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增益和温度容限带隙电压基准

申请号 CN202311206918.7 申请日 2023-09-19 公开(公告)号 CN117742436A 公开(公告)日 2024-03-22
申请人 德克萨斯仪器股份有限公司; 发明人 S·甘谷拉; J·多伦博斯; D·特里福诺夫;
摘要 本 申请 公开增益和 温度 容限带隙 电压 基准。带隙 电路 (200)及其元件的示例能够生成不受低 电流 增益影响的准确稳定的带隙基准电压VBG。示例电路包括:第一和第二输入晶体管M3和M4,各自具有接收尾电流I4的发射极;第一和第二核心晶体管M1和M2,各自的集 电极 耦合到接地(226);第一下分支(262),其在耦合到第一输入晶体管M3的基极的第一电流输入处耦合在第一上分支(246)与第一核心晶体管M1的发射极之间;第二下分支(264),其在耦合到第二输入晶体管M4的基极的第二电流输入处耦合在第二上分支(248)与第二核心晶体管M2的发射极之间;和基极 电阻 器 (268),其耦合在第一核心晶体管M1的基极与集电极之间。输入晶体管对M3和M4具有与核心晶体管对M1和M2的电流 密度 比相同的电流密度比。
权利要求

1.一种电路,其包括:
输入电路系统,其包括:
电流晶体管,以及
第一输入晶体管和第二输入晶体管,其各自具有耦合到所述尾电流晶体管的电流端子,其中所述第二输入晶体管与所述第一输入晶体管的电流密度比是N;以及主电路系统,其包括:
第一核心晶体管,其具有第一电流端子、第二电流端子和控制端子,所述第二电流端子耦合到基准节点
第二核心晶体管,其具有第一电流端子、第二电流端子和控制端子,所述第二电流端子耦合到所述基准节点,其中所述第二核心晶体管与所述第一核心晶体管的电流密度比是N,第一上分支和第一下分支,所述第一下分支耦合在所述第一上分支与所述第一核心晶体管的所述第一电流端子之间,所述第一上分支与所述第一下分支之间的耦合限定耦合到所述第一输入晶体管的控制端子的第一电流输入,
第二上分支和第二下分支,所述第二下分支耦合在所述第二上分支与所述第二核心晶体管的所述第一电流端子之间,所述第二上分支与所述第二下分支之间的耦合限定耦合到所述第二输入晶体管的控制端子的第二电流输入,以及
基极电阻元件,其耦合在所述第一核心晶体管的所述控制端子与所述第一核心晶体管的所述第二电流端子之间,
其中N是大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的电路,其进一步包括:
输出区段,其耦合到所述主电路系统的所述第一上分支和所述第二上分支并耦合到所述第一核心晶体管的所述控制端子,所述输出区段包括误差校正电路系统和输出端子。
3.根据权利要求2所述的电路,其中所述误差校正电路系统包括:
第一输出电阻元件,其具有耦合到所述主电路系统的所述第一上分支和所述第二上分支的第一端;
输出晶体管,其具有第一电流端子、第二电流端子和控制端子,所述第一电流端子耦合到所述第一输出电阻元件的第二端以限定所述输出端子;
放大器,其具有第一输入、第二输入和输出,所述第一输入耦合到所述第一核心晶体管的所述控制端子,所述第二输入耦合到所述输出晶体管的所述第二电流端子,并且所述输出耦合到所述输出晶体管的所述控制端子;以及
第二输出电阻元件,其具有耦合到所述输出晶体管的所述第二电流端子并耦合到所述放大器的所述第二输入的第一端,所述第二输出电阻元件具有耦合到所述基准节点的第二端。
4.根据权利要求3所述的电路,其中所述第一输出电阻元件和所述第二输出电阻元件具有近似相同的电阻值。
5.根据权利要求1所述的电路,其中所述主电路系统进一步包括:
在所述第一上分支中的第一电阻元件,所述第一电阻元件具有第一电阻值;
在所述第二上分支中的第二电阻元件,所述第二电阻元件具有小于所述第一电阻值的第二电阻值;以及
在所述第二下分支中的第三电阻元件,所述第三电阻元件具有小于所述第二电阻值的第三电阻值。
6.根据权利要求1所述的电路,其进一步包括复制电路系统和放大器,
所述复制电路系统包括:
偏置电流晶体管,其具有耦合到所述尾电流晶体管的控制端子的控制端子;以及第一电流支路和第二电流支路;
所述放大器具有分别耦合到所述第一电流支路和所述第二电流支路的第一输入和第二输入,以及耦合到所述偏置电流晶体管的所述控制端子的输出。
7.根据权利要求6所述的电路,其中所述复制电路系统包括分别耦合到所述第一支路和所述第二支路的第一复制晶体管和第二复制晶体管,其中所述第二复制晶体管与所述第一复制晶体管的电流密度比是N。
8.根据权利要求7所述的电路,其中:
所述复制电路系统和所述放大器被配置为生成偏置电流;
所述尾电流晶体管被配置为生成尾电流,所述尾电流的量是所述偏置电流的量的倍数,所述倍数是2或更大的整数;并且
所述电路被配置为:
响应于施加到所述电路的偏置电压而生成所述第一上分支和所述第二上分支中的每一个中的上分支电流,
在所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管中的每一个的所述控制端子处生成基极电流,
