DE102019209071A1

DE102019209071A1 - Spannungsgenerator

Info

Publication number: DE102019209071A1
Application number: DE102019209071.0A
Authority: DE
Inventors: Susumu Tanimoto
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-05-14
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: US10585447B1; DE102019209071B4

Abstract

Ein Spannungsgenerator zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, der eine Stromspiegelschaltung, die einen ersten Transistor, der ein Gate und einen ersten Anschluss umfasst, und einen zweiten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des ersten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an einen Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, umfasst, umfasst, einen dritten Transistor, der ein Gate, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist und der zweite Anschluss an einen Ausgangsknoten gekoppelt ist, einen vierten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des dritten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an den ersten Anschluss des ersten Transistors und das Gate des vierten Transistors gekoppelt ist, umfasst, eine Stromquelle, die an den Ausgangsknoten gekoppelt ist, und eine Rückkopplungsschaltung, die konfiguriert ist, eine Anschlussspannung am Rückkopplungsknoten zu detektieren und die Anschlussspannung durch Anpassen einer Gate-Spannung am Gate des zweiten Transistors zu steuern, umfasst, wobei die Stromspiegelschaltung konfiguriert ist, einen ersten Strom zum dritten Transistor und einen zweiten Strom zum vierten Transistor zu liefern, der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und der dritte und der vierte Transistor Transistoren des anderen von Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und die Ausgangsspannung am Ausgangsknoten bereitgestellt wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Spannungsgenerator zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung. Insbesondere bezieht sich die vorliegenden Offenbarung auf einen Spannungsgenerator, der mit einer niedrigen Versorgungsspannung arbeiten kann, einen niedrigen Stromverbrauch besitzt und als Ausgangsspannung eine genaue Bezugsspannung bereitstellen kann.
HINTERGRUND
1 ist ein Schaubild eines Spannungsgenerators 100 gemäß dem Stand der Technik ( US 10,007,289 B2 ). Der Spannungsgenerator 100 umfasst einen Stromspiegel 102, zwei Transistoren 104, 106 vom n-Typ und einen Widerstand 108. Der Stromspiegel 102 umfasst zwei Transistoren 110, 112 vom p-Typ.
Der Transistor 110 vom p-Typ besitzt eine Source, die an eine Versorgungsspannung VDD gekoppelt ist, einen Drain, der an einen Drain des Transistors 106 vom n-Typ gekoppelt ist, und ein Gate, das an ein Gate und einen Drain des Transistors 112 vom p-Typ gekoppelt ist. Der Transistor 112 vom p-Typ besitzt eine Source, die an die Versorgungsspannung VDD gekoppelt ist.
Der Transistor 106 vom n-Typ besitzt eine Source, die auf Masse gelegt ist, und besitzt ein Gate, das an seinen Drain und ein Gate des Transistors 104 vom n-Typ gekoppelt ist. Der Transistor 104 vom n-Typ besitzt einen Drain, der an den Drain des Transistors 112 vom p-Typ gekoppelt ist und eine Source, die bei einem Ausgangsknoten NA an einen ersten Anschluss des Widerstands 108 gekoppelt ist. Ein zweiter Anschluss des Widerstands 108 ist auf Masse gelegt. Eine Ausgangsspannung Vo wird am Ausgangsknoten NA bereitgestellt.
Die Transistoren 104, 106, 108, 110 sind Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) und daher können Transistoren vom p-Typ als PMOS und Transistoren vom n-Typ als NMOS bezeichnet werden.
Die Transistoren 104, 106 besitzen verschiedene Schwellenwertspannungen und insbesondere ist die Schwellenwertspannung des Transistors 106 vom n-Typ größer als die Schwellenwertspannung des Transistors 104 vom n-Typ. Die Ausgangsspannung Vo ist gleich der Differenz zwischen den Schwellenwertspannungen der Transistoren 104, 106 vom n-Typ. Die Differenz zwischen den Schwellenwertspannungen kann gleich der Bandlückenspannung von Silizium sein.
Die Ausgangsspannung Vo kann als eine Bezugsspannung zur Verwendung in einem verschiedenen Teil einer Schaltung, die den Spannungsgenerator 100 implementiert, verwendet werden oder kann einer weiteren Schaltung zur Verwendung als eine Bezugsspannung bereitgestellt werden.
Der Betrieb des Spannungsgenerators 100 erfordert, dass eine Mindestbetriebsspannung bereitgestellt wird. Die Betriebsspannung ist die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung VDD und Masse und daher entspricht im Spannungsgenerator 100 die Mindestbetriebsspannung, die erforderlich ist, um den Spannungsgenerator 100 zu betreiben, einer minimalen Versorgungsspannung VDD.
Die Mindestbetriebsspannung hängt von den Schwellenwertspannungen der Transistoren 104, 106 vom n-Typ ab und die Mindestbetriebsspannung kann durch Verringern der Schwellenwertspannungen der Transistoren 104, 106 vom n-Typ gesenkt werden.
