SE515345C2 - Temperaturberoende strömalstring - Google Patents

Description

30 35 n; II " .u m. o I ".' , , a: I ' _ . .~ u v c ' , , . u. u ' , »n 1 f I 'kJ , ,. u ...rov I n, m. - _ . . . I. = n ~ e» 0 , u SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Hos uppfinningen, sàsom ett alternativ, konstrueras referen- ser i strömomràdet, där operationsidén. är den omvända mot operationsidën hos teknikens ståndpunkt, eftersom strömmarna alstras genom användning av väldefinierade spänningar, dvs. strömmarna àstadkoms först och därefter manipuleras de. Tem- peraturberoendet hos strömmarna är känt och strömmarna bear- betas genom ett linjärt och/eller icke-linjärt förfarande för att alstra strömmar' med. förutbestämda temperaturkoefficien- ter.

Fördelen med uppfinningen kan beskrivas mer direkt, där skalning och summering (subtraktion) är mycket lättare och enklare i strömomràdet än i spänningsomrädet, och mer robust, dvs. där finns mer utrymme för manipuleringar, i den meningen att strömmen utgör utvidgningen. av spänningen för' bipolära transistorer pà grund av det logaritmiska förhållandet mellan bas-emitterspänningen och kollektorströmmen. Ett förhållande- litet fel i ett stort fel hos strömmen och ett förhållandevis stort fel hos strömmen resul- vis spänning resulterar i terar i ett ganska litet spänningsfel pä grund av det loga- ritmiska förhållandet.

FIGURBESKRIVNING Fig. l visar en krets för att alstra väldefinierade ström- mar.

Fig. 2 visar en alternativ krets för att alstra väldefini- erade strömmar.

Fig. 3 'visar en förenklad utföringsforn1 i enlighet med uppfinningen med linjär operation för att alstra en ström med en specificerad temperaturkoefficient.

Fig. 4 visar ett exempel pà en krets baserad pà utförings- formen i fig. 3. , . - . .u 10 15 20 25 30 35 . . . 4 f- = . ., .u -fl . Q | , .nu 0 III", _ nu 0:21, . a» -vø _ , , , .z v.. 1 . .. vn: .n . .~ zu; , . i. I' ' . ' u , .. n Fig. 5 visar Hspice-simuleringsresultat av kretsen i fig.

Fig. 6 visar en förenklad utföringsform i enlighet med uppfinningen med icke-linjärt förfarande för att alstra en ström med en specificerad temperaturkoefficient.

Fig. 7 visar ett exempel pà en krets baserad pà utförings- formen i fig. 6.

Fig. 8 visar Hspice-simuleringsresultat av kretsen i fig.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Vid användning av kiselteknik kan en väldefinierad ström ästadkommas genom användning av en stabiliserad spänning och ett nmtstànd.

Vw Bas-emitterspänningen Vgw termiska spänningar grind-kàllspänning Všs och tröskelspänning VU] kan använ- das. Eftersom MOS-transistorer har en större parametersprid- ning än bipolära transistorer, och VT. föredras användningen av' Vbe Alstringen av' självförspänningsreferenser Vge och \G kan läsas i "Analysis and design of analog integrated cir- cuits", P. Gray och R. Meyer, 3:e uppl., John Wiley & Sons, Inc., 1993.

I fig. 1 och 2 visas kretsar som alstrar väldefinierade strömmar (startkretsar visas inte).

I fig. 1 bildar bipolära transistorer QO, Ql och Q2 och motståndet R1 en grundläggande Widlar-strömspegel. MOS- transistorn MO adderas för att reducera effekterna av basströmmar hos bipolära transistorer. Tvà identiska MOS- transistorer M1 och M2 bildar en strömspegel, (plus Q2) tvingande kol- lektorströmmarna hos QO och Q1 till att bli lika .,, nu ß. m» 10 15 20 25 30 515 345 varandra.

I MOS-transistorn M3 används för att mata ut strömmen P.

