DE60301431T2

DE60301431T2 - Bandabstands-Referenzspannungsquelle mit differentiellen Paaren zur Kompensation der Temperaturkurve

Info

Publication number: DE60301431T2
Application number: DE60301431T
Authority: DE
Inventors: Bernard Robert Jr. Pocatello Gregoire
Original assignee: AMI Semiconductor Inc
Current assignee: AMI Semiconductor Inc
Priority date: 2002-04-29
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: EP1359490B1; ATE303629T1; DE60301431D1; EP1359490A2; EP1359490A3; US6642699B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Bandabstands-Referenzspannungsquellenschaltungen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Schaltungen und Verfahren, um eine temperatur-stabile Bandabstands-Referenzspannungsquelle unter Verwendung von differentiellen Paaren bereitzustellen, um einen Strom mit Temperaturkurvenkompensation bereitzustellen.
Die Genauigkeit von Schaltungen hängt häufig vom Zugriff auf eine stabile Gleichstrom-Referenzspannung (DC-Referenzspannung) ab. Eine Klasse von Schaltungen, welche DC-Referenzspannungen erzeugt, wird als "Bandabstands-Referenzspannungsschaltungen" oder kurz als "Bandabstandsreferenzen" bezeichnet. Bandabstandsreferenzen nutzen die Bandabstandsspannung des darunterliegenden Halbleitermaterials (häufig kristallines Silizium), um eine interne DC-Referenzspannung zu erzeugen, die auf der Bandabstandsspannung basiert.
Viele Bandabstands-Referenzspannungsquellen fördern die Vorspannung des Basis-Emitter-Bereichs eines bipolaren Transistors, um eine Spannung V_BE über dessen Basis-Emitter-Bereich zu bilden. V_BE wird dann dazu verwendet, die interne DC-Referenzspannung zu erzeugen. V_BE enthält jedoch einige Temperaturabhängigkeiten erster Ordnung, zweiter Ordnung und höherer Ordnung. Viele Bandabstands-Referenzquellen beseitigen im Wesentlichen die Temperaturabhängigkeit erster Ordnung, wobei eine PTAT-Spannung (Proportional-To-Absolute-Temperature) V_BE hinzugefügt wird.
Eine derartige Bandabstands-Spannungsreferenzsschaltung ist in der US-PS 3 887 863 offenbart (anschließend als '863-Patent bezeichnet), welche am 3. Juni 1975 für A.P.Brokaw ausgegeben wurde. Die in dem '863-Patent offenbarte Spannungsreferenzschaltung bezieht sich auf eine Bandabstandszelle, die allgemein als "Brokaw cell (Brokaw-Zelle)" bezeichnet wird.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Standard-Brokaw-Zelle 100 gezeigt. Die Brokaw-Zelle 100 besitzt zwei paarweise angeordnete Bipolar-Transistoren (Q1 und Q2) und zwei paarweise angeordnete Widerstände (R₁ und R₂). Der Bereich der Basis-Emitter-Bereiche in Q1 und Q2 ist mit A bzw. 1 bezeichnet, wobei A größer als 1 ist.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung 200 gezeigt, die eine Brokaw-Zelle 100 enthält. Zusätzlich zur Brokaw-Zelle 100 besitzt die Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung 200 einen Operations-Übergangs-Widerstandverstärker R, sowie ein Widerstandspaar R₃ und R₄, die erlauben, dass die Referenzausgangsspannung (V_OUT) die Bandabstandsspannung übersteigt.
Während des Betriebs entwickelt sich eine Spannung V_BE über dem Basis-Emitter-Bereich des Bipolar-Transistors Q2. Außerdem entwickelt sich eine PTAT-Spannung (als V_PTAT bezeichnet) über dem Widerstand R₂. Die Basis-Emitter-Spannung (V_BE) eines bipolaren Übergangstransistors hat einen negativen Temperaturkoeffizienten allgemein zwischen – 1,7mV/°C und –2mV/°C. Anders ausgedrückt, wenn die Betriebstemperatur eines Bipolar-Transistors dabei ist, sich um 1 °C zu erhöhen, würde die Basis-Emitter-Spannung sich um eine Spannung im Bereich von 1,7 bis 2mV vermindern. Im Gegensatz dazu hat die PTAT-Spannung einen positiven Temperaturkoeffizienten. Wenn anders ausgedrückt die Temperatur ansteigt, so steigt die PTAT-Spannung an. Durch Anpassen des Temperaturkoeffizienten V_BE von Q2 an den Temperaturkoeffizienten von V_PTAT von R₂ kann der Temperaturkoeffizient von V_B erster Ordnung auf null eingestellt werden (oder zumindest sehr nahe auf null), um dadurch die Temperaturabhängigkeit signifikant zu reduzieren.
Obwohl die Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung im Wesentlichen Temperaturabhängigkeiten erster Ordnung in der Ausgangsspannung beseitigt, verbleiben Temperaturabhängigkeiten zweiter und höherer Ordnung. Insbesondere hat ein Diagramm mit einer Temperatur auf der x-Achse und der Ausgangsspannung auf der y-Achse eine ungefähr parabolische Kurve zur Folge, die ein Maximum bei ungefähr der Umgebungstemperatur der Bandabstands-Referenzspannung erreicht.
