在半导体衬底上制造的集成电路，包括：
第一和第二双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极和集电极联接到所述第二双极型晶体管的基极；
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联联接在所述第二双极型晶体管的发射极和地电位之间，所述第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2；
第三双极型晶体管，所述第三双极型晶体管的发射极联接到所述地电位，所述第三双极型晶体管的基极联接到所述第二双极型晶体管的集电极；
第三电阻器，所述第三电阻器联接在一节点和所述第二双极型晶体管的集电极之间，所述第三电阻器具有第三电阻值R3以及第三温度系数TC3；
电流镜，所述电流镜联接到所述第一和第二双极型晶体管，使得当电力被供应到所述集成电路时，第一电流流过所述第一和第二双极型晶体管中的每一个和所述第三电阻器，所述第一和第二电阻值使得所述第一电流在温度变化下恒定。
18.如权利要求17所述的集成电路，其中所述第二双极型晶体管的发射极对所述第一双极型晶体管的发射极的尺寸比等于N，其中N是大于1的整数。
19.如权利要求17所述的集成电路，其中所述第一双极型晶体管的发射极联接到所述地电位。
20.如权利要求17所述的集成电路，其中所述第一和第二双极型晶体管的基极－发射极电压之差的温度系数TC1等于
TC2×(R2/(R1+R2))+TC3×(R1/(R1+R2))。
21.如权利要求17所述的集成电路，其中所述第一和第三电阻器包括第一材料类型，所述第二电阻器包括第二材料类型。
22.如权利要求21所述的集成电路，其中所述第一材料类型包括p型注入物，所述第二材料类型包括多晶硅。
23.如权利要求17所述的集成电路，还包括第四双极型晶体管，所述第四双极型晶体管的基极联接到所述第三双极型晶体管的集电极，所述第四双极型晶体管的发射极联接到所述节点，所述第四双极型晶体管的集电极联接到所述电流镜。
24.如权利要求23所述的集成电路，其中所述电流镜包括第一和第二晶体管，所述第四双极型晶体管的集电极联接到所述第二晶体管。
25.如权利要求24所述的集成电路，其中所述第一和第二晶体管分别包括第一和第二p沟道场效应晶体管。
26.在半导体衬底上制造的集成电路（IC），包括：
第一和第二双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极和集电极联接到所述第二双极型晶体管的基极；
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联联接在所述第二双极型晶体管的发射极和地电位之间，所述第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2；
电流镜，所述电流镜联接到所述第一和第二双极型晶体管，使得当电力被供应到所述IC时，第一电流流过所述第一和第二双极型晶体管中的每一个，所述第一和第二电阻值使得所述第一电流在温度变化下恒定。
27.在半导体衬底上制造的集成电路（IC），包括：
第一和第二双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极和集电极联接到所述第二双极型晶体管的基极；
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联联接在所述第二双极型晶体管的发射极和地电位之间，所述第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2；
电流镜，所述电流镜联接到所述第一和第二双极型晶体管，使得当电力被供应到所述IC时，第一电流流过所述第一和第二双极型晶体管中的每一个，所述第一和第二电阻值使得所述第一电流在温度变化下基本恒定；以及
第三双极型晶体管，所述第三双极型晶体管的发射极联接到所述地电位，所述第三双极型晶体管的基极联接到所述第二双极型晶体管的集电极。
28.在半导体衬底上制造的集成电路（IC），包括：
第一和第二双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极和集电极联接到所述第二双极型晶体管的基极；
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联联接在所述第二双极型晶体管的发射极和地电位之间，所述第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2；
第三电阻器，所述第三电阻器联接在一节点和所述第二双极型晶体管的集电极之间，当电力被供应到所述IC时，第一电流流过所述第一和第二双极型晶体管中的每一个和所述第三电阻器,所述第三电阻器具有第三电阻值R3以及第三温度系数TC3,所述第一和第二电阻值使得所述第一电流在温度变化下基本恒定。
29.在半导体衬底上制造的集成电路（IC），包括：
第一和第二双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极和集电极联接到所述第二双极型晶体管的基极；
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联联接在所述第二双极型晶体管的发射极和地电位之间，所述第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2；
第三电阻器，所述第三电阻器联接在一节点和所述第二双极型晶体管的集电极之间，当电力被供应到所述IC时，第一电流流过所述第一和第二双极型晶体管中的每一个和所述第三电阻器，所述第三电阻器具有第三电阻值R3以及第三温度系数TC3；
第三双极型晶体管，所述第三双极型晶体管的发射极联接到所述地电位，所述第三双极型晶体管的基极联接到所述第二双极型晶体管的集电极；
其中所述第一和第二双极型晶体管的基极－发射极电压之差的温度系数TC1基本等于TC2×(R2/(R1+R2))+TC3×(R1/(R1+R2))，所述第三电阻值使得在温度变化下，所述第三双极型晶体管的基极－发射极电压的百分比变化基本等于所述第三电阻器两端的电压降的百分比变化，从而导致在所述节点处生成在温度变化下基本恒定的第一电压。
30.在半导体衬底上制造的集成电路（IC），包括：
第一和第二双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极和集电极联接到所述第二双极型晶体管的基极；
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联联接在所述第二双极型晶体管的发射极和地电位之间，所述第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2；
第三电阻器，所述第三电阻器联接在一节点和所述第二双极型晶体管的集电极之间；
其中所述第一和第二双极型晶体管的基极－发射极电压之差的温度系数TC1与组合电阻R1+R2随温度的变化成正比，使得流过R1和R2的参考电流在温度变化下基本恒定，所述参考电流流过所述第一和第二双极型晶体管中的每一个和所述第三电阻器，使得在所述节点处提供的参考电压在温度变化下基本恒定。
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