TWI417699B - 精確的電壓參考電路及其方法 - Google Patents

Description

精確的電壓參考電路及其方法

本發明大體是涉及電子學，更具體地，涉及形成半導體裝置的方法和結構。

在過去，半導體工業利用各種方法和結構來構建電壓參考電路。電壓參考電路一般是用於提供由其他電路如比較器電路使用的穩定的參考電壓。一種形成電壓參考電路的普遍使用的設計技術使用能隙參考作為電壓參考電路的一部分。用於現有電壓參考電路的一個設計參數是用於減小由用在操作電壓參考電路的輸入電壓值的變化而產生的參考電壓的變化，這有時稱為電源抑制。輸入電壓變化與參考電壓變化的比稱為電源抑制比(PSRR)。在2005年12月6日頒發給Brass等人的美國專利號6,972,549中揭露了現有電壓參考電路的一個範例。然而，這樣的現有電壓參考電路不能提供充分的電源抑制。

因此，期望有一種具有提高的電源抑制的電壓參考電路。

為解決以上問題，本發明提供一種電壓參考電路以及形成電壓參考電路的方法。

本發明之一實施例提供一種電壓參考電路。該電壓參考電路包括：一第一電晶體，其具有一第一有效面積、一第一載流電極、一第二載流電極以及一控制電極，其中所述第一有效面積配置以形成一第一Vbe；一第二電晶體，其具有一第一載流電極、一第二載流電極、一控制電極以及小於所述第一有效面積的一第二有效面積，其中所述第二有效面積配置以形成大於所述第一Vbe之一第二Vbe；一第一電阻器，其耦合以接收所述第一Vbe和所述第二Vbe之間的差值，所述第一電阻器具有第一和第二端；一運算放大器，其具有耦合至所述第一電晶體的所述第一載流電極的一第一輸入、耦合至所述第二電晶體的所述第一載流電極的一第二輸入、一輸出和耦合以從所述第二輸入接收信號的一第三電晶體；以及一電容器，其具有耦合至所述運算放大器的所述輸出的一第一端和耦合至所述第三電晶體的所述載流電極的一第二端。

本發明之另一實施例提供一種形成電壓參考電路的方法，該方法包括：一種形成電壓參考電路的方法，其包括：將一第一電晶體和一第二電晶體耦合在一差動對結構中；以及配置所述第一電晶體以具有小於所述第二電晶體的一第二Vbe之一第一Vbe；耦合一運算放大器以接收來自所述第一電晶體和所述第二電晶體的信號；以及將一電容器耦合在所述運算放大器的一輸出和所述運算放大器的一差動對的一電晶體的一載流電極之間。

本發明之另一實施例亦提供一種形成電壓參考電路的方法，該芳法包括：將一第一電晶體和一第二電晶體耦合在一差動對結構中；以及配置所述第一電晶體以具有大於所述第二電晶體的一第二有效面積之一第一有效面積；耦合一運算放大器以接收來自所述第一電晶體和所述第二電晶體的信號；以及將一電容器耦合在所述運算放大器的一輸出和所述運算放大器的一差動對的一電晶體的一載流電極之間。

為了說明的簡單和明瞭，圖中的元件不一定按照比例，並且在不同的圖中相同的元件符號代表相同的元件。此外，為了說明的簡要，省略了眾所周知的步驟和元件的說明和細節。這裏使用的載流電極(current carrying electrode)是指裝置的元件，其承載通過該裝置例如MOS電晶體的源極或汲極、或雙載子電晶體的射極或集極、或二極體的正極或負極的電流，控制電極是指裝置的元件，其控制通過該裝置例如MOS電晶體的閘極或者雙載子電晶體的基極的電流。雖然這裏把裝置解釋為確定的N－通道或P－通道裝置，本領域的普通技術人員應認識到，根據本發明，互補裝置也是可能的。本領域的普通技術人員應認識到，這裏使用的辭彙"在...期間"、"在...的時候"、以及"當...時"不是表示一旦開始操作馬上就會出現反應的準確術語，而是可能會在初始操作激起的反應之間有一些微小但合理的延遲，例如傳播延遲。