Zusätzlich hängt die Mindestbetriebsspannung von der Reihenschaltung des Transistors 112 vom p-Typ, der Transistors 104 vom n-Typ und des Widerstands 108 von der Versorgungsspannung VDD zu Masse ab. Die Spannung von der Source des Transistors 112 vom p-Typ zu Masse ist gleich der Summe der Spannung über die Source und den Drain (die Source-Drain-Spannung) des Transistors 112 vom p-Typ, der Spannung über den Drain und die Source (die Drain-Source-Spannung) des Transistors 104 vom n-Typ und der Ausgangsspannung Vo. Die Versorgungsspannung VDD muss ausreichend groß sein, derart, dass der Teil der Versorgungsspannung VDD, der über den Drain und die Source des Transistors 104 vom n-Typ bereitgestellt wird, ausreichend groß ist, den Transistor 104 vom n-Typ in seinem Sättigungsmodus zu betreiben.
Wenn die Ausgangsspannung Vo etwa gleich der Bandlückenspannung von Silizium ist, wie im Spannungsgenerator 100, ist die Ausgangsspannung Vo etwa gleich 1,2 V und die Mindestbetriebsspannung kann in üblicher Technologie größer oder gleich 2 V sein. Da die Ausgangsspannung Vo von der Bandlückenspannung von Silizium abhängt, kann die Mindestbetriebsspannung durch Verringern der Schwellenwertspannung der Transistoren 104, 106 vom n-Typ nicht unter etwa 2 V verringert werden.
Die Schwellenwertspannung ist die minimale Spannung über dem Gate und der Source (die Gate-Source-Spannung) eines Transistors, die erlaubt, dass ein Strom zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluss des Transistors fließt. Da der Drain des Transistors 112 vom p-Typ an sein Gate gekoppelt ist, ist die Source-Drain-Spannung des Transistors 112 vom p-Typ durch die Schwellenwertspannung des Transistors vom p-Typ beschränkt.
Die Schwellenwertspannung des Transistors 112 vom p-Typ ist größer oder gleich 0,6 V im Spannungsgenerator 100 für einen Niederstrombetrieb und, um den Einfluss des Leckstroms zu vermeiden. Die Source-Drain-Spannung des Transistors 112 vom p-Typ muss gleich der Schwellenwertspannung sein, um einen Stromfluss zu erlauben. Deshalb kann die Source-Drain-Spannung etwa gleich oder größer als 0,6 V sein. Deshalb wirken sich die Anforderungen für die Source-Drain-Spannung des Transistors 112 vom p-Typ auf die Mindestbetriebsspannung des Spannungsgenerators 100 aus.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist wünschenswert, einen Spannungsgenerator mit einer im Vergleich zum Stand der Technik verringerten Mindestbetriebsspannung zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung wird ein Spannungsgenerator zum Erzeugen einer Ausgangsspannung geschaffen, der eine Stromspiegelschaltung, die einen ersten Transistor, der ein Gate und einen ersten Anschluss umfasst, und einen zweiten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des ersten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an einen Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, umfasst, umfasst, einen dritten Transistor, der ein Gate, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist und der zweite Anschluss an einen Ausgangsknoten gekoppelt ist, einen vierten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des dritten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an den ersten Anschluss des ersten Transistors und das Gate des vierten Transistors gekoppelt ist, umfasst, eine Stromquelle, die an den Ausgangsknoten gekoppelt ist, und eine Rückkopplungsschaltung, die konfiguriert ist, eine Anschlussspannung am Rückkopplungsknoten zu detektieren und die Anschlussspannung durch Anpassen einer Gate-Spannung am Gate des zweiten Transistors zu steuern, umfasst, wobei die Stromspiegelschaltung konfiguriert ist, einen ersten Strom zum dritten Transistor und einen zweiten Strom zum vierten Transistor zu liefern, der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und der dritte und der vierte Transistor Transistoren des anderen von Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und die Ausgangsspannung am Ausgangsknoten bereitgestellt wird.
Wahlweise umfasst die Stromquelle einen Widerstand.
Wahlweise besitzt der vierte Transistor eine größere Schwellenwertspannung als der dritte Transistor.
Wahlweise ist der vierte Transistor ein Transistor mit antidotiertem Gate.
Wahlweise sind der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und sind der dritte und der vierte Transistor Transistoren vom n-Typ.
Wahlweise sind der erste und der zweite Transistor Transistoren vom n-Typ und sind der dritte und der vierte Transistor Transistoren vom p-Typ.
Wahlweise umfasst die Rückkopplungsschaltung einen Operationsverstärker, der einen ersten Eingang, der an eine Bezugsspannung gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, und einen Knoten, der an die Gates des ersten und des zweiten Transistors gekoppelt ist, umfasst.
Wahlweise umfasst der Spannungsgenerator eine Bezugsspannungsschaltungsanordnung, die konfiguriert ist, die Bezugsspannung zu liefern, wobei die Bezugsspannungsschaltungsanordnung einen fünften Transistor, der ein Gate, das an die Gates des dritten und des vierten Transistors gekoppelt ist, umfasst, und ein Widerstandselement, das an einen ersten Anschluss des fünften Transistors bei einem Bezugsspannungsausgangsknoten gekoppelt ist, umfasst, wobei die Bezugsspannung am Bezugsspannungsausgangsknoten bereitgestellt wird und der Bezugsspannungsausgangsknoten an den ersten Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist.
Wahlweise sind der vierte und der fünfte Transistor Transistoren mit antidotiertem Gate.
Wahlweise ist der fünfte Transistor vom selben Transistortyp wie der dritte und der vierte Transistor.
