DE102015210217A1

DE102015210217A1 - Vorrichtung und Verfahren für eine hochpräzise Spannungsreferenz

Info

Publication number: DE102015210217A1
Application number: DE102015210217.3A
Authority: DE
Inventors: Susumu Tanimoto
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2035-06-03
Also published as: US9383764B1; CN105843322A; DE102015210217B4; CN105843322B

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Spannungsreferenzschaltung mit verbesserter Präzision. Die Spannungsreferenzschaltung verwendet eine Schwellenspannungsdifferenz zwischen einem Paar MOSFET. Eine Spannungsreferenzschaltung zwischen einem Energieversorgungsknoten und einem Masseknoten, die zum Erzeugen einer Referenzspannung ausgelegt ist, umfasst einen ersten Stromspiegel mit einem ersten NMOS-Transistor und einem zweiten NMOS-Transistor, wobei die erste NMOS-Transistor-Schwellenspannung nicht gleich der zweiten NMOS-Transistor-Schwellenspannung ist, einen zweiten Stromspiegel mit einem ersten PMOS-Transistor, einem zweiten PMOS-Transistor und einem dritten PMOS-Transistor, der dazu ausgelegt ist, mit dem Energieversor-gungsknoten gekoppelt zu sein, eine Stromquelle, die dazu ausgelegt ist, eine Stromstärke für den zweiten Stromspiegel bereitzustellen; einen Verstärker, der mit einem ersten und einem zweiten Eingang ausgebildet ist, die dazu ausgelegt sind, mit den Drains des ersten NMOS-Transistors und des zweiten NMOS-Transistors verbunden zu sein; und eine Rückkopplungsschleife, die dazu ausgelegt ist, der Ausgang des Verstärkers zu sein.

Description

Hintergrund
Gebiet
Die Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Spannungsreferenzschaltung und insbesondere auf eine Spannungsreferenzschaltung für eine hohe Präzision.
Beschreibung des Standes der Technik
Spannungsreferenzschaltungen sind eine Art von Schaltung, die in Verbindung mit Halbleitervorrichtungen, integrierten Schaltungen (IC) und anderen Anwendungen verwendet wird. Spannungsreferenzschaltungen können in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Diese können (a) Bandlücken-Referenzschaltungen, (b) Schaltungen, die auf MOSFET-Transistor-Schwellenspannungsdifferenzen basieren, (c) Schaltungen mit MOSFET-Schwellenspannungs- und -Mobilitäts-Kompensation (d) Strommodus-Schaltungen und (e) MOSFET-Beta-Multiplizierer-Netze umfassen.
1 ist ein Beispiel einer Schaltung 100 des Standes der Technik mit einer Masse (z. B. VSS) 101 und einer negativen Energie bzw. Stromversorgung VCC 102. Die n-Kanal-MOSFET-Vorrichtungen T1 110 und T2 120 werden als Referenz-MOS-Transistoren verwendet. Der Transistor T3 130 ist eine MOSFET-Vorrichtung mit einer n-Typ-dotierten MOSFET-Gate-Struktur. Der n-Kanal-MOSFET T2 120 besitzt zudem einen langen MOSFET-Kanal. Der Strom des MOSFET T3 130 wird durch den Stromspiegel, der von zwei MOSFET-Vorrichtungen T4 140 und T5 150 gebildet wird, "gespiegelt". Der Stromspiegel, der von den P-Kanal-MOSFET-Vorrichtungen T4 140 und T5 150 gebildet wird, stellt sich auf den Wert ein, der dem Schnittpunkt der Kennlinien der MOSFET-Vorrichtung T1 110 und der MOSFET-Vorrichtung T3 130 entspricht. Die MOSFET-Vorrichtungen T7 170, T8 180 und T9 190 stellen ein zweites Stromspiegelnetz dar, das gleiche Stromstärken durch die MOSFET-Vorrichtungen T1 110 und T2 120 erzwingt. Um das Anfahren der Schaltung einzuleiten, leitet die n-Kanal-MOSFET-Vorrichtung T6 160 Strom, wenn die Energieversorgung eingeschaltet wird, was durch eine positive Gate-Spannung aus dem Kondensator C 103 bereitgestellt wird. Die durchlässige Polysiliziumdiode D 104 entlädt durch den Kondensator C 103 und schaltet die n-Kanal-MOSFET-Vorrichtung T6 160 ab. Diese Schaltung funktioniert, wenn die Energieversorgungsspannung V_CC > 1,5V überschreitet. Der Stand der Technik erfordert sechs MOSFET T1 110, T2 120, T5 150, T7 170, T8 180 und T9 190. Um eine hochpräzise Ausgangsspannung zu erhalten, müssen die elektrischen Eigenschaften dieser Vorrichtungen eine präzise Abstimmung aufweisen. Um genaue Abstimmungseigenschaften zu erreichen, müssen die Transistoren groß sein, um Halbleiterfertigungsschwankungen (z. B. Photolithographieund Ätz- Schwankungen, Linienbreitenschwankungen auf einem Chip (ACLV) und Materialänderungen) zu minimieren. Zusätzlich können die Transistoren T1 110 und T2 120 Schwellenspannungsschwankungen und eine Fehlabstimmung aufweisen, was zu einer Spannungsreferenzdifferenz aufgrund der Spannungsdifferenz der jeweiligen Drain-Spannungen führt. Die Nachteile dieser Implementierung zum Erreichen einer Spannungsreferenzschaltung mit hoher Präzision sind die Anzahl an Transistoren, die physische Größe der Transistoren, die Chipfläche und die Kosten.
