DE19804747B4

DE19804747B4 - Bandabstandsbezugsschaltung und Verfahren

Info

Publication number: DE19804747B4
Application number: DE19804747.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Somerville; Robert L. Vyne
Original assignee: Tessera Advanced Technologies Inc
Current assignee: Adeia Semiconductor Advanced Technologies Inc
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2018-02-07
Also published as: US5900772A; KR19980080387A; JPH10260746A; DE19804747A1; CN1202039A; JP4380812B2; CN1242548C; TW386302B

Abstract

Bandabstandsbezugsschaltung, umfassend: einen ersten Widerstand (42); eine zur absoluten Temperatur proportionale (PTAT) Stromquelle (12), die einen ersten Eingang (24), einen zweiten Eingang (26) und einen Ausgang (32) hat; einen ersten Transistor (28), der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des ersten Transistors (28) an den zweiten Eingang (26) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist, die erste stromführende Elektrode des ersten Transistors (28) an den ersten Eingang (24) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist, und die zweite stromführende Elektrode des ersten Transistors (28) an einen ersten Spannungsversorgungsanschluss (Vcc) geschaltet ist; eine Stromspiegelschaltung (34), die einen ersten Anschluss (30) und einen zweiten Anschluss (36) hat, wobei der erste Anschluss (30) der Stromspiegelschaltung (34) an die Steuerelektrode des ersten Transistors (28) geschaltet ist und der zweite Anschluss (36) der Stromspiegelschaltung (34) an den Ausgang (32) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist; und einen zweiten Transistor (40), der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des zweiten Transistors (40) an den ersten Eingang (24) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist, die erste stromführende Elektrode des zweiten Transistors (40) durch den ersten Widerstand (42) an einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss (46) geschaltet ist, und die zweite stromführende Elektrode des zweiten Transistors (40) an den Ausgang (32) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen integrierte Schaltungen und im besonderen eine integrierte Schaltung zur Erzeugung einer Bandabstandsbezugsspannung.
Elektronische Schaltungen wie zellulare Telefone, Aktentaschencomputer (Laptop-Computer), Kodierer/Dekodierer und Spannungsregler erfordern für einen effektiven Betrieb eine stabile und genaue Bezugsspannung. Bezugsspannungen können jedoch auf Grund von Temperaturveränderungen, die während des Schaltungsbetriebs auftreten, nicht konstant bleiben. Eine Schaltung, die als ein Bandabstandsbezugsspannungsgenerator bekannt ist, wird benutzt, um die Temperaturabhängigkeit von Bezugsspannungen auszugleichen und eine konstante Bezugsspannung bereitzustellen.
Ein Bandabstandsbezugsspannungsgenerator muß typischerweise eine Bezugsspannung bereitstellen, deren Spannung sich um weniger als ein Prozent über dem Betriebstemperaturbereich verändert. Ein Anzeichen der Leistungsfähigkeit des Bezugsspannungsgenerators ist die Form der grafischen Darstellung der Bezugsspannung über der Temperatur. Die grafische Darstellung wird dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung ansteigt, wenn sich die Temperatur erhöht bis eine Umkehrtemperatur erreicht wird, von diesem Punkt an verringert sich die Bezugsspannung. Die Krümmung dieser grafischen Darstellung wird als der charakteristische Bogen der Temperaturabhängigkeit bezeichnet.
Ein einfaches Verfahren zur Erzeugung einer Bandabstandsbezugsspannung ist die Verwendung von Dünnschichtwiderständen, um die Bezugsspannung zu erzeugen. Obwohl Dünnschichtwiderstände einen Temperaturkoeffizienten von ungefähr Null haben, erfordern sie zusätzliche Bearbeitungsschritte, die die Kosten der integrierten Schaltung erhöhen.
Dementsprechend würde es vorteilhaft sein, ein verbessertes Verfahren und eine Schaltung zur Bereitstellung einer stabilen und genauen Bezugsspannung zu haben. Es wäre von weiterem Vorteil, die Einflüsse zweiter Ordnung auf den Temperaturkoeffizienten einer Basis-Emitter-Spannung eines Transistors auszugleichen. Es wäre außerdem wünschenswert, einen preisgünstigen Bandabstandsbezugsspannungsgenerator bereitzustellen, der unabhängig von Veränderungen der Betriebsweise und der Verfahrenskennlinien ist.
Beispielsweise beschreibt US 4 808 908 A eine Bandabstandsbezugsschaltung zur Temperaturkompensation von Bandabstandsreferenzen. Eine bipolare Bandabstandsbezugsschaltung benutzt drei Widerstände, wobei die Widerstandswerte von zwei Widerständen trimmbar sind, um den Anstieg der Ausgabespannung aufgrund der Wärmedrift zu eliminieren.
