TWI485545B - 用於帶隙電壓參考之二階修正電路及方法 - Google Patents

Description

用於帶隙電壓參考之二階修正電路及方法

本發明通常係關於電壓參考，及特定而言係關於使用帶隙電路實施的電壓參考。更特定而言，本發明係關於一種提供補償典型二階電壓誤差之一參考電壓之電路及方法。

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一種習知帶隙電壓參考電路係基於具有相反且平衡溫度斜率之兩個電壓分量之加法。

圖1繪示一習知帶隙參考之一符號表示。該帶隙參考由一電流源110、一電阻器120及一個二極體130組成。應理解，該二極體表示一雙極電晶體之基極-射極接面。由於跨該二極體之壓降具有一負溫度係數TC，大約-2.2mV/℃且通常代表一與絕對溫度互補(CTAT)的電壓，所以其輸出值隨著增加溫度減少。根據以下等式1，此電壓具有一典型負溫度係數：

其中，V_G0 係在零絕對溫度之外插基極射極電壓，約1.2V；T係實際溫度；T₀ 係一參考溫度，其可為室溫(即T=300K)；V_be (T₀ )係在T₀ 下之基極-射極電壓，其可為約0.7V；σ係關於飽和電流溫度指數之一常數，其係製程相依的且對於一CMOS製程而言，可在3至5之範圍內；K係玻耳茲曼(Boltzmann)常數，q係電子電荷，I_c (T)及I_c (T₀ )分別係在實際溫度T及T_0t 之相應的集極電流。

在圖1中之該電流源110期望係一與絕對溫度成比例(PTAT)之電流源，使得跨r₁ 之壓降係PTAT電壓。隨著絕對溫度增加，電壓輸出亦增加。藉由跨一電阻器反映操作在不同電流密度下之雙極電晶體之兩個正向偏壓的基極-射極接面之一電壓差(ΔV_be )而產生PTAT電流。可自兩個類似電晶體(即Q₁ 及Q₂ ，圖中未繪示)建立集極電流密度之差，其中Q₁ 係單位(unity)射極面積，且Q₂ 係n倍單位射極面積。藉由跨一電阻器反映電晶體Q₁ 及Q₂ 之該兩個正向偏壓的基極-射極接面之一電壓差(ΔV_be )而產生該PTAT電流或電壓。所得ΔV_be 具有一正溫度係數，在以下等式2中提供該ΔV_be ：

圖2繪示圖1之該電路之操作。藉由組合二極體130之該CTAT電壓V_CTAT與來自跨電阻器120之該壓降之該PTAT電壓V_PTAT，在一寬溫度範圍(即-50℃至125℃)上提供一相對恆定輸出電壓V_ref 係可能的。在室溫下，對於n係自8至50而言，此基極-射極電壓差可為約50mV至100mV。為了平衡來自等式1之該負溫度係數及等式2之該正溫度係數之電壓分量，需要一增益因數。該增益因數可在約5至10內。該兩個電壓分量之平衡稱為「一階誤差校正」。即使該兩個電壓分量係經很好地平衡，但是由於未補償等式1之二階非線性分量A及B，所以相應的參考電壓隨著溫度變化不是完全穩定。非線性分量促成稱為「曲率」之部分。

已知不同方法以補償「曲率」誤差。在頒予McGlinchey之美國專利第4,443,753號中，一校正電流係以以下等式3之形式給出：

該校正電流係由具有相同射極面積的兩個雙極電晶體之一電壓差而產生，一個雙極電晶體係用PTAT電流予以加偏壓，並且一個雙極電晶體係用CTAT電流予以加偏壓。然後一布羅考(Brokaw)單元減去與一差動增益級成比例之此校正電流以補償該「曲率」誤差。

採用了許多類似方法及電路來補償在帶隙電壓參考中之二階溫度影響。先前方法之一問題包含在等式1之非線性分量A中之與σ成比例之補償分量，其係非常強地相依於製程參數。在頒予與本發明相同之發明者的美國專利公開申請案第US 2008/0074172號中揭示一種具有較少製程相依性之電路。為了校正該等二階誤差，引進典型的額外電路，其增加帶隙參考設計之製程可變性、尺寸，及複雜性。

本發明提供一種用於一更精確帶隙電壓參考之系統與方法，其中同時校正一階誤差及二階誤差。藉由使用包含在該一階誤差之校正中之分量，校正該等二階誤差，此有利地提供較少製程可變性。