Das US-Patent 7564225 an Moraveji u. a. beschreibt eine Spannungsreferenzschaltung, die eine Austrittsarbeitsdifferenz zwischen einem p+-Gate und einem n+-Gate verwendet, um eine vorgegebene Referenzspannung zu erzeugen. Zusätzlich kann die vorgegebene Referenzspannung mittels Gate-Materialien mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten voreingestellt werden.
Das US-Patent 7727833 an Dix beschreibt eine Spannungsreferenz aus einem Operationsverstärker mit identischen PMOS-Transistoren, die jeweils einen anderen Gate-Dotierstoff aufweisen. Der Unterschied zwischen den beiden Schwellenspannungen wird dann verwendet, um eine Spannungsreferenz gleich der Differenz zu erzeugen. Die beiden PMOS-Transistoren sind als Differenzpaar ausgelegt.
Das US-Patent 8264214 an Ratnakumar u. a. zeigt eine Niederspannungs-Referenzschaltung, die ein Paar von Halbleitervorrichtungen aufweist. Jede Halbleitervorrichtung kann einen Halbleiterbereich vom n-Typ aufweisen.
In dem früher veröffentlichten Artikel "MOS Voltage Reference Base on Polysilicon Gate Work Function Difference", IEEE Journal of Solid-State Circuit, Band SC-15, Nr. 3, Juni 1980, wird eine Spannungsreferenzschaltung erörtert, die mit MOSFET-Gate-Austrittsarbeitsdifferenzen arbeitet.
In dem früher veröffentlichten Artikel "CMOS Voltage Reference Based on Gate Work Function Differences in Poly-Si Controlled by Conductivity Type and Impurity Concentration", IEEE Journal of Solid-State Circuit, Band 38, Nr. 6, Juni 2003, arbeitet die Spannungsreferenzschaltung mit Differenzen in der Leitfähigkeit und der Störstellenkonzentration.
Bei diesen Ausführungsformen des Standes der Technik verwendet die Lösung zum Verbessern der Funktionsfähigkeit einer Niederspannungs-Referenzschaltung verschiedene alternative Lösungen.
Es ist wünschenswert, eine Lösung bereitzustellen, die sich mit den Nachteilen des Betriebs einer Spannungsreferenzschaltung befasst.
Zusammenfassung
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung bereitzustellen, die einen Betrieb einer Schaltung ermöglicht, die weniger kostspielig ist.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung bereitzustellen, die den Betrieb einer Schaltung, die in der Größe verringert ist, ermöglicht.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung bereitzustellen, die eine Verbesserung der Genauigkeit ermöglicht.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung bereitzustellen, die eine geringere Abhängigkeit von der Energieversorgungsspannung ermöglicht.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung bereitzustellen, die eine Verbesserung der Genauigkeit durch Aufrechterhalten der Drain-Spannungs-Abstimmung ermöglicht.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung bereitzustellen, die eine Verbesserung der Genauigkeit durch Aufrechterhalten der Drain-Spannungs-Abstimmung ermöglicht, auch wenn Quellenspannungsknoten und eine Quellenspannung nicht abgestimmt sind.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung mit weniger Transistoren bereitzustellen.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung mit weniger Transistoren bereitzustellen, die eine verbesserte Abstimmung ermöglicht.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spannungsreferenzschaltung mit weniger Transistoren bereitzustellen, die kleiner ist und dennoch die Genauigkeit beibehält.
