CN1316619C - 用于具有温度补偿基准电压发生器的集成电路的内部电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度补偿的基准电压发生器，包括：温度补偿的分压器或可变电压发生器，用于将一输入的基准电压分压，以便产生温度补偿的输出电压。最好包括：第一差分放大器，用于放大第一基准电压和第一反馈电压之间的电压差，以便输出一内部基准电压；第一分压器，用于响应于温度补偿的电压产生和输出第一反馈电压，该第一分压器进一步包括两个用于控制基准电压的幅值的电阻元件。在本发明的一个实施例中，MOS晶体管工作在弱转换区以补偿温度变化，因此产生温度补偿的基准电压并因此产生温度补偿的电源电压，从而降低由温度变化引起的半导体器件的性能波动。

Description

用于具有温度补偿基准电压发生器的集成电路的内部电源

技术领域

本发明涉及半导体器件。更具体地说，本发明涉及半导体器件中的内部基准电压发生器和内部电源电压发生器。

背景技术

在常规的半导体器件中，特别是在半导体存储器器件中，为了实现稳定的低功率运行，内部电源电压是根据外部电源电压产生的并用作芯片上的每个电路的电源。对于半导体器件，晶体管中的电流随温度变化而变化，并因此使具有晶体管的电路的性能受到波动。例如，在温度上升的过程中，在强转换(inversion)过程中，晶体管中的载流子迁移率降低，因此降低了电路中的电流和操作速度。

为了降低由于温度变化引起的半导体器件的这种性能的波动，常规的内部电源可以包括一部件，其中温度升高，输出电源电压增加，因此，通过芯片上的晶体管中的电流增加；而温度降低，利用伴随降低的电流使输出电源电压降低。因此，晶体管中的电流可以维持恒定而与温度变化无关。

在这样一种方案中，已将带隙基准电压用于根据温度变化改变内部电源电压。图1表示常规的带隙基准电压发生器，其中将基准电压VREF提供到一用于产生内部电源电压的电路。图1中所示的带隙基准电压发生器能够任意调节和控制芯片上的基准器件的温度系数，并因此，能够改变作为温度的函数的基准电压VREF的数值。其缺点是，基准电压VREF的变化可能明显大于外部电源电压EVDD的正常变化。

在另一种方案中，不利用如上所述的基准电压的变化，用互补金属氧化物半导体(CMOS)基准电压发生器取代带隙基准电压发生器来提供可以与外部电源变化无关的稳定工作电压。图2表示这样一种常规的CMOS基准电压发生器。图2中所示的CMOS基准电压发生器对外部电源电压EVDD的变化不敏感，并且工作稳定，但其缺点是，不能任意控制在相关联的电路中的温度关系曲线(dependancy)。

图3表示一种常规的内部电源电压发生器。参照图3，该常规的内部电源电压发生器包括：一内部基准电压发生器31，用于接收基准电压VREF并产生内部基准电压VREFP；一比较器33，用于将内部基准电压VREFP与内部电源电压IVDD相比较；以及一驱动器35，用于接收外部电源电压EVDD，以便产生和输出内部电源电压IVDD。该基准电压VREF是一可以从图1中所示的带隙基准电压派生的电压，或是从图2中所示的CMOS基准电压发生器派生的电压。内部基准电压发生器31包括：差分放大器31a、第一电阻R1和第二电阻R2。内部基准电压发生器31按照电阻R1和R2的比以及基准电压VREF产生内部基准电压VREFP。利用如下关系式可以确定内部基准电压VREFP：

VREFP＝VREF(1+R1/R2)    [1]

并且其对于制造工艺过程和温度不敏感。

由于上述常规的内部电源电压发生器对于温度不敏感，不能利用温度变化控制内部基准电压VREFP的数值。因此，也不能利用温度变化控制内部基准电压VREFP的数值。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的一实施例的第一特征(feature)是提供一种在半导体器件中的内部基准电压发生器，其能够根据温度变化控制内部基准电压的数值。