I fig. 2 bildar tvà identiska MOS-transistorer M4 och M5 en strömspegel tvingande kollektorströmmarna hos de bipolära transistorerna Q3 och Q4 att bli lika varandra. Emitterström- men hos den bipolära transistorn Q4 bestäms av motståndet R2 och spänningsfallet över detta, som är bas-emitterspänningen hos den. bipolära transistorn. Q3. MOS-transistor' M6 används för att mata ut strömmen In.

V V Enkel beräkning visar att Ip:-Lhfln) (1) och 1¿=-ï- (2), RI RZ där n är emitterareaförhällandet hos transistorerna Q1 (plus Q2) och. Q0. De fraktionerade temperaturkoefficienterna be- stäms av: 161 1aV1aR TCI=__m_&=____L_____L (3) P Q,äT IQ âT Rlâï oc ------- ---- h It? 1¿¶" 1 âßw 1 ÖRZ (4) ' Inflf Vbear Rzâr Vid rumstemperatur är den fraktionerade temperaturkoeffi- cienten för VT omkring 3300 ppm/C och den fraktionerade tempe- -2800 ppm/C, att Xge är omkring 0,7 V. Hos exempelvis värt interna förfa- raturkoefficienten för Xge är omkring förutsatt rande har multimotståndet en fraktionerad temperaturkoeffici- ent om -1700 ppm/C. Den fraktionerade temperaturkoefficienten för Ip är följaktligen omkring 5000 ppm/C och den fraktionera- de temperaturen för In är omkring -1100 ppm/C. För att åstad- komma fastställda temperaturkoefficienter erfordras vissa kretsarrangemang. , , , . .a 10 15 20 25 30 35 . ø n | .u 515 545 . . . | 1 ~ . ~ Linjära operationer kan lätt åstadkommas i strömomràdet.

Anta att I1=aIp+bIn (5), då ges den fraktionerade temperatur- koefficienten av: 1 1åI, 1 1fl TC =____,__ :__-___ ~ 161 '~ nçbfn/alp) 1,, af+1+(a1p/b1") 1" ar Av ekvation (6) förstàs följaktligen att genom att välja oli- ka strömvärden och skalningskoefficienter är det möjligt att åstadkomma en ström med en fastställd fraktionerad tempera- turkoefficient.

I fig. 3 visas ett blockschema och i fig. 4 visas ett exempel med a=4 och b=-1.

I fig. 3 multipliceras inströmmarna Ip och In med en faktor a och b i l respektive 2. Utströmmen Il i 3 alstras genom att man adderar två multiplicerade strömmar. Multiplikationen med en konstant faktor àstadkoms genom användning av strömspeglar och strömsummering àstadkoms genom att man helt enkelt kopp- lar ihop strömmarna.

I fig. 4 alstrar bipolära transistorer QO, mot- Ql och Q2, stånd Rl och MOS-transistorer Ml och M2 strömmen Ip motsvaran- de fig. 1 och bipolära transistorer Q6 och Q7, motstånd R2 och MOS-transistorer M5 och M6 alstrar strömmen In motsvarande fig. 2. MOS-transistorerna M3 och M4 används för att alstra strömmen Ip med en nmltiplikationsfaktor -2, förutsatt iden- tiska storlekar för MOS-transistorerna Ml~4. Bipolära tran- sistorer Q3~5 bildar en strömspegel och dess utström är tvà gånger större än dess inström med omkastad riktning, förut- satt Q3~5.

In med omkastad riktning. Följaktligen blir Il=4Ip-In. identisk emitterarea för de bipolära transistorerna En MOS-transistor M42 används för att mata ut strömmen Baserat pà.'parameterT1 hos det interna BiCMOS-förfarandet simuleras kretsen i fig. 4, och simuleringsresultatet visas i fig. 5. Den fraktionerade temperaturkoefficienten hos ut- . n » | n u m- 10 15 20 25 30 35 - n ~ » .n 515 345 .1.=1= strömmen Il är 13.000 ppm/C, när Ip och In har en fraktionerad temperaturkoefficient om 6400 ppm/C respektive - 340 ppm/C.