Zusammengefasst ist eine Spannungsreferenzschaltung zwischen einem Energieversorgungsknoten und einem Masseknoten zum Erzeugen einer Referenzspannung ausgelegt und umfasst einen ersten Stromspiegel mit einem ersten NMOS-Transistor und einem zweiten NMOS-Transistor, wobei die erste NMOS-Transistor-Schwellenspannung nicht gleich der zweiten NMOS-Transistor-Schwellenspannung ist, einen zweiten Stromspiegel mit einem ersten PMOS-Transistor, einem zweiten PMOS-Transistor und einem dritten PMOS-Transistor, der dazu ausgelegt ist, mit dem Energieversorgungsknoten gekoppelt zu sein, wobei der erste PMOS-Transistor mit dem Gate des zweiten PMOS-Transistors und des dritten PMOS-Transistors gekoppelt ist und wobei die Drains des zweiten PMOS-Transistors und des dritten PMOS-Transistors mit dem Drain des ersten NMOS-Transistors und dem Drain des zweiten NMOS-Transistors gekoppelt sind, eine Stromquelle, die dazu ausgelegt ist, eine Stromstärke für den zweiten Stromspiegel bereitzustellen, einen Verstärker, der mit einem ersten und einem zweiten Eingang ausgebildet ist, die dazu ausgelegt sind, mit den Drains des ersten NMOS-Transistors und des zweiten NMOS-Transistors verbunden zu sein, und eine Rückkopplungsschleife, die dazu ausgelegt ist, der Ausgang des Verstärkers zu sein.
Zusätzlich umfasst ein Verfahren einer Spannungsreferenzschaltung die folgenden Schritte: (a) Bereitstellen einer Spannungsreferenzschaltung, die einen ersten MOSFET-Stromspiegel mit einer Schwellenspannungsdifferenz, einen zweiten MOSFET-Stromspiegel, einen Verstärker, eine Rückkopplungsschleife und ein Ausgangssignal umfasst, (b) Erstellen einer Drain-Spannungsdifferenz aus dem ersten MOSFET-Stromspiegel mit einer Schwellenspannungsdifferenz, (c) Einspeisen der MOSFET-Drain-Spannungen des ersten MOSFET-Stromspiegels mit einer Schwellenspannungsdifferenz in die Eingänge des Verstärkers, (d) Erstellen eines Verstärkerausgangssignals aus dem Verstärker, und (e) Einspeisen des Verstärkerausgangssignals in eine Rückkopplungsschleife.
Andere Vorteile sind für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Offenbarung und die zugehörigen Vorteile und Merkmale, die bereitgestellt sind, werden bei der Durchsicht der folgenden genauen Beschreibung der Offenbarung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente darstellen, am besten verstanden und erkannt werden, wobei:
1 ein Beispiel einer Spannungsreferenzschaltung im Stand der Technik ist;
2 ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist;
3 ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist;
4 ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist;
5 ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist;
6 ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist;
7 ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist;
8 ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist; und
9 ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist.
Genaue Beschreibung
2 ist ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung 200 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Schwellenspannung eines n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiters (MOS) N1 210 ist höher als die eines n-Kanal-MOS N2 220 und die Differenz zwischen diesen Schwellenspannungen tritt an dem Ausgangsknoten O 237 in Erscheinung, wenn ein p-Kanal-MOS P2 245 und ein p-Kanal-MOS P3 250 im Hinblick auf ihre elektrischen Eigenschaften gut zusammenpassen. Die Stromstärken, die durch den p-Kanal-MOS P2 245 und den p-Kanal-MOS P3 250 fließen, sind nicht notwendigerweise gleich, aber ihr Verhältnis sollte konstant sein. Somit sollten die Gate-Bereiche des p-Kanal-MOS P2 245 und des p-Kanal-MOS P3 250 groß sein, um eine zufällige Variation zu verringern, die die Abstimmung der Stromstärken des p-Kanal-MOS P2 245 und p-Kanal-MOS P3 250 verschlechtert. Der n-Kanal-MOS N1 210 und der n-Kanal-MOS N2 220 sollten auch groß sein, so dass die Differenz der Schwellenspannungen zwischen den zwei Transistoren n-Kanal-MOS-N1 210 und n-Kanal-MOS N2 220 stabil ist.
Wie oben erwähnt ist die Hochpräzisionsabstimmung in dieser Schaltung nur bei zwei Paaren erforderlich, und zwar dem p-Kanal-MOS-Paar P2–P3 (P2 245 und P3 250) und dem n-Kanal-MOS-Paar N1–N2 (N1 210 und N2 220); dies bedeutet, dass nur vier große Transistoren in der Schaltung erforderlich sind.