本发明的一实施例的第二特征是提供一种在半导体器件中的内部基准电压发生器，其能够根据温度变化控制内部电源电压的数值。

本发明的一实施例的第三特征是提供一种在半导体器件中的内部电源电压发生器，其包括温度补偿的分压器，用于将基准电压分压，以便在分压器的分压节点产生一温度补偿的输出电压。

为了实现本发明的第一特征，根据本发明的第一实施例，一种在半导体器件中的内部基准电压发生器最好包括：第一差分放大器，用于差分放大输入到该第一差分放大器第一输入端的第一基准电压和输入到该第一差分放大器第二输入端的一输入电压，以便向该第一差分放大器的输出端输出一内部基准电压；第一电阻，连接在第一差分放大器的输出端和第一差分放大器的第二输入端之间；和第二电阻，连接在第二基准电压和第一差分放大器的第二输入端之间，第一电阻和第二电阻形成第一分压器。第一电阻的阻抗最好随一可根据温度变化而变化的电压产生动态变化。由于可变阻抗器件通常是利用有源器件实现的，因此最好第一电阻由一个或多个PMOS晶体管组成，利用一根据温度变化的电压控制晶体管的栅极。

为了实现本发明的第二特征，根据本发明的第二实施例，一种在半导体器件中的内部基准电压发生器包括：第一差分放大器，用于差分放大输入到该第一差分放大器第一输入端的第一基准电压和输入到该第一差分放大器第二输入端的一输入电压，以便向第一差分放大器的输出端输出一内部基准电压；第一电阻，连接在该差分放大器的输出端和该第一差分放大器的第二输入端之间；和第二电阻，连接在第二基准电压和第一差分放大器的第二输入端之间，第一电阻和第二电阻形成第一分压器。第二电阻的阻抗最好随一根据温度变化而变化的电压产生动态变化。

最好第二电阻由一个或多个NMOS晶体管组成，利用一根据温度变化的电压控制NMOS晶体管的栅极电压。此外，最好该内部基准电压发生器进一步包括一温度补偿的可变电压发生器，用于产生一可根据温度变化而变化的基准电压。

此外，最好该温度补偿的可变电压发生器，包括：第二差分放大器，用于差分放大输入到该第二差分放大器第一输入端的第三基准电压和输入到第二差分放大器第二输入端的一输入电压，以便向第二差分放大器的输出端输出一输出电压；第三电阻，连接在第二差分放大器的输出端和第二差分放大器的第二输入端之间；第四电阻，连接在第二基准电压和该差分放大器的第二输入端之间；和一可变电压发生器，用于响应于该差分放大器的输出电压和第三基准电压产生一根据温度变化而变化的电压。第三电阻和第四电阻形成第二分压器。

为了实现本发明的第二特征，根据本发明的第三实施例，一种在半导体器件中的内部电源电压发生器最好包括：内部基准电压发生器，用于产生一根据温度变化而变化的内部基准电压；比较器，用于将内部基准电压与内部电源电压相比较；以及一驱动器，用于接收外部电源电压，以便响应于比较器的输出信号产生和输出内部电源电压。

为了实现本发明的第三特征，根据本发明的第四实施例，该温度补偿的基准电压发生器提供有温度补偿的分压器，其中该温度补偿的分压器最好包括：至少第一电子元件，其具有呈现正温度系数的第一输出阻抗，和至少第二电子元件，其具有呈现负温度系数的第二输出阻抗，第一电子元件和第二电子元件组合，以便使温度补偿的输出电压的变化是温度变化的函数。第一电子元件可以是PMOS晶体管和第二电子元件可以是NMOS晶体管，其中PMOS晶体管工作在弱转换区域和NMOS晶体管工作在强转换区域。在第四实施例中，温度补偿的输出电压的变化与温度变化成正比或成反比。

根据本发明的第五实施例实现本发明的另一个特征，提供一种温度补偿的电源，包括：温度补偿的基准电压，其根据至少两个基准电压产生；以及一个调节元件，用于在温度补偿的基准电压的控制下根据输入电压产生输出电压，以及其特征在于，随温度上升输出电压增加，随温度降低输出电压下降。另外，在本发明的第六实施例中，随温度上升输出电压下降，随温度降低输出电压增加。