US 5 391 980 A zeigt eine Spannungsbezugsschaltung, die zur Eliminierung von unerwünschten Temperaturabhängigkeitseigenschaften zweiter Ordnung über eine Korrekturschaltung zweiter Ordnung verfügt.
US 4 797 577 A bezieht sich ebenfalls auf eine Bandabstandbezugsschaltung, bei der eine spezielle Anordnung von Transistoren und Widerständen ermöglicht, dass die Schaltung für Temperaturabhängigkeiten höherer Ordnung kompensiert ist.
JP S63-266 509 A bezieht sich auf eine Bezugsspannungsschaltung, die zur Durchführung einer Pegelverschiebung eine Pegelverschiebungsschaltung beinhaltet, damit das Kollektorpotential eines bezugsspannungsbestimmenden Transistors einer Bezugsspannung gleich wird.
JP S63-234 307 A bezieht sich auf eine Vorspannungsschaltung, die die Ausgabespannung an einen optionalen Temperaturkoeffizienten anpassen kann und zudem die Ausgabe einer Spannung auf niedrigem Pegel sicherstellt. Dies wird erreicht durch die Konvertierung eines konstanten Stroms in eine Spannung unter Verwendung eines Stromregelkreises.
JP H08-179 843 A bezieht sich auf eine Konstantstromerzeugungsschaltung, die einen konstanten Strom auch dann erzeugen kann, wenn das Spannungsversorgungspotential sich verändert.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus den oben genannten, bisher unzureichend gelösten, Problemstellungen und besteht darin, eine konstante Bandabstandsbezugsspannung bereitzustellen, die gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich ist.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Stromlaufplan einer Bezugsspannungsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Reihe von grafischen Darstellungen, die die Nichtlinearität der Temperaturabweichung der Basis-Emitter-Spannung für verschiedene Transistoren erläutern;
3 ist ein Stromlaufplan einer abgeglichenen Bandabstandsbezugsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung; und
4 ist eine grafische Darstellung, die die krümmungskorrigierte Bandabstandsbezugsspannung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung eine auswählbare Bandabstandsbezugsspannung bereit, die im wesentlichen gegenüber Temperaturveränderungen der arbeitenden Bezugsschaltung unempfindlich ist. In Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Strom, der einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, zu einem Strom addiert, der einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, um einen Strom zu erzeugen, der im wesentlichen einen Null-Temperaturkoeffizienten hat. Im besonderen hat der Strom, der den negativen Temperaturkoeffizienten hat, ebenfalls Nichtlinearitäten zweiter Ordnung, die ausgewählt sind, um die Nichtlinearitäten in dem Strom, der die Bandabstandsbezugsspannung erzeugt, auszugleichen.
1 ist ein Stromlaufplan einer Bandabstandsbezugsspannungsschaltung 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Bezugsspannungsschaltung 10 umfaßt eine zur absoluten Temperatur proportionale (PTAT) Stromquelle 12, einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) 28, eine Stromspiegelschaltung 34, einen Transistor 40 und die Widerstände 42 und 44. Im besonderen enthält die PTAT-Stromquelle 12 einen Widerstand 14, dessen einer Anschluß gewöhnlich mit dem Emitteranschluß eines Transistors 18 und mit einem Spannungsversorgungsanschluß verbunden ist, der zum Empfang eines Betriebspotentials wie zum Beispiel Masse geschaltet ist. Der andere Anschluß des Widerstandes 14 ist mit dem Emitteranschluß eines Transistors 16 verbunden. Der Basisanschluß des Transistors 16 ist gewöhnlich mit dem Kollektoranschluß des Transistors 18 und mit einem Emitteranschluß eines Transistors 22 verbunden. Der Basisanschluß des Transistors 18 ist gewöhnlich mit dem Kollektoranschluß des Transistors 16 und mit einem Emitteranschluß eines Transistors 20 verbunden. Die Basisanschlüsse der Transistoren 20 und 22 sind gewöhnlich verbunden und dienen als ein Eingang 24 der PTAT-Stromquelle 12. Die Kollektoranschlüsse der Transistoren 20 und 22 dienen als Ausgang 32 bzw. Eingang 26 der PTAT-Stromquelle 12. Wie Fachleute wissen, wird der Basisanschluß eines Transistors auch als eine Steuerelektrode bezeichnet und die Kollektor- und Emitteranschlüsse werden auch als stromführende Elektroden bezeichnet. Die Bandabstandsbezugsspannungsschaltung 10 kann durch die Verwendung eines bipolaren Verfahrens, eines komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS) Verfahrens oder eines kombinierten bipolaren und komplementären Metalloxid-Halbleiter (BICMOS) Verfahrens hergestellt werden.