Die Verstärkung A1 230 ist die einzige erforderliche Spannungsverstärkung und ihr großes Eingangs-Offset wird toleriert, so dass die Größe dieses Verstärkers ziemlich klein sein kann und er von der Fläche her keine Bedeutung hat. Keine Abstimmungseigenschaften sind für den p-Kanal-MOS P1 240 und den n-Kanal-MOS N3 225 erforderlich, da sie eine Vorspannungsquelle bzw. ein automatisch gesteuerter Widerstand sind.
Die Energieversorgung VDD 201 ist durch ihre Unabhängigkeit von der Ausgangsspannung O (z. B. Energieversorgungs-Spannungsunabhängigkeit) ein weiterer Vorteil dieser Erfindung. In der Schaltung werden Drain-Spannungen des p-Kanal-MOS P2 245 und des p-Kanal-MOS P3 250 als Ergebnis der negativen Rückkopplungsschleife ständig so gesteuert, dass sie vom Betrag her gleich sind. Dies schließt die Spannungsverstärkung A1 230 und n-Kanal-MOS-N3 225 ein, so dass das Stromstärkeverhältnis zwischen den beiden p-Kanal-MOS-Transistoren P2 245 und P3 250 unabhängig von der Energieversorgungsspannung VDD ist. Als Ergebnis ist die Ausgangsspannung gegenüber der Energieversorgungsspannung VDD nicht empfindlich.
3 ist ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung. In einigen Fällen kann die Verstärkung der Schleife über A1 330–N3 325–N2 320 im Betrag zu groß sein, um eine ausreichende Phasenreserve zu erhalten. Dann könnte die Schleifenverstärkung verringert werden, indem ein Widerstand zwischen die Source des n-Kanal-MOS N3 325 und der Masse 302 gestellt wird. Die Ausführungsform 300 umfasst eine VDD 301 und eine Masse VSS 302. Ein Stromspiegel wird von einem Transistor N1 310 und einem Transistor N2 320 gebildet. Differenzeingänge für den Verstärker A1 330 sind ein Eingang 327 und ein Eingang 329, die mit dem Drain des N1 310 und N2 320 verbunden sind. Ein zweiter Stromspiegel wird von p-Kanal-MOSFET P1 340, P2 345 und P3 350 gebildet. Die Stromquelle 303 liefert eine Stromstärke Is und ist mit dem p-Kanal-MOSFET-Stromspiegel verbunden. Der Verstärker A1 330 liefert ein Rückkopplungssignal 335 an den n-Kanal-MOSFET N3 325. Der Drain von N3 325 ist mit dem Ausgang O 337 gekoppelt und dessen Source ist mit einem Widerstand R 355 gekoppelt.
4 ist ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung. Dies ist ein weiteres Verfahren zum Verringern der Schleifenverstärkung. Die Ausführungsform 400 umfasst eine VDD 401 und eine Masse VSS 402. Ein Stromspiegel wird von einem Transistor N1 410 und einem Transistor N2 420 gebildet. Differenzeingänge für einen Verstärker A1 430 sind ein Eingang 427 und ein Eingang 429, die mit dem Drain von N1 410 und N2 420 verbunden sind. Der Drain von N2 420 ist mit dem Gate des n-Kanal-MOSFET N4 455 gekoppelt. Ein zweiter Stromspiegel wird von p-Kanal-MOSFET P1 440, P2 445 und P3 450 gebildet. Die Stromquelle 403 liefert eine Stromstärke Is und ist mit dem p-Kanal-MOSFET-Stromspiegel verbunden. Der Verstärker A1 430 liefert ein Rückkopplungssignal 435 an einen n-Kanal-MOSFET N3 425. Der Drain von N3 425 ist mit dem Ausgang O 437 gekoppelt. In dieser Schaltung ist die n-Kanal-MOSFET-Vorrichtung N4 455 anstelle des Widerstands R 355 von 3 hinzugefügt. Der Widerstand R 355 von 3 kann aufgrund des Betrags des Widerstandswerts eine große Fläche benötigen. In diesem Fall bedeutet das Verwenden eines n-Kanal-Metall-Oxid-Feldeffekttransistors (NMOSFET) N4 455 verglichen mit einem Widerstandselement weniger physische Fläche.