Einige herkömmliche Bandabstands-Referenzspannungsquellen reduzieren sogar im Wesentlichen vieles von Temperaturschwankungen zweiter und höherer Ordnung in der Ausgangsspannung. Eine derartige Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung ist in der US-PS 5 767 664 offenbart (anschließend als '664-Patent bezeichnet), die am 16. Juni 1998 an B.L. Price ausgegeben wurde. 3 zeigt diese Bandabstands-Referenzspannungsquelle 300.
Die Bandabstands-Referenzspannungsquelle 300 besitzt die herkömmliche Bandabstands-Referenzspannungsquelle 200 von 2, und sie besitzt außerdem eine V-I-Umsetzerschaltung 304 mit zwei differentiellen Segmentpaaren 306, die aus MOSFETs M1-M4 bestehen. Eine Stromspiegelschaltung 308 ist mit den MOSFETs M5 und M6 gebildet, um einen Korrekturstrom I_CORR vom V_B-Knotenpunkt zu extrahieren. Der Korrekturstrom reduziert einen signifikanten Bereich der verbleibenden Temperaturabhängigkeiten, welche in der Bandabstands-Referenzspannungsquelle 200 vorhanden wären. Somit ist die Spannung am Knotenpunkt V_B relativ temperatur-stabil. Als Konsequenz ist die Ausgangsspannung der Bandabstands-Referenzspannungsquelle 300 eine DC-Spannung, welche bei Temperaturänderungen im Vergleich zur früheren Bandabstands-Referenzspannungsquelle 200 relativ stabil ist.
Um für den Korrekturstrom-Temperaturfehler zu reduzieren, werden die differentiellen Paare 306 abgestimmt, um eine geeignete Stromkomponente bei vorgegebenen Temperaturen bereitzustellen. Eine Stromquelle 308 ist für jedes differentielle Paar 306 vorgesehen. Eine PTAT-Spannung wird an den Gate-Anschluss des linken MOSFET in jedem differentiellen Paar angelegt (beispielsweise M1 für das differentielle Paar 306' und M3 für das differentielle Paar 306''). Eine im Wesentliche konstante Spannung wird am Gate-Anschluss des rechten MOSFET in jedem differentiellen Paar angezapft (beispielsweise M2 für das differentielle Paar 306', und M4 für das differentielle Paar 306''). Wenn sich die Temperatur ändert, wird sich die Spannung, die an das Gate des linken MOSFET in jedem differentiellen Par angelegt wird, ändern. Es sei angemerkt, dass die relativ konstante Spannung, welche an das Gate des MOSFET M2 angelegt wird, niedriger sein wird als die relativ konstante Spannung, die an das Gate des MOSFET M4 angelegt wird, aufgrund der Spannungsteilung, welche durch die Widerstände R_4A, R_4B und R_4C vorgesehen ist.
Ein jedes der differentiellen Paare 306 erzeugt eine Komponente des Korrekturstroms. Beispielsweise sei das differentielle Paar 306' betrachtet, welches bei einer Komponente des Korrekturstroms beiträgt. Bei sehr niedrigen Temperaturen ist die Gate-Spannung des MOSFET M1 niedriger als die Gate-Spannung bei M2. Folglich wird das meiste des Stroms I₁ über M1 abgeleitet, um zum I_CORR über die Stromspiegelschaltung 308 beizutragen. Jedoch ist der MOSFET M4 im Wesentlichen ausgeschaltet. Folglich ist bei niedrigeren Temperaturen der Korrekturstrom ungefähr proportional zum Strom I₁.
Wenn die Temperatur ansteigt, wird die Gate-Spannung von M1 die gleiche wie die Gate-Spannung von M2. Somit würde lediglich eine Hälfte des Stroms I₁ durch M1 laufen, um zum Krümmungskorrekturstrom I_CORR beizutragen. Diese Temperatur wird häufig als "Kreuzungspunkt" bezeichnet. Bei sehr hohen Temperaturen ist die Gate-Spannung M1 höher als die Gate-Spannung von M2. Somit läuft sehr wenig des Stroms I₁ durch M1, um zum Fehlerstrom beizutragen.
Folglich kann man durch Einstellen des Kreuzungspunkts jedes differentiellen Paars das Stromverteilungsprofils jedes differentiellen Paars ändern, bis die Summe der Beiträge einen korrekten Strom zur Folge hat, der allgemein den Temperaturfehler in der Ausgangsspannung reduziert. In 3 werden die Kreuzungspunkte durch Feinabstimmung der Werte der Widerstände R_4A, R_4B und R_4C eingestellt.