Wahlweise sind der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und sind der dritte, der vierte und der fünfte Transistor Transistoren vom n-Typ.
Wahlweise sind der erste und der zweite Transistor Transistoren vom n-Typ und sind der dritte, der vierte und der fünfte Transistor Transistoren vom p-Typ.
Wahlweise umfasst der Spannungsgenerator einen oder mehrere Kaskodentransistoren, wobei der oder jeder Kaskodentransistor an den ersten oder den zweiten oder den dritten Transistor gekoppelt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangsspannung unter Verwendung eines Spannungsgenerators des Typs geschaffen, der eine Stromspiegelschaltung, die einen ersten Transistor, der ein Gate und einen ersten Anschluss umfasst, und einen zweiten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des ersten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an einen Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, umfasst, umfasst, einen dritten Transistor, der ein Gate, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist und der zweite Anschluss an einen Ausgangsknoten gekoppelt ist, einen vierten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des dritten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an den ersten Anschluss des ersten Transistors und das Gate des vierten Transistors gekoppelt ist, umfasst, eine Stromquelle, die an den Ausgangsknoten gekoppelt ist, und eine Rückkopplungsschaltung umfasst, wobei der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und der dritte und der vierte Transistor Transistoren des anderen von Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und das Verfahren ein Detektieren einer Anschlussspannung am Rückkopplungsknoten unter Verwendung der Rückkopplungsschaltung, ein Steuern der Anschlussspannung durch Anpassen einer Gate-Spannung am Gate des zweiten Transistors unter Verwendung der Rückkopplungsschaltung, ein Liefern eines ersten Stroms zum dritten Transistor und eines zweiten Stroms zum vierten Transistor unter Verwendung der Stromspiegelschaltung und ein Bereitstellen der Ausgangsspannung am Ausgangsknoten umfasst.
Wahlweise umfasst die Stromquelle einen Widerstand.
Wahlweise besitzt der vierte Transistor eine größere Schwellenwertspannung als der dritte Transistor.
Wahlweise ist der vierte Transistor ein Transistor mit antidotiertem Gate.
Wahlweise sind der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und sind der dritte und der vierte Transistor Transistoren vom n-Typ.
Wahlweise sind der erste und der zweite Transistor Transistoren vom n-Typ und sind der dritte und der vierte Transistor Transistoren vom p-Typ.
Wahlweise umfasst die Rückkopplungsschaltung einen Operationsverstärker, der einen ersten Eingang, der an eine Bezugsspannung gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, und einen Ausgang, der an die Gates des ersten und des zweiten Transistors gekoppelt ist, umfasst.
Wahlweise umfasst der Spannungsgenerator eine Bezugsspannungsschaltungsanordnung, die einen fünften Transistor, der ein Gate, das an die Gates des dritten und des vierten Transistors gekoppelt ist, umfasst, und ein Widerstandselement, das an einen ersten Anschluss des fünften Transistors bei einem Bezugsspannungsausgangsknoten gekoppelt ist, umfasst, wobei das Verfahren ein Bereitstellen der Bezugsspannung am Bezugsspannungsausgangsknoten und ein Empfangen der Bezugsspannung am ersten Eingang des Operationsverstärkers umfasst.
Wahlweise sind der vierte und der fünfte Transistor Transistoren mit antidotiertem Gate.
Wahlweise ist der fünfte Transistor vom selben Transistortyp wie der dritte und der vierte Transistor.
Wahlweise sind der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und sind der dritte, der vierte und der fünfte Transistor Transistoren vom n-Typ.
Wahlweise sind der erste und der zweite Transistor Transistoren vom n-Typ und sind der dritte, der vierte und der fünfte Transistor Transistoren vom p-Typ.
Wahlweise umfasst der Spannungsgenerator einen oder mehrere Kaskodentransistoren, wobei der oder jeder Kaskodentransistor an den ersten oder den zweiten oder den dritten Transistor gekoppelt ist.
Figurenliste
Diese Offenbarung wird unten genauer in Form eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

1 ein Schaubild eines Spannungsgenerators gemäß dem Stand der Technik;
2(a) ein Schaubild eines Spannungsgenerators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, 2(b) ein Schaubild eines Spannungsgenerators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 ein Schaubild eines Spannungsgenerators gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 ein Schaubild eines Spannungsgenerators gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5(a) ein Schaubild eines Spannungsgenerators gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 5(b) ein Schaubild eines Spannungsgenerators gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

GENAUE BESCHREIBUNG
2(a) ist ein Schaubild eines Spannungsgenerators 200 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung Vout gemäß einer ersten Ausführungsform der Offenbarung. Der Spannungsgenerator 200 umfasst eine Stromspiegelschaltung 202, Transistoren 204, 206, eine Stromquelle 208 und eine Rückkopplungsschaltung 210.
Der Stromspiegel 202 umfasst zwei Transistoren 212, 214, deren Gates gekoppelt sind. Jeder der Transistoren 212, 214 umfasst einen ersten Anschluss und der erste Anschluss des Transistors 214 ist an einen Rückkopplungsknoten Nfb gekoppelt. Jeder der Transistoren 212, 214 umfasst einen zweiten Anschluss, der an eine Spannung V1 gekoppelt ist.