5 ist ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung 500 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung. Ein weiteres Verfahren zum Verringern der Schleifenverstärkung wird mit dieser Schaltungs-Ausführungsform erreicht. Die Ausführungsform 500 umfasst eine VDD 501 und eine Masse VSS 502. Ein Stromspiegel wird von einem Transistor N1 510 und einem Transistor N2 520 gebildet. Differenzeingänge für einen Verstärker A1 530 sind ein Eingang 527 und ein Eingang 529, die mit dem Drain von N1 510 und N2 520 verbunden sind. Ein zweiter Stromspiegel wird von p-Kanal-MOSFET P1 540, P2 545 und P3 550 gebildet. Die Stromquelle 503 liefert eine Stromstärke Is und ist mit dem p-Kanal-MOSFET-Stromspiegel verbunden. Der Verstärker A1 530 liefert ein Rückkopplungssignal 535 an einen p-Kanal-MOSFET P4 525. Wenn die Schwellenspannung des p-Kanal-MOS P4 525 niedrig ist, dann beeinflusst sie nicht die Spannung des Ausgangs O 537, und als Ergebnis besitzt diese Schaltung eine gute Ausgangsgenauigkeit und eine gute Stabilität (z. B. aufgrund einer niedrigsten Schleifenverstärkung).
6 ist ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung 600 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Ausführungsform 600 umfasst eine VDD 601 und eine Masse VSS 602. Ein Stromspiegel wird von einem Transistor N1 620 und einem Transistor N2 625 gebildet. Differenzeingänge für den Verstärker A1 630 sind ein Eingang 627 und ein Eingang 629, die mit dem Drain von N1 620 und N2 625 verbunden sind. Ein zweiter n-Kanal-Stromspiegel wird von einem Transistor N4 610 und einem Transistor 615 gebildet. Ein dritter Stromspiegel wird von p-Kanal-MOSFET P1 640, P4 645, P2 647 und P3 650 gebildet. Die Stromquelle 603 liefert eine Stromstärke Is und ist mit dem p-Kanal-MOSFET-Stromspiegel verbunden. Der Verstärker A1 630 liefert ein Rückkopplungssignal 635, das mit dem Gate des n-Kanal-MOSFET N3 633 verbunden ist. Der Drain von N3 633 und N5 615 ist mit dem Ausgang O 637 verbunden. In dieser Schaltung sind der n-Kanal-MOS N4 610, der n-Kanal-MOS N5 615 und der p-Kanal P4 645 zu der ersten Ausführungsform hinzugefügt. Diese Transistoren benötigen keine hohen Abstimmungseigenschaften mit anderen MOSFET und können physisch klein sein. Der n-Kanal N5 615 führt eine gleiche oder geringere Stromstärke ab als die Source-Stromstärke des p-Kanal-MOS (PMOS) P3 650. Die Spannungsverstärkung A1 630 steuert eine Stromstärke des n-Kanal N3 630 derart, dass die n-Kanal-Stromstärken des dritten und des fünften Transistors (In3 + In5) gleich der p-Kanal-Stromstärke des dritten PMOS Ip3 sind. Die n-Kanal-Stromstärke des dritten NMOS In3, die n-Kanal-Stromstärke des fünften NMOS In5 und die p-Kanal-Transistor-Stromstärke Ip3 sind jeweils Drain-Stromstärken der Transistoren N3 633, N5 615 und P3 650. In dieser Ausführungsform darf der steuerbare Bereich der Stromstärke des n-Kanal-MOSFET N3 schmal sein, so dass die Schleifenverstärkung kleiner als diejenige in der ersten Ausführungsform ist. Die Aufrechterhaltung der Stabilität ist in dieser Ausführungsform einfacher.
7 ist ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung 700 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Ausführungsform 700 umfasst eine VDD 701 und eine Masse VSS 702. Ein Stromspiegel wird von einem Transistor N1 720 und einem Transistor N2 725 gebildet. Differenzeingänge für den Verstärker A1 730 sind ein Eingang 727 und ein Eingang 729, die mit dem Drain von N1 720 und N2 725 verbunden sind. Ein zweiter n-Kanal-Stromspiegel wird von einem Transistor N4 710 und einem Transistor 715 gebildet. Ein dritter Stromspiegel wird von p-Kanal-MOSFET P1 740, P4 745, P2 747 und P3 750 gebildet. Die Stromquelle 703 liefert eine Stromstärke Is und ist mit dem p-Kanal-MOSFET-Stromspiegel verbunden. Der Verstärker A1 730 liefert ein Ausgangssignal O 735 und ein Rückkopplungssignal 737. In dieser Ausführungsform 700 benötigen der n-Kanal-MOSFET N4 710 und N5 715 und der p-Kanal-MOSFET P4 745 keine hohen Abstimmungseigenschaften und können als Folge klein sein (man beachte, dass dies so wie in der vorherigen Ausführungsform ist). Die Stromstärke des n-Kanal-MOS (NMOS) N5 715 sollte kleiner als die Stromstärke des p-Kanal-MOS (PMOS) P3 750 sein und die Summe aus der Stromstärke von N5 715 und der Senkenstromstärke des Verstärkers A1 730 ohne eine Verbraucherstromstärke ist gleich der Stromstärke von 750. Bei dieser Schaltung ist die Ausgangsspannung O 735 nur die Ausgabe des Verstärkers A1 730. Als Folge kann die Ausgangsimpedanz sehr niedrig sein und die Schaltung kann einen stärkeren Verbraucher als die anderen Ausführungsformen dieser Erfindung ansteuern.