最好在第五实施例和第六实施例中，两个基准电压的至少其中之一是温度补偿的基准电压。最好，通过利用至少一个工作在弱转换区域的晶体管和至少一个工作在强转换区域的晶体管产生温度补偿的基准电压。在某些情况下，两个基准电压是近于相同的或是相同的。

通过阅读如下详细介绍，对于本技术领域的普通技术人员将易于明了本发明的这些和其它特征。

附图说明

通过参照附图详细介绍本发明的的各优选实施例，使本发明的上述特征和优点将变得更明显，其中：

图1表示常规的带隙基准电压发生器电路示意图；

图2表示常规的CMOS基准电压发生器电路示意图；

图3表示常规的内部电源发生器电路示意图；

图4表示根据本发明的第一实施例的内部基准电压发生器电路示意图；

图5表示常规的晶体管中电流与栅极电压变化和温度的关系曲线图；

图6表示根据本发明的第二实施例的内部基准电压发生器电路示意图；

图7表示根据本发明的第三实施例的内部基准电压发生器电路示意图；

图8表示根据本发明的第四实施例的内部基准电压发生器电路示意图；

图9表示利用根据本发明的内部基准电压发生器的根据本发明的内部电源电压发生器电路示意图。

具体实施方式

这里引入2001年7月4日申请的名称为“能够根据温度变化控制内部基准电压数值的内部基准电压发生器以及包括内部基准电压发生器的内部电源电压发生器”的01-39760号韩国专利申请，其全部可供参考。

下面将参照其中表示本发明的优选实施例的附图更完整地介绍本发明。下文，将参照附图通过介绍本发明的优选实施例来详细介绍本发明。遍及各附图相同的标号指相同的元件。

图4表示根据本发明的第一实施例的示范性的内部基准电压发生器电路。参照图4，该内部基准电压发生器最好包括：差分放大器41、电阻R2、用作电阻的PMOS晶体管P4和温度补偿的可变电压发生器43；电阻R2和PMOS晶体管P4的组合形成一电阻分压器。

差分放大器41差分放大输入到该第一输入端I1的第一基准电压VREF1和输入到第二输入端I2的输入电压VIN，并向输出端O1输出一内部基准电压VREFP。差分放大器41是一常规的负反馈型差分放大器并可以包括PMOS晶体管P1到P3以及NMOS晶体管N1到N3。电阻R2连接在第二基准电压(即地电压VSS)和差分放大器41的第二输入端I2之间。PMOS晶体管P4连接在差分放大器41的输出端O1和差分放大器41的第二输入端I2之间。温度补偿的可变电压发生器43的可变输出电压VTEMP施加到PMOS晶体管P4的栅极。

温度补偿的可变电压发生器43接收第三基准电压VREF2，产生根据温度变化而变化的可变输出电压VTEMP，因此改变PMOS晶体管P4的等效电阻/阻抗。第三基准电压VREF2可以与第一基准电压VREF1相同或不同。温度补偿的可变电压发生器43最好包括：差分放大器43a、用作电阻的PMOS晶体管P10、用作另一电阻的PMOS晶体管P11和可变电压发生器43b。

差分放大器43a差分放大输入到该第一输入端I3的第三基准电压VREF2和输入到第二输入端I4的电压，以便向输出端O2输出一输出电压。差分放大器43a是一和差分放大器41相似的常规的负反馈型差分放大器并可以包括PMOS晶体管P5到P7以及NMOS晶体管N4到N6。

用作电阻的PMOS晶体管P10连接在差分放大器43a的输出端O2和差分放大器43a的第二输入端I4之间。PMOS晶体管P10的栅极和漏极连接到第二输入端I4。用作电阻的PMOS晶体管P11连接在第二基准电压(即地电压VSS)和差分放大器43a的第二输入端I4之间。PMOS晶体管P11的栅极和漏极连接到地电压VSS。