Der Transistor 204 umfasst ein Gate, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss des Transistors 204 ist an den Rückkopplungsknoten Nfb gekoppelt und der zweite Anschluss ist an einen Ausgangsknoten NB gekoppelt. Die Stromquelle 208 ist an den Ausgangsknoten NB gekoppelt. Die Ausgangsspannung Vout wird am Ausgangsknoten NB bereitgestellt.
Der Transistor 206 umfasst ein Gate, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Das Gate des Transistors 206 ist an das Gate des Transistors 204 gekoppelt und der erste Anschluss ist an den ersten Anschluss des Transistors 212 und das Gate des Transistors 206 gekoppelt.
Die Rückkopplungsschaltung 210 besitzt einen Eingang, der an den Rückkopplungsknoten Nfb gekoppelt ist und besitzt einen Ausgang, der an die Gates der Transistoren 212, 214 gekoppelt ist. Die Rückkopplungsschaltung 210 ist konfiguriert, eine Anschlussspannung Vd am Rückkopplungsknoten Nfb zu detektieren und die Anschlussspannung Vd durch Anpassen einer Gate-Spannung Vg am Gate des Transistors 214 zu steuern.
Der Stromspiegel 202 ist konfiguriert, einen Strom I1 zum Transistor 204 und einen Strom I2 zum Transistor 206 zu liefern. Die Transistoren 212, 214 sind Transistoren von einem vom p-Typ und vom n-Typ und die Transistoren 204, 206 sind Transistoren des anderen vom p-Typ und vom n-Typ. In dieser bestimmten Ausführungsform sind die Transistoren 212, 214 Transistoren vom p-Typ und die Transistoren 204, 206 sind Transistoren vom n-Typ.
Deshalb wird begrüßt werden, dass ein erster Anschluss eines Transistors, wie er hier beschrieben wird, entweder eine Source oder ein Drain des Transistors sein kann und ein zweiter Anschluss des Transistors der andere der Source oder des Drains des Transistors sein kann, abhängig vom Transistortyp. Zum Beispiel ist in der vorliegenden Ausführungsform der erste Anschluss des Transistors 214 sein Drain.
Weitere Ausführungsformen können verschiedene Transistoranordnungen umfassen. Zum Beispiel können die Transistoren 212, 214 Transistoren vom n-Typ sein und die Transistoren 204, 206 können Transistoren vom p-Typ sein, wobei geeignete übliche Änderungen an der Schaltung vorgenommen werden, um die verschiedenen Transistortypen gemäß dem Verständnis von Fachleuten zu berücksichtigen.
Die Transistoren 204, 206 weisen verschiedene Schwellenwertspannungen auf und insbesondere ist die Schwellenwertspannung des Transistors 206 größer als die Schwellenwertspannung des Transistors 204. Die Ausgangsspannung Vout ist gleich der Differenz zwischen den Schwellenwertspannungen der Transistoren 204, 206. Die Differenz zwischen den Schwellenwertspannungen kann gleich der Bandlückenspannung von Silizium sein.
Ein Temperaturkoeffizient der Ausgangsspannung Vout hängt vom Verhältnis der Ströme I1, I2 ab.
Der Strom I1 hängt von der Stromquelle 208 und der Schwellenwertspannungsdifferenz zwischen den Transistoren 204, 206, die, wie zuvor diskutiert wurde, gleich der Ausgangsspannung Vout ist, ab.
Um eine Schwellenwertspannung des Transistors 206, die größer als die Schwellenwertspannung des Transistors 204 ist, bereitzustellen, kann der Transistor 206 ein Transistor mit antidotiertem Gate sein.
Ein Transistor mit antidotiertem Gate kann auch als ein Transistor mit umgedrehtem Gate bezeichnet werden. Ein Transistor ist ein Transistor mit antidotiertem Gate, wenn sein Gate mit einem dem Transistortyp entgegengesetzten Dotierungstyp dotiert ist. Zum Beispiel ist ein Transistor vom n-Typ ein Transistor mit antidotiertem Gate, wenn er ein p-dotiertes Gate besitzt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Transistor 206 ein Transistor vom n-Typ mit antidotiertem Gate und daher besitzt er ein p-dotiertes Gate. Zusätzlich ist der Transistor 204 ein Transistor vom n-Typ mit einem n-dotierten Gate. Die verschiedene Dotierung ihrer Gates führt dazu, dass der Transistor 206 mit antidotiertem Gate eine größere Schwellenwertspannung als der Transistor 204 besitzt.
Das Erzeugen der Ausgangsspannung Vout unter Verwendung des Transistors 206 mit antidotiertem Gate gepaart mit dem Transistor 204 kann eine genaue und stabile Ausgangsspannung Vout bereitstellen, die zur Verwendung als eine Bezugsspannung geeignet ist.
Es kann festgestellt werden, dass der Spannungsgenerator 200 dem Spannungsgenerator 100 entspricht, jedoch mit dem Zusatz der Rückkopplungsschaltung 210 zwischen dem Drain des Transistors 214 und seinem Gate und der Verallgemeinerung des Widerstands 108 zur Stromquelle 208. Es wird begrüßt werden, dass im Spannungsgenerator 100 der Widerstand 108 als eine Stromquelle wirkt. Die Einbeziehung der Rückkopplungsschaltung 210 schafft eine verringerte Mindestbetriebsspannung für den Spannungsgenerator 200 durch Steuern der Anschlussspannung Vd derart, dass die Transistoren 212, 214 in ihrem Sättigungsmodus arbeiten. Deshalb kann der Spannungsgenerator 200 eine verringerte Mindestbetriebsspannung im Vergleich zum Spannungsgenerator 100 des Stands der Technik aufweisen.