本發明係以隨附圖式之形式而闡釋，其等意謂係例示性的且非受限性的，及其中類似元件符號係期望指代類似或相應部分。

圖3之帶隙參考電路係本發明之一實施例。此電路包含一第一組電路元件，其經配置以提供一與絕對溫度互補(CTAT)的電壓或電流。舉例而言，該第一組電路元件可包括電晶體370及375，其等係藉由相應的電流源330及340而供應。一第二組電路元件經配置以提供一與溫度成比例(PTAT)的電壓或電流。舉例而言，該第二組電路元件可包括至少電晶體380，其係藉由電流源310供應；及第一電阻350。對於在電晶體370及380中之射極電流之一更精確匹配，可包含電晶體382。藉由電晶體382汲取類似於由電晶體375所汲取的基極電流之基極電流，供應至電晶體370及380之射極電流更緊密匹配。

該第一組電路元件之電晶體370及375具有大於該第二組電路元件之電晶體380及382之n倍之射極面積。因此，若電流源310、320、330及340提供相同電流，且可忽略通過電阻350之電流，則電晶體380及382在電晶體370及375之n倍電流密度下操作。

一第三組電路元件經配置以組合該CTAT電壓或電流與該PTAT電壓或電流。舉例而言，該第三組電路元件可包括放大器390及一第二電阻385。由於跨放大器390之正終端及負終端存在一虛擬短路(virtual short)，所以電晶體380之V_be 在放大器390之該正終端與該負終端之兩者處可見。因此，電阻350之一終端係在朲自電晶體380之V_be ，而電晶體370及電晶體375之電晶體堆疊在電阻350之另一終端處提供2V_be 。因此，放大器390組合電晶體370及375之該CTAT分量及跨電阻350之ΔV_be 分量以在輸出395處產生帶隙參考電壓。

第二電阻385對第一電阻350之比率控制放大器390之輸出增益。如在等式2之討論之背景下所提供，放大器390可提供該增益以平衡V_be 及ΔV_be 之兩個電壓分量。該第二電阻385對該第一電阻350之特定比率提供一增益，該增益可用於平衡V_be 及ΔV_be 之該兩個電壓分量。此平衡可調節該等一階誤差。以下計算提供進一步見解：

ΔV _be =V _be (Q ₁ )-V _be (Q _n )　(等式4)

因此，

V _be (Q _n )=V _be (Q ₁ )-ΔV _be 　(等式5)

其中Q₁ 係電晶體380；Q_n 係具有n倍射極寬度之一電晶體(即，電晶體370或375)。

由於在圖3中之該實施例包括兩個電晶體370及375的一堆疊，該兩個電晶體370及375具有電晶體380之一n倍射極寬度，跨電阻350之電壓係：

V _{r 1} =2V _be (Q ₁ )-2ΔV _be -V _be (Q ₁ )　(等式6)

因此，

V _{r 1} =V _be (Q ₁ )-2ΔV _be 　(等式7)

V_be (Q₁ )分量可為約600mV至700mV。另一方面，ΔV_be 僅僅係大約100mV。因此，需要一增益因數以平衡該兩個電壓分量。第二電阻385對第一電阻350之比率控制放大器390之輸出增益。以下等式8在輸出395處提供參考電壓，其考慮到該增益因數。

其中V_ref 係在輸出395處之電壓；Q₁ 係電晶體380；r₁ 係電阻350；r₂ 係電阻385。

在一實施例中，一方面假定電流源310、320、330及340係自電晶體382與380之射極電壓差產生，另一方面，跨一電阻r₀ (圖中未繪示)反映電晶體375與370之射極電壓差。假定此等偏壓電流係相同，如在以下等式9中提供：

其中I₁ 係通過電流源310之電流；I₂ 係通過電流源320之電流；I₃ 係通過電流源330之電流。

該偏壓電流340，其在隨後等式中標示為I₄ ，供應此等電流至電晶體375之射極及電阻350。在一實施例中，該偏壓電流340可具有與偏壓電流310、320，及330之相同溫度相依性，使得在室溫(T₀ )下，所有雙極電晶體(370、375、380及382)係在大體上相同射極電流下操作。有利地，在此條件下，最小化在雙極電晶體堆疊(即電晶體370及375)上之基極電流影響。由於通過電阻350之電流係一經偏移之CTAT，所以對於任一其他溫度，電晶體375之射極電流可不同於偏壓電流310、320及330之射極電流，如由以下等式10提供：