生成通过所述基极电阻元件的误差电流以生成压降,所述误差电流近似等于所述基极电流,以及
生成中间输出电压,所述中间输出电压具有为所述基极电流的值和所述基极电阻元件的电阻值的函数的电压分量。
9.根据权利要求8所述的电路,其进一步包括:
输出区段,其耦合到所述主电路系统的所述第一上分支和所述第二上分支并耦合到所述第一核心晶体管的所述控制端子,所述输出区段包括误差校正电路系统和输出端子,所述误差校正电路系统被配置为:
去除所述中间输出电压的误差分量,所述误差分量近似等于所述压降。
10.根据权利要求1所述的电路,其中:
所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管中的每一个是PNP晶体管,其中每个输入晶体管的耦合到所述尾电流晶体管的所述电流端子是发射极端子;并且
所述第一核心晶体管和所述第二核心晶体管中的每一个是竖直配置的PNP晶体管,其中所述第一核心晶体管和所述第二核心晶体管中的每一个的所述第一电流端子是发射极端子,并且所述第一核心晶体管和所述第二核心晶体管中的每一个的所述第二电流端子是集电极端子。
11.根据权利要求1所述的电路,其进一步包括:
折叠共源共栅放大器,其具有电压输入和电压输出,所述折叠共源共栅放大器耦合到所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管,
其中所述主电路系统进一步包括控制晶体管,所述控制晶体管具有耦合到所述折叠共源共栅放大器的所述电压输出的控制端子。
12.一种带隙电路,其包括:
复制电路系统和放大器,所述复制电路系统被配置为在所述放大器的控制下生成偏置电流;
核心,其包括输入电路系统和主电路系统,所述核心被配置为响应于电压输入和所述偏置电流而输出中间输出电压;以及
输出区段,其包括误差校正电路系统,所述误差校正电路系统被配置为去除所述中间输出电压的误差分量并输出带隙基准电压,所述带隙基准电压是所述中间输出电压与所述误差分量之间的差值。
13.根据权利要求12所述的带隙电路,其中所述复制电路系统是所述主电路系统的复制品,所述复制电路系统和所述主电路系统中的每一个包括具有为N的电流密度比的第一核心晶体管和第二核心晶体管,其中N是大于1的整数。
14.根据权利要求13所述的带隙电路,其中所述输入电路系统包括具有为N的电流密度比的第一输入晶体管和第二输入晶体管。
15.根据权利要求14所述的带隙电路,其中所述输入电路系统被配置为分别从所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管的控制端子生成第一基极电流和第二基极电流。
16.根据权利要求15所述的带隙电路,其中所述主电路系统被配置为:
在所述主电路系统的第一上分支中生成第一电流;
在所述主电路系统的第二上分支中生成第二电流。
17.根据权利要求16所述的带隙电路,其中所述核心被配置为:
在耦合到所述主电路系统的所述第一核心晶体管的发射极的发射极电流路径处组合所述第一基极电流与所述第一电流;以及
在耦合到所述主电路系统的所述第二核心晶体管的发射极的发射极电流路径处组合所述第二基极电流与所述第二电流。
18.根据权利要求17所述的带隙电路,其中所述主电路系统被配置为生成通过基极电阻器的误差电流,所述基极电阻器耦合在所述主电路系统的所述第一核心晶体管的控制端子与基准节点之间。
19.根据权利要求18所述的带隙电路,其中所述误差校正电路系统包括放大器,所述放大器被配置为感测所述基极电阻器两端的压降。
20.一种方法,其包括:
生成偏置电流;
将所述偏置电流成镜像到带隙电路的核心部分以生成用于所述核心的第一输入晶体管和第二输入晶体管的尾电流;
响应于施加到所述核心的输入,分别在所述核心的主电路系统的第一上分支和第二上分支中生成第一电流和第二电流,其中所述第一电流和所述第二电流近似相等;以及响应于所述尾电流,分别在所述第一输入晶体管和所述第二输入晶体管的所述基极处生成用于所述主电路系统的第一基极电流和第二基极电流,其中所述第一基极电流和所述第二基极电流近似相等。
21.根据权利要求20所述的方法,其进一步包括:
生成用于所述核心的第一核心晶体管的发射极的第一发射极电流,所述第一发射极电流是所述第一电流与所述第一基极电流的总和;
生成用于所述核心的第二核心晶体管的发射极的第二发射极电流,所述第二发射极电流是所述第二电流与所述第二基极电流的总和;以及
在耦合在所述第一核心晶体管的控制端子与基准节点之间的电阻器中生成误差电流。
22.根据权利要求21所述的方法,其包括:
在所述核心的输出处生成中间输出电压;以及
使用所述带隙电路的输出区段的误差校正电路系统去除所述中间输出电压的误差分量。
23.根据权利要求22所述的方法,其中去除所述中间输出电压的所述误差分量包括:
使用所述误差校正电路系统的放大器感测所述基极电阻器两端的压降,所述压降代表所述误差分量;
通过驱动由所述放大器的输出控制的输出晶体管来将所述误差电流施加到第一输出电阻器;
生成通过第二输出电阻器的输出电流以生成所述压降;以及
在所述带隙电路的输出端子处生成带隙基准电压,所述带隙基准电压是所述中间输出电压与所述误差分量之间的差值。