2(b) ist ein Schaubild eines Spannungsgenerators 215 gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Offenbarung. Der Spannungsgenerator 215 verwendet Merkmale mit dem Spannungsgenerator 200 gemeinsam und deshalb werden gemeinsame Merkmale zwischen Figuren durch gemeinsame Bezugszeichen und Variablen repräsentiert.
Im Spannungsgenerator 215 umfasst die Stromquelle 208 einen Widerstand 216. Der Widerstand umfasst einen ersten Anschluss, der an den Ausgangsknoten NB gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an die Spannung V2 gekoppelt ist.
Der Strom I1 hängt vom Widerstand 216 und der Schwellenwertspannungsdifferenz zwischen den Transistoren 204, 206, die, wie zuvor diskutiert wurde, gleich der Ausgangsspannung Vout ist, ab.
Im Spannungsgenerator 215 umfasst die Rückkopplungsschaltung 210 einen Operationsverstärker 218, der einen ersten Eingang, der an eine Bezugsspannung Vref gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der an den Rückkopplungsknoten Nfb gekoppelt ist, und einen Ausgang, der an die Gates der Transistoren 212, 214 gekoppelt ist, umfasst.
3 ist ein Schaubild eines Spannungsgenerators 300 gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Offenbarung. Der Spannungsgenerator 300 umfasst den Spannungsgenerator 215 mit einer Bezugsspannungsschaltungsanordnung 302 zum Erzeugen einer Bezugsspannung Vref für den Operationsverstärker 218 der Rückkopplungsschaltung, die gezeigt ist. Gemeinsame Merkmale zwischen Figuren verwenden gemeinsame Bezugszeichen und Variablen gemeinsam. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Spannung V1 einer Versorgungsspannung vdd, die an einem positiven Versorgungsanschluss bereitgestellt wird, und die Spannung V2 entspricht einer Versorgungsspannung vss, die an einem negativen Versorgungsanschluss bereitgestellt wird. Deshalb ist die Betriebsspannung gleich der Differenz zwischen den Versorgungsspannungen vdd, vss. Die Versorgungsspannung vss kann Masse entsprechen, wie im Spannungsgenerator 100.
Es wird begrüßt werden, dass die Bezugsspannung Vref, die im Spannungsgenerator 300 erzeugt und verwendet wird, von der Ausgangsspannung Vout, die als eine genaue und stabile Bezugsspannung für eine externe Schaltungsanordnung verwendet werden kann, verschieden ist.
Die Bezugsspannungsschaltungsanordnung 302 ist konfiguriert, dem ersten Eingang des Operationsverstärkers 218 die Bezugsspannung Vref bereitzustellen. Die Bezugsspannungsschaltungsanordnung 302 umfasst einen Transistor 306 und ein Widerstandselement, das einen Widerstand 308 umfasst. Der Transistor 306 umfasst ein Gate, das an die Gates der Transistoren 204, 206 gekoppelt ist. Der Widerstand 308 ist an einen ersten Anschluss des Transistors 306 bei einem Bezugsspannungsausgangsknoten NC gekoppelt. Ein zweiter Anschluss des Transistors 306 ist an die Spannung vss gekoppelt und die Spannung vdd ist mittels des Widerstands 308 an den Bezugsspannungsausgangsknoten NC gekoppelt. Die Bezugsspannung Vref wird am Bezugsspannungsausgangsknoten NC bereitgestellt und der Bezugsspannungsausgangsknoten NC ist an den ersten Eingang des Operationsverstärkers 218 gekoppelt.
Im Betrieb kann in der vorliegenden Ausführungsform die Bezugsspannung Vref am Bezugsspannungsausgangsknoten NC gleich der Versorgungsspannung vdd abzüglich 0,1 V angenähert werden, derart, dass die Anschlussspannung Vd am Rückkopplungsknoten Nfb derart gesteuert wird, dass sie etwa gleich der Versorgungsspannung vdd minus 0,1 V ist.
Die Transistoren 206, 306 können beide Transistoren mit antidotiertem Gate sein. Die Transistoren 212, 214 können von einem von den Transistoren 204, 206, 306 verschiedenen Typ sein und in dieser bestimmten Ausführungsform sind die Transistoren 212, 214 Transistoren vom p-Typ und die Transistoren 204, 206, 306 sind Transistoren vom n-Typ. Wie zuvor diskutiert wurde, können weitere Ausführungsformen verschiedene Transistoranordnungen gemäß dem Verständnis von Fachleuten umfassen.
Zur praktischen Implementierung des Spannungsgenerators 300 kann die Ausgangsspannung Vout etwa gleich 1,2 V sein.
Bevorzugt werden die Widerstände 216, 308 unter Verwendung desselben Typs einer Widerstandsstruktur implementiert und werden ihre Layouts vereinheitlicht, um eine bessere Anpassung der Widerstände 216, 308 zu erzielen. Ein Stromspiegel (206 + 306) ist durch die Transistoren 206, 306 gebildet und bevorzugt sind die Transistoren 206, 306 abgestimmt. „Abgestimmt“ bedeutet, dass die Bauteile (wie z. B. die Transistoren 206, 306) im Wesentlichen ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen.
