ITVA990014A1

ITVA990014A1 - Metodo per ottenere un riferimento di tensione e di corrente costanteal variare della temperatura con un unico stadio band-gap.

Info

Publication number: ITVA990014A1
Application number: IT1999VA000014A
Authority: IT
Inventors: Sergio Pioppo
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2000-12-09
Also published as: ITVA990014A0; IT1313386B1; US6346849B1

Description

“METODO PER OTTENERE UN RIFERIMENTO DI TENSIONE E

DI CORRENTE COSTANTE AL VARIARE DELLA TEMPERATURA

CON UN UNICO STADIO BAND-GAP”

L’invenzione concerne i circuiti integrati in generale e più in particolare i circuiti cosiddetti a Band-Gap per generare riferimenti termicamente stabili.

In molti sistemi integrati, particolarmente anche se non esclusivamente in sistemi di controllo del funzionamento di stadi di potenza o di protezione, è necessario stabilire precisi riferimenti in tensione e ih corrente, invarianti rispetto alla temperatura di esercizio del circuito integrato.

Attualmente questa problematica, comune a moltissimi dispositivi integrati, viene risolta utilizzando un riferimento di tensione a Band-Gap ed un riferimento di corrente ottenuto con un altro stadio a Band-Gap a partire dalla tensione di riferimento stessa.

Secondo la tecnica nota, lo schema classico di uno stadio di riferimento di tensione a Band-Gap è illustrato in Fig. 1.

Lo stadio a Band-Gap della Fig. 1 fornisce una tensione di riferimento, ottenuta dalla relazione:

(1)

In tale relazione, come è noto, i due addendi hanno un andamento opposto in funzione della temperatura, in quanto Vbel diminuisce aH’aumentare della temperatura mentre Vt (la tensione termica) aumenta, per cui basta scegliere opportunamente il rapporto fra le resistenze R2 ed RI per ottenere una tensione di riferimento praticamente costante al variare della temperatura.

La relazione (1) è valida nell’ipotesi che le correnti II ed 12 siano uguali, tale corrente è data dalla relazione:

(2)

In questo caso avendo Vt ed RI una variazione in temperatura entrambi positiva ma con coefficiente diverso, in quanto:

si ha una corrente che può essere crescente o decrescente in funzione della temperatura.

Pertanto, per ottenere un riferimento di corrente costante, occorre un altro stadio di precisione che permetta di ottenere una corrente sostanzialmente insensibile allo spread di processo ed alla temperatura.

Di solito questo viene ottenuto utilizzando un secondo stadio di riferimento di corrente a Band-Gap, del tipo illustrato in Fig. 2, impiegante come riferimento una tensione Vref stabile in temperatura, tipicamente ottenuta da uno stadio dedicato come quello in Fig. 1.

La corrente di riferimento Irei è ottenuta da una relazione come la (2) e dove si fa in modo, utilizzando più resistenze integrate Ra e Rb di tipo diverso, ad esempio una resistenza realizzata da una diffusione P+ e una resistenza costituita da una diffusione P, di ottenere un coefficiente di variazione in funzione della temperatura del denominatore (RI) uguale a quello del numeratore (Vt).

L’evidente svantaggio della soluzione nota è la necessità di integrare due distinti stadi di precisione per ottenere entrambi i riferimenti: di tensione e di corrente, e quindi la necessità di realizzare un doppio trimming, con un pesante requisito di area di silicio di integrazione.

E’ evidente la necessità e/o l’utilità di poter realizzare affidabili riferimenti in tensione e in corrente con una circuiteria semplificata impiegante un singolo stadio a Band-Gap.

Questo obiettivo è pienamente conseguito dal circuito della presente invenzione basato essenzialmente su imo stadio di riferimento di tensione a band-gap composto da una coppia di transistori con rispettivi nodi di controllo connessi in comune, mezzi circuitali forzanti correnti identiche attraverso i due transistori, ed in cui l’emettitore o il source di un primo transistore della coppia è accoppiato a massa attraverso una prima ed una seconda resistenza, mentre l’emettitore o il source del secondo transistore (Q10) è accoppiato a massa attraverso la sola seconda resistenza. Fissando il rapporto tra le due resistenze si stabilisce una tensione di riferimento (Vref) sostanzialmente costante al variare della temperatura presente sul nodo comune di controllo di base o di gate e i due transistori

Secondo un aspetto essenziale dell’invenzione, la prima resistenza e la seconda resistenza sono entrambe composte da due resistenze integrate di tipo diverso. Un primo tipo ha un coefficiente di temperatura superiore al coefficiente di temperatura della tensione termica (Vt) e l’altro tipo ha un coefficiente di temperatura inferiore a quello della tensione termica (Vt).

La Figura 1 è lo schema di un tipico stadio Band-Gap per generare un riferimento in tensione.

La Figura 2 è lo schema di un tipico stadio Band-Gap per generare un riferimento in corrente.

La Figura 3 è lo schema circuitale completo di un circuito generatore di una tensione e di una corrente costante e compensate in temperatura dell’invenzione.

Si faccia riferimento alla Fig. 3, dove le resistenze RI ed R2 di un classico stadio Band-Gap sono sdoppiate ognuna in due resistenze ottenute con processo diverso. In particolare, le resistenze con suffisso a vengono ottenute con un processo di diffusione che ha un coefficiente di temperatura superiore a quello di Vt, mentre le resistenze con suffisso b sono ottenute con un diverso processo di diffusione che ha un coefficiente in temperatura inferiore a quello di Vt.