如果PMOS晶体管P10和PMOS晶体管P11的尺寸及输出阻抗相等，输出到差分放大器43a的输出端O2的电压为2×VREF2。由于PMOS晶体管P10和PMOS晶体管P11最好是配对的并且在同样的环境中，因此具有相似的热特性，因此其阻抗组合对于制造工艺过程和温度不敏感。可以用NMOS晶体管对或电阻对取代PMOS晶体管P10和PMOS晶体管P11具有相似的效果。

可变电压发生器43b产生随温度变化而变化的可变输出电压VTEMP。温度变化响应于差分放大器43a的输出端O2的输出电压和第三基准电压VREF2。可变电压发生器43b最好包括PMOS晶体管P8、P9以及NMOS晶体管N7。

PMOS晶体管P8的源极连接到差分放大器43a的输出端O2，PMOS晶体管P8的栅极连接到PMOS晶体管P8的漏极。PMOS晶体管P9的源极连接到PMOS晶体管P8的漏极，PMOS晶体管P9的栅极和漏极连接到输出该可变输出电压VTEMP的节点。NMOS晶体管N7的漏极连接到VTEMP节点，第三基准电压VREF2施加到NMOS晶体管N7的栅极，即地电压VSS施加到NMOS晶体管N7的源极。

特别是，将PMOS晶体管P8和PMOS晶体管P9设计成工作在弱转换区。由于这一原因，PMOS晶体管P8和P9的W/L比提高，NMOS晶体管N7的W/L比降低，其中W代表晶体管栅极的宽度，L代表晶体管栅极的长度。另外，可以用NMOS晶体管或电阻取代PMOS晶体管P8和PMOS晶体管P8和P9。

图5表示常规的晶体管中电流与栅极电压和温度变化的关系曲线图。参照图5，将详细介绍如图4中所示的根据本发明的第一实施例的内部基准电压发生器的工作。

电流Ids随温度的变化的不同取决于阈值电压Vth。若电压Vgs(晶体管栅极和源极之间的电压)小于阈值电压Vth，即工作在弱转换区，则当温度增加时晶体管的导通电压变小，并因此使电流Ids变大。另一方面，若电压Vgs大于阈值电压Vth，即工作在强转换区，则当温度增加时载流子迁移率降低，并因此使电流Ids降低。该弱转换区也称为子阈值(subthreshold)区。

因此，在如图4中所示的根据本发明的第一实施例的内部基准电压发生器中，最好利用晶体管的弱转换的特性来实现对应于温度变化的内部基准电压VREFP的变化。即如上所述，将可变电压发生器43b中的PMOS晶体管P8和P9设计成工作在弱转换区。PMOS晶体管P8和P9的电压Vgs随温度变化(即温度升高电压Vgs降低而温度降低电压Vgs增加)。这就引起当温度升高时可变电压发生器43b的可变输出电压VTEMP增加，而温度降低时可变输出电压VTEMP降低。因此，该通过其栅极接收可变输出电压VTEMP的PMOS晶体管P4的等效电阻随温度变化。

因此，当温度升高时可变电压发生器43b的可变输出电压VTEMP增加，PMOS晶体管P4的等效电阻增加，内部基准电压VREFP增加。另一方面，当温度降低时可变电压发生器43b的可变输出电压VTEMP降低，PMOS晶体管P4的等效电阻降低，内部基准电压VREFP降低。

图6表示根据本发明的第二实施例的示范性内部基准电压发生器电路。参照图6，该内部基准电压发生器最好包括：差分放大器41、电阻R2、用作电阻的PMOS晶体管P4和温度补偿的可变电压发生器43。第二实施例的示范性内部基准电压发生器还包括在图4所示的第一实施例的电路中没有出现的电阻R1。

差分放大器41、电阻R2、PMOS晶体管P4和温度补偿的可变电压发生器43与在第一实施例的电路中的相同。电阻R1与PMOS晶体管P4并联在差分放大器41的输出端O1和第二输入端I2之间，因此限制了电阻R1与PMOS晶体管P4组合的最大阻抗。