Im Vergleich zum Spannungsgenerator 100 umfasst der Spannungsgenerator 300 die Rückkopplungsschaltung 210, die zwischen den Drain des Transistors 214 und sein Gate gekoppelt ist, und die Bezugsspannungsschaltungsanordnung 302. Die Rückkopplungsschaltung 210 umfasst den Operationsverstärker 218, der die Bezugsspannung Vref, die durch die Bezugsspannungsschaltungsanordnung 302 bereitgestellt wird, aufnimmt. Die Anschlussspannung Vd (die der Drain-Spannung des Transistors 214 in der vorliegenden Ausführungsform entspricht), wird durch die Rückkopplungsschaltung 210 und die Bezugsspannungsschaltungsanordnung 302 gesteuert. Deshalb ist eine Rückkopplungsschleife, die die Rückkopplungsschaltung 210, die Bezugsspannungsschaltungsanordnung 302 und den Transistor 214 umfasst, vorgesehen.
Die Source-Drain-Spannung des Transistors 214 ist nicht durch seine Schwellenwertspannung beschränkt, weil sein Gate nicht an seinen Drain gekoppelt ist, wie im Falle des p-Typ Transistors 112 im Spanungsgenerator 100.
Der Operationsverstärker 218 steuert die Anschlussspannung Vd durch Anpassen der Gate-Spannung Vg derart, dass sie etwa gleich der Bezugsspannung Vref ist. Die Bezugsspannung Vref, die am Bezugsspannungsausgangsknoten NC bereitgestellt wird, kann genau gesteuert werden, da sie zur Ausgangsspannung Vout, die typischerweise zu einem im Wesentlichen hohen Genauigkeitsgrad gesteuert wird, proportional ist.
Bevorzugt sollten, um die Mindestbetriebsspannung zu minimieren, die Transistoren 204, 206, 212, 214 in ihren Unterschwellenbereichen betrieben werden. Ein Transistor, der in seinem Unterschwellenbereich arbeitet, ermöglicht einen Stromfluss zwischen seinen Drain- und Source-Anschlüssen, während er eine Gate-Source-Spannung unter seiner Schwellenwertspannung aufweist. Der Unterschwellenbereich kann ein effizienter Betriebsbereich für einen Transistor sein. Der Stromfluss zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen eines Transistors kann als sein Drain-Source-Strom bezeichnet werden.
Wenn ein Transistor in seinem Unterschwellenbereich arbeitet, ist eine Drain-Source-Spannung von etwa 0,1 V typischerweise ausreichend, damit der Transistor gesättigt ist und einen Drain-Source-Strom liefert, der etwa 98 % des Drain-Source-Stroms des Transistors beträgt, wenn seine Gate-Source-Spannung ihre Schwellenwertspannung überschreitet.
Deshalb kann für die Transistoren 204, 214, die in ihren Unterschwellenbereichen arbeiten, die Mindestbetriebsspannung des Spannungsgenerators 300 etwa gleich 1,4 V sein. Dies resultiert aus einer Source-Drain-Spannung von etwa 0,1 V für den Transistor 214, einer Drain-Source-Spannung von etwa 0,1 V für den Transistor 204 und der Ausgangsspannung Vout etwa gleich 1,2 V.
4 ist ein Schaubild eines Spannungsgenerators 400 gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Offenbarung. Der Spannungsgenerators 400 entspricht dem Spannungsgenerator 300, umfasst jedoch ferner einen oder mehrere Kaskodentransistoren. Gemeinsame Merkmale zwischen den verschiedenen Figuren verwenden gemeinsame Bezugszeichen und Variablen.
Der Spannungsregulierer 400 umfasst einen oder mehrere Kaskodentransistoren, wobei der oder jeder Kaskodentransistor an einen der Transistoren 204, 212, 214 gekoppelt ist. In dieser bestimmten Ausführungsform umfasst der Spannungsregulierer 400 drei Kaskodentransistoren 402, 404, 406.
Ein Drain des Transistors 212 ist an eine Source des Kaskodentransistors 402 gekoppelt und das Gate des Transistors 212 ist an ein Gate des Kaskodentransistors 402 gekoppelt. Der Kaskodentransistor 402 besitzt einen Drain, der an den Drain des Transistors 206 gekoppelt ist.
Ein Drain des Transistors 214 ist an eine Source des Kaskodentransistors 404 gekoppelt und das Gate des Transistors 214 ist an ein Gate des Kaskodentransistors 404 gekoppelt. Der Kaskodentransistor 404 besitzt einen Drain, der an den Rückkopplungsknoten Nfb gekoppelt ist. Deshalb ist im Vergleich zum Spannungsgenerator 300 im Spannungsgenerator 400 der Transistor 214 mittels des Kaskodentransistors 404 an den Rückkopplungsknoten Nfb gekoppelt.