Die Bandabstands-Referenzspannungsquelle 300 liefert eine signifikante Verbesserung des Standes der Technik. Es gibt jedoch einen gewissen Grad an Temperaturabhängigkeit in der Ausgangsspannung trotz des Korrekturstroms. Somit werden Bandabstandsschaltungen und Verfahren für eine genaue Erzeugung eines Korrekturstroms gewünscht, so dass Temperaturabhängigkeiten des erzeugten Ausgangsstroms sogar immer weiter reduziert werden können.
Die US-5 125 112 erläutert eine temperatur-kompensierte Stromquelle. Die Stromquelle arbeitet durch Abtasten einer ersten Referenzspannung, um einen zweiten Referenzstrom zu steuern. Die Ausbildung der Stromquelle umfasst eine Einrichtung, einen gewünschten Temperaturkoeffizienten des zweiten Referenzstroms aufrechtzuerhalten. Die Einrichtung zum Beibehalten eines gewünschten Temperaturkoeffizienten umfasst einen Differenzverstärker mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang, die mit entsprechenden Spannungsquellen verbunden sind, die entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten haben.
Die obigen Schwierigkeiten beim Stand der Technik wurden erfolgreich durch die vorliegende Erfindung überwunden, die sich auf Bandabstands-Referenzschaltungen und Verfahren richtet, die einen Korrekturstrom unter Verwendung von differentiellen Paaren erzeugen, wobei positive wie auch negative Temperaturdrift-Spannungsquellen verwendet werden, um Stromlenkung oder Stromableitung in jedem differentiellen Paar durchzuführen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung, wie diese im beigefügten Patentanspruch 1 definiert ist, bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung eine Bandabstands-Spannungsquelle, die aufgebaut ist, eine Bandabstandsspannung während des Betriebs zu erzeugen, wobei die Bandabstandsspannung starke Temperaturabhängigkeiten hat. Beispielsweise kann eine Bandabstands-Spannungsreferenzquelle ein bipolarer Transistor sein, der einen in Durchlassrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergang hat. In diesem Fall würde die Spannung am Basis-Emitter-Bereich (V_BE) eine Bandabstandsspannung sein, die starke Temperaturabhängigkeiten hat. Diese Temperaturabhängigkeiten umfassen Temperaturabhängigkeiten erster, zweiter und höherer Ordnung. Eine PTAT-Spannungsquelle kann eine PTAT-Spannung der Bandabstandsspannung hinzufügen, um im We sentlichen Temperaturabhängigkeiten erster Ordnung zu reduzieren. Sogar in diesem Fall würden Temperaturabhängigkeiten zweiter und höherer Ordnung noch verbleiben.
Die Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung besitzt außerdem ein oder mehrere differentielle Paare. Jedes differentielle Par umfasst eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, welche eine Spannung erzeugt, die eine negative Temperaturverschiebung hat (d.h:, die Spannung wird reduziert, wenn die Temperatur ansteigt), sowie eine Spannungsquelle, welche eine Spannung erzeugt, die eine positive Temperaturverschiebung hat (d.h., die Spannung steigt an, wenn die Temperatur ansteigt). Bei einem der MOSFETs des differentiellen Paars ist dessen Gate-Anschluss mit der positiven Temperaturverschiebespannung gekoppelt, während der andere Gate-Anschluss des MOSFET mit der negativen Temperaturverschiebespannung gekoppelt ist. Damit nutzen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung eine positive und eine negative Temperaturverschiebespannung, um Stromableitung in den differentiellen Paaren zu steuern. Dies steht im Gegensatz zu den herkömmlichen Bandabstands-Referenzspannungsquellen, die lediglich die positive Temperaturverschiebespannung nutzen, um Stromableitung in differentiellen Paaren zu steuern.
Die Verwendung von sowohl positiver als auch negativer Temperaturverschiebespannungen, um die Stromableitung zu steuern, hat signifikante Vorteile zur Folge. Insbesondere, wenn die Temperatur ansteigt, wird nicht nur ein MOSFET eingeschaltet, sondern der andere MOSFET auch ausgeschaltet. Dies hat eine schnellere Konvergenz von einem Gesamtmitwirkungszustand zur Folge, bei dem ein MOSFET eingeschaltet wird, um zuzulassen, dass der gesamte Strom von der Stromquelle zum Korrekturstrom beiträgt, zu einem Nullmitwirkungszustand, bei dem der MOSFET völlig abgeschaltet wird, wobei zugelassen wird, dass keiner der Ströme von der Stromquelle zum Korrekturstrom beiträgt. Dies erlaubt bessere Auflösung beim Ausbilden eines Korrekturstroms. Außerdem können genauere Korrekturströme erzeugt werden, um eine Ausgangsspannung, die temperatur-stabiler ist, zu erzeugen.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der Beschreibung herausgestellt, die folgt, und die insbesondere aus der Beschreibung offensichtlich sind, oder die durch die Ausübung der Erfindung erlernt werden können. Die Merkmale und Vorteile der Erfindung können mittels der Instrumente und Kombinationen realisiert und erhalten werden, die insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen herausgestellt sind. Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen deutlicher, oder sie können durch die Ausübung der Erfindung, wie sie nachfolgend beschrieben wird, erlernt werden.