图7表示根据本发明的第三实施例的内部基准电压发生器电路示意图，其包括：差分放大器41、电阻R1、用作电阻的NMOS晶体管N8和温度补偿的可变电压发生器43。差分放大器41和温度补偿的可变电压发生器43与在图4中所示的第一实施例的电路中的相同。电阻R1连接在差分放大器41的输出端O1和第二输入端I2之间。NMOS晶体管N8连接在差分放大器41的第二输入端I2和地电压VSS之间。温度补偿的可变电压发生器43的可变输出电压VTEMP施加到NMOS晶体管N8的栅极。温度补偿的可变电压发生器43产生根据温度变化而变化的可变输出电压VTEMP，并通过可变输出电压VTEMP改变NMOS晶体管N8的等效电阻。

图8表示根据本发明的第四实施例的内部基准电压发生器电路示意图，其包括：差分放大器41、电阻R1、用作电阻的NMOS晶体管N8和温度补偿的可变电压发生器43。根据本发明的第四实施例的内部基准电压发生器还包括在图7所示的第三实施例的电路中没有出现的电阻R2。差分放大器41、电阻R1、NMOS晶体管N8和温度补偿的可变电压发生器43与在图7中所示的第三实施例的电路中的相同。电阻R2连接在差分放大器41的第二输入端I2和地电压VSS之间之间。

根据本发明的第二到第四实施例的内部基准电压发生器的工作情况与在图4中所示的第一实施例的电路中的基本相同，因此，略去对它们的详细介绍。这些实施例的区别在于用于提供输出基准电压的变化具体的电阻元件。

图9表示根据本发明的内部电源电压发生器电路示意图，其利用根据本发明的任何一个实施例的内部基准电压发生器。参照图9，根据本发明的内部电源电压发生器最好包括：内部基准电压发生器100、比较器63和驱动器65。正如以上所讨论的，图9中的内部电源电压发生器可以由图9中所示的两个进行单独的基准电压(VREF1和VREF2)控制，或者由连接到内部电源电压发生器的输入节点的单一的基准电压控制。

内部基准电压发生器100是先前介绍的根据本发明的实施例1-4的内部基准电压发生器中之一。内部基准电压发生器100最好当温度升高时增加内部基准电压VREFP，当温度降低时降低内部基准电压VREFP。比较器63将内部基准电压VREFP与从驱动器65输出的内部电源电压IVDD相比较。驱动器65由PMOS晶体管组成，响应于比较器63的输出信号接收外部电源电压EVDD，并输出内部电源电压IVDD。

如果温度升高，内部基准电压VREFP增加，内部电源电压IVDD增加。如果温度降低，内部基准电压VREFP降低，内部电源电压IVDD降低。

如上所述，根据本发明的内部基准电压发生器和内部电源电压发生器的任何一个实施例能够根据温度变化改变内部电源电压的数值，以便降低半导体器件的性能波动。即，内部基准电压发生器和内部电源电压发生器能够根据在温度升高时增加内部电源电压的数值，因此，增加通过晶体管电路的电流。此外，内部基准电压发生器和内部电源电压发生器能够根据在温度降低时降低内部电源电压的数值，因此，降低通过晶体管电路的电流。所以，可以将晶体管电路的电流维持在一恒定的数值，而与温度的变化无关。因此，根据本发明的内部基准电压发生器和内部电源电压发生器可以防止半导体器件及其性能对温度变化敏感。

这里已经介绍了本发明的各优选实施例，虽然采用的是特定的术语，它们可广义理解和使用并且仅为解释性的并不是为了限定。因此，本技术领域的技术人员会理解，在不脱离由如下的权利要求中所述的本发明的构思和范围的情况下可以对其形式和细节进行各种改变。

Claims (16)

1.一种在半导体器件中的内部基准电压发生器，包括：

温度补偿的可变电压发生器，用于产生温度补偿的电压；

第一差分放大器，用于差分放大电耦合到该第一差分放大器第一输入端的第一基准电压和电耦合到该第一差分放大器第二输入端的第一反馈电压之间的电压差，以便输出一内部基准电压；