Le correnti di riferimento II ed 12 sono dati dalla relazione:

Pesando le resistenze Ria ed Rlb in modo da avere una resistenza complessiva RI tale che

si o i ne una corrente che in prima approssimazione ha una variazione nulla in funzione della temperatura, inoltre poiché la tensione di riferimento è pari

anche la tensione di riferimento Vref ha in prima approssimazione un andamento costante al variare della temperatura.

Per cui se, come è spesso il caso, nell’ambito del processo di fabbricazione del circuito integrato sono realizzabili resistenze integrate di tipo a e di tipo b, è possibile ottenere, con un unico stadio di precisione a Band-Gap, i riferimenti di tensione e di corrente.

I vantaggi ottenuti con lo stadio a Band-Gap dell’ invenzione si possono riassumere come segue:

si impiega un unico stadio per ottenere entrambi i riferimenti di tensione e di corrente costanti in prima approssimazione al variare della temperatura;

con un solo trimming si può aumentare la precisione sia della corrente che della tensione di riferimento;

si risparmia area di silicio e quindi si riduce il costo del dispositivo. La soluzione innovativa proposta è stata implementata con successo in tecnologia BCD3S in un dispositivo “Low Side FET Driver” per il controllo del sistema di trasmissione di un veicolo.

Nell’applicazione la tensione di riferimento VBG era pari a 1.25V e la corrente di riferimento a ΙΟμΑ.

Le resistenze Ria e R2a sono state realizzate mediante una diffusione P (di base dei BJT e di body dei MOSFET a canale n) avente un coefficiente termico pari a 0.43%°G superiore a quello di Vt, mentre le resistenze Rlb ed R2b sono state realizzate mediante una diffusione P+ avente un coefficiente termico pari a 0.164%°C inferiore a quello di Vt.

II valore delle resistenze risultava pari a:

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Stadio di riferimento di tensione a band-gap composto da una coppia di transistori (Q9, Q10), aventi i rispettivi nodi di controllo connessi in comune, mezzi circuitali forzanti correnti identiche attraverso detta coppia di transistori, l’emettitore o il source di un primo transistore (Q9) della coppia essendo accoppiato a massa attraverso una prima (RI) ed una seconda resistenza (R2), mentre l’emettitore o il source del secondo transistore (Q10) essendo accoppiato a massa attraverso la sola seconda resistenza (R2), il rapporto tra dette due resistenze (R2/R1) stabilente una tensione di riferimento (Vref), sostanzialmente costante al variare della temperatura, sul nodo comune di controllo di base o di gate di detti due transistori (Q9, Q10), caratterizzato dal fatto che detta prima resistenza (RI) e detta seconda resistenza (R2) sono entrambe composte da due resistenze integrate (Ria, Rlb, R2a, R2b) di tipo diverso, un primo tipo (Ria, R2a) aventi un coefficiente di temperatura superiore al coefficiente di temperatura della tensione termica (Vt) e l’altro tipo (Rlb, R2b) aventi un coefficiente di temperatura inferiore a quello della tensione termica (Vt).
2. Il circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette resistenze integrate del primo tipo (Ria, R2a) con coefficiente di i temperatura superiore al coefficiente di temperatura della tensione termica essendo costituite da una diffusione di tipo P di body o di base, mentre dette resistenze integrate del secondo tipo (Rlb, R2b) con coefficiente di temperatura inferiore al coefficiente di temperatura della tensione termica costituite da una diffusione di tipo P+.
3. Circuito generatore integrato a band-gap generante una tensione di riferimento (Vref) ed una corrente costante di riferimento (Iref), entrambe compensate in temperatura, comprendente un circuito di avviamento (MI, M2, M3, M4, Ql, Q2, Q3, Q4, Re) forzante una corrente di polarizzazione attraverso un primo elemento attivo di carico (M5) riferito a massa e controllato tramite uno stadio di controllo composto da un primo transistore (M6) controllato da una prima tensione di polarizzazione (Vbias) e da un secondo transistore (Q5) riferito alla tensione presente su detto elemento di carico attivo (M5), almeno uno stadio di riferimento di tensione a band-gap controllante detto elemento attivo di carico (M5) ed impiegante uno specchio di corrente (Q6, Q7) riferito alla tensione presente ai capi di detto elemento attivo di carico (M5) per forzare correnti identiche attraverso i due transistori (Q9, Q10) componenti detto stadio a band-gap, almeno uno stadio di uscita (M8, M9), sul cui nodo di uscita è replicata detta tensione di riferimento (Vref), il nodo di controllo di un transistore superiore dello stadio di uscita (M9) riferito alla tensione di alimentazione (Vdd) essendo accoppiato alla tensione presente ai capi di detto primo elemento attivo di carico (M5) e un transistore inferiore (M8) dello stadio di uscita essendo controllato da detta prima tensione di polarizzazione (Vbias), ed un secondo stadio di uscita (M10, M11) convertente detta tensione di riferimento (Vref) in detta corrente costante di riferimento (Iref) caratterizzato dal fatto che impiega un unico stadio di riferimento di tensione a band-gap secondo la rivendicazione 1.