DE602005002160T2

DE602005002160T2 - Vorrichtung zur Erzeugung einer verbesserten Referenzspannung und entsprechende integrierte Schaltung

Info

Publication number: DE602005002160T2
Application number: DE602005002160T
Authority: DE
Inventors: Joel Chatal; Abdellatif Bendraoui; Mikael Tual
Original assignee: Atmel Nantes SA
Current assignee: Microchip Technology Nantes
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2025-02-19
Also published as: DE602005002160D1; FR2866724A1; US7218167B2; FR2866724B1; ES2293476T3; EP1566717B1; EP1566717A1; US20050206443A1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Das Gebiet der Erfindung ist der Entwurf von elektronischen und mikroelektronischen Schaltkreisen. Genauer betrifft die Erfindung das Gebiet der Erzeugung von elektrischen Referenzspannungen, welche in allen Anwendungen benutzt werden, die eine gesteuerte Spannung mit sehr geringen Variationen in Abhängigkeit der Temperatur, Variationen der Versorgungsspannung oder Variationen der technologischen Parameter zur Ausgestaltung der verschiedenen Komponenten erfordern.
Derartige elektrische Referenzspannungen sind insbesondere in tragbaren Geräten, die mit Batterien gespeist werden (Funksprechgeräte, tragbare Computer usw.), sowie in Systemen, die komplexe elektronische Schaltkreise mit hoher Leistung benutzen, und allgemeiner in integrierten Schaltkreisen auf der Basis von Mikrosteuergeräten notwendig.
2. Lösungen des Stands der Technik
Zur Erzeugung einer Referenzspannung, die so wenig wie möglich von den Variationen der Temperatur abhängt, werden im Allgemeinen zwei Stromquellen benutzt, welche entgegengesetzte Abhängigkeiten von der Temperatur aufweisen:

– eine erste Stromquelle, die als PTAT (auf englisch "Proportional To Absolute Temperature", auf deutsch "proportional zur absoluten Temperatur") bezeichnet wird, hängt positiv von den Variationen der Temperatur ab;
– eine zweite Stromquelle, die als CTAT (auf englisch "Complementary To Absolute Temperature", auf deutsch "komplementär zur absoluten Temperatur") bezeichnet wird, hängt negativ von den Variationen der Temperatur ab.

Eine derartige Referenzspannungsquelle, die auf PTAT-/CTAT-Strömen basiert, ist auch in einem Artikel der Zeitschrift IEEE Journal of Solid-State Circuits, veröffentlicht im Mai 1999 mit dem Titel "A CMOS Bandgap Reference Circuit with Sub-1-V Operation" (auf deutsch "eine CMOS-Bandlücken-Referenzspannungsquelle mit Betrieb unter 1 V"), von Hiromeri Bomba et al. beschrieben.
Genauer wird der positive Temperaturkoeffizient der PTAT-Stromquelle im Allgemeinen aus der Spannungsdifferenz zwischen zwei Dioden oder zwischen zwei Emitter-Basis-Übergängen von in Durchlassrichtung gepolten bipolaren Transistoren erhalten und der negative Temperaturkoeffizient der CTAT-Stromquelle wird seinerseits aus der Spannung an den Anschlüssen einer Diode oder dem Emitter-Basis-Übergang eines in Durchlassrichtung gepolten bipolaren Transistors erhalten.
Herkömmlicherweise wird durch Kaskodierung oder Regelung vorgegangen, um die erzeugte Referenzspannung von den Variationen der Versorgungsspannung unabhängig zu machen.
Zum Beispiel stellt die US-Patentschrift US 2002/125938 (Kim Young Hee et al.) einen Referenzspannungsgenerator mit einem ersten Stromgenerator, der einen ersten zu einer Emitter-Basis-Spannung proportionalen Strom liefert, und mit einem zweiten Stromgenerator, der einen zweiten zu einer Wärmespannung proportionalen Strom liefert, bereit. Der Referenzspannungsgenerator summiert somit die beiden Ströme und erzeugt eine stabile Referenzspannung.
Ein derartiger Referenzspannungsgenerator benutzt einen Stromspiegel, der eine starke Ausgangsimpedanz und eine große Exkursion aufweist, um die Variationen der Referenzspannung zu reduzieren, versucht jedoch nicht, die Empfindlichkeit der Ausgangsspannung gegenüber den Variationen der Werte der Widerstandskomponenten der Vorrichtung zu reduzieren.
Des Weiteren beruht ein derartiger Generator nicht auf einer Struktur auf der Basis von Operationsverstärkern.
Es kann auf die französische Anmeldung Nr. FR 2842317 mit dem Titel "Source de tension de référence, capteur de température, détecteur de seuil de température, puce et systéme correspondent", lautend auf den Namen derselben Anmelderin dieser Patentanmeldung, für eine detailliertere Beschreibung eines Beispiels einer Vorrichtung zur Erzeugung von Referenzspannung des Stands der Technik Bezug genommen werden.
1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung von Referenzspannung der Art mit "Bandlücke", welche bei einer schwachen Versorgungsspannung mit einem niedrigen Ruhestrom funktioniert. Eine derartige Vorrichtung weist auf:

– eine Stromquelle der Art PTAT 10, die zwei bipolare Transistoren Q2 und Q1 aufweist, wobei das Verhältnis der Emitterflächen S2/S1 beträgt;
– eine Stromquelle der Art CTAT 11;
– eine Vorspannungsstromquelle 12, die nicht in 1 dargestellt ist;
– einen Stromsummierungswiderstand Rs 13.

Ein erster Operationsverstärker 14 ermöglicht die Polarisierung der bipolaren Komponenten des Schaltkreises und die Erzeugung eines zur Temperatur proportionalen Stroms (PTAT), dessen Wert durch das Variieren des Wertes des Widerstands R1 eingestellt werden kann.
Ein zweiter Operationsverstärker 15 wird in einem Folgeschaltkreis benutzt, der mit dem kleinsten bipolaren Transistor Q1 verbunden ist: er wird benutzt, um einen zur Temperatur komplementären Strom zu erzeugen (CTAT), dessen Wert durch das Variieren des Wertes des Widerstands R2 eingestellt werden kann.
Diese beiden Ströme, die jeweils zur Temperatur proportional (PTAT) und komplementär (CTAT) sind, werden in einem dritten Widerstand Rs 13 hinzugefügt, um eine einstellbare Spannung zu erzeugen, die durch die Regelung der Ströme PTAT und CTAT unabhängig von der Temperatur gemacht werden kann.
Ein derartiger Schaltkreis weist ebenfalls eine Stromquelle auf, die nicht in 1 dargestellt ist, die einen Anfahrschaltkreis aufweist, der beim Setzen unter Spannung aktiv ist und den Vorspannungsstrom der beiden Operationsverstärker 14 und 15 liefert.
Die Vorrichtung der 1 stellt eine Referenzspannung VREF bereit, deren Darstellung durch VREF = Rs(I1 + I2) gegeben ist.
Für jeden der bipolaren Transistoren Q1 und Q2 gibt es eine Emitter-Basis-Spannung
(und zwar für Q1,
und für Q2,
wobei I_E und I_S jeweils Emitter- und Sättigungsströme der Transistoren Q1 und Q2 darstellen, und wobei T die absolute Temperatur ist.
Wenn die Eingangsspannungen an den Punkten A und B im Operationsverstärker 14 identisch sind, und zwar v(A) = v(B), kann ΔV_BE = V_BE1 – V_BE2 in folgender Form ausgedrückt werden:
wobei die Ströme I_S2 und I_S1 zur Größe der Emitter der bipolaren Transistoren Q2 und Q1 proportional sind.
Somit werden die folgenden Ausdrücke hergeleitet:
das zur absoluten Temperatur T proportional ist, wobei k und q Konstanten sind und wobei S₂/S₁ das Verhältnis der Flächen der Emitter der beiden bipolaren Transistoren Q2 und Q1 bezeichnet,
und
das zur Temperatur T umgekehrt proportional ist.
Somit lässt sich die Referenzspannung VREF folgendermaßen ausdrücken:
Der erste Begriff
in dieser Gleichung ist zur absoluten Temperatur T proportional und der zweite Begriff
ist zu T umgekehrt proportional. Somit könnte, wenn der absolute Wert der Temperaturkoeffizienten in jedem dieser zwei Begriffe gleichgestellt werden kann, die Spannung VREF, die am Ausgang der Vorrichtung in 1 bereitgestellt wird, theoretisch von den Variationen der Temperatur T unabhängig gemacht werden.
2, die hier nicht detaillierter beschrieben wird, stellt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bereit, die schematisch in 1 dargestellt ist. In 1 und 2 sind dieselben funktionellen Elemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Die Stromquelle (die einen aktiven Anfahrschaltkreis aufweist, der beim Setzen unter Spannung aktiv ist und den Vorspannungsstrom der beiden Operationsverstärker 14 und 15 liefert), die in 1 nicht dargestellt ist, ist in 2 mit der Bezugsziffer 12 dargestellt.
Es wurde ebenfalls von V. Gupta et al. im Dokument "Predicting the effects of error sources in bandgap reference circuits and evaluating their design implications" (45th Midwest Symposium an circuits and systems, Conference Proceedings, Bd. 3, 2002) vorgeschlagen, zu den bestehenden Vorrichtungen zum Erzeugen von Referenzspannung ein zusätzlicher regulierbarer Widerstand in Reihe mit einem PTAT-Generator, welcher das Einstellen des Wertes des zur vom Generator gelieferten Temperatur proportionalen Stroms ermöglicht, hinzuzufügen. Dies wird "Trimming" genannt.
3. Nachteile des Stands der Technik
Vorrichtungen zum Erzeugen von Referenzspannung des Stands der Technik, wie jene, die beispielsweise in 1 und 2 dargestellt sind, weisen integrierte Komponenten wie etwa Polysiliziumwiderstände auf.
Ein Nachteil dieser Komponenten besteht darin, dass ihr Wert um ungefähr mehr oder weniger 20 % in Abhängigkeit der Parameter der Technologie, aus der sie ausgestaltet sind, variieren kann (typischerweise in Abhängigkeit des Wafers (oder der Scheibe) aus Silizium, auf dem sie ausgestaltet werden. Daher weisen diese Komponenten eine schlechte absolute Präzision auf, was sich darin auswirkt, dass eine Dispersion der Referenzspannung, die am Ausgang bereitgestellt wird, sowohl in Abhängigkeit der Temperatur als auch in Abhängigkeit der technologischen Parameter (Variationen des "Verfahrens") induziert wird.
Somit besteht ein Nachteil der Techniken zur Erzeugung von Referenzspannungen der Art "Bandlücke" des Stands der Technik in der Ungenauigkeit der Spannung, die in Abhängigkeit der Variationen der Temperatur und der technologischen Parameter erzeugt wird.