Der Steuerelektrodenanschluß des MOSFET 28 ist gewöhnlich mit dem Ausgang 30 der Stromspiegelschaltung 34 und mit dem Eingang 26 der PTAT-Stromquelle 12 verbunden. Der Quellenelektrodenanschluß des MOSFET 28 ist mit dem Eingang 24 der PTAT-Stromquelle 12 verbunden. Der Abzugselektrodenanschluß des MOSFET 28 ist mit einem Spannungsversorgungsanschluß verbunden, der zum Empfang eines Betriebspotentials wie zum Beispiel V_cc geschaltet ist. Wie Fachleute wissen, wird der Steuerelektrodenanschluß (Gateanschluß) eines MOSFET auch als eine Steuerelektrode bezeichnet und die Quellenelektroden- und Abzugselektrodenanschlüsse werden auch als stromführende Elektroden bezeichnet.
Zusätzlich sind der Basisanschluß und der Kollektoranschluß des Transistors 40 mit dem Eingang 24 bzw. dem Ausgang 32 der PTAT-Stromquelle 12 verbunden. Der Emitteranschluß des Transistors 40 ist mit einem Anschluß des Widerstands 42 verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands 42 ist gewöhnlich mit einem Anschluß des Widerstands 44 und mit einem Spannungsversorgungsanschluß verbunden, der zum Empfang eines Betriebspotentials wie zum Beispiel Masse geschaltet ist. Der andere Anschluß des Widerstands 44 dient als Ausgangsanschluß 46 der Bezugsspannungsschaltung 10. Die Stromspiegelschaltung 34 hat einen Anschluß, der mit einem Spannungsversorgungsanschluß verbunden ist, der das Betriebspotential Vcc empfängt, einen Eingang 36, der gewöhnlich mit den Kollektoranschlüssen der Transistoren 20 und 40 verbunden ist und einen Ausgang 38, der mit dem Anschluß 46 der Bezugsspannungsschaltung 10 verbunden ist.
Es sollte angemerkt werden, daß die Widerstände 14, 42 und 44 implantierte Widerstände sind, könnten aber auch diffundierte Widerstände, diskrete Widerstände, Dünnschichtwiderstände, Metallfilmwiderstände usw. sein. Der Widerstandstyp ist keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung. Die Widerstände 14, 42 und 44 sind jedoch vorzugsweise der gleiche Widerstandstyp. Es sollte angemerkt werden, daß der Widerstand 44 mehrere Widerstände umfassen könnte, die in Reihe verbunden sind, um Abgriffpunkte zur Auswahl eines Teils der Spannung, die als Ausgangsspannung am Anschluß 46 entwickelt wird, zu gewährleisten.
2 ist eine Reihe von grafischen Darstellungen, die die Nichtlinearität der Temperaturabweichung der Basis-Emitter-Spannung für verschiedene Transistoren erläutern. Die horizontale Achse stellt die Temperatur in Grad Celsius (°C) dar und die vertikale Achse stellt die Nichtlinearität in der Spannungsabweichung der Basis-Emitter-Grenzschichtspannung (V_be) in Millivolt (mV) dar. Die grafischen Darstellungen 20A, 18A und 40A sind über den Temperaturbereich von –55°C bis +125°C dargestellt. Die grafischen Darstellungen haben einen charakteristischen Bogen oder Krümmung, wobei sich die Spannungsabweichung anfangs erhöht, wenn die Temperatur über die Temperatur von –55°C ansteigt. Nachdem die Spannungsabweichung bei einer Temperatur von zum Beispiel ungefähr 25°C einen Spitzenwert hat, verringert sich der Wert der Spannungsabweichung. Der Grad der Krümmung hängt vom Temperaturkoeffizienten des Stroms ab, der durch die Basis-Emitter-Grenzschichten der Transistoren 40, 18 und 20 fließt.
Die grafische Darstellung 20A erläutert die Nichtlinearität der V_be-Spannungsabweichung des Transistors 20 über der Temperatur. Der Kollektorstrom I₁, der durch den Transistor 20 fließt, ist proportional zur absoluten Temperatur (PTAT-Strom} und hat einen positiven Temperaturkoeffizienten. Die grafische Darstellung 18A erläutert die Nichtlinearität der V_be-Spannungsabweichung des Transistors 18 über der Temperatur. Der Strom, der durch den Transistor 18 fließt, hat einen Temperaturkoeffizienten, der gleich dem negativen Wert des Temperaturkoeffizienten des Widerstands 44 ist. Die Krümmung der grafischen Darstellung 18A ist größer als die Krümmung der grafischen Darstellung 20A. Es sollte angemerkt werden, daß der Strom, der durch den Transistor 18 fließt, ebenfalls einen Null-Temperaturkoeffizienten hat, wenn Widerstände, die einen Null-Temperaturkoeffizienten haben, in der Schaltung verwendet werden. Die Darstellung 40A erläutert die Nichtlinearität der V_be-Spannungsabweichung des Transistors 40 über der Temperatur. Der Strom, der durch den Transistor 40 fließt, hat einen negativen Temperaturkoeffizienten und die Krümmung der Darstellung 40A ist größer sowohl als die der Darstellung 20A als auch der Darstellung 18A.