8 ist ein Schaltschema einer Spannungsreferenzschaltung 800 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Ausführungsform 800 umfasst eine VDD 801 und eine Masse VSS 802. Ein Stromspiegel wird von einem Transistor N1 820 und einem Transistor N2 825 gebildet. Differenzeingänge für einen Verstärker A1 830 sind ein Eingang 827 und ein Eingang 829, die mit dem Drain von N1 820 und N2 825 verbunden sind. Ein zweiter Stromspiegel wird von p-Kanal-MOSFET P1 840, P2 845 und P3 850 gebildet. Die Stromquelle 803 liefert eine Stromstärke Is und ist mit dem p-Kanal-MOSFET-Stromspiegel verbunden. Der Verstärker A1 830 liefert ein Ausgangssignal O 835 und ein Rückkopplungssignal 837. In dieser Ausführungsform 800 sind N4, N5 und P4 von 7 nicht erforderlich. Der Ausgangsstrombereich des Verstärkers A1 835 muss breiter sein als der der vorhergehenden Ausführungsform (7), aber es wird ebenso wie in der vorherigen Ausführungsform eine niedrige Ausgangsimpedanz erzielt (7). Das interessante Merkmal dieser Schaltung ist, dass, obwohl der Ausgang dieser Ausführungsform der Ausgang des Verstärkers A1 830 selbst ist, die Offsetspannung des Verstärkers die Spannung von O 835 nicht beeinflusst wird. Die obige Aussage ist im Sinne einer Näherung erster Ordnung wahr, aber wenn die Kanalleitfähigkeit von 720, 725, 747 und/oder 750 zumindest eine erhebliche Größe besitzt, dann gibt es einen Einfluss zweiter Ordnung auf O 835 aufgrund eines Offsets bei Verstärker A1 830, der die Drain-Source-Spannungsdifferenz verursachen würde.
9 ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer Spannungsreferenzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Ein Verfahren einer Spannungsreferenzschaltung 900 umfasst die folgenden Schritte: den ersten Schritt 910 (a) des Bereitstellens einer Spannungsreferenzschaltung, die einen ersten MOSFET-Stromspiegel mit einer Schwellenspannungsdifferenz, einen zweiten MOSFET-Stromspiegel, einen Verstärker, eine Rückkopplungsschleife, und ein Ausgangssignal umfasst, den zweiten Schritt 920 (b) des Erstellens einer Drain-Spannungsdifferenz aus dem ersten MOSFET-Stromspiegel mit einer Schwellenspannungsdifferenz, den dritten Schritt 930 (c) des Einspeisens der MOSFET-Drain-Spannungen des ersten MOSFET-Stromspiegels mit einer Schwellenspannungsdifferenz in die Eingänge des Verstärkers, den vierten Schritt 940 (d) des Erstellens eines Verstärkerausgangssignals aus dem Verstärker; und den letzten Schritt 950 (e) des Einspeisens des Verstärkerausgangssignal in eine Rückkopplungsschleife.
Es ist für den Fachmann erkennbar, dass die Ausführungsformen in dieser Offenbarung mit Abwandlungen bei der Energieversorgung und den Masseverbindungen mit dem Austausch von n-Kanal- MOSFET mit p-Kanal-MOSFET und von p-Kanal-MOSFETs mit n-Kanal-MOSFET implementiert werden können. Es ist zudem für Fachleute auf dem Gebiet zu verstehen, dass die folgende Offenbarung unter Verwendung anderer Typen von Feldeffekttransistor-Strukturen wie etwa seitlich diffundierte MOS (LDMOS) erreicht werden kann. In fortschrittlichen Technologien ist es auch selbstverständlich, dass die Ausführungsformen unter Verwendung von Fin-FET-Vorrichtungen anstelle von planaren MOSFET gebildet sein können.