其中關於圖3，r₁ 係電阻350；Q₁ 係電晶體380；Q₂ 係電晶體370；Q₃ 係電晶體375。

在室溫(T₀ )下，電流I(r₁ )係在以下等式11中給出：

在T₀ 下之電流I4係在以下等式12中給出：

對於一不同溫度T，此電流係在以下等式13中給出：

應理解，通過Q₄ 之射極之電流與通過r₁ 之電流相加之I4係PTAT電流，且通過電阻r₁ 之電流I(r₁ )係經偏移之CTAT電流。通過Q₄ 之射極之電流係經偏移之PTAT，通過電阻r₁ 之該電流相對於通過電晶體Q₄ 之該射極之該電流越大，該經偏移之PTAT電流之斜率越大。圖4繪示Q₄ 之該射極電流(410)相對於電晶體Q₁ 、Q₂ 、Q₃ 及Q₄ 之該射極電流(420)。此經偏移之PTAT回應係在以下等式14中提供：

在T=T₁ ，通過Q₄ 之該射極之該電流係零。參數T₁ 係藉由r₁ /r₀ 比率設定以補償參考電壓之該二階誤差。

根據等式1，可藉由以下關係描述電晶體Q₁ 、Q₂ 、Q₃ 及Q₄ (如在圖3中相應地繪示為380、382、370及375)之該等基極-射極電壓：

此處V_be10 、V_be20 、V_be30 ，及V_be40 係在參考溫度或室溫T₀ 下之相應的基極-射極電壓，且σ係飽和電流溫度指數。

在該放大器的輸出395處之該參考電壓係在以下等式19中提供：

對於等式20之兩個對數表達式使用泰勒近似直至二階，在以下等式21中之表達式得出：

其中A係一常數：

B及C表示溫度相依性分量：

在一實施例中，為了同時補償該等一階及二階電壓誤差，係數B及C兩者應為零。在此方面，設定B=C=0，兩個參數可自等式23及24中提取，即，r₂ /r₁ 及T₁ /T₀ 。舉例而言，使用一替代方法，可忽略等式23之最後項以計算如下：

然後，可使用來自以上等式25中之r₂ /r₁ ，自C=0而計算比率T₁ /T₀ 。

在第二步驟中，使用對T₁ /T₀ 計算的值，可自等式23中更精確地計算r₂ /r₁ 。

舉例而言，對於V_G0 =1.14V、V_be10 =0.687V的亞微米CMOS製程；ΔV_be0 =87.2mV，XTI=4.8，兩個計算的參數r₂ /r₁ 及T₁ /T₀ 係：

將此等值應用至等式22，可計算V_ref ：

V _ref =A =0.2825V 　(等式27)

圖5提供三個參考電壓標繪圖。標繪圖510表示關於在圖1中繪示之該實施例之模擬電壓參考。標繪圖520表示基於以上等式20之一精確計算。標繪圖530表示根據等式21至24之二階近似。如在圖5中繪示，在此實施例中，模擬回應510係在該精確計算520及該二階近似530之1%內。進一步，所有三個圖展示補償由T(logT)誤差引起之曲率。對工業溫度範圍(-40℃至85℃)，模擬電壓參考之總偏差係大約82μV，其相應於一熱係數(TC)2.3ppm/℃。因此，驗證此例示性實施例，以及驗證在計算及模擬該輸出參考電壓中之不同方法。

圖6展示具有一經校正的較高參考電壓之本發明之一實施例。此電路包含一第一組電路元件，該第一組電路元件經配置以提供一CTAT電壓或電流。舉例而言，該第一組電路元件可包括電晶體670及675，電晶體670及675係藉由相應的電流源630及640而供應。進一步，電阻655藉由將一額外CTAT分量注入至回饋電阻685而包含有利地增加該輸出電壓之目的。

一第二組電路元件經配置以提供一PTAT電壓或電流。舉例而言，該等電路元件可包含至少電晶體680，其係藉由電流源610而供應；及一第一電阻650。該第一組電路元件之電晶體670及675具有該第二組電路元件之電晶體680之n倍射極面積。因此，若電流源610、630及640提供相同電流，電晶體680在電晶體670及675之一n倍電流密度下操作。

一第三組電路元件經配置以組合該CTAT電壓或電流與該PTAT電壓或電流。在圖6之實施例中，該第三組電路元件可包括放大器690及一第二電阻685。在圖3之討論中提供的原理亦大量地應用於此電路中。但是，歸因於電阻655，將一額外CTAT分量注入至該回饋電阻685，藉此增加輸出電壓695。

類似於在判定圖3之電阻值之背景下提供之計算，吾人可發現補償曲率誤差之三個電阻之比率。圖7繪示根據在圖6之電路中具體實施之原理之一電路之一參考電壓對溫度。圖710闡釋該曲率誤差僅僅係最低限度地過校正且主要可歸因於模擬容差。在一實施例中，對於自-40℃至125℃之溫度範圍，圖7之該參考電壓之所得溫度係數係大約4ppm/℃。