Damit die oben angegebenen und weiteren Vorteile der Erfindung erhalten werden, wird eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung, die oben kurz erläutert wurde, mit Hilfe spezieller Ausführungsformen angegeben, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es sei verstanden, dass diese Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen der Erfindung zeigen und daher nicht dazu angesehen werden, deren Rahmen zu beschränken, wobei die Erfindung durch zusätzliche ausführliche Erläuterung und Details durch die Anwendung der beiliegenden Zeichnungen beschrieben und erläutert wird, in denen:
1 eine herkömmliche Bandabstandszelle zeigt, die in vielen herkömmlichen Bandabstands-Referenzspannungsquellen gemäß dem Stand der Technik eingebaut ist;
2 eine herkömmliche Bandabstands-Referenzquelle zeigt, bei der kein Korrekturstrom gemäß dem Stand der Technik verwendet wird;
3 eine herkömmliche Bandabstands-Referenzspannungsquelle zeigt, welche einen Korrekturstrom gemäß dem Stand der Technik verwendet;
4 eine Bandabstands-Referenzspannungsquelle zeigt, bei der ein Korrekturstrom gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
5 eine Korrekturstromquelle von 4 ausführlicher zeigt, die zeigt, wie die Differenzpaare (differentiellen Paare) Stromlenkung unter Verwendung von sowohl positiver als negativer Temperaturverschiebe-Gate-Spannungen durchführen;
6 ein Diagramm der Temperaturabhängigkeiten verschiedener Gate-Spannungen zeigt, die verwendet werden, wenn es drei Differenzpaare gibt, die zum Korrekturstrom beitragen;
7 ein Diagramm der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Temperatur für den nicht korrigierten Strom zeigt, der eine parabolische Form hat, einen Korrekturstrom, bei dem zwei Differenzpaare verwendet werden, um den Korrekturstrom zu erzeugen, und einen Korrekturstrom, bei dem drei Differenzpaare verwendet werden, um den Korrekturstrom zu erzeugen; und
8 ein Diagramm des Korrekturstroms in Abhängigkeit von Temperatur zeigt, wenn drei Differenzpaare verwendet werden, um den Korrekturstrom zu erzeugen.
Die Erfindung wird anschließend unter Verwendung von Diagrammen beschrieben, um entweder den Aufbau oder die Verarbeitung von Ausführungsformen zu zeigen, die verwendet werden, die Schaltungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung einzubinden. Die Verwendung der Diagramme in dieser Art und Weise, um die vorliegende Erfindung zu zeigen, sollte nicht dazu angesehen werden, den Rahmen der Erfindung zu beschränken. Es werden anschließend spezielle Ausführungsformen beschrieben, um das Verständnis der allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Verschiedene Modifikationen und Variationen werden dem Fachmann deutlich, nachdem er diese Offenbarung nachgeprüft hat.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Bandabstands-Referenzspannungsquelle, die eine DC-Spannung, die temperatur-stabil ist, erzeugt. Die Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung umfasst eine Bandabstands-Spannungsquelle, die aufgebaut ist, eine Bandabstandsspannung während des Betriebs zu erzeugen. Die Bandabstandsspannung besitzt eine Temperaturabhängigkeit zweiter Ordnung, die durch einen Korrekturstrom kompensiert wird. Der Korrekturstrom kann durch eine Reihe von einem oder mehreren Differenzpaaren erzeugt werden. Jedes Differenzpaar umfasst eine Stromquelle, bei der der Strom durch jeden der beiden parallelen Transistoren gelenkt wird. Der Strom, der durch einen der Transistoren läuft, trägt zum Korrekturstrom bei. Die Strommitwirkung von jedem des einen oder der mehreren Differenzpaare wird addiert, um den gesamten Korrekturstrom zu erzeugen.
Durch Einstellen des Kreuzungspunkts in jedem der Differenzpaare kann der Korrekturstrom so ausgebildet werden, um im Wesentlichen den ursprünglichen Temperaturfehler in der Ausgangsspannung zu versetzen. Da außerdem sowohl positive als auch negative Temperaturverschiebespannungen verwendet werden, um den Strom in den Differenzpaaren zu lenken, trägt jedes Differenzpaar zu einer höheren Auflösungsstromkomponente bei, die für die parabolischen Temperaturfehler zweiter Ordnung geeignet ist, welche durch herkömmliche Bandabstands-Referenzspannungsquellen erzeugt werden.
4 zeigt eine Bandabstands-Referenzspannungsquelle 400 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Bandabstands-Referenzspannungsquelle 400 weist eine Bandabstands-Spannungsquelle 410 auf, die aufgebaut ist, eine Bandabstandsspannung V_BE zu erzeugen, welche Temperaturabhängigkeiten während des Betriebs hat. Die Bandabstands-Referenzspannungsquelle besitzt einen Operationsverstärker 411, der einen positiven Eingangsanschluss hat, der mit dem Emitter-Anschluss eines bipolaren Transistors 412 gekoppelt ist. Der Basis-Anschluss und der Kollektor-Anschluss des bipolaren Transistors 412 sind geerdet. Der Operationsverstärker 411 besitzt eine positive Rückführungsschleife über einen Widerstand R2, und eine negative Rückführungsschleife über einen Widerstand R1. Der Knotenpunkt, der die Spannung V_BE führt, ist mit dem Emitter-Anschluss eines zweiten Bipolar-Transistors 413 über einen Widerstand R0 gekoppelt. Der Basis-Anschluss und der Kollektor-Anschluss des Bipolar-Transistors 413 sind ebenfalls geerdet.