Enkla icke-linjära operationer kan också användas för att ändra den fraktionerade temperaturkoefficienten. I strömomrá- det erfordrar en enkvadrant translinjär kvadrerare/dividerare endast fyra bipolära transistorer, såsom beskrivs i "Analogue F.J.

Lidgey och D.G. Haigh, Peter Peregrinus Ltd., 1990. Anta att: IC design: the current-mode approach" av (2. Toumazou, så ges den fraktionerade temperaturkoefficienten av: än (s) 1 al", 1 ål, 1 TC, =-_=2.---- I", år 1,, ar 1,, är Man kan se från exempelvis (8) att genom att använda en enkel icke-linjär operation så kan den fraktionerade temperaturko- efficienten också ändras.

I fig. 6 visas ett blockschema som alstrar en ström Im ge- nom att använda en icke-linjär operation pà de tvà inström- marna Ip och In, och den icke-linjära operationen kan vara den som definieras av ekvation (7). En krets visas i fig. 7, Ql och Q2, uwtstàndet R1 och MOS-transistorerna M1 och M2 alstrar strömmen Ip motsvarande där de bipolära transistorerna Q0, fig.

R2, l och de bipolära transistorerna Q6 och Q7, motståndet och MOS-transistorerna M5 och M6 alstrar strömmen In mot- svarande fig. 2. MOS-transistorn M3 används för att mata ut strömmen Ip (förutsatt att Ml~3 är lika stora), och den bipo- för att mata ut (förutsatt att Q3 och Q5 är lika stora).

Q6~9 re/dividerare. lära transistorn Q5 används strömmen In Bipolära transisto- rer åstadkommer enkvadrant translinjära kvadrera- | a A » :n H n. 10 515 345 . . . . f» n Baserat pà parametern hos det interna BiCMOS-förfarandet simuleras kretsen i fig. 7 och simuleringsresultatet visas i fig. 8. Den fraktionerade temperaturkoefficienten för' ut- strömmen Im är 13.500 ppm/C, när Ip och In har en fraktionerad temperaturkoefficient om 6300 ppm/C respektive -143 ppm/C.

Trots att föregående beskrivning innefattar ett stort an- tal detaljer och egenskaper bör det observeras att dessa en- dast är illustrativa för uppfinningen och de är inte avsedda att vara begränsande. Mànga nwdifieringar inses lätt av en fackman inom området, vilka inte avviker fràn uppfinningens ram och anda, sàsom den definieras av de bifogade kraven och deras rättsliga motsvarigheter. . . . « 1 I .x n.

Claims (6)

10 15 20 25 30 515 345 P a t e n t k r a v

1. Förfarande för en temperaturberoende generering av ström, kännetecknat av att en stöm alstras med en godtycklig temperaturko- efficient från åtminstone en inström med en väldefinierad tempera- turkoefficient, varvid de genererade strömmarna bildas i ett strömområde genom att härleda dem från en temperaturberoende spän- ning och ett temperaturberoende motstånd.

2. Förfarande enligt patentkrav l, kännetecknat av att linjära operationer används.

3. Förfarande enligt patentkrav l, kännetecknat av att icke lin- jära oprationer används

4. Förfarande enligt patentkrav 3, kännetecknat av att en utstöm Inl genereras av en enkvadrant translinjär kvadrerare/dividerare.

5. Anordning för en temperaturberoende generering av ström, kän- netecknad av att medel är anordnade för att generera en ström med en godtycklig temperaturkoefficient, varvid de genererade stömmarna är anordnade att bildas i strömomràdet genom att härleda dem från en temperaturberoende spänning och ett temperaturberoende motstånd, där en inström Ip och en inström In är anordnade att multipliceras respektive med en faktor a och b (1, 2) och en utström Il (3) är anordnad att genereras genom att addera de två multiplicerade strömmarna.

6. Anordning för en temperaturberoende generering av ström, kän- netecknad av att medel är anordnade för att generera en ström med en godtycklig temperaturkoefficient, där en inström Ip och en in- stöm In är anordnade till en enkvadrant translinjär kvadrera- re/dividerare.