Das Hinzufügen eines zusätzlichen variablen Widerstands in Reihe mit dem PTAT-Generator ("Trimming"-Widerstand), ermöglicht das Einstellen des Wertes des zur vom Generator bereitgestellten Temperatur proportionalen Stroms, erfordert jedoch eine Regelung des Widerstands sobald Variationen des Verfahrens aufkommen.
Daher ist es nötig, bei jeder Vorrichtung zu intervenieren, um den Wert des "Trimming"-Widerstands in Abhängigkeit der Variationen des Verfahrens einzustellen, was besonders mühsam ist.
4. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen.
Genauer besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Technik zur Erzeugung einer elektrischen Referenzspannung bereitzustellen, die eine bessere Präzision aufweist als Referenzspannungen, die unter Benutzung von Techniken nach dem Stand der Technik erzeugt werden. Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, die Präzision der Referenzspannung, die hinsichtlich der Variationen der Temperatur und/oder der technologischen Parameter zur Fertigung von Komponenten erzeugt werden, zu verbessern (besonders wenn die Komponenten der Art Polysiliziumwiderstand benutzt werden).
Mit anderen Worten besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Technik zur Erzeugung einer elektrischen Referenzspannung bereitzustellen, um die Dispersion der Ausgangsspannung aus einer Vorrichtung der Art "Bandlücke" zu reduzieren.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige Technik vorzuschlagen, die sich leicht und kostengünstig implementieren lässt und die keine Einstellung bestimmter Komponenten erfordert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine derartige Technik bereitzustellen, welche die Einstellungseingriffe des Wertes der Komponenten nach dem Zusammensetzen beschränkt, wenn sich ihre Betriebsbedingungen ändern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht des Weiteren darin, eine derartige Technik vorzuschlagen, welche die Komplexität der Vorrichtungen zur Erzeugung von Referenzspannung hinsichtlich des Stands der Technik bedeutend erhöht.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine derartige Technik bereitzustellen, die an Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Referenzspannung mit niedriger Spannung angepasst ist, die durch die Summierung von Strömen funktioniert.
5. Wesentliche Charakteristiken der Erfindung
Diese Aufgaben und andere, die nachfolgend ersichtlich werden, werden mittels einer Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Referenzspannung nach Anspruch 1 erreicht.
Die Erfindung basiert also auf einem ganz neuen und erfinderischen Ansatz der Erzeugung einer Referenzspannung, die unabhängig von der Temperatur und den Variationen der Herstellungsverfahren der Komponenten, welche eine derartige Vorrichtung ausmachen, ist. Und zwar schlägt die Erfindung eine Technik zur Erzeugung einer Referenzspannung vor, welche aufgrund einer Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber den Werten der benutzten Widerstände eine verbesserte Präzision gegenüber Techniken des Stands der Technik aufweist.
Diese Technik basiert auf einer Vorrichtung der Art "Bandlücke" auf der Basis von Operationsverstärkern.
Diese Art von Bandlücke erlaubt insbesondere die Bereitstellung einer einstellbaren Ausgangsspannung, die zwischen 0 V und der Versorgungsspannung liegt. Sie funktioniert auch bei Spannungen von weniger als 1 V.
Die neuste Einführung von Mitteln zur Reduzierung der Abhängigkeit vom Wert des Widerstands ermöglicht das Eliminieren der starken Dispersion der Referenzspannung, die am Ausgang erzeugt wird, wobei diese durch Variationen von mehr oder weniger 20 % der Werte der Widerstände (zum Beispiel Polysiliziumwiderstände) in Abhängigkeit der technologischen Parameter ihrer Fertigung induziert wird.
Wenn dieser zweite Widerstand nach demselben technologischen Verfahren wie der erste Widerstand ausgestaltet wird, ist somit die Entwicklung seines Wertes ähnlich derjenigen des ersten Widerstands, was einen feinen Ausgleich der Abhängigkeit vom Wert des ersten Widerstands des Stroms, der im ersten Zweig fließt, ermöglicht.
Insbesondere ermöglicht die Benutzung eines derartigen Widerstands mit einem nicht einstellbaren Wert die Eliminierung der Einstellprobleme der Komponenten, da der Wert des Widerstands reguliert wird, sobald er in die Vorrichtung zur Erzeugung der Referenzspannung integriert worden ist.
Die Erfindung ermöglicht somit die Unterdrückung eines Regulierungsschrittes der Komponenten, welcher nach dem Stand der Technik nötig war, sobald eine Variation des spezifischen Widerstands geschah.
Vorteilhafterweise wirken diese Mittel zur Reduzierung derart, dass sie den Strom, der im ersten Zweig fließt, wenn der spezifische Widerstand höher bzw. niedriger ist, auf einen Referenzwert erhöhen bzw. reduzieren.
Somit wird ein relatives Gleichgewicht zwischen den Strömen aufrechterhalten, die von jeweils dem ersten und zweiten Generator des Stroms der Vorrichtung erzeugt werden, während sich die technologischen Parameter entwickeln, was die Reduktion der Dispersion der Referenzspannung, die am Ausgang erzeugt wird, ermöglicht.