Die Bandabstands-Referenzspannungsquelle 400 nutzt eine Korrekturstromquelle 420, um einen Korrekturstrom I_CORR auf einer Additionsstromleitung 421 zu erzeugen. Die Additionsstromleitung 421 ist mit der Bandabstands-Spannungsquelle 410 gekoppelt, so dass der Korrekturstrom I_CORR zumindest teilweise die Temperaturabhängigkeiten kompensiert, die in der Bandabstandsspannung vorhanden sind. Im gezeigten Beispiel ist die Additionsstromleitung 421 mit dem Knotenpunkt A gekoppelt.
Es sei angemerkt, dass es eine große Vielzahl von Bandabstands-Referenzspannungsquellen gibt, die dazu verwendet werden können, eine Bandabstandsspannung zu erzeugen. Die gezeigte Bandabstands-Spannungsquelle 410 ist lediglich ein Beispiel einer derartigen Bandabstands-Spannungsquelle. Beispielsweise kann der Korrekturstrom bei anderen Stellen der Schaltung summiert werden, die sich vom Emitter-Anschluss des Bipolar-Transistors 412 unterscheiden, obwohl der Korrekturstrom, der zum Emitter-Anschluss bereitgestellt wird, einige Vorteile bei bestimmter Anwendung hat. Insbesondere kann der Korrekturstrom größer sein, wenn der Korrekturstrom unmittelbar dem Emitter-Anschluss zugeführt wird, was bei vielen Anwendungen vorteilhaft ist. Die gezeigte Bandabstands-Spannungsquelle 410 besitzt eine eigene PTAT-Spannungsquelle, welche Temperaturabhängigkeiten erster Ordnung kompensieren kann. Insbesondere wird in Abwesenheit eines Korrekturstroms eine PTAT-Spannung am Widerstand R2 angelegt. Der Widerstand R2 kann geeignet bemessen werden, dass die Größe der PTAT-Spannung so ist, dass, wenn sie zur V_BE hinzugefügt wird, die über dem Basis-Emitter-Bereich des Bipolar-Transistors 412 erzeugt wird, die Temperaturabhängigkeiten erster Ordnung der Ausgangsspannung V_OUT im Wesentlichen reduziert oder sogar beseitigt werden.
Somit hat V_OUT ohne einen Korrekturstrom lediglich minimale Temperaturabhängigkeiten erster Ordnung und ist mit der Temperatur ziemlich stabil. Jedoch würden Temperaturabhängigkeiten zweiter und höherer Ordnung bei Nicht-Vorhandensein eines Korrekturstroms verbleiben. 7 zeigt ein Diagramm von drei Kurven. Eines, welches sich auf die Beschreibung bei diesem Punkt bezieht, ist als "nicht-korrigiert" bezeichnet. Diese Kurve ist allgemein parabolisch und erreicht ein Maximum bei ungefähr 30°C. Die nicht-korrigierte Kurve ist typisch für die Ausgangsspannung, die durch viele Bandabstands-Referenzspannungsquellen erzeugt wird, bei denen keine Korrekturströme verwendet werden. Die Vertikalachse ist genau skaliert, sogar, obwohl die nicht-korrigierte Ausgangsspannung mit der Temperatur im Bereich zwischen 1,2212V und 1,2246V ziemlich stabil ist. Es ist jedoch häufig wünschenswert, sogar stabilere DC-Spannungsreferenz-Spannungsquellen zu erzielen.
5 zeigt die Korrekturstromquelle 420 ausführlicher. Die Korrekturstromquelle 420 weist ein oder mehrere Differenzpaare DP1 bis DPN auf. Die Anzahl der Differenzpaare kann irgendeine Anzahl von Differenzpaaren von 1 aufwärts sein. Im gezeigten Beispiel sind die Differenzpaare DP1, DP2 und DPN gezeigt, die zeigen, dass es N Differenzpaare geben kann, wobei N eine beliebige ganze Zahl ist. Obwohl die gezeigten MOSFETs so dargestellt sind, PMOS-Transistoren zu sein, können diese auch NMOS- oder Bipolar-Transistoren sein, mit lediglich weniger Änderungen in Bezug auf die Schaltung, wie der Fachmann erkennen wird, nachdem er diese Beschreibung überprüft hat.