熟悉此項技術者將容易地理解以上描述的概念可應用於不同裝置及組態。雖然本發明已參考特定實例及實施例而描述，但是應理解本發明係不限於此等實例及實施例。因此，如申請之本發明，包含本文描述的特定實例及實施例之諸變動，如將為熟悉此項技術者所顯而易見。舉例而言，二極體或NPN電晶體可代替PNP電晶體使用。因此，期望本發明係僅根據附加申請專利範圍予以限制。

100．．．習知帶隙參考

102．．．電阻器

110．．．電流源

120．．．電阻器

130．．．二極體

300．．．帶隙參考電路

306．．．接地

310．．．電流源

320．．．電流源

330．．．電流源

340．．．電流源

350．．．第一電阻

370．．．電晶體

375．．．電晶體

380．．．電晶體

382．．．電晶體

385．．．第二電阻

390．．．放大器

395．．．輸出

610．．．電流源

630．．．電流源

640．．．電流源

650．．．第一電阻

655．．．電阻

670．．．電晶體

675．．．電晶體

680．．．電晶體

685．．．第二電阻(回饋電阻)

690．．．放大器

695．．．輸出電壓

圖1展示一已知帶隙電壓參考電路；

圖2係繪示可如何組合透過圖1之該電路產生的PTAT電壓及CTAT電壓以提供一參考電壓之一圖表；

圖3展示本發明之一實施例；

圖4係圖3中之第一電阻對第二電阻之比率可如何補償該帶隙參考電壓之二階誤差之一圖形表示；

圖5係根據本發明之一實施例，隨溫度變化之該帶隙參考電壓之模擬、計算，及二階近似之一圖形表示；

圖6展示本發明之一實施例，其中輸出電壓具有一額外CTAT分量；及

圖7係根據圖6之實施例，電壓參考輸出電壓對溫度之一圖形表示。

300．．．帶隙參考電路

306．．．接地

310．．．電流源

320．．．電流源

330．．．電流源

340．．．電流源

350．．．第一電阻

370．．．電晶體

375．．．電晶體

380．．．電晶體

382．．．電晶體

385．．．第二電阻

390．．．放大器

395．．．輸出

Claims (18)