第一分压器，用于响应于温度补偿的电压产生和输出第一反馈电压，该第一分压器进一步包括：

第一电阻元件，电耦合在第一差分放大器的输出端和第二输入端之间；

第二电阻元件，电耦合在第一差分放大器的第二输入端和第二基准电压之间；和

其中第一反馈电压取决于温度补偿的电压的幅值；并且其中第一电阻元件或第二电阻元件由温度补偿的电压控制。

2.如权利要求1中所述的内部基准电压发生器，其中第一电阻元件的阻抗是动态变化的。

3.如权利要求1中所述的内部基准电压发生器，其中第一电阻元件包括一晶体管；和

晶体管的控制端电耦合到温度补偿的电压。

4.如权利要求1中所述的内部基准电压发生器，其中第二电阻元件阻抗是动态变化的。

5.如权利要求1中所述的内部基准电压发生器，其中第二电阻元件包括一晶体管；和

晶体管的控制端电耦合到温度补偿的电压。

6.如权利要求1中所述的内部基准电压发生器，其中温度补偿的可变电压发生器进一步包括：

第二差分放大器，用于放大电耦合到该第二差分放大器第一输入端的第三基准电压和电耦合到第二差分放大器第二输入端的第二反馈电压之间的电压差，以便输出一输出电压；

第二分压器，用于产生第二反馈电压，该第二分压器进一步包括：

第三电阻元件，电耦合在第二差分放大器的输出端和第二差分放大器的第二输入端之间；

第四电阻元件，电耦合在该第二差分放大器的第二输入端和第二基准电压之间；和

一可变电压发生器，用于根据第二差分放大器的输出电压产生一温度补偿的电压。

7.如权利要求6中所述的内部基准电压发生器，其中第三基准电压等于第一基准电压。

8.如权利要求6中所述的内部基准电压发生器，其中第二基准电压是地电压。

9.如权利要求6中所述的内部基准电压发生器，其中第三和第四电阻元件包括晶体管。

10.如权利要求6中所述的内部基准电压发生器，其中温度补偿的可变电压发生器包括：

第一晶体管，其输出电压施加到第一晶体管的第一端，第一晶体管的栅极连接到第一晶体管的第二端；

第二晶体管，第二晶体管的第一端连接到第一晶体管的第二端，第二晶体管的第二端和栅极连接到的输出温度补偿的电压的输出节点；和

第三晶体管，第三晶体管的第一端连接到输出节点，第三晶体管的电压施加到第三晶体管的栅极，和第二基准电压施加到第三晶体管的源极。

11.如权利要求6中所述的内部基准电压发生器，其中第一晶体管和第二晶体管是PMOS晶体管，第三晶体管是NMOS晶体管。

12.如权利要求11中所述的内部基准电压发生器，其中第一晶体管和第二晶体管工作在弱转换区，而第三晶体管工作在强转换区。

13.一种温度补偿的电源，包括：

内部基准电压发生器，其根据至少两个基准电压产生温度补偿的基准电压；以及

一个调节元件，用于在温度补偿的基准电压的控制下根据输入电压产生输出电压，

因此，随温度上升输出电压增加，随温度降低输出电压下降，

其中利用至少一个工作在弱转换区域的晶体管和至少一个工作在强转换区域的晶体管产生温度补偿的基准电压。

14.如权利要求13中所述的温度补偿的电源，两个基准电压是近于相同的或是相同的。

15.一种温度补偿的电源，包括：

内部基准电压发生器，其根据至少两个基准电压产生温度补偿的基准电压；以及

一个调节元件，用于在温度补偿的基准电压的控制下根据输入电压产生输出电压，

因此，随温度上升输出电压下降，随温度降低输出电压增加，

其中利用至少一个工作在弱转换区域的晶体管和至少一个工作在强转换区域的晶体管产生温度补偿的基准电压。

16.如权利要求15中所述的温度补偿的电源，两个基准电压是近于相同的或是相同的。

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