Ein Drain des Transistors 204 ist an eine Source des Kaskodentransistors 406 gekoppelt und das Gate des Transistors 204 ist an ein Gate des Kaskodentransistors 406 gekoppelt. Der Kaskodentransistor 406 besitzt einen Drain, der an den Rückkopplungsknoten Nfb gekoppelt ist. Deshalb ist im Vergleich zum Spannungsgenerator 300 im Spannungsgenerator 400 der Transistor 204 mittels des Kaskodentransistors 406 an den Rückkopplungsknoten Nfb gekoppelt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Kaskodentransistoren 402, 404 Transistoren vom p-Typ und ist der Kaskodentransistor 406 ein Transistor vom n-Typ. Es wird begrüßt werden, dass in einer weiteren Ausführungsform die Transistoren und die Kaskodentransistoren von einem verschiedenen Typ sein können, wobei die angemessenen Schaltungsänderungen gemäß dem Verständnis von Fachleuten vorgenommen werden.
Die Einbeziehung der Kaskodentransistoren 400, 402, 404 schafft eine bessere Stabilität gegen eine Schwankung der Versorgungsspannungen vdd, vss.
Bevorzugt sind die Kaskodentransistoren 402, 404 gesättigt und können eine Source-Drain-Spannung von etwa 0,1 V benötigen, um eine Verbesserung der Stabilität der Versorgungsspannungen vdd, vss im Vergleich zum Spannungsgenerator 300 zu liefern. Zusätzlich ist es wünschenswert, dass der Kaskodentransistor 406 eine Drain-Source-Spannung von etwa 0,1 V aufweist, wie sie erforderlich ist, damit der Kaskodentransistor 406 in Sättigung arbeitet.
Im Betrieb kann in der vorliegenden Ausführungsform die Bezugsspannung Vref beim Bezugsspannungsausgangsknoten NC etwa gleich der Versorgungsspannung vdd minus 0,2 V sein, derart, dass die Anschlussspannung Vd beim Rückkopplungsknoten Nfb derart gesteuert wird, dass sie etwa gleich der Versorgungsspannung vdd minus 0,2 V ist.
Die Mindestbetriebsspannung des Spannungsgenerators 400 kann etwa gleich 1,6 V sein. Dies resultiert aus einer Source-Drain-Spannung von etwa 0,1 V für jeden der Transistoren 214, 404, einer Drain-Source-Spannung von etwa 0,1 V für jeden der Transistoren 204, 406 und einer Ausgangsspannung Vout von etwa 1,6 V.
Im Vergleich zum Spannungsgenerator 300 liegt ein Anstieg der Mindestbetriebsspannung von etwa 0,2 V für den Spannungsgenerator 400 vor. Allerdings liefert der Spannungsgenerator 400 die zusätzlichen Vorteile der Kaskodentransistoren, was die Stabilität bei einer Schwankung in der Versorgungsspannung vdd, vss verbessert.
Wie zuvor diskutiert wurde, können die Typen von Transistoren, die in den hier beschriebenen Spannungsgeneratoren verwendet werden, gemäß dem Verständnis von Fachleuten geändert werden. 5(a) ist ein Schaubild eines Spannungsgenerators 500 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 5(b) ist ein Schaubild eines Spannungsgenerators 502 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Gemeinsame Merkmale zwischen Figuren werden durch gemeinsame Bezugszeichen und Variablen repräsentiert.
Der Spannungsgenerator 500 entspricht dem Spannungsgenerator 200 und der Spannungsgenerator 502 entspricht dem Spannungsgenerator 215, jedoch sind in den Spannungsgeneratoren 500, 502 die Transistoren 204, 206 Transistoren vom p-Typ und die Transistoren 212, 214 sind Transistoren vom n-Typ. Der Transistor 206 ist ein Transistor mit antidotiertem Gate und in den vorliegenden Ausführungsformen ist der Transistor 206 ein Transistor vom p-Typ mit antidotiertem Gate und besitzt deshalb ein n-dotiertes Gate.
Für Fachleute wird deutlich werden, wie die Ausführungsformen, die in 5(a) und 5(b) dargestellt sind, die Bezugsspannungsschaltungsanordnung 302 und/oder die Kaskodentransistoren 402, 404, 406 wie zuvor beschrieben einbeziehen können.
Die hier dargestellten Ausführungsformen können eine Ausgangsspannung Vout bereitstellen, die +/-0,3 % Schwankung über einen Temperaturbereich, der für die normalen Betriebsbedingungen typisch ist, aufweist. Zusätzlich können zur praktischen Implementierung der dargestellten Ausführungsformen die Ausführungsformen Ströme I1, I2 von weniger als 100 nA während des Betriebs aufweisen und können eine Mindestbetriebsspannung von weniger als 2 V bereitstellen.
Verschiedene Verbesserungen und Änderungen können am oben Beschriebenen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10007289 B2 [0002]

Claims

Spannungsgenerator zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, der Folgendes umfasst: eine Stromspiegelschaltung, die Folgendes umfasst: a) einen ersten Transistor, der ein Gate und einen ersten Anschluss umfasst; und b) einen zweiten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des ersten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an einen Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, umfasst; einen dritten Transistor, der ein Gate, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist und der zweite Anschluss an einen Ausgangsknoten gekoppelt ist; einen vierten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des dritten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an den ersten Anschluss des ersten Transistors und das Gate des vierten Transistors gekoppelt ist, umfasst; eine Stromquelle, die an den Ausgangsknoten gekoppelt ist; und eine Rückkopplungsschaltung, die konfiguriert ist, eine Anschlussspannung am Rückkopplungsknoten zu detektieren und die Anschlussspannung durch Anpassen einer Gate-Spannung am Gate des zweiten Transistors zu steuern; wobei die Stromspiegelschaltung konfiguriert ist, einen ersten Strom zum dritten Transistor und einen zweiten Strom zum vierten Transistor zu liefern; der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und der dritte und der vierte Transistor Transistoren des anderen von Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und die Ausgangsspannung am Ausgangsknoten bereitgestellt wird.