圖1簡要揭示具有提高的電源抑制的電壓參考電路10的實施例的一部分。電壓參考電路10在輸入端11和公共返回端12之間接收輸入電壓以操作電路10，並在電路10的輸出13上形成穩定的參考電壓。如在下文中將進一步看到的，電路10利用耦合為差動對的兩個電晶體，該差動對形成電路10的能隙參考部分的△Vbe。電路10包括連接在差動對中的NPN雙載子電晶體17和28。電流源32和負載電阻器27和29一般是連接至電晶體17和28。電路10的控制迴路包括運算放大器36和控制電晶體33。除了與電阻器18、24和25串聯的二極體耦合電晶體16之外，電路10更包括串聯的電阻器18、24和25。除了電流源42、負載電晶體43和44以及具有幫助形成運算放大器的電晶體47和電阻器46的第二級之外，運算放大器36更包括包含電容器56和可選的電阻器57的信號抑制電路、開迴路補償電容器55、差動耦合的電晶體37和39。電容器56和可選的電阻器57的信號抑制電路對大約100 Hz至大約100 KHz(100 Hz－100 KHz)之間的頻率提高PSRR。放大器36的輸入40將輸入信號提供至電晶體39，而輸入38將輸入信號提供至電晶體37。放大器36的輸出41連接至控制電晶體33。

放大器36接收在各個節點14和15上形成的電晶體17和28的集極電壓值。放大器36和電晶體33的控制迴路配置成將節點14和15上的電壓值調節成實質相等。在較佳實施例中，電阻器27和29具有相等的值，使得通過電阻器27和29的相應電流26和30的值實質相等。本領域的技術人員應認識到，電阻器27和29的值還被選擇成為放大器36和電晶體33提供期望的開迴路增益。因此，通過各個電晶體28和17的電流26和30的值也相等。

電晶體17和28形成以具有不同尺寸的有效面積，使得電晶體17和28的Vbe不為相同的值。在較佳實施例中，電晶體17具有比電晶體28的有效面積大大約8倍的有效面積，使得在操作中的電晶體17的Vbe值比電晶體28的Vbe小大約10%。而且，因為電晶體17和28具有實質相等的電流值但是不同的有效面積尺寸，電晶體17的Vbe必須小於電晶體28的Vbe。電流源32使電流26和30的總和實質為常數。電阻器18連接在電晶體28的基極和電晶體17的基極之間以接收大約是電晶體28的Vbe和電晶體17的Vbe之間的差值的電壓。該電壓差通常稱為由電晶體17和28形成的能隙參考電路的△Vbe。因此，在電阻器18兩端產生的電壓21等於△Vbe。由電阻器18接收的△Vbe使電流22流過電阻器18。因此，電流22的值可用以代表△Vbe。電晶體16和17之間的電流鏡像結構在節點31上設定電壓的極性與值。

電流22流過電晶體16、電阻器24以及電阻器25和18。因此，在輸出13上形成的參考電壓值實質等於：Vref=16Vbe+△Vbe+((△Vbe/R18)(R24+R25))=16Vbe+((△Vbe/R18)(R24+R25+R18))

其中：Vref-輸出13上的輸出電壓；16Vbe-電晶體16的Vbe；△Vbe-△Vbe；R18-電阻器18的值；R24-電阻器24的值；以及R25-電阻器25的值。

當輸入端11上的輸入電壓值變化時，配置放大器36以接收形成△Vbe的電晶體17和28的集極電壓使由放大器36的輸入信號的變化產生的△Vbe的變化最小化。當輸入電壓變化時，這使輸出電壓的變化最小化。如果輸入電壓變化，由放大器36接收的輸入信號值的任何變化對△Vbe值都有很小的影響。此外，將放大器36的輸入連接至電晶體17和28的集極提高了在輸出13上形成的參考電壓的精確性。舉例來說，如果放大器36具有某個輸入偏移，該偏移反應在電晶體17和28的集極上，但是對於在電阻器21兩端形成的△Vbe值有很小的影響。應該相信，該結構優先於現有技術而將參考電壓值的精確性提高了2至3倍。

