CN202929513U - 用于产生参考带隙电压的电路 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及用于提供开关电容器、曲率补偿带隙电压参考的电路。在新颖方面中，一种用于产生参考带隙电压的电路包括：第一对二极管；第二对二极管，其中的一个二极管借助PTAT电流而偏置且其中的另一个二极管借助展现几乎无线性温度相依性的电流而偏置；用以基于跨越所述第一对二极管的相应电压而产生与绝对温度成比例PTAT电压差的电路；开关电容器放大器，其用以对所述PTAT电压差进行取样及缩放且用以对跨越所述第二对二极管的电压的差进行取样及缩放；及用以将所述经缩放电压差与对应于跨越借助所述PTAT电流而偏置的所述二极管的电压的电压组合以便至少部分地补偿跨越所述二极管的所述电压的线性与非线性温度相依分量的电路。

Description

用于产生参考带隙电压的电路
技术领域
本实用新型涉及开关电容器、曲率补偿带隙电压参考。 
背景技术
带隙电压参考电路产生在所要温度范围内大致温度独立且广泛用于集成电路中的参考电压。 
在一些技术中，两个分量促成带隙电压参考的输出电压。一个分量为二极管配置的晶体管的基极-发射极电压(Vbe)。第二分量与绝对温度成比例(PTAT)且用以补偿Vbe的负温度系数。通过使PTAT电压与适当因数相乘且与Vbe求总和，带隙电压参考将具有对温度变化的低敏感度。 
举例来说，可使用以不同电流密度操作的两个p-n结(例如，二极管)之间的电压差ΔVbe来产生第一电阻器中的与绝对温度成比例(PTAT)电流。可使用PTAT电流来产生第二电阻器中的电压。又将此电压添加到跨越所述结中的一者的电压。由于跨越以PTAT电流操作的二极管的电压与绝对温度(CTAT)互补，因此如果适当地挑选第一电阻器与第二电阻器之间的比率，那么将抵消所述二极管与所述PTAT电流的温度依赖性的一阶效应。 
然而，应知晓，甚至对于具有最优挑选的参考温度T0的带隙，随温度而变的输出电压也显示以下曲率：致使其针对高于或低于T0的温度减小(参见1)。在温度变化时由所述曲率指示的输出电压的偏差对于许多应用来说过大。因此，期望并入有曲率校正技术以便提供显示甚至更小温度敏感度的带隙电压参考。 
实用新型内容
在一个新颖方面中，一种产生参考带隙电压的方法包含：基于跨越第一对二极管的相应电压而产生与绝对温度成比例(PTAT)电压差。使用开关电容器放大器来对PTAT电压差进行取样及缩放。还使用所述开关电容器放大器来对跨越第二对二极管的电压的差进行取样及缩放，其中的一个二极管借助PTAT电流而偏置且其中的另一个二极管借助 一电流而偏置，所述电流展现几乎无线性温度依赖性。将所述经缩放电压差与一电压组合，所述电压对应于跨越借助所述PTAT电流而偏置的所述二极管的电压，以便补偿跨越所述二极管的所述电压的线性与非线性温度相依分量。还揭示用于产生参考带隙电压的电路。 
一些实施方案包含以下特征中的一者或一者以上。举例来说，所述第一对二极管可包含第一二极管及第二二极管，且所述第二对二极管可包含所述第一二极管及第三二极管。以此方式，可使用三个二极管来实施所述方法及电路。 
在一些实施方案中，PTAT电压差至少部分地基于第一电容而缩放，且跨越第一及第三二极管的电压之间的差可至少部分地基于第二电容而缩放。来自两阶段时钟的信号可控制开关，使得在第一时钟阶段期间将第一二极管的阳极电耦合到第一及第二电容中的每一者，且使得在第二时钟阶段期间将第二二极管的阳极电耦合到第一电容且将第三二极管的阳极电耦合到第二电容。 
在一些实施方案中，所揭示的电路设计可导致由于需要较少电阻器而降低面积要求。降低面积要求又可导致较低制造成本。 
依据以下具体实施方式、附图及权利要求书，其它可能方面、特征及优点可显而易见。 
本申请案的一个方面是提供一种用于产生参考带隙电压的电路。在一个实施例中，所述电路包括：第一对二极管；第二对二极管，其中的一个二极管借助PTAT电流而偏置且其中的另一个二极管借助一电流而偏置，所述电流展现几乎无线性温度依赖性；产生电压差的电路，所述电压差是与绝对温度成比例(PTAT)电压差，且所述电压差基于跨越所述第一对二极管的相应电压而产生；开关电容器放大器，其用以对所述PTAT电压差进行取样及缩放且用以对跨越所述第二对二极管的电压的差进行取样及缩放；及将所述经缩放电压差与一电压相组合的电路，所述电压对应于跨越借助所述PTAT电流而偏置的所述二极管的电压，以便至少部分地补偿跨越所述二极管的所述电压的线性与非线性温度相依分量。 