Vorteilhafterweise wird der zweite Widerstand auf den zweiten Zweig auf einer Verknüpfung, die zwischen der ersten und zweiten Stromquelle erstellt wurde, angeordnet.
Dieser zweite Widerstand wird somit in Reihe mit dem bipolaren Transistor im zweiten Zweig angeordnet.
Insbesondere kann der zweite Widerstand in Reihe zwischen der zweiten Stromquelle und einer Versorgung der Vorrichtung zur Erzeugung der Spannung vorgesehen werden.
Vorzugsweise wird der zweite Widerstand derart gewählt, dass das Verhältnis der Ströme proportional und komplementär zur Temperatur in einem Intervall von Werten bleibt, wenn der Wert des ersten Widerstands variiert.
Dieses Intervall von Werten ist so schmal wie möglich, um zu gewährleisten, dass das Verhältnis der Ströme, die von jeweils dem ersten und zweiten Generator erzeugt werden, in Abhängigkeit der Entwicklung der technologischen Parameter so konstant wie möglich sind.
Vorteilhafterweise sind der erste und der zweite Widerstand nach derselben Technologie ausgestaltet, sodass sie dasselbe Verhalten in Abhängigkeit der Variationen der Betriebsbedingungen der Vorrichtung vorlegen.
Insbesondere können der erste und zweite Widerstand Polysiliziumwiderstände sein, die auf demselben Wafer ausgestaltet sind.
Die Erfindung betrifft auch einen integrierten elektronischen Schaltkreis mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Referenzspannung, die einen ers ten Stromgenerator aufweist, der einen Strom ausgibt, der proportional zur Temperatur ist, und einen zweiten Stromgenerator, der einen Strom ausgibt, der komplementär zur Temperatur ist, und ein Mittel zur Summierung der Ströme, um eine Spannung zu erhalten, die unabhängig von der Temperatur ist. Der erste Stromgenerator weist mindestens einen Operationsverstärker und zwei Parallelzweige auf, und zwar einen ersten Zweig mit einer ersten Stromquelle, die vom Operationsverstärker, und einem ersten bipolaren Transistor, gesteuert wird, und einen zweiten Zweig mit einer zweiten Stromquelle, die vom Operationsverstärker, einem ersten Widerstand und einem zweiten bipolaren Transistor gesteuert wird.
Eine derartige Vorrichtung zum Erzeugen weist Mittel zum Reduzieren der Abhängigkeit des Stroms, der im ersten Zweig fließt, auf den Wert des ersten Widerstands auf, wobei die Mittel zum Reduzieren mindestens einen zweiten Widerstand mit einem nicht einstellbaren Wert aufweisen.
6. Liste der Figuren
Weitere Charakteristiken und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, welche als ein einfaches darstellendes und nicht einschränkendes Beispiel gegeben ist, und den angehängten Zeichnungen deutlicher, wobei:
1, die bereits oben in Bezug auf den Stand der Technik erwähnt wurde, ein Blockdiagramm einer Vorrichtung der Art "Bandlücke" zur Erzeugung einer Referenzspannung zeigt;
2, die ebenfalls oben in Bezug auf den Stand der Technik erwähnt wurde, ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung aus 1 zeigt;
3 bipolare Transistoren und Stromspiegel darstellt, die benutzt werden, um einen PTAT-Strom in der Vorrichtung aus 2 zu erzeugen;
4 Kurven von Eingangsspannungen des Operationsverstärkers 14 aus 2 in Abhängigkeit des Stroms I1 zeigt;
5 die Verschiebung der Kurve der Eingangsspannung V(IN-M) aus 4 unter Wirkung einer Änderung des spezifischen Widerstands von Komponenten, die in der Vorrichtung aus 2 benutzt werden, darstellt;
6 das allgemeine Diagramm einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Referenzspannung der Art "Bandlücke" nach der Erfindung zeigt, wobei ein zusätzlicher Widerstand R4 zum PTAT-Generator hinzugefügt wurde, um die Variationen des spezifischen Widerstands der Komponenten auszugleichen;
7 den PTAT-Generator der Vorrichtung aus 6 genauer beschreibt;
8 die Kurven zeigt, welche für die Referenzspannung repräsentativ sind, die am Ausgang einer "Bandlücke"-Vorrichtung nach dem Stand der Technik und einer "Bandlücke"-Vorrichtung nach der Erfindung in Abhängigkeit des nominalen spezifischen Widerstands von widerstandsfähigen Komponenten, die in derartigen Vorrichtungen benutzt werden, erzeugt wurde;
9 die Kurven zeigt, welche für die Referenzspannung repräsentativ sind, die am Ausgang einer Vorrichtung der Art "Bandlücke" nach dem Stand der Technik und einer Vorrichtung der Art "Bandlücke" nach der Erfindung in Abhängigkeit der Temperatur erzeugt wurde;
10 ein Histogramm von Referenzspannungsmessungen VREF am Ausgang einer Vorrichtung nach der Erfindung, die aus 7 getrennten (Silizium-) Wafern gefertigt sind, zeigt.
7. Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Das Hauptziel der Erfindung basiert auf der Einführung von Mitteln zur Reduzierung der Abhängigkeit vom Wert der Widerstände vom Strom der Art PTAT in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Referenzspannung durch die Summierung von Strömen.
Das Problem des Stands der Technik, das die Erfindung zu lösen sucht, wird mit Bezug auf 3 bis 5 vorgelegt.
Dazu stellt 3 den Stromgenerator der Art PTAT mit der Bezugsziffer 10 detailliert dar, der in 1 und 2 gezeigt ist. Diese Art von Generator 10 weist zwei Parallelzweige 31 und 32 auf:

– der erste Zweig 31 weist einen ersten bipolaren Transistor Q1 der pnp-Art auf und eine Stromquelle, die durch den PMOS-Transistor M1 gebildet ist, welcher im Stromspiegel vorgesehen ist;
– der zweite Zweig 32 weist einen zweiten bipolaren Transistor Q2 der pnp-Art auf und eine Stromquelle, die durch den PMOS-Transistor M1 gebildet ist, welcher im Stromspiegel und einem ersten Widerstand R1 vorgesehen ist.

Ein zusätzlicher PMOS-Transistor M0 und eine Stromquelle I0 wurden hinzugefügt, um den bipolaren Transistoren Q1 und Q2 Strom zuzuführen.
Die Spannungen an den Punkten in_p und in_m, die als V(in_p) und V(in_m) bezeichnet werden, stellen die beiden Eingangsspannungen an den Punkten A und B des Operationsverstärkers 14 in 1 und 2 in Abhängigkeit des (identischen) Stroms, der an diesen Punkten A und B eingespritzt wird, dar. Wie in 4 dargestellt, die die Entwicklung dieser beiden Spannungen V(in_p) und V(in_m) in Abhängigkeit des Stroms 11 in Zweigen 31 und 32 zeigt, V(in_p) = V(in_m) am Stellort P ("regulating point"). Es sei bemerkt, dass in 4 die Abszisse der zwei Kurven dem (identischen) Strom, der an den Punkten A und B eingespritzt wird, entspricht (in Zehnern von Mikroampere [μ]A ausgedrückt, und zwar 1.^e-5 A). Die Ordinate dieser Kurven entspricht der Spannung an den Punkten A und B, die in Volt V ausgedrückt wird.
Wenn der Wert des Widerstands R1 abnimmt (aufgrund der Variationen der technologischen Parameter seiner Herstellung, die auch "Verfahrensvariationen" genannt werden), wächst der Strom
im zweiten Zweig 32 gemäß der Gleichung:
nach einer linearen Variation.
Der Stellort P der Vorrichtung zum Erzeugen der Art "Bandlücke" (mit anderen Worten der Punkt, bei dem V(in_p) = V(in_m)), bewegt sich dann vom Punkt P zum Punkt P' unter der Wirkung der Verschiebung der Kurve, die für die Spannung V(in_m), wie in 5 gezeigt, repräsentativ ist. Wiederum entspricht die Abszisse der zwei Kurven dem (identischen) Strom, der an den Punkten A und B eingespritzt wird (in Zehnern von Mikroampere [μ]A ausgedrückt, und zwar 1.e-5 A). Die Ordinate dieser Kurven entspricht der Spannung an den Punkten A und B, die in Volt V ausgedrückt wird.
Der Stellort P entspricht einem anfänglichen Wert des Widerstands R1 und der neue Stellort P' entspricht einer Reduzierung um 20 % des Wertes von R1 im Vergleich zum Punkt P.
Gleichzeitig nimmt der Strom, der durch den Widerstand R2 des CTAT-Stromgenerators 11 in 1 und 2 verläuft, zu, da die Emitter-Basis-Spannung V_BE1 des bipolaren Transistors Q1 ebenfalls zunimmt. Denn:
wobei IS1 eine Konstante ist und V_R2 die Spannung an den Anschlüssen des Widerstands R₂ bezeichnet; und
Infolgedessen, wenn der Wert des Widerstands R1 in Abhängigkeit der Verfahrensvariationen (typischerweise in einem Verhältnis von ungefähr 20 %) abnimmt, nehmen die Ströme I1 und I2 nach der Verschiebung des Stellorts P, der in 5 dargestellt ist, zu, und die Spannung, die am Ausgang der Vorrichtung zum Erzeugen der Referenzspannung (der Art "Bandlücke") bereitgestellt ist, nimmt dann nach der Gleichung VREF = Rs(I1 + I2) zu.
Wie oben erwähnt, nimmt jedoch der Strom I1 linear mit R1 nach einem K/R1-Gesetz zu, wobei K eine Konstante ist (da
wohingegen der Strom 12 linear mit R2 nach einem K'/R2-Gesetz zunimmt, wobei K' eine Konstante ist, und ferner nach einem In(I/R1)-Gesetz auf logarithmische Weise.
Somit bleibt im Ausdruck
der erste Begriff der Gleichung in Rs/R₁ konstant, wenn der spezifische Widerstand der Polysiliziumkomponenten variiert, wohingegen der zweite Begriff in Abhängigkeit des absoluten Werts des spezifischen Widerstands p dieser Komponenten variiert.
Die globale Wirkung ist daher zweifach:

– einerseits besteht eine Zunahme der Dispersion der Ausgangsspannung VREF;
– andererseits wird der Temperaturkoeffizient der VREF-Spannung durcheinander gebracht, da der Strom 12 (der negativ von der Temperatur, der Art CTAT, abhängt) schneller zunimmt als der Strom I1 (der positiv von der Temperatur, der Art PTAT, abhängt).

Die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung schlagen zur Behebung dieser Probleme eine neue Art von Vorrichtung zum Erzeugen von Referenzspannung vor, wobei eine bestimmte Ausführungsform davon in 6 dargestellt ist.
Der Schaltkreis in 6 entspricht dem Schaltkreis in 1 und 2, wobei ein zusätzlicher Transistor R4 in Reihe im zweiten Stromzweig 32 des Stromspiegels des PTAT-Stromgenerators 10 hinzugefügt wurde. Einem derartigen zusätzlichen Widerstand R4 mit nicht einstellbarem Wert liegt die Aufgabe zugrunde, die Empfindlichkeit der Ausgangsspannung VREF gegenüber den Variationen der Werte der widerstandsfähigen Komponenten der Vorrichtung zu reduzieren.
Genauer kann die Wirkung des Widerstands R4 im Diagramm in 7 dargestellt werden. I_M, stellt den Strom dar, der im ersten Zweig 31 des PTAT-Generator fließt und I_M2 stellt den Strom dar, der im zweiten Zweig 32 des PTAT-Generators fließt.
Die Beziehung zwischen den Werten der Ströme I_M1 und I_M2 kann in folgender Form ausgedrückt werden:
wobei V_gsM1 und V_gsM2 die Spannung zwischen dem Gate und der Quelle der Transistoren M1 bzw. M2 bezeichnet, und VT die Grenzspannung dieser Transistoren ist.
Wenn der Wert von R1 abnimmt, nimmt der Strom I_M2, der durch den Transistor M2 läuft, wie oben unter Bezugnahme auf 3, zu. Zur gleichen Zeit nimmt auch der Wert des Widerstands R4 ab, da die Widerstände R1 und R4 unter Benutzung derselben Technologie ausgestaltet werden: zum Beispiel sind R1 und R4 beide Polysiliziumwiderstände, die auf demselben Wafer ausgestaltet wurden.
Es sei bemerkt, dass der Widerstand R4 einen nicht einstellbaren Wert aufweist. Hier wandeln die Verfahrensvariationen den Wert dieses Widerstands leicht ab. Es besteht kein Bedarf an einem Eingriff zum Einstellen ("Trimmen") des Wertes von R4.
Wenn R4 abnimmt, nimmt (V_gsM1 – V_gsM2) ebenfalls ab und somit wird auch das Verhältnis I_M1/I_M2 reduziert.
Zusammengefasst werden zwei entgegengesetzte Wirkungen erhalten:

– einerseits nimmt der Wert des Stroms I_M2 aufgrund der Reduzierung von R1 zu;
– andererseits nimmt das Verhältnis I_M1/I_M2 aufgrund der Reduzierung des Wertes von R4 ab.