Der linke MOSFET in jedem Differenzpaar DP1 bis DPN wird durch eine entsprechende Gate-Spannung PS1 bis PSN entsprechend gesteuert. Der rechte MOSFET in jedem Differenzpaar DP1 bis DPN wird durch eine entsprechende Gate-Spannung NS1 bis NSN entsprechend gesteuert. Die Spannungen PS1 bis PSN haben eine positive Temperaturverschiebung. Anders ausgedrückt vergrößern sich die Spannungen PS1 bis PSN mit ansteigender Temperatur. Im Gegensatz dazu haben die Spannungen NS1 bis NSN eine negative Temperaturverschiebung. Anders ausgedrückt vermindern sich die Spannungen NS1 bis NSN mit ansteigender Temperatur. Die Spannungen PS1 bis PSN können alle die gleiche Spannung sein oder können zumindest einige oder alle der Spannungen, die unterschiedlich sind, sein. Das gleiche gilt für die Spannungen NS1 bis NSN.
Jedes Differenzpaar DP1 bis DPN weist eine Stromquelle I₁ bis I_N auf. Diese Stromquellen können durch einen Stromspiegel 501 erzeugt werden. Die Ströme I₁ bis I_N müssen nicht gleich sein. Es ist bekannt, dass verschiedene Stromstärken durch einen einzigen Stromspiegel erzeugt werden können. Einige der Differenzpaare (beispielsweise Differenzpaar DP1 und DP2) werden dazu verwendet, eine Korrekturstromkomponente bereitzustellen, wenn die Temperatur unterhalb der Nominaltemperatur ist. Gemäß 7 würde die Nominaltemperatur die Temperatur sein, welche den Maximalwert der nicht-korrigierten Spannung entspricht, die bei ungefähr 33°C auftritt. Für diese Differenzpaare wird der Strom, der durch die rechten MOSFETs in jedem Differenzpaar läuft (d.h., Transistoren NS1 und NS2 im gezeigten Beispiel) für eine Stromsenke, beispielsweise Masse vorgesehen. Dagegen ist der Strom, der durch die linken MOSFETs in jedem dieser Differenzpaare läuft (beispielsweise Transistoren DP1 und DP2 im gezeigten Beispiel) als Mitwirkungsstrom i₁ und i₂ vorgesehen.
Einige der Differenzpaare (beispielsweise Differenzpaar DPN) werden dazu verwendet, eine Korrekturstromkomponente bereitzustellen, wenn die Temperatur über der Nominaltemperatur ist. Für diese Differenzpaare wird der Strom, der durch die linken MOSFETs in jedem Differenzpaar fließt (beispielsweise Transistor PSN im gezeigten Beispiel) für eine Stromsenke, beispielsweise Masse bereitgestellt. Dagegen wird der Strom, der durch die rechten MOSFETs in jedem dieser Differenzpaare läuft (d.h., Transistor NSN im gezeigten Beispiel), als Mitwirkungsstrom i_N bereitgestellt. Die verschiedenen Mitwirkungsströme i₁ bis i_N werden zusammen addiert, um einen Korrekturstrom I_CORR zu erzeugen.
Im gezeigten Beispiel sind die positiven Temperaturverschiebespannungen PS1 bis PSN verschieden, die von unterschiedlichen Knotenpunkten in einer Reihe von Widerständen angezapft sind. Insbesondere läuft ein PTAT-Strom (I_PTAT) über eine Reihe von Widerständen r₁ bis r_N. Die Spannung PS1 wird vom Knotenpunkt unmittelbar über dem Widerstand r₁ angezapft, PS1 wird vom Knotenpunkt unmittelbar über dem Widerstand r₂ angezapft usw., mit Abschluss des Knotenpunkts PSN, der vom Knotenpunkt unmittelbar über den Widerstand r_N angezapft wird. Die negativen Temperaturverschiebespannungen NS1 bis NSN können V_BE sein, die vom Knotenpunkt angezapft sind, der mit V_BE in 4 bezeichnet ist. Die negativen Temperaturverschiebespannungen können auch unter Verwendung von Spannungsteilung unterschiedlich hergestellt werden.
Der Korrekturstrom sollte eng zum Temperaturfehler zweiter Ordnung in der Ausgangsspannung sein, um nützlichsten zu sein. Um den Korrekturstrom zu formen, kann ein Konstrukteur die Kreuzungspunkte in Verbindung mit dem Differenzpaar bei bestimmten Werten einstellen, da die Form des Korrekturstroms durch die Kreuzungspunkte stark diktiert wird. Um dieses Prinzip zu zeigen, sei als Beispiel eine Korrekturstromquelle angenommen, die drei Differenzpaare hat. Die positiven Temperaturverschiebe-Gate-Spannungen PS1', PS2' und PS3' werden durch Spannungsteilung erzeugt, bei der eine PTAT-Stromquelle mit 5 μA über einen Widerstand r₁ zugeführt wird, der einen Widerstand von ungefähr 12,4 kOhm hat, einen Widerstand r₂, der einen Widerstand von ungefähr 26,7 Ohm hat und einen Widerstand r₃, der einen Widerstand von ungefähr 29,1 kOhm hat. Die negativen Temperaturverschiebe-Gate-Spannungen sind in diesem Beispiel alle gleich und werden vom Knotenpunkt, der mit V_BE in 4 bezeichnet ist, angezapft.