Spannungsgenerator nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle einen Widerstand umfasst.
Spannungsgenerator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der vierte Transistor eine größere Schwellenwertspannung als der dritte Transistor besitzt.
Spannungsgenerator nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der vierte Transistor ein Transistor mit antidotiertem Gate ist.
Spannungsgenerator nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ sind und der dritte und der vierte Transistor Transistoren vom n-Typ sind oder der erste und der zweite Transistor Transistoren vom n-Typ sind und der dritte und der vierte Transistor Transistoren vom p-Typ sind.
Spannungsgenerator nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Rückkopplungsschaltung einen Operationsverstärker umfasst, der einen ersten Eingang, der an eine Bezugsspannung gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, und einen Knoten, der an die Gates des ersten und des zweiten Transistors gekoppelt ist, umfasst.
Spannungsgenerator nach Anspruch 6, der eine Bezugsspannungsschaltungsanordnung umfasst, die konfiguriert ist, die Bezugsspannung zu liefern, wobei die Bezugsspannungsschaltungsanordnung Folgendes umfasst: einen fünften Transistor, der ein Gate umfasst, das an die Gates des dritten und des vierten Transistors gekoppelt ist; und ein Widerstandselement, das an einen ersten Anschluss des fünften Transistors bei einem Bezugsspannungsausgangsknoten gekoppelt ist; wobei die Bezugsspannung am Bezugsspannungsausgangsknoten bereitgestellt wird und der Bezugsspannungsausgangsknoten an den ersten Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist.
Spannungsgenerator nach Anspruch 7, wobei der vierte und der fünfte Transistor Transistoren mit antidotiertem Gate sind.
Spannungsgenerator nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei der fünfte Transistor vom selben Transistortyp wie der dritte und der vierte Transistor ist.
Spannungsgenerator nach einem vorhergehenden Anspruch, der einen oder mehrere Kaskodentransistoren umfasst, wobei der oder jeder Kaskodentransistor an den ersten oder den zweiten oder den dritten Transistor gekoppelt ist.
Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangsspannung unter Verwendung eines Spannungsgenerators des Typs, der Folgendes umfasst: eine Stromspiegelschaltung, die Folgendes umfasst: a) einen ersten Transistor, der ein Gate und einen ersten Anschluss umfasst; und b) einen zweiten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des ersten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an einen Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, umfasst; einen dritten Transistor, der ein Gate, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist und der zweite Anschluss an einen Ausgangsknoten gekoppelt ist; einen vierten Transistor, der ein Gate, das an das Gate des dritten Transistors gekoppelt ist, umfasst und einen ersten Anschluss, der an den ersten Anschluss des ersten Transistors und das Gate des vierten Transistors gekoppelt ist, umfasst; eine Stromquelle, die an den Ausgangsknoten gekoppelt ist; und eine Rückkopplungsschaltung; wobei der erste und der zweite Transistor Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und der dritte und der vierte Transistor Transistoren des anderen von Transistoren vom p-Typ und vom n-Typ sind und das Verfahren Folgendes umfasst: Detektieren einer Anschlussspannung am Rückkopplungsknoten unter Verwendung der Rückkopplungsschaltung; Steuern der Anschlussspannung durch Anpassen einer Gate-Spannung am Gate des zweiten Transistors unter Verwendung der Rückkopplungsschaltung; Liefern eines ersten Stroms zum dritten Transistor und eines zweiten Stroms zum vierten Transistor unter Verwendung der Stromspiegelschaltung und Bereitstellen der Ausgangsspannung am Ausgangsknoten.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Stromquelle einen Widerstand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei der vierte Transistor eine größere Schwellenwertspannung als der dritte Transistor besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der vierte Transistor ein Transistor mit antidotiertem Gate ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Rückkopplungsschaltung einen Operationsverstärker umfasst, der einen ersten Eingang, der an eine Bezugsspannung gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der an den Rückkopplungsknoten gekoppelt ist, und einen Knoten, der an die Gates des ersten und des zweiten Transistors gekoppelt ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Spannungsgenerator eine Bezugsspannungsschaltungsanordnung umfasst, die Folgendes umfasst: einen fünften Transistor, der ein Gate umfasst, das an die Gates des dritten und des vierten Transistors gekoppelt ist; und ein Widerstandselement, das an einen ersten Anschluss des fünften Transistors bei einem Bezugsspannungsausgangsknoten gekoppelt ist; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen der Bezugsspannung am Bezugsspannungsausgangsknoten und Empfangen der Bezugsspannung am ersten Eingang des Operationsverstärkers.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der vierte und der fünfte Transistor Transistoren mit antidotiertem Gate sind.
Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei der fünfte Transistor vom selben Transistortyp wie der dritte und der vierte Transistor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei der Spannungsgenerator einen oder mehrere Kaskodentransistoren umfasst und die oder jeder Kaskodentransistor an den ersten oder den zweiten oder den dritten Transistor gekoppelt ist.