電晶體39的寄生基極－集極接面電容在PSRR傳遞函數中形成一個零點，這可以在由在輸入11上接收的輸入電壓中的高頻變化產生的輸出電壓中造成很大的變化。當差動放大器36的輸出41和輸入38以及40接地時，零點與由電晶體39的集極所見的阻抗有關，該阻抗由下式給出：Z39＝2*Ri47*gm47*Ro47其中：Z39－電晶體39的集極所見的阻抗；Ro47－電晶體47的輸出阻抗；gm47－電晶體47的跨導；以及Ri47－檢測電晶體47的基極的阻抗。

零點的頻率由下式給出：Fz＝1/2π*Z39*Ccb其中：Fz－零點的頻率；以及Ccb－電晶體39的基極－集極接面電容。

電容器56被選擇以形成PSRR傳遞函數中的極點，這消除了由電晶體39的寄生基極－集極接面電容和阻抗Z39形成的零點的影響。當電源11和差動放大器的輸入38和40接地時，極點與電晶體37的集極所見的阻抗有關。該阻抗由下式給出：P37＝Ri47*gm47*Ro47其中：P37－由電晶體37的集極所見的阻抗。

極點的頻率由下式給出：Fp＝1/2π *P37*C56其中：Fp－極點的頻率；以及C56－電容器56的值。

為了消除零點，極點的頻率必須等於零點的頻率：Fz＝Fp這給出：C56＝2*Ccb

如由上面方程式所示的，電容器56的值被選擇以盡可能為電晶體39的寄生集極－基極電容的值的兩倍。電容器56更可以形成為接面電容器，使得電容對溫度和過程變化進行追蹤。電阻器57為可選的，並且可以被省略。對於大約100千赫茲或者高於大約100千赫茲，可以用電阻器57來提高PSRR。如果電阻器57被包括其中，電阻器57的值選擇為大約200 KOhm。對於大約100 Hz至大約100 KHz之間(100 Hz－100 KHz)的頻率，電容器56和可選的電阻器57的信號抑制電路將PSRR提高了大約100至1000倍。在一個示範性實施例中，PSRR提高了約40分貝(40 db)。

電容器55用於在輸出13上的參考電壓的開迴路增益傳遞函數中形成極點。因為電容器55不影響電晶體37或者39的集極，電容器55不會出現在PSRR的傳遞函數中。電容器54具有輸出濾波器的作用，這在大於約100 Khz的頻率處提高了PSRR。

由電晶體33提供至輸出13上的負載(未揭示)的電流值取決於電晶體33的尺寸和輸入端11上的輸入電壓值。連接至輸出13的負載可以是被動負載或是主動負載，例如為另一電子電路的一部分的電晶體。如果電晶體33很大，電晶體33可以在輸入電壓的低值處提供大電流。在一個示範性實施例中，電晶體33可以在低於大約2.0伏特的輸入電壓值處提供高達700毫安培(700 mA)。

為了有利於電路10的這個功能，電晶體17的集極一般是連接至節點15和電阻器29的第一端，電阻器29具有連接至輸出13的第二端。電晶體17的基極一般是連接至電晶體16的基極和集極。電晶體17的射極一般是連接至電流源32的第一端和電晶體28的射極。電晶體16的射極連接至電阻器24的第一端，電阻器24具有連接至返回端12的第二端。電流源32的第二端連接至返回端12。電晶體16的集極連接至節點19和電阻器18的第一端。電阻器18的第二端一般是連接至節點20、電晶體28的基極以及電阻器25的第一端。電阻器25具有連接至輸出13的第二端。放大器36的輸入38連接至節點14，而放大器36的輸入40連接至節點15。放大器36的輸出41連接至電晶體33的閘極。電晶體39的基極連接至輸入40以及至電容器55的第一端，其射極連接至電流源42的第一端。電容器55的第二端連接至輸出41。電流源42的第二端連接至返回端12。電晶體43的集極和基極連接至電晶體39的集極，而其射極連接至輸入端11。電晶體37的基極連接至輸入38，而其射極連接至電流源42的第一端。電晶體44的基極連接至電晶體43的基極，其集極連接至電晶體37的集極，而其射極連接至輸入端11。電晶體47的基極連接至電晶體44的集極，其射極連接至輸入端11，而其集極連接至輸出41和電阻器46的第一端。電阻器46的第二端連接至返回端12。電晶體33的源極連接至輸出13，而其汲極連接至輸入端11。電阻器57的第一端連接至輸出41，而其第二端連接至電容器56的第一端。電容器56的第二端連接至電晶體37的集極。圖2簡要揭示出在圖1的說明中解釋的電路10的另一實施例的電壓參考電路70的實施例的一部分。電路70類似於電路10，除了省略了串聯的電阻器18、24和25以及電晶體16。此外，電晶體17和28分別由二極體連接的電晶體71和71代替。電阻器75被加在串聯電阻器29中。