Es ist daher möglich, durch das Einstellen des Verhältnisses R4/R1 den Strom I_M1 praktisch konstant zu halten, wenn sich der spezifische Widerstand der Komponenten in Abhängigkeit der Variationen der technologischen Parameter ändert.
Die Spannung V_BE1 bleibt dann konstant und der CTAT-Strom
hängt nur von R2 ab.
Somit schlägt die Erfindung eine Technik zur Erzeugung einer Referenzspannung mit besserer Präzision vor, als dies mit Techniken nach dem Stand der Technik möglich ist, aufgrund einer Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber den Werten der Widerstände und die keine Wiedereinstellung des Wertes der Komponenten erfordert, wenn Variationen der Temperatur, der Stromversorgung usw. vorkommen.
Um wiederum dieselben Schreibweisen zu benutzen, die oben unter Bezugnahme auf 3 benutzt wurden, ändert sich der Strom I1 = I_M2 in Abhängigkeit des Widerstands der Komponenten nach einem linearen Gesetz in K/R (wobei R ein Widerstandswert ist und K eine Konstante ist) und der Strom 12 ändert sich ebenfalls in Abhängigkeit des Widerstands der Komponenten nach einem quasi linearen Gesetz. Demgemäß kann der Temperaturkoeffizient der Referenzspannung, die am Ausgang der Vorrichtung erzeugt wurde VREF = Rs(I1 + I2) genauer sein, da die Dispersion des Verhältnisses I1/I2 reduziert wird.
Dies ist in 8 dargestellt, welche die Variation der Referenzspannung VREF in Abhängigkeit der Variationen des spezifischen Widerstands von Komponenten einer Vorrichtung zum Erzeugen von Referenzspannung zeigt:

– wie in 2 dargestellt, d.h. ohne zusätzlichen Widerstand R4 (Kurvenreferenz 81);
– wie in 7 dargestellt, d.h. mit einem zusätzlichen Widerstand R4 nach der Erfindung (Kurvenreferenz 82).