Eine horizontale Linie 51, die an dem Punkt eingezeichnet ist, wo die Darstellungen 20A, 18A und 40A ihren Spitzenwert haben, ist eine Null-Bezugslinie. Die Größe der Nichtlinearität der Spannungsabweichung bei einer gegebenen Temperatur wird als die Differenz zwischen einem Nichtlinearitätswert der V_be-Spannungsabweichung auf der bestimmten Darstellung und dem Wert auf der horizontalen Linie 51 bei der gleichen Temperatur gemessen. Als Beispiel ist die Größe der Nichtlinearität der Spannungsabweichung des Transistors 20 bei einer Temperatur von +125°C die Spannungsdifferenz zwischen dem Wert der Darstellung 20A bei einer Temperatur von +125°C und der horizontalen Linie 51.
Während des Betriebes gewährleistet die Bandabstandsbezugsspannungsschaltung 10 eine Krümmungskorrektur, die die Nichtlinearitäten in der Bezugsspannung über der Temperatur minimiert. Nochmals bezüglich 1, die PTAT-Schaltung 12 erzeugt einen Ausgangsstrom I₁, der einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Der Strom I₁ wird zu einem Strom I₂ hinzuaddiert, der einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, um einen Strom I_R zu erzeugen, der zum Eingang 36 der Stromspiegelschaltung 34 übertragen wird. Der Strom I_R wird zu den Ausgängen 30 und 38 der Stromspiegelschaltung 34 gespiegelt.
Vorzugsweise heben sich die Temperaturkoeffizienten der Ströme I₁ und I₂ gegenseitig auf, so daß der Strom I_T, der vom Strom I_R gespiegelt wird, am Ausgang 46 eine Spannung mit einem im wesentlichen Null-Temperaturkoeffizienten erzeugt. Der Strom, der am Ausgang 30 durch den Stromspiegel 34 erzeugt wird, wird in die PTAT-Schaltung 12 eingegeben und wird als Strom I₀ identifiziert. Der Strom I₀ ist proportional zum Strom I_R, wobei die Proportionalitätskonstante in Übereinstimmung mit den Emitterflächen der Transistoren 16, 18, 20 und 22 eingestellt wird. Der Wert des Stromes I₀ kann zum Beispiel durch die Auswahl, daß die Emitterflächen der Transistoren 18 und 22 gleich sind und doppelt so groß sind wie die des Transistors 20, eingestellt werden, halb so groß zu sein wie der Wert des Stroms I_R.
Der Strom I₁ ist gegeben durch I₁ = (V_T·ln(n))/R₁₄ wobei:

V_T: die thermische Spannung kT/q ist;
K: ist die Boltzmann-Konstante;
q: ist die elektronische Ladung;
T: ist die absolute Temperatur (Grad Kelvin);
n: das Verhältnis der Emitterfläche des Transistors 16 zur Emitterfläche des Transistors 20 ist; und
R₁₄: der Widerstandswert des Widerstands 14 ist.

Der Strom I₂ ist gegeben durch: I₂ = (V_be18 + V_be20 – V_be40)/R₄₂ wobei:

V_be18: die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 18 ist;
V_be20: die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 20 ist;
V_be40: die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 40 ist; und
R₄₂: der Widerstandswert des Widerstands 42 ist.

Die V_be eines bipolaren Transistors hängt von dem Kristallscheiben-(Wafer-)Herstellungsverfahren ab, das verwendet wird, um den Transistor zu produzieren und von dem Temperaturkoeffizienten des Stroms, der durch den Transistor fließt. Die vorliegende Erfindung reduziert die Nichtlinearität der Temperaturveränderung des Stroms I₂ durch die Einstellung einer Spannung über dem Widerstand 42, in welchem die temperaturerzeugten V_be-Veränderungen der Transistoren 18, 20 und 40 ausgeglichen worden sind. Die Spannung über dem Widerstand 42 wird so eingestellt, daß sie gleich der Summe der V_be-Spannungen der Transistoren 18 und 20 minus der V_be-Spannung des Transistors 40 ist. Deshalb ist die Krümmung des Stroms I₂ gleich der Krümmung der Spannungsabweichungs-Nichtlinearität der V_be des Transistors 18 plus der Krümmung der Spannungsabweichungs-Nichtlinearität der V_be des Transistors 20 minus der Krümmung der Spannungsabweichungs-Nichtlinearität der V_be des Transistors 40. Zum Beispiel wird die Größe des V_be-Spannungsabweichungswerts der Transistoren 18, 20 und 40 bei einer ausgewählten Temperatur als die Differenz zwischen der horizontalen Linie 51 und einem Wert auf der Linie 52 dargestellt, die die Summe ist von: (1) der Differenz zwischen der horizontalen Linie 51 und dem V_be-Spannungsabweichungswert des Transistors 18, (2) der Differenz zwischen der horizontalen Linie 51 und der V_be-Spannungsabweichung des Transistors 20 und (3) der Differenz zwischen der horizontalen Linie 51 und dem V_be-Spannungsabweichungswert des Transistors 40 bei der ausgewählten Temperatur.