圖3簡要揭示出在晶片61上形成的半導體裝置或積體電路60的實施例的一部分的放大平面視圖。電路10在晶片61上形成。電路70更可以代替電路10在晶片61上形成。電路60更可以包括為了簡化圖式而未在圖3中揭示的其他電路。電路10和裝置或積體電路60通過本領域技術人員習知的半導體製備技術在晶片61上形成。

鑒於上述內容，顯然公開了一種新穎的裝置和方法。包括其他特徵的是利用一對差動耦合的電晶體來形成△Vbe生成電路。利用差動耦合的電晶體提高了電壓參考電路的電源抑制。利用電容器56提高了電壓參考電路的PSRR。

儘管用具體的較佳實施例對本發明的主題進行了描述，但是顯然對於半導體技術領域的技術人員而言很多替換和變更是明顯的。例如，每個電流源32和42可以由電阻器代替。此外，電阻器27和29可以由電流源代替。再者，電晶體37和39可以為MOS電晶體，而放大器36可以為MOS或CMOS放大器而不是雙載子放大器。另外，為了清楚地描述，始終使用詞語"連接(connect)"，但是，其被規定為與詞語"耦合(couple)"具有相同的意思。因此，應該將"連接"解釋為包括直接連接或間接連接。

10、70．．．電壓參考電路

11．．．輸入端

12．．．公共返回端

13、41．．．輸出

14、15、19、20、31．．．節點

16、17、28、33、37、39、43、44、47、71、72．．．電晶體

18、24、25、27、29、46、57、75．．．電阻器

21．．．電壓

22、26、30．．．電流

32、42．．．電流源

36．．．放大器

38、40．．．輸入

54、55、56．．．電容器

60．．．積體電路

61．．．晶片

圖1簡要揭示出根據本發明的電壓參考電路的一部分的實施例；圖2簡要揭示出另一電壓參考電路的一部分的實施例，其為根據本發明的圖1的電壓參考電路的另一實施例；以及圖3簡要揭示出包括根據本發明的圖1的電壓參考電路的半導體裝置的放大平面視圖。

10．．．電壓參考電路

11．．．輸入端

12．．．公共返回端

13、41．．．輸出

14、15、19、20、31．．．節點

16、17、28、33、37、39、43、44、47．．．電晶體

18、24、25、27、29、46、57．．．電阻器

21．．．電壓

22、26、30．．．電流

32、42．．．電流源

36．．．放大器

38、40．．．輸入

54、55、56．．．電容器

Claims (20)