在另一实施例中，所述第一对二极管包含第一二极管及第二二极管，且其中所述第二对二极管包含所述第一二极管及第三二极管。 
在又一实施例中，所述第一二极管借助所述PTAT电流而偏置。 
在仍另一实施例中，所述电路进一步包含电阻及电流镜，其中所述开关电容器放大器的输出叠加于所述电阻上以产生电流，所述电流由所述电流镜镜射以产生，所述电流展现几乎无线性依赖性。 
在仍另一实施例中，所述电路包含：多个开关；及两阶段时钟，其用以控制所述开关的相应状态以便对所述PTAT电压差进行取样及缩放且对跨越所述第二对二极管的所述电压差进行取样及缩放。 
在仍另一实施例中，所述电路包含第一电容及第二电容，其中所述PTAT电压差至少部分地基于所述第一电容而缩放，且其中跨越所述第二对二极管的所述电压差至少部分地基于所述第二电容而缩放。 
本申请案的另一方面是提供一种用于产生参考带隙电压的电路。在一个实施例中，所述电路包括：第一二极管，其借助PTAT电流而偏置；第二二极管；第三二极管，其借助一电流而偏置，所述电流展现大致无线性温度依赖性；产生电压差的电路，所述电压差是与绝对温度成比例(PTAT)电压差，且所述电压差基于跨越所述第一及第二二极管的相应电压而产生；开关电容器放大器，其用以对所述PTAT电压差进行取样及缩放且对跨越所述第一及第三二极管的电压的差进行取样及缩放；及将所述经缩放电压差与一电压相组合的电路，所述电压对应于跨越借助所述PTAT电流而偏置的所述二极管的电压，以便至少部分地补偿跨越所述二极管的所述电压的线性与非线性温度相依分量。 
在另一实施例中，所述电路包含：多个开关；及两阶段时钟，其用以控制所述开关的相应状态以便对所述PTAT电压差进行取样及缩放且对跨越所述第一及第三二极管的所述电压差进行取样及缩放。 
在又一实施例中，所述电路包含第一电容及第二电容，其中所述PTAT电压差至少部分地基于所述第一电容而缩放，且其中跨越所述第一及第三二极管的所述电压差至少部分地基于所述第二电容而缩放。 
在仍另一实施例中，所述时钟控制所述开关，使得在第一时钟阶段期间所述第一及第二电容中的每一者电耦合到所述第一二极管的阳极，且在第二时钟阶段期间所述第一电容电耦合到所述第二二极管的阳极且所述第二电容电耦合到所述第三二极管的阳极。 
附图说明
图1图解说明用于一些带隙电压参考的温度变化对输出电压的实例。 
图2是图解说明根据本实用新型的新颖方面的方法的实例的流程图。 
图3图解说明根据本实用新型的新颖方面提供开关电容器、曲率补偿带隙电压参考的电路的实例。 
图4是用于与图3的电路一起使用的时钟信号的实例。 
图5图解说明根据本实用新型的新颖方面提供开关电容器、曲率补偿带隙电压参考的电路的另一实施方案。 
具体实施方式
本实用新型中所描述的电路使用开关电容器放大器来对电压值进行取样及缩放以产生带隙电压参考(Vbgap)。举例来说，电路组件(除二极管以外)可实施于CMOS集成电路中。举例来说，可使用连接成二极管配置的双极结晶体管(BJT)来实施所述二极管。 
所述电路产生跨越具有不相等发射极面积及因此不相等电流密度的第一及第二二极管(D1、D2)的相应电压之间的电压差(ΔVbe)。所述电压差ΔVbe为PTAT电压且表示线性误差电压，所述线性误差电压随后经缩放以调整跨越所述二极管中的一者的电压(Vbe)的温度相依斜率以便补偿且有效地抵消电压Vbe的线性温度相依(即，CTAT)分量。参见图2，框100。特定来说，使用开关电容器放大器来对电压差(ΔVbe)进行取样及放大(图2，框102)，且将经放大电压差添加到对应于跨越第一二极管的电压(Vbe)的电压。 
另外，使用开关电容器放大器来对跨越借助PTAT电流(IT)而偏置的第一二极管(D1)的电压与跨越借助电流IO而偏置的第三二极管(D3)的电压的差进行取样及缩放，所述电流IO展现几乎无线性温度依赖性，以补偿且有效地抵消Vbe的非线性温度依赖性(图2，框104)。 