Die Abszisse der Kurven in 8 stellt den spezifischen Widerstand von Polysilizium hinsichtlich des nominalen spezifischen Widerstands dar (somit entspricht zum Beispiel eine Abszisse von 1,2 einer Zunahme des spezifischen Widerstands um 20 %) und die Ordinate VREF entspricht der "Bandlücke"-Ausgangsspannung, die in Volt ausgedrückt wird.
Wie ersichtlich, ist die VREF-Referenzspannung, die am Ausgang der "Bandlücke"-Vorrichtung nach der Erfindung bereitgestellt ist, praktisch unabhängig von den Verfahrensvariationen: tatsächlich bleibt, wenn der spezifische Widerstand der Komponenten der Vorrichtung sich entwickelt, die VREF-Spannung trotzdem fast konstant (Kurvenreferenz 82). Jedoch fiel nach dem Stand der Technik (Kurvenreferenz 81) die VREF-Spannung stark ab, wenn der spezifische Widerstand der Komponenten zunahm.
9 zeigt die Entwicklung der VREF-Referenzspannung in Abhängigkeit der Temperatur für jeden der beiden Fälle (mit (Kurvenreferenz 91) oder ohne (Kurvenreferenz 92) zusätzlichen Widerstand R4), für einen spezifischen Widerstand von Polysiliziumkomponenten, die 1,2 Mal ihrem nominalen spezifischen Widerstand entsprechen.
In 9 stellt die Abszisse der Kurven die Temperatur dar, die in Grad Celsius (°C) ausgedrückt wird, dar und ihre Ordinate stellt die Ausgangsspannung VREF der "Bandlücke" dar, die in Volt (V) ausgedrückt wird. In beiden Fällen beträgt die Variation von VREF mit der Temperatur für einen spezifischen Widerstand von Polysilizium gleich 1 praktisch null.
Wie ersichtlich, ist die Stabilität der VREF-Spannung, die am Ausgang von der "Bandlücke"-Vorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur erzeugt wurde, im Fall nach der Erfindung besser, bei dem ein Widerstand R4 in Reihe im Zweig 32 des Stromspiegels des PTAT-Generators 10 hinzugefügt wurde.
10 zeigt ein Histogramm unterschiedlicher Messungen von "Bandlücke"-Referenzspannungen VREF, die aus 7 getrennten Wafern erhalten wurden. Genauer entspricht dieses Histogramm Messungen der Ausgangsspannung der Art "Bandlücke" für eine Lösung, bei der ein Widerstand R4 hinzugefügt wurde. Diese Messungen wurden bei 25 °C durchgeführt. Die Abszisse des Histogramms entspricht den unterschiedlichen gemessenen Werten der Spannung VREF (in Volt) und die Ordinate jedes Balkens im Histogramm stellt die Frequenz (d.h. die Anzahl an Teilen) für jeden Wert der Spannung VREF, die in der Abszisse gezeigt ist, dar (daher steht mit den Werten, die auf der Ordinate erhalten wurden, keine Messeinheit in Verbindung).
Es können weitere Ausführungsformen der Erfindung in Betracht gezogen werden. Im oben dargestellten Beispiel in Bezug auf 6 bestehen die Mittel zum Reduzieren der Abhängigkeit vom Wert des Widerstands R1 des Stroms, der im ersten Zweig 31 des PTAT-Stromgenerators fließt, aus einem Widerstand R4, der in Reihe in diesem Zweig platziert ist.
Diese Mittel könnten jedoch auch aus einem zusätzlichen Strom bestehen, der in einen ersten Zweig 31 des PTAT-Stromgenerators eingespritzt wurde, der die Variationen im Strom IM1 aufgrund der Änderung des spezifischen Widerstands von R1 ausgleichen würde. Insbesondere könnten diese Mittel aus einer zusätzlichen Stromquelle bestehen, die proportional zum Strom I1 ist, der parallel auf dem bipolaren Transistor Q1 angeordnet wird.
Diese Mittel könnten auch aus einem oder mehreren zusätzlichen Widerständen bestehen, die außerhalb des PTAT-Stromgeneratorschaltkreises 10 liegen.
Es sei außerdem bemerkt, dass die Benutzung der präzisen Widerstände R1, R2 und Rs, die außerhalb des Schaltkreises liegen, auch die Stabilität des Widerstands verbessern könnten aber die Anzahl an Eingängen/Ausgängen, sowie die Anzahl an Komponenten, die benutzt werden, erhöhen würde und daher eine umfassende Zunahme der Kosten der "Bandlücke"-Vorrichtung nach der Erfindung bewirken würde.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Referenzspannung, mit einem ersten und einem zweiten Stromgenerator, der jeweils einen zur Temperatur proportionalen Strom und komplementären Strom liefert, und Summierungsmittel dieser Ströme, so dass eine Spannung, die unabhängig von dieser Temperatur ist, erhalten wird, wobei der erste Stromgenerator zumindest einen Operationsverstärker (14) und zwei Parallelzweige aufweist, wobei ein erster Zweig (31) eine erste Stromquelle und einen ersten bipolaren Transistor aufweist und ein zweiter Zweig (32) eine zweite Stromquelle, einen ersten Widerstand (R1) und einen zweiten bipolaren Transistor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zur Reduzierung der Abhängigkeit vom Wert des ersten Widerstands (R1) des Stroms, der in dem ersten Zweig (31) fließt, aufweist, wobei diese Reduzierungsmittel zumindest einen zweiten Widerstand von nicht verstellbarem Wert (R4) aufweisen, der in Reihe in dem zweiten Zweig (32) zwischen der zweiten Stromquelle und einer Speisung der Vorrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung zum Erzeugen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierungsmittel derart wirken, dass sie den Strom, der in dem ersten Zweig (31) fließt, erhöhen bzw. reduzieren, wenn der spezifische Widerstand des ersten Widerstands (R1) größer bzw. kleiner als ein Referenzwert ist.
Vorrichtung zum Erzeugen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand (R4) auf dem zweiten Zweig (32) auf einer Verbindung, die zwischen der ersten und zweiten Stromquelle erstellt wurde, vorgesehen ist.
Vorrichtung zum Erzeugen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand (R4) derart gewählt ist, dass das Verhältnis zwischen dem zur Temperatur proportionalen und komplementären Strom in einem vorherbestimmten Wertebereich bleibt, wenn der Wert des ersten Widerstands (R1) variiert.
Vorrichtung zum Erzeugen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Widerstand nach einer gleichen Technologie verwirklicht sind, so dass ein gleiches Verhalten in Abhängigkeit der Variationen der Betriebsbedingungen der Vorrichtung vorgelegt wird.
Vorrichtung zum Erzeugen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Widerstand Polysiliziumwiderstände sind, die auf einem gleichen Wafer ausgestaltet sind.
Elektronische integrierte Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Referenzspannung nach Anspruch 1 aufweist.