Es sollte angemerkt werden, daß der Strom I₁ von der Größe des Stroms I₀ unbeeinflußt bleibt, solange wie die Transistoren 18 und 22 gleiche Emitterflächen haben. Die Größe des Stroms I₀ enthält jedoch sowohl lineare als auch nichtlineare Temperaturveränderungen, die den Strom I₂ beeinflussen. Im einzelnen verändern die nichtlinearen Komponenten des Stroms I0 die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 18, 20 und 40, weil sie über einen Temperaturbereich abweichen. Kurz bezüglich 2, die Nichtlinearität der Basis-Emitter-Spannungsabweichung der Transistoren 18, 20 und 40 ist dargestellt. Die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 18, 20 und 40 weichen mit einer bogenförmigen Nichtlinearitätskennlinie ab, ähnlich zu denen, die in 2 gezeigt sind. Der Betrag der nichtlinearen Abweichung hängt von der Temperaturkennlinie des Stroms ab, der durch jeden Transistor fließt. Die Krümmung des Stroms I₂ hängt von der Summe der Krümmung der Transistoren 18 und 20 minus der Krümmung des Transistors 40 ab. Es sollte angemerkt werden, daß die Krümmung des Stroms I₂ zu der Summe aus V_be18 und V_be20 minus V_be40 proportional ist. Deshalb kann die Krümmung der V_be-Spannung des Transistors 40 durch eine geeignete Auswahl des Stroms I₀ ausgeglichen werden. Der Strom I₀ wird so ausgewählt, daß bei einer bestimmten Temperatur die Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 18 und 20 minus der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 40 im wesentlichen konstant ist.
Der Strom, der am Ausgang 38 durch den Stromspiegel 34 erzeugt wird, wird in einen Widerstand eingegeben, um eine Bandabstandsbezugsspannung zu erzeugen, die am Ausgang 46 einen im wesentlichen Null-Temperaturkoeffizienten hat.
3 ist ein Stromlaufplan einer abgestimmten Bandabstandsbezugsschaltung 60 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Es sollte angemerkt werden, daß gleiche Bezugsnummern in den Darstellungen verwendet werden, um gleiche Baugruppen zu bezeichnen. Die abgestimmte Bandabstandsbezugsschaltung 60 umfaßt eine PTAT-Stromquelle 12, eine Beta-Ausgleichsschaltung 61, einen Transistor 40, einen MOSFET 84, die Widerstände 42 und 44, eine Stromspiegelschaltung 34 und eine Bezugsspannungsabstimmschaltung 90. Es sollte weiter angemerkt werden, daß Beta die Stromverstärkung für einen Transistor ist und als das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom definiert wird, d. h. Beta (β) = I_C/I_B. Die Beta-Ausgleichsschaltung 61 enthält die npn-Transistoren 62, 64 und 68 und einen MOSFET 66. Im einzelnen ist der Emitteranschluß des Transistors 62 mit einem Versorgungsanschluß verbunden, der zum Empfang eines Versorgungspotentials wie zum Beispiel Masse geschaltet ist. Die Transistoren 62 und 64 sind in Diodenschaltung geschaltet. Mit anderen Worten sind die Basis- und Kollektoranschlüsse des Transistors 62 gewöhnlich miteinander und mit dem Emitter des Transistors 64 verbunden. Die Basis- und Kollektoranschlüsse des Transistors 64 sind gewöhnlich miteinander und mit dem Quellenelektrodenanschluß des MOSFET 66 und mit dem Eingang 24 der PTAT-Stromquelle 12 verbunden. Deshalb ist der Eingang 24 über zwei Dioden an den Massebezugspunkt geschaltet, d. h. die Basis-Emitter-Grenz-schichten der Transistoren 62 und 64. Der Steuerelektrodenanschluß des MOSFET 66 ist mit dem Eingang 26 der PTAT-Stromquelle 12 verbunden. Der Abzugselektrodenanschluß des MOSFET 66 ist mit dem Emitteranschluß des Transistors 68 verbunden. Der Basisanschluß des Transistors 68 ist gewöhnlich mit dem Ausgang 32 der PTAT-Stromquelle 12 und mit dem Eingang 36 der Stromspiegelschaltung 34 verbunden. Der Kollektoranschluß des Transistors 68 ist mit einem Spannungsversorgungsanschluß verbunden, der zum Empfang eines Betriebspotentials wie zum Beispiel V_cc geschaltet ist.