因此，所述电路使用开关电容器放大器来对线性温度相依误差分量及非线性温度相依误差分量两者进行取样及缩放以获得相对独立于温度的稳定带隙电压参考(Vbgap)。特定来说，使用开关电容器拓扑来对ΔVbe进行取样且对两个二极管之间的电压进行取样，其中的一个二极管借助一电流而偏置，所述电流展现几乎无线性温度依赖性，且其中的另一个二极管借助PTAT电流而偏置。将线性误差电压ΔVbe及非线性误差电压(Vnl)的经缩放版本添加到二极管电压Vbe可导致曲率补偿带隙电压参考(Vbgap)。电容的值可经调整以便补偿Vbe及其非线性误差项的温度相依斜率。 
如图3的实例中所图解说明，所述电路包含用于产生PTAT电流(IT)的偏置核心或自偏置环路10。所述电路还包含用以对线性误差电压ΔVbe进行取样的电路12及用以对非线性误差电压Vnl进行取样的电路14。具有反馈电容Cf的第一运算放大器OA1提供所要缩放。所述电路还包含用以产生电流IO的电路16，所述电流IO展现几乎无线性温度依赖性，。 
用于产生PTAT电流IT的自偏置环路10包含一对NMOS晶体管N1、N2及由一对 PMOS晶体管P1、P2形成的电流镜。如图3中所展示，两个PMOS晶体管P1、P2的栅极电耦合在一起，且晶体管P2的栅极电耦合到其漏极。同样地，两个NMOS晶体管N1、N2的栅极电耦合在一起，且晶体管N1的栅极电耦合到其漏极。晶体管P1的漏极电耦合到晶体管N1的漏极，且晶体管P2的漏极电耦合到晶体管N2的漏极。此外，晶体管N1的源极电耦合到第一二极管D1的阳极。晶体管N2的源极电耦合到电阻器Rptat的一端，电阻器Rptat的另一端电耦合到第二二极管D2的阳极。二极管D1、D2的阴极电耦合到接地。 
自偏置环路10致使第一二极管D1的阳极处的电压出现在电阻器Rptat上(即，将电阻器Rptat连接到晶体管N2的源极的节点处)。穿过电阻器Rptat的电流可表达为ΔVbe/Rptat，其中ΔVbe为跨越二极管D1及D2的电压的差。此外，穿过电阻器Rptat的电流随温度增加。穿过第一二极管D1的电流(IT)由于由晶体管P1、P2形成的电流镜而等于穿过电阻器Rptat的电流。 
如图3中所展示，跨越第二二极管D2的电压(Vbe)出现在第一运算放大器OA1的非反相输入(+)处。 
所述电路使用2阶段时钟
Figure DEST_PATH_GDA00002715405100051
以断开/闭合各种开关S1到S6，举例来说，所述开关S1到S6可实施为MOS晶体管。参见图4。当时钟信号变为高时闭合标示有
Figure DEST_PATH_GDA00002715405100052
的开关，而当时钟信号变为低时闭合标示有
Figure DEST_PATH_GDA00002715405100053
的开关。同样地，当时钟信号变为低时断开标示有
Figure DEST_PATH_GDA00002715405100054
的开关，而当时钟信号变为高时断开标示有
Figure DEST_PATH_GDA00002715405100055
的开关。 
举例来说，在第一时钟阶段期间，开关S3是闭合的且将电容Cf放电，借此使电容Cf准备好在下一时钟阶段期间储存来自Clin及Ccurv的电荷。特定来说，在下一时钟阶段期间，当开关S1断开且S5闭合时，跨越电容Clin的电压(及借此电荷)改变。将此电荷差传送到电容器Cf，因此导致使线性误差电压(ΔVbe)按量Clin/Cf而缩放。同样地，作为开关S2断开且开关S6闭合的结果而同时积累另一电荷量，此导致非线性误差电压(Vnl)按电容的比率Ccurv/Cf而缩放。 
一般来说，由于运算放大器OA1迫使其两个输入相等，因此连接到运算放大器OA1的反相输入(-)的电容Cf的板处于电压Vbe处。跨越电容Cf的电压的差等于两个经缩放电压的总和。因此，跨越电容Cf的总电压包含这两个经缩放电压的总和。特定来说，连接到运算放大器OA1的输出的电容Cf的板将为Vbe与经缩放电压的总和。以下段落中更详细地解释电路的操作。 