6 zeigt ein Diagramm der Temperatur in Abhängigkeit von der Spannung für positive Temperaturverschiebe-Gate-Spannungen PS!', PS2' und PS3', und für die negative Temperaturverschiebe-Gate-Spannung V_BE. Dies hat einen Korrekturstrom zur Folge, der ein Temperaturprofil hat, welches in 8 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass der Korrekturstrom von 8 allgemein die parabolische Form der nicht-korrigierten Ausgangsspannung von 7 spiegelt. Das Nutzergebnis, wenn der Korrekturstrom zurück zur Bandabstands-Spannungsquelle 410 geführt wird, ist allgemein eine temperatur-stabile Spannung, welche durch die Kurve von 7 mit der Bezeichnung "drei Stufen" dargestellt wird. Die Kurve mit der Bezeichnung "zwei Stufen" zeigt ein Temperaturprofil, welches lediglich zwei Differenzpaarstufen hat, die verwendet werden, die Korrekturstrom zu erzeugen. Die Verwendung von zwei Differenzpaarstufen liefert ebenfalls ein relativ stabiles Temperaturprofil für die meisten Betriebstemperaturen. Bei einem Ausführungsbeispiel werden vier Differenzpaare verwendet, die zwei Kreuzungspunkte haben, unterhalb der Temperatur der maximalen nicht-korrigierten Ausgangsspannung, und die zwei Kreuzungspunkte über der Temperatur der maximalen nicht-korrigierten Ausgangsspannung haben.
Der exakte Wert für die Kreuzungspunkte wird davon abhängen, wie viel Stromvorspannung für jedes Differenzpaar es gibt und wie viele Differenzpaare es gibt. Durch Einstellen der Werte der Widerstände in den Spannungsteilungs-Reihenwiderständen, die verwendet werden, die unterschiedlichen Temperaturverschiebe-Gate-Spannungen zur erzeugen, können die Kreuzungspunkte eingestellt werden. Dies wiederum beeinträchtigt die Form des Korrekturstroms. Ein Simulator kann somit dazu verwendet werden, schnell Kreuzungspunkte herzuleiten, die geeignet sind, den Korrekturstrom zu erzeugen, um die Zustände anzugeben, die bei einer bestimmten Bandabstands-Referenzschaltung existieren.
Gemäß 7 wird angemerkt, dass die Ausgangsspannung lediglich im Bereich zwischen + oder – 100 μV für Temperaturbereich zwischen –55°C und +125°C liegt. Die Verwendung einer negativen Temperaturverschiebe-Gate-Spannung sowie einer positiven Temperatur-Gate-Verschiebe-Spannung erlaubt abruptere Änderungen bei jedem Beitrag von Differenzpaaren in Bezug auf den Korrekturstrom bei ungefähr dem Kreuzungspunkt des Differenzpaars. Somit können genauere Darstellungen des Korrekturstroms erreicht werden, was eine Verbesserung der Temperatur-Stabilität der Bandabstands-Referenzspannungsquelle zur Folge hat.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeübt werden, ohne deren Rahmen oder wesentliche Merkmale zu verlassen. Alle beschriebenen Ausführungsformen sollen in Bezug auf alle Merkmale lediglich als beispielhaft und nicht einschränkend angesehen werden. Der Rahmen der Erfindung ist daher durch die beigefügten Ansprüche bevorzugt zur obigen Beschreibung angezeigt. Alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung des Äquivalenzbereichs der Ansprüche kommen, sollen innerhalb ihres Rahmens umfasst sein.