1. 一種電壓參考電路，其包括：一第一電晶體，其具有一第一有效面積、一第一載流電極、一第二載流電極以及一控制電極，其中所述第一有效面積配置以形成一第一Vbe；一第二電晶體，其具有一第一載流電極、一第二載流電極、一控制電極以及小於所述第一有效面積的一第二有效面積，其中所述第二有效面積配置以形成大於所述第一Vbe之一第二Vbe；一第一電阻器，其耦合以接收所述第一Vbe和所述第二Vbe之間的差值，所述第一電阻器具有第一和第二端；一運算放大器，其具有耦合至所述第一電晶體的所述第一載流電極的一第一輸入、耦合至所述第二電晶體的所述第一載流電極的一第二輸入、一輸出和耦合以從所述第二輸入接收信號的一第三電晶體；以及一電容器，其具有耦合至所述運算放大器的所述輸出的一第一端和耦合至所述第三電晶體的所述載流電極的一第二端。
2. 如請求項1所述的電壓參考電路，其中所述第一電晶體或所述第二電晶體均未耦合在二極體結構中。
3. 如請求項1所述的電壓參考電路，更包括耦合在一二極體結構中的一第四電晶體，以及具有一控制電極以一般耦合至所述第四電晶體的一第一載流電極、所述第一電 晶體的所述控制電極以及所述第一電阻器的所述第一端，所述第四電晶體具有一第二載流電極。
4. 如請求項3所述的電壓參考電路，更包括與所述第一電阻器串聯的一第二電阻器以及與所述第一電阻器串聯的一第三電阻器。
5. 如請求項4所述的電壓參考電路，其中所述第一、第二、第三以及第四電晶體為雙載子電晶體。
6. 如請求項1所述的電壓參考電路，更包括一電流源，其耦合至所述第一電晶體的所述第二載流電極以及所述第二電晶體的所述第二載流電極。
7. 如請求項1所述的電壓參考電路，更包括自該運算放大器之該輸出耦合至該運算放大器之該第一輸入的另一電容器。
8. 如請求項1所述的電壓參考電路，更包括耦合在所述第一電晶體的所述第一載流電極和所述電壓參考電路的輸出之間的一第二電阻器，以及包括耦合在所述第二電晶體的所述第一載流電極和所述電壓參考電路的輸出之間的一第三電阻器。
9. 如請求項1所述的電壓參考電路，更包括一控制電晶體，其耦合以接收所述運算放大器的一輸出以及控制流過所述第一和第二電晶體的一電流。
10. 如請求項1所述的電壓參考電路，其中所述第一電阻器是耦合在所述第一電晶體的控制電極和所述第二電晶體的控制電極之間。
11. 一種形成電壓參考電路的方法，其包括：將一第一電晶體和一第二電晶體耦合在一差動對結構中；以及配置所述第一電晶體以具有小於所述第二電晶體的一第二Vbe之一第一Vbe；耦合一運算放大器以接收來自所述第一電晶體和所述第二電晶體的信號；以及將一電容器耦合在所述運算放大器的一輸出和所述運算放大器的一差動對的一電晶體的一載流電極之間。
12. 如請求項11所述的方法，更包括耦合一第一電阻器以接收所述第一Vbe和所述第二Vbe並形成表示所述第一Vbe和所述第二Vbe之間的差值的一第一電流。
13. 如請求項12所述的方法，更包括將一第二電阻器與所述第一電阻器串聯以接收所述第一電流。
14. 如請求項13所述的方法，更包括將一第三電阻器與所述第一電阻器串聯以接收所述第一電流，以及將一第三電晶體耦合在一二極體結構中並與所述第一電阻器串聯。
15. 如請求項11所述的方法，更包括將一第三電晶體的一控制電極耦合至所述第一電晶體的一控制電極。
16. 如請求項11所述的方法，其中所述將所述第一電晶體和所述第二電晶體耦合在所述差動對結構中的步驟，包括耦合一電流源以形成通過所述第一和第二電晶體的一偏壓電流。
17. 如請求項11所述的方法，其中所述將所述第一電晶體和 所述第二電晶體耦合在差動對結構中的步驟，包括將一第一電阻器耦合在所述第一電晶體和所述電壓參考電路的一輸出之間，以及將一第二電阻器耦合在所述第二電晶體和所述電壓參考電路的所述輸出之間。
18. 一種形成電壓參考電路的方法，其包括：將一第一電晶體和一第二電晶體耦合在一差動對結構中；以及配置所述第一電晶體以具有大於所述第二電晶體的一第二有效面積之一第一有效面積；耦合一運算放大器以接收來自所述第一電晶體和所述第二電晶體的信號；以及將一電容器耦合在所述運算放大器的一輸出和所述運算放大器的一差動對的一電晶體的一載流電極之間。
19. 如請求項18所述的方法，其中所述配置所述第一電晶體具有大於所述第二電晶體的第二有效面積的第一有效面積的步驟，包括配置所述第一電晶體以形成小於所述第二電晶體的一第二Vbe之一第一Vbe，以及耦合一電流源以形成通過所述第一和第二電晶體的一偏壓電流。
20. 如請求項19所述的方法，更包括耦合一第一電阻器以接收所述第一Vbe和所述第二Vbe，並形成表示所述第一Vbe和所述第二Vbe之間差值的一第一電流。