当时钟信号变为高时，闭合开关S1、S2及S3。当时钟信号随后转变为低信号且开关S1、S2及S3断开时，跨越二极管D1及D2的电压之间的差(ΔVbe)按电容的比率Clin/Cf 而缩放，且经缩放电压出现在第一运算放大器OA1的输出处。在此情况下，Clin是将第一二极管D1的阳极连接到运算放大器OA1的反相输入(-)的电容，且Cf是运算放大器OA1的反馈电容。因此，在第二时钟阶段期间(即，当时钟信号变为低时)，第一运算放大器OA1的输出处的电压包含跨越二极管D2的电压(Vbe)及电压差(ΔVbe)的经缩放版本。如上文所提及，电压差ΔVbe表示补偿Vbe的线性温度依赖性的线性误差电压。特定来说，电压Vbe随温度增加而减小，而电压差(ΔVbe)随温度增加而增加。以此方式，补偿且因此可大致抵消电压Vbe的线性温度依赖性。 
在第二时钟阶段的后半部分期间(即，当时钟信号为低时)，耦合到第一放大器OA1的输出的开关S4闭合，且由连接于第二运算放大器OA2的非反相输入(+)与接地之间的电容器Cbgap对输出电压进行取样。 
第二运算放大器OA2的输出连接到NMOS晶体管N3的栅极，NMOS晶体管N3又使其源极电耦合到电阻Rconst的第一端。电阻Rconst的第一端还电耦合到第二放大器OA2的反相输入(-)。电阻器Rconst的另一端耦合到接地。此配置致使跨越电阻Rconst叠加来自第一运算放大器OA1的输出的经取样电压。标示有Vbgap的此电压产生等于穿过电阻Rconst及晶体管N3的Vbgap/Rconst的电流。由于经取样电压Vbgap不展现任何显著线性温度依赖性，因此穿过电阻器Rconst的电流也大致独立于温度(即，展现大致无线性温度依赖性)。 
晶体管N3的漏极电耦合到由PMOS晶体管P3及P4形成的电流镜。此电流镜产生等于穿过电阻器Rconst的电流(即，Vbgap/Rconst)的电流IO，如上文所陈述，穿过电阻器Rconst的电流大致独立于温度，这是因为其展现几乎无线性温度依赖性。 
电流IO流动穿过第三二极管D3，第三二极管D3的阳极电耦合到晶体管P4的漏极且其阴极/阳极耦合到接地。由于电流IO展现几乎无线性温度依赖性，因此跨越第三二极管D3的电压也展现几乎无线性温度依赖性。跨越第三二极管D3的电压及跨越第一二极管D1的电压用以产生非线性误差电压Vnl。 
特定来说，在第二时钟阶段期间(即，当时钟信号为低时)，闭合两个额外开关S5及S6。闭合开关S6经由电容Ccurv将跨越第三二极管D3的电压电耦合到第一运算放大器OA1的反相输入(-)。因此，在第二时钟阶段期间，第一运算放大器OA1按电容的比率Ccurv/Cf而缩放跨越第一二极管D1及第三二极管D3的电压之间的电压差(Vnl)。跨越二极管D1及D3的电压之间的差(Vnl)与跨越二极管D1的电压的非线性温度相依分量成比例。经缩放电压(Ccurv/Cf)*Vnl出现在第一运算放大器OA1的输出处且添加到电压值Vbe及经缩放线性误差电压值(Clin/Cf)*ΔVbe。因此，当闭合开关S4朝向第二时钟阶段 的末端时，以下电压值出现在第二放大器OA2的非反相输入(+)处： 
Vbe+(Clin/Cf)*ΔVbe+(Ccurv/Cf)*Vnl。 
如上文所解释，出现在第二运算放大器OA2的非反相输入(+)处的电压也跨越电阻Rconst出现。可从将电阻Rconst连接到第二运算放大器OA2的反相输入(-)的节点获得带隙电压参考(Vbgap)。 
图5图解说明提供开关电容器、曲率补偿带隙电压参考的电路的另一实例。图5的电路大致类似于图3的电路，除从电路的不同点获得参考带隙电压以外。特定来说，第二运算放大器OA2的反相输入(-)电耦合到第二运算放大器OA2的输出，第二运算放大器OA2的输出电耦合到晶体管N3。另外，将电容器Cout耦合于第二运算放大器OA2的输出与接地之间。在第二运算放大器OA2的输出处获得参考带隙电压(Vbgap)。 
一般来说，图5的配置可能比图3的配置更不准确。替代温度独立带隙电压(Vbgap)，跨越电阻Rconst的电压将等于Vbgap-Vth，其中Vth为晶体管N3的阈值电压。由于与Vbgap/Rconst相比，(Vbgap-Vth)/Rconst的温度独立性较小，因此电路的准确度可往往稍微降低。另一方面，可能的优点是：第二运算放大器OA2可用作缓冲器使得连接到第二运算放大器OA2的一些类型的负载对电压Vbgap的影响较小。 