Claims

Bandabstand-Spannungsreferenzschaltung, welche folgendes aufweist: eine Bandabstands-Spannungsquelle (410), die aufgebaut ist, eine Bandabstandsspannung während eines Betriebs der Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung zu erzeugen, wobei die Bandabstandsspannung Temperaturabhängigkeiten hat; ein oder mehrere Differenzpaare, welche folgendes aufweisen: eine Stromquelle (I₁, I₂, I_N); eine Negativtemperatur-Verschiebespannungsquelle (NS1, NS2, NSN), die eine negative Temperaturverschiebung hat; eine Positivtemperatur-Verschiebespannungsquelle (PS1, PS2, PSN), welche eine positive Temperaturverschiebung hat; eine Stromleitung (i₁, i₂, i_N), die aufgebaut ist, eine Fehlerstromverteilung von dem Differenzpaar während des Betriebs zu führen; einen ersten Transistor, der einen ersten Anschluss hat, der mit der Stromquelle verbunden ist, der einen zweiten Anschluss hat, der mit der Stromleitung verbunden ist, und der einen Steueranschluss hat, der mit einer von der Negativtemperatur-Verschiebespannungsquelle oder der Positivtemperatur-Verschiebespannungsquelle verbunden ist, wobei der Strom, der vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss läuft, durch die Spannung am Steueranschluss gesteuert wird; und einen zweiten Transistor, der einen ersten Anschluss hat, der mit der Stromquelle verbunden ist, der einen zweiten Anschluss hat, der mit einer Stromsenke verbunden ist, der einen Steueranschluss hat, der mit der anderen von der Negativtemperatur-Verschiebespannungsquelle oder der Positivtemperatur-Verschiebespannungsquelle verbunden ist, wobei der Strom, der vom ersten Anschluss des zweiten Transistors zum zweiten Anschluss des zweiten Transistors läuft, durch die Spannung am Steueranschluss des zweiten Transistors gesteuert wird, wobei die Stromleitung von jedem von dem einen oder mehreren Differenzpaaren miteinander verbunden ist, um eine Summenstromleitung (421) zu bilden, welche einen Gesamtkorrekturstrom führt, wobei die Summenstromleitung (421) unmittelbar oder mittelbar mit der Bandabstands-Spannungsquelle (410) gekoppelt ist, um so zumindest teilweise die Temperaturabhängigkeiten, welche in der Bandabstandsspannung vorhanden sind, zu kompensieren.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, die außerdem folgendes aufweist: eine PTAT-Spannungsquelle, die unmittelbar oder mittelbar mit der Bandabstands-Spannungsquelle gekoppelt ist, um somit zumindest teilweise Komponenten erster Ordnung von den Temperaturabhängigkeiten zu kompensieren.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Bandabstands-Spannungsquelle einen PN-Übergang aufweist, der aufgebaut ist, um während des Betriebs vorwärts vorgespannt zu sein.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 3, wobei der PN-Übergang ein Basis-Emitter-Übergang eines Bipolar-Transistors ist.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Negativtemperatur-Verschiebespannungsquelle (NS1, NS2, NSN) für zumindest einige der einen oder mehreren Differenzpaare eine Basis-Emitter-Spannungsquelle aufweist.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 5, wobei die Basis-Emitter-Spannungsquelle die Bandabstands-Spannungsquelle aufweist.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 5, wobei die Positivtemperatur-Verschiebespannungsquelle (PS1, PS2, PSN) für zumindest einige des einen oder der mehreren Differenzpaare eine PTAT-Spannungsquelle aufweist.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1 oder 7, die außerdem folgendes aufweist: eine PTAT-Stromquelle (I_PTAT); eine Reihe von Widerständen (r₁, r₂, r_N), welche mit der PTAT-Stromquelle gekoppelt sind, so dass jeder Widerstand in der Reihe von Widerständen (r₁, r₂ r_N) einen PTAT-Strom hat, der durch diese während des Betriebs läuft; wobei das eine oder die mehreren Differenzpaare mehrere Differenzpaare sind, wobei die mehreren Differenzpaare folgendes aufweisen: ein erstes Differenzpaar, wobei der Steueranschluss des zweiten Transistors im ersten Differenzpaar mit einem ersten Knotenpunkt in der Reihe von Widerständen (r₁, r₂, r_N) verbunden ist; und ein zweites Differenzpaar, wobei der Steueranschluss des zweiten Transistors im zweiten Differenzpaar mit einem zweiten Knotenpunkt in der Reihe von Widerständen (r₁, r₂, r_N) verbunden ist, der anders ist als der ersten Knoten ist.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Differenzpaare ein einzelnes Differenzpaar ist.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Differenzpaare zwei oder mehrere Differenzpaare sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 10, wobei die Negativtemperatur-Verschiebespannungsquelle (NS1, NS2, NSN) gemeinsam ist für jede der beiden oder der mehreren Differenzpaare.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 10, wobei die Negativtemperatur-Verschiebespannungsquelle (NS1, NS2, NSN) für zumindest einige der beiden oder der mehreren Differenzpaare verschieden ist.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 10, wobei die Positivtemperatur-Verschiebespannungsquelle (PS1, PS2, PSN) für jedes der zwei oder der mehreren Differenzpaare gemeinsam ist.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 10, wobei die Positivtemperatur-Verschiebespannungsquelle (PS1, PS2, PSN) für zumindest einige der beiden oder der mehreren Differenzpaare verschieden sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 10, wobei die beiden oder die mehreren Differenzpaare drei oder mehrere Differenzpaare sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 15, wobei die drei oder die mehreren Differenzpaare vier oder mehrere Differenzpaare sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor für zumindest eines von dem einen oder den mehreren Differenzpaaren NMOS-Transistoren sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor für jedes des einen oder den mehreren Differenzpaaren NMOS-Transistoren sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor für zumindest eines des einen oder der mehreren Differenzpaare PMOS-Transistoren sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor für jedes des einen oder der mehreren Differenzpaare PMOS-Transistoren sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor für zumindest eines des einen oder der mehreren Differenzpaare Bipolar-Transistoren sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor für jedes des einen oder der mehreren Differenzpaare Bipolar-Transistoren sind.
Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung nach Anspruch 1, die außerdem folgendes aufweist: einen Stromspiegel (501), wobei die Stromquelle (I₁, I₂, I_N) für jedes des einen oder der mehreren Differenzpaare vom Stromspiegel (501) gespiegelt sind.