Die Stromspiegelschaltung 34 hat einen Ausgang 38, der mit dem Quellenelektrodenanschluß des MOSFET 84 verbunden ist. Ein Steuerelektrodenanschluß des MOSFET 84 dient als Anschlußpunkt 85 und ein Abzugselektrodenanschluß des MOSFET 84 ist mit einem Anschluß des Widerstands 44 verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands 44 ist mit einem Spannungsversorgungsanschluß verbunden, der zum Empfang zum Beispiel eines Massepotentials geschaltet ist. Das Signal am Anschlußpunkt 85 wird von der Stromspiegelschaltung 34 geliefert und ist eine Vorspannung für die Steuerelektrodenanschlüsse der MOSFETs 84, 96 und 100.
Die Bezugsspannungsabstimmschaltung 90 umfaßt eine Pufferschaltung 92 und eine Stromlenkungsschaltung 94. Die Pufferschaltung 92 hat einen Eingang, der als Eingang der Stromlenkungsschaltung 94 dient und mit dem Knoten 86 verbunden ist. Der Ausgang der Pufferschaltung 92 dient als Ausgang der Stromlenkungsschaltung 94 und ist mit dem Anschlußpunkt 104 als dem Ausgang der abgestimmten Bandabstandsbezugsschaltung 60 verbunden. Ein Anschluß einer Schmelzbrücke 98 und ein Anschluß einer Schmelzbrücke 102 sind mit dem Ausgang der Pufferschaltung 92 verbunden. Der andere Anschluß der Schmelzbrücke 98 ist mit dem Abzugselektrodenanschluß des MOSFET 96 und der andere Anschluß der Schmelzbrücke 102 ist mit dem Abzugselektrodenanschluß des MOSFET 100 verbunden. Die Quellenelektrodenanschlüsse der MOSFETs 96 und 100 sind gewöhnlich miteinander und mit dem Quellenelektrodenanschluß des MOSFET 84 verbunden. Es sollte angemerkt werden, daß zusätzliche Kombinationen aus MOSFET und Schmelzbrücke parallel zu den MOSFETs 96 und 100 und den Schmelzbrücken 98 und 102 geschaltet werden können. Die Anzahl der Kombinationen aus MOSFET und Schmelzbrücke in der Stromlenkungsschaltung 94 stellt keine Begrenzung der vorliegenden Erfindung dar.
4 ist eine grafische Darstellung 110, die die krümmungskorrigierte Bandabstandsbezugsspannung erläutert. Die horizontale Achse stellt die Temperatur in Grad Celsius (°C) dar und die vertikale Achse stellt die Bezugsspannung, gemessen in Volt (V), an den Knoten 86 und 104 (siehe 3) dar. Die Darstellungen 112, 114 und 116 zeigen die Bezugsspannungsveränderungen über der Temperatur, wenn alle Transistoren 16–22, 62, 64, 68 und 40 in der abgestimmten Bandabstandsbezugsschaltung 60 einen der Beta(β)-Werte von ungefähr 400, 250 oder 100 haben.
Im Betrieb speist der Transistor 68 einen Basisstrom in die Transistoren 20 und 40, um Transistor-Beta-Veränderungen auszugleichen. Wenn sich die Betas für die Transistoren durch die Verarbeitung reduzieren wie zum Beispiel für die Transistoren 20 und 40, benötigen die Transistoren einen größeren Basisstrom, um die Transistoren mit dem Kollektorstrom zu versorgen. Der Basisstrom im Transistor 68 wird zu den Kollektorströmen der Transistoren 20 und 40 addiert, die dann in die Stromspiegelschaltung 34 geführt werden. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß, wenn der Basisstrom des Transistors 68 mit den Basisströmen der Transistoren 20 und 40 übereinstimmt, eine totale Löschung des Basisstroms auftritt und die Krümmung nicht minimiert wird. Es wird vorgezogen, daß der Basisstrom des Transistors 68 geringer ist als die Basisströme der Transistoren 20 und 40.
Der Strom I₀ im Transistor 22 wird ausgewählt, um die Krümmung oder die Nichtlinearität in der Bezugsspannung am Knoten 86 zu minimieren. Als Beispiel kann der Strom I₀ ausgewählt werden, daß er einen Wert hat, der ungefähr (I₁ + I₂)/2 ist. Andererseits wird der Strom I₃ des Transistors 68 ausgewählt, um Transistor-Beta-Veränderungen durch Bereitstellung eines Basisstromes zu regeln, der ausreichend ist, um die Basisströme der Transistoren 20 und 40 auszugleichen. Diese Ströme verändern sich nichtlinear mit der Temperatur. Als Beispiel wird der Strom I₃ ausgewählt einen Wert zu haben, der ungefähr gleich der Quadratwurzel von einhalb mal einem Produkt von Strom I₀ und Strom I₁ ist, d. h.