其它实施方案也在所述权利要求书的范围内。 

Claims (10)

1.一种用于产生参考带隙电压的电路，所述电路的特征在于包括： 
第一对二极管； 
第二对二极管，其中的一个二极管借助PTAT电流而偏置且其中的另一个二极管借助一电流而偏置，所述电流展现几乎无线性温度依赖性； 
产生电压差的电路，所述电压差是与绝对温度成比例PTAT电压差，且所述电压差基于跨越所述第一对二极管的相应电压而产生； 
开关电容器放大器，其用以对所述PTAT电压差进行取样及缩放且用以对跨越所述第二对二极管的电压的差进行取样及缩放；及 
将所述经缩放电压差与一电压相组合的电路，所述电压对应于跨越借助所述PTAT电流而偏置的所述二极管的电压，以便至少部分地补偿跨越所述二极管的所述电压的线性与非线性温度相依分量。 
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述第一对二极管包含第一二极管及第二二极管，且其中所述第二对二极管包含所述第一二极管及第三二极管。 
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于所述第一二极管借助所述PTAT电流而偏置。 
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于进一步包含电阻及电流镜，其中所述开关电容器放大器的输出叠加于所述电阻上以产生电流，所述电流由所述电流镜镜射产生，所述电流展现几乎无线性温度依赖性。 
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于包含：多个开关；及两阶段时钟，其用以控制所述开关的相应状态以便对所述PTAT电压差进行取样及缩放且用以对跨越所述第二对二极管的所述电压差进行取样及缩放。 
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于包含第一电容及第二电容，其中所述PTAT电压差至少部分地基于所述第一电容而缩放，且其中跨越所述第二对二极管的所述电压差至少部分地基于所述第二电容而缩放。 
7.一种用于产生参考带隙电压的电路，所述电路的特征在于包括： 
第一二极管，其借助PTAT电流而偏置； 
第二二极管； 
第三二极管，其借助一电流而偏置，所述电流展现大致无线性温度依赖性； 
产生电压差的电路，所述电压差是与绝对温度成比例PTAT电压差，且所述电压差基于跨越所述第一及第二二极管的相应电压而产生； 
开关电容器放大器，其用以对所述PTAT电压差进行取样及缩放且用以对跨越所述第一及第三二极管的电压的差进行取样及缩放；及 
将所述经缩放电压差与一电压相组合的电路，所述电压对应于跨越借助所述PTAT电流而偏置的所述二极管的电压，以便至少部分地补偿跨越所述二极管的所述电压的线性与非线性温度相依分量。 
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于包含：多个开关；及两阶段时钟，其用以控制所述开关的相应状态以便对所述PTAT电压差进行取样及缩放且用以对跨越所述第一及第三二极管的所述电压差进行取样及缩放。 
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于包含第一电容及第二电容，其中所述PTAT电压差至少部分地基于所述第一电容而缩放，且其中跨越所述第一及第三二极管的所述电压差至少部分地基于所述第二电容而缩放。 
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于所述时钟控制所述开关，使得在第一时钟阶段期间所述第一及第二电容中的每一者电耦合到所述第一二极管的阳极，且在第二时钟阶段期间所述第一电容电耦合到所述第二二极管的阳极且所述第二电容电耦合到所述第三二极管的阳极。 
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