Weitere Vorteile werden für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich sein. Die obige genaue Beschreibung der Offenbarung und die darin beschriebenen Beispiele sind zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt worden. Obwohl die Prinzipien der Offenbarung oben in Verbindung mit einer spezifischen Vorrichtung beschrieben worden sind, ist es selbstverständlich, dass diese Beschreibung nur beispielhaft und nicht als Einschränkung des Umfangs der Offenbarung gemacht worden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7564225 [0004]
US 7727833 [0005]
US 8264214 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel "MOS Voltage Reference Base on Polysilicon Gate Work Function Difference", IEEE Journal of Solid-State Circuit, Band SC-15, Nr. 3, Juni 1980 [0007]
"CMOS Voltage Reference Based on Gate Work Function Differences in Poly-Si Controlled by Conductivity Type and Impurity Concentration", IEEE Journal of Solid-State Circuit, Band 38, Nr. 6, Juni 2003 [0008]

Claims

Spannungsreferenzschaltung zwischen einem Energieversorgungsknoten und einem Masseknoten, die zum Erzeugen einer Referenzspannung ausgebildet ist und umfasst: einen ersten Stromspiegel mit einem ersten NMOS-Transistor und einem zweiten NMOS-Transistor, wobei die erste NMOS-Transistor-Schwellenspannung nicht gleich der zweiten NMOS-Transistor-Schwellenspannung ist; einen zweiten Stromspiegel mit einem ersten PMOS-Transistor, einem zweiten PMOS-Transistor und einem dritten PMOS-Transistor, wobei Sources der ersten, zweiten und dritten PMOS-Transistoren mit dem Energieversorgungsknoten gekoppelt sind, wobei das Gate des ersten PMOS-Transistors mit den Gates des zweiten und des dritten PMOS Transistors gekoppelt ist, und wobei der zweite PMOS-Transistor-Drain und der dritte PMOS Transistor-Drain mit dem ersten NMOS Transistor-Drain bzw. dem zweiten NMOS Transistor-Drain gekoppelt sind; eine Stromquelle, die dazu ausgelegt ist, eine Stromstärke für den zweiten Stromspiegel bereitzustellen; einen Verstärker, der mit einem ersten und einem zweiten Eingang ausgebildet ist, die mit den Drains des ersten NMOS-Transistors und des zweiten NMOS-Transistors verbunden sind; und eine Rückkopplungsschleife, die dazu ausgelegt ist, der Ausgang des Verstärkers zu sein.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschleife dazu ausgelegt ist, mit einen dritten NMOS-Transistor verbunden zu sein.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Rückkopplungsschleife dazu ausgelegt ist, mit dem Gate des dritten NMOS-Transistors verbunden zu sein.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Source des dritten NMOS-Transistors mit einem Widerstandselement verbunden ist, was eine verringerte Schleifenverstärkung und eine verbesserte Phasenreserve bereitstellt.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Source des dritten NMOS-Transistors dazu ausgelegt ist, mit dem Drain des vierten NMOS-Transistors verbunden zu sein, was eine verringerte Schleifenverstärkung und eine verbesserte Phasenreserve bereitstellt.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei das Gate des vierten NMOS-Transistors mit dem Drain des zweiten NMOS Transistors verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Rückkopplungsschleife dazu ausgelegt ist, mit dem Gate eines dritten PMOS-Transistors verbunden zu sein.
Schaltung nach Anspruch 3, die ferner umfasst: einen dritten Stromspiegel, der einen vierten NMOS-Transistor, der so ausgelegt ist, dass dessen Gate und Drain gekoppelt sind, und einen fünften NMOS-Transistor, der mit dem Drain des dritten NMOS-Transistors gekoppelt ist, umfasst; und einen vierten PMOS-Transistor, dessen Gate mit dem Gate des ersten PMOS-Transistors des zweiten Stromspiegels gekoppelt ist und dessen Drain mit dem vierten NMOS-Transistor gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen dritten Stromspiegel. der einen dritten NMOS-Transistor, der so ausgelegt ist, dass dessen Gate und Drain gekoppelt sind, und einen vierten NMOS-Transistor, der mit dem Drain des zweiten NMOS-Transistors und der Rückkopplungsschleife gekoppelt ist, umfasst; und einen vierten PMOS-Transistor, dessen Gate mit dem Gate des ersten PMOS-Transistors des zweiten Stromspiegels gekoppelt ist und dessen Drain mit dem dritten NMOS-Transistor gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschleife dazu ausgelegt ist, mit dem Drain des zweiten NMOS-Transistors gekoppelt zu sein.