Die Transistoren 68 und 84 und die Bezugsspannungsabstimmschaltung 90 gewährleisten eine Korrektur, die Herstellungsunterschiede, die den Transistorbetawert verändern, aufhebt. 4 erläutert, daß die abgestimmte Bandabstandsbezugsschaltung 60 am Knoten 86 eine Bezugsspannung bereitstellt, die für verschiedene Transistorbetawerte über der Temperatur im wesentlichen die gleiche Form hat. Die Abstimmschaltung 90 gewährleistet einen Ausgleichs-Korrektur-Strom, der die Größe des Stroms, der durch den Widerstand 44 fließt, zum Einstellen der Amplitude der Bezugsspannung modifiziert. Die mehrfachen MOSFETs, wie zum Beispiel die MOSFETs 96 und 100, werden in Übereinstimmung mit den geometrischen Breiten und Längen der Steuerelektroden binär gewichtet. Die Schmelzbrücken 98 und 102 gestatten, daß ein Strom, der normalerweise durch die MOSFETs 96 bzw. 100 zu einem Massepotential in der Pufferschaltung 92 fließt, zurückgerichtet wird und durch den Abstimm-MOSFET 84 und den Widerstand 44 fließt. Die Schmelzbrücken 98 und 102 können zum Beispiel probeweise mit einem Stromimpuls geöffnet werden und verursachen, daß der Strom, der normalerweise durch diese Schmelzbrücken fließt, in den MOSFET 84 und den Widerstand 44 zurückgerichtet wird, um die Bezugsspannung am Knoten 86 zu erhöhen. Die Pufferschaltung 92 stellt einen hochimpedanten Eingang dar und gewährleistet einen gepufferten Ausgang für den Bezugsspannungswert am Anschlußpunkt 104. Zusätzlich gestattet die Pufferschaltung 92 den MOSFETs wie zum Beispiel den MOSFETs 96 und 100, eine gemeinsame Abzugselektrodenspannung zu haben, was eine genaue Stromskalierung gewährleistet, wenn die MOSFET-Steuerelektrodenflächen binär gewichtet werden. Durch die wahlweise Öffnung von Elementen wie den Schmelzbrücken 98 und 102 kann die Bandabstandsschaltung 60 die Ausgangsbezugsspannung am Anschlußpunkt 104 erhöhen und eine Korrektur der Veränderungen des Beta-Wertes der Transistoren der abgestimmten Bandabstandsbezugsschaltung 60 gewährleisten.
Nunmehr sollte gewürdigt werden, daß die Schaltung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine stabile und genaue Bezugsspannung gewährleistet. Die abgestimmte Bandabstandsbezugsschaltung eliminiert im wesentlichen die Einflüsse zweiter Ordnung auf den Temperaturkoeffizienten einer Transistor-Basis-Emitter-Spannung. Die Bandabstandsbezugsschaltung gewährleistet weiterhin eine preisgünstige Bandabstandsbezugsspannung, die von Veränderungen der Betriebsweise und der Verfahrenscharakteristiken unabhängig ist.

Claims

Bandabstandsbezugsschaltung, umfassend: einen ersten Widerstand (42); eine zur absoluten Temperatur proportionale (PTAT) Stromquelle (12), die einen ersten Eingang (24), einen zweiten Eingang (26) und einen Ausgang (32) hat; einen ersten Transistor (28), der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des ersten Transistors (28) an den zweiten Eingang (26) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist, die erste stromführende Elektrode des ersten Transistors (28) an den ersten Eingang (24) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist, und die zweite stromführende Elektrode des ersten Transistors (28) an einen ersten Spannungsversorgungsanschluss (V_cc) geschaltet ist; eine Stromspiegelschaltung (34), die einen ersten Anschluss (30) und einen zweiten Anschluss (36) hat, wobei der erste Anschluss (30) der Stromspiegelschaltung (34) an die Steuerelektrode des ersten Transistors (28) geschaltet ist und der zweite Anschluss (36) der Stromspiegelschaltung (34) an den Ausgang (32) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist; und einen zweiten Transistor (40), der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des zweiten Transistors (40) an den ersten Eingang (24) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist, die erste stromführende Elektrode des zweiten Transistors (40) durch den ersten Widerstand (42) an einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss (46) geschaltet ist, und die zweite stromführende Elektrode des zweiten Transistors (40) an den Ausgang (32) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist.