1. 一種帶隙電壓參考電路，其經組態以在其一輸出處提供一電壓參考，該電路包括：一第一組電路元件，該第一組電路元件包含至少一雙極電晶體及連接至該至少一雙極電晶體之一射極之一第一電阻器，該第一組電路元件經配置以提供一與絕對溫度互補(CTAT)的電壓或電流；一第二組電路元件，該第二組電路元件經配置以提供一與絕對溫度成比例(PTAT)的電壓或電流，使得在絕對零溫度，該與絕對溫度成比例(PTAT)的電壓或電流之極性係相反於由該第一組電路元件提供的該與絕對溫度互補的電壓或電流之極性；及一第三組電路元件，該第三組電路元件包含一放大器及在該放大器之一輸出及一輸入之間提供一回饋路徑之一第二電阻器，該放大器經配置以組合該CTAT電壓或電流與該PTAT電壓或電流以便產生該電壓參考；其中該第一電阻器之一電阻對該第二電阻器之一電阻之一比率經選擇以補償該電壓參考之一階誤差，且依據該第一及該第二電阻器之該等電阻之該比率，而判定通過該至少一雙極電晶體之該射極之一電流為零之一溫度對室溫之一比率，以補償該電壓參考之二階誤差，以使得同時補償該電壓參考之該一階誤差及二階誤差。
2. 如請求項1之帶隙電壓參考電路，其中該第二組電路元件包含至少一雙極電晶體。
3. 如請求項2之帶隙電壓參考電路，其中該第二組電路元件包含至少一雙極電晶體，該至少一雙極電晶體係在該第一組電路元件之該至少一雙極電晶體之一n(n1)倍電流密度下操作。
4. 如請求項3之帶隙電壓參考電路，其中該CTAT電壓係藉由該第一組電路元件之該至少一雙極電晶體之一總射極對基極電壓而產生。
5. 如請求項2之帶隙電壓參考電路，其中該第一組電路元件包含兩個電晶體的至少一堆疊，該兩個電晶體之各者具有該第二組電路元件之該至少一雙極電晶體之一n(n1)倍射極寬度。
6. 如請求項3之帶隙電壓參考電路，其中當在室溫時，該等第一及第二電路元件之該等電晶體係在大體上相同射極電流下操作。
7. 如請求項1之帶隙電壓參考電路，其中一輸出電壓係藉由將一額外CTAT分量注入至該第二電阻器而增加。
8. 如請求項7之帶隙電壓參考電路，其中連接在該第一電阻器與接地之間的一第三電阻器提供該額外CTAT分量。
9. 一種提供經組態以在其一輸出處提供一電壓參考之一帶隙電壓參考之方法，該方法包括：提供一第一組電路元件，該第一組電路元件包含至少一雙極電晶體及連接至該至少一雙極電晶體之一射極之一第一電阻器，該第一組電路元件經配置以提供一與絕對溫度互補(CTAT)的電壓或電流； 提供一第二組電路元件，該第二組電路元件經配置以提供一與絕對溫度成比例(PTAT)的電壓或電流，使得在絕對零溫度，該與絕對溫度成比例(PTAT)的電壓或電流之極性係相反於由該第一組電路元件提供之該與絕對溫度互補的電壓或電流之極性；提供一第三組電路元件，該第三組電路元件包含一放大器及在該放大器之一輸出及一輸入之間提供一回饋路徑之一第二電阻器，該放大器經配置以組合該CTAT電壓或電流與該PTAT電壓或電流以便產生該電壓參考；判定該第一電阻器之電阻對該第二電阻器之電阻之一比率以補償該電壓參考之一階誤差；及依據該第一及該第二電阻器之該等電阻之該比率，而判定通過該至少一雙極電晶體之該射極之一電流為零之一溫度對室溫之一比率，以補償該電壓參考之二階誤差，以使得同時補償該電壓參考之該一階誤差及二階誤差。
10. 如請求項9之方法，其中該第二組電路元件包含至少一雙極電晶體。
11. 如請求項10之方法，其中該第二組電路元件包含至少一雙極電晶體，該至少一雙極電晶體係在該第一組電路元件之該至少一雙極電晶體之一n(n1)倍電流密度下操作。
12. 如請求項11之方法，其中該CTAT電壓係藉由該第一組電路元件之該至少一雙極電晶體之一總射極對基極電壓而 產生。
13. 如請求項10之方法，其中該第一組電路元件包含兩個電晶體的至少一堆疊，每一者具有該第二組電路元件之該至少一雙極電晶體之一n(n1)倍射極寬度。
14. 如請求項11之方法，其中在室溫下，該等第一及第二電路元件之該等電晶體係在大體上相同射極電流下操作。
15. 如請求項9之方法，其中一輸出電壓係藉由將一額外CTAT分量注入至該第二電阻器而增加。
16. 如請求項15之方法，其中連接在該第一電阻器與接地之間的一第三電阻器提供該額外CTAT分量。
17. 一種帶隙電壓參考電路，其經組態以在其一輸出處提供一電壓參考，該電路包括：一第一組電路元件，該第一組電路元件經配置以提供一與絕對溫度互補(CTAT)的電壓或電流，其中該第一組電路元件包含兩個雙極電晶體的一堆疊，其中兩個雙極電晶體的該堆疊中之一第二者係耦接至一第一電阻元件；一第二組電路元件，該第二組電路元件經配置以提供一與絕對溫度成比例(PTAT)的電壓或電流，其中該第二組電路元件包含一雙極電晶體，其係在該第一組電路元件之兩個雙極電晶體的該堆疊中之每一者之一n(n1)倍電流密度下操作；具有一負回饋網絡(network)之一放大器，其經配置以以組合該CTAT電壓或電流與該PTAT電壓或電流以便產 生該電壓參考，其中放大器網絡之負回饋包含一第二電阻元件；及其中該放大器之一負終端係自與該第一電阻元件串聯之該第一組電路元件耦接至兩個雙極電晶體的該堆疊；一第一偏壓電流供應電流至該第一組電路元件之兩個雙極電晶體的該堆疊中之該第二者；及一第二偏壓電流供應電流至該第二組電路元件之該電晶體，其中該第一及第二偏壓電流係來自一共同電流源之電流鏡，及其中該第一電阻元件之電阻對該第二電阻元件之電阻之一比率經選擇以補償該電壓參考之一階誤差，且依據該第一及該第二電阻元件之該等電阻之該比率，而判定通過該兩個雙極電晶體的該堆疊中之該第二者之一電流為零之一溫度對室溫之一比率，以補償該電壓參考之二階誤差，以使得同時補償該電壓參考之該一階誤差及二階誤差。
18. 如請求項17之帶隙電壓參考電路，其中該第一及第二偏壓電流之該共同電流源係一PTAT電流源。