Verfahren einer Spannungsreferenzschaltung, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Spannungsreferenzschaltung, die einen ersten MOSFET-Stromspiegel mit einer Schwellenspannungsdifferenz, einen zweiten MOSFET-Stromspiegel, einen Verstärker, eine Rückkopplungsschleife und ein Ausgangssignal umfasst; Erstellen einer Drain-Spannungsdifferenz aus dem ersten MOS-FET-Stromspiegel mit einer Schwellenspannungsdifferenz; Einspeisen der MOSFET-Drain-Spannungen des ersten MOS-FET-Stromspiegels mit einer Schwellenspannungsdifferenz in die Eingänge des Verstärkers; Erstellen eines Verstärkerausgangssignals aus dem Verstärker; und Einspeisen des Verstärkerausgangssignals in eine Rückkopplungsschleife.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste MOSFET-Stromspiegel mit einer Schwellenspannungsdifferenz einen ersten n-Kanal-MOSFET und einen zweiten n-Kanal-MOSFET umfasst, wobei der erste n-Kanal-MOSFET eine andere Schwellenspannung als der zweite n-Kanal-MOSFET aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Vorsehen eines dritten n-Kanal-MOSFET umfasst, der mit der Rückkopplungsschleife und dem zweiten n-Kanal-MOSFET gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Einspeisen des Signals der Rückkopplungsschleife in das Gate des dritten n-Kanal-MOSFET; und Erstellen eines Ausgabesignals aus dem n-Kanal-MOSFET-Drain-Knoten.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Vorsehen eines Widerstandselements umfasst, das mit der Source des dritten n-Kanal-MOSFET gekoppelt ist, was eine verringerte Schleifenverstärkung und eine verbesserte Phasenreserve bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Vorsehen eines vierten n-Kanal-MOSFET umfasst, der mit der Source des dritten n-Kanal-MOSFET gekoppelt ist, was eine verringerte Schleifenverstärkung und eine verbesserte Phasenreserve bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der zweite MOSFET-Stromspiegel einen ersten p-Kanal-MOSFET, einen zweiten p-Kanal-MOSFET und einen dritten p-Kanal-MOSFET umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Vorsehen eines vierten p-Kanal-MOSFET umfasst, der mit der Rückkopplungsschleife und dem zweiten n-Kanal-MOSFET gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Einspeisen des Signals der Rückkopplungsschleife in den vierten n-Kanal-MOSFET; und Erstellen eines Ausgabesignals aus dem n-Kanal-MOSFET-Drain-Knoten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der zweite MOSFET-Stromspiegel einen ersten p-Kanal-MOSFET, einen zweiten p-Kanal-MOSFET, einen dritten p-Kanal-MOSFET und einen vierten p-Kanal-MOSFET umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner das Vorsehen eines dritten MOSFET-Stromspiegel umfasst, wobei der dritte MOSFET-Stromspiegel von dem zweiten MOSFET-Stromspiegel gespeist wird und mit dem Ausgangssignal gekoppelt ist, was einen gesteuerten Bereich der Stromstärke durch den dritten n-Kanal-MOSFET und eine verbesserte Stabilität bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Vorsehen eines zweiten MOSFET-Stromspiegel umfasst, der einen ersten p-Kanal-MOSFET, einen zweiten p-Kanal-MOSFET, einen dritten p-Kanal-MOSFET und einen vierten p-Kanal-MOSFET umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Vorsehen eines dritten MOSFET-Stromspiegel umfasst, der einen dritten n-Kanal MOSFET und einen vierten n-Kanal-MOSFET umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Speisen des dritten MOSFET-Stromspiegels mit dem zweiten MOSFET-Stromspiegel; Koppeln des dritten MOSFET-Stromspiegel mit dem ersten MOS-FET-Stromspiegel; Koppeln der Ausgangsschleife mit dem vierten n-Kanal-MOSFET des dritten MOSFET-Stromspiegels; und Ausgeben eines Ausgangssignals aus dem Verstärker.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Rückkopplungsschleife mit der Source des zweiten n-Kanal-MOSFET des ersten MOSFET-Stromspiegels gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 25, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Einspeisen des Rückkopplungssignals in den ersten MOSFET-Stromspiegel; und Ausgeben eines Ausgangssignals aus dem Verstärker.