Bandabstandsbezugsschaltung nach Anspruch 1, weiter einen dritten Transistor (68) umfassend, der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des dritten Transistors (68) an den zweiten Anschluss (36) der Stromspiegelschaltung (34) geschaltet ist und die erste stromführende Elektrode des dritten Transistors (68) an die zweite stromführende Elektrode des ersten Transistors (28) geschaltet ist.
Bandabstandsbezugsschaltung nach Anspruch 1, weiter einen zweiten Widerstand (44) umfassend, der einen ersten Anschluss hat, der an einen dritten Anschluss (38) der Stromspiegelschaltung (34) zur Bereitstellung einer Bezugsausgangsspannung geschaltet ist.
Bandabstandsbezugsschaltung nach Anspruch 1, wobei die PTAT-Stromquelle weiter umfasst: einen ersten Stromquellentransistor (18), der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat; einen zweiten Stromquellentransistor (22), der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die zweite stromführende Elektrode des zweiten Stromquellentransistors (22) als der zweite Eingang (26) der PTAT-Stromquelle (12) dient und die erste stromführende Elektrode des zweiten Stromquellentransistors (22) an die zweite stromführende Elektrode des ersten Stromquellentransistors (18) geschaltet ist; einen dritten Stromquellentransistor (20), der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des dritten Stromquellentransistors (20) an die Steuerelektrode des zweiten Stromquellentransistors (22) geschaltet ist und als der erste Eingang (24) der PTAT-Stromquelle (12) dient, die zweite stromführende Elektrode des dritten Stromquellentransistors (20) als der Ausgang (32) der PTAT-Stromquelle (12) dient und die erste stromführende Elektrode des dritten Stromquellentransistors (20) an die Steuerelektrode des ersten Stromquellentransistors (18) geschaltet ist; einen vierten Stromquellentransistor (16), der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des vierten Stromquellentransistors (16) an die erste stromführende Elektrode des zweiten Stromquellentransistors (22) geschaltet ist und die zweite stromführende Elektrode des vierten Stromquellentransistors (16) an die erste stromführende Elektrode des dritten Stromquellentransistors (20) geschaltet ist; und einen dritten Widerstand (14), der einen ersten Anschluss hat, der an die erste stromführende Elektrode des vierten Stromquellentransistors (16) geschaltet ist und einen zweiten Anschluss, der an die erste stromführende Elektrode des ersten Stromquellentransistors (18) geschaltet ist.
Bandabstandsbezugsschaltung nach Anspruch 4, weiter umfassend: einen ersten Transistor (64) in Diodenschaltung, der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des ersten Transistors (64) in Diodenschaltung an die zweite stromführende Elektrode des ersten Transistors (64) in Diodenschaltung und an den ersten Eingang (24) der PTAT-Stromquelle (12) geschaltet ist; und einen zweiten Transistor (62) in Diodenschaltung, der eine Steuerelektrode, eine erste stromführende Elektrode und eine zweite stromführende Elektrode hat, wobei die Steuerelektrode des zweiten Transistors (62) in Diodenschaltung an die zweite stromführende Elektrode des zweiten Transistors (62) in Diodenschaltung und an die erste stromführende Elektrode des ersten Transistors (64) in Diodenschaltung geschaltet ist.
Verfahren zur Erzeugung einer Bandabstandsbezugsspannung, das die folgenden Schritte umfasst: Betreiben eines ersten Transistors (20) bei einem ersten Strom (I₁), wobei der erste Strom (I₁) einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, und Erzeugung einer ersten Spannung über einer Grenzschicht des ersten Transistors (20); Betreiben eines zweiten Transistors (40) bei einem zweiten Strom (I₂), wobei der zweite Strom (I₂) einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, und Erzeugung einer zweiten Spannung über einer Grenzschicht des zweiten Transistors (40); Betreiben eines dritten Transistors (18) bei einem dritten Strom (I₀), wobei der dritte Strom (I₀) einen Temperaturkoeffizienten hat, der gleich dem negativen Wert eines Temperaturkoeffizienten eines Widerstands (44) ist; und Erzeugung der Bandabstandsbezugsspannung in Übereinstimmung mit einem vierten Strom (I_T), wobei der vierte Strom (I_T) in den Widerstand (44) fließt und eine Summe des ersten Stroms (I₁) und des zweiten Stroms (I₂) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, weiter den Schritt der Subtraktion der Spannung über der Grenzschicht des zweiten Transistors (40) von einer Spannung, die aus der Summierung der Spannung über der Grenzschicht des ersten Transistors (20) und der Spannung über der Grenzschicht des dritten Transistors (18) resultiert, umfassend.
Verfahren nach Anspruch 6, weiter die Einstellung des dritten Stroms (I₀) auf einen Wert von ungefähr der Hälfte einer Summe des ersten Stroms (I₁) und des zweiten Stroms (I₂) beinhaltend.