说明书全文

增益和温度容限带隙电压基准

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及在宽温度范围内,甚至在低电流增益(低β)条件下生成准确的带隙电压基准,并且更具体地说,涉及使用低β晶体管生成这种带隙电压基准的电路、系统和方法。

背景技术

[0002] 带隙电压基准电路(或简称带隙电路)被用于生成准确的带隙基准电压,该带隙基准电压在各种工艺、电压、温度(PVT)条件下保持稳定,以供需要此类电压的其他电路使用,例如模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)和精确比较器(诸如在数据转换器和相环系统中使用的比较器)。带隙电路被广泛地用于集成电路中。一般来说,带隙电路通过用正温度系数电压补偿正向偏置的基极‑发射极结的负温度系数电压来提供准确且相对稳定的基准电压。
[0003] 常规带隙电路使用二极管配置的第一和第二竖直p型双极结型晶体管,其中每个晶体管的基极和集电极被耦合在一起(PNP1和PNP2)。PNP1和PNP2中的每一个的基极和集电极也被耦合到接地。
[0004] 分别设置在电路的第一分支和第二分支中的PNP1和PNP2具有被设定大小以在不同的电流密度下操作的发射极区域,其中电流密度比为N。p型金属‑化物‑场效应晶体管(p型MOSFET或PMOS晶体管)的源极耦合到电压供电端子,并且PMOS晶体管的漏极在电路的输出节点处耦合到第一分支和第二分支,在该输出节点处输出带隙基准电压。第一分支和第二分支中的每一个具有耦合到输出节点的电阻为R2的电阻器。第二分支具有耦合在值为R2的电阻器和PNP2的发射极之间电阻值为R1的第二电阻器。
[0005] 该带隙电路还包括运算跨导放大器(OTA),该OTA具有分别耦合到第一分支和第二分支的反相输入和非反相输入。该反相输入在电阻器和PNP1的发射极之间耦合到第一分支,并且该非反相输入在第二分支中的两个电阻器之间耦合到该分支。误差放大器的输出控制PMOS晶体管的栅极。由于电流增益足够高,PNP的基极处的基极电流可以忽略不计。因此,对于每个PNP而言,发射极电流与集电极电流近似相等,所以来自OTA的反馈会导致向第一分支和第二分支中的每一个输送近似相等的电流。
[0006] PMOS晶体管迫使相等的电流沿每条分支流向PNP1和PNP2中的每一个的发射极。在电流增益足够高的情况下,基极电流可以忽略不计。PNP之间的电流密度差会导致正向电压差(ΔVBE),该电压差用于在第二分支中的值为R1的电阻器中生成与绝对温度成比例(PTAT)的电流。PTAT电流为 其中VT是PNP2的热电压。带隙基准电压由(PNP2的)VBE(其是绝对温度互补(CTAT)项)和PTAT项(ΔVBE*(1+–R2/R1))的总和给出。通过缩放电阻值R2和R1,可以生成接近带隙的输出电压,其在PVT条件下表现出极小的变化。
[0007] 然而,当两个PNP的电流增益不够高而无法忽略所创建的基极电流时,就会出现问题。在弱冷拐处,电流增益可能下降到低至0.5。即使在更有利的条件下,增益也可能保持在10以下,这通常是基极电流相对于发射极电流(近似为5‑10μA)变得显著的范围的上限。虽然OTA仍然操作以迫使近似相等的电流进入两个分支,但值为R1的电阻器两端的压降并非纯PTAT。这就引入了基极电流误差,并且上述常规带隙电路并没有被配置为对这种误差进行补偿。
[0008] 因此,期望对该问题的解决方案。在这种情况下,本发明的实施方案应运而生。

发明内容

[0009] 在一个示例中,一种电路包括输入电路系统和主电路系统。该输入电路系统具有尾电流晶体管(例如,M9)以及第一输入晶体管和第二输入晶体管(例如,M3和M4),每个输入晶体管具有耦合到尾电流晶体管的电流端子,其中第二输入晶体管与第一输入晶体管的电流密度比为N。该主电路系统包括:第一核心晶体管(例如M1),其具有第一电流端子、第二电流端子和控制端子,第二电流端子耦合到基准节点(例如接地);以及第二核心晶体管(例如M2),其具有第一电流端子、第二电流端子和控制端子,第二电流端子耦合到基准节点,其中第二核心晶体管与第一核心晶体管的电流密度比为N。该主电路系统还包括:第一上分支和第一下分支,第一下分支耦合在第一上分支与第一核心晶体管的第一电流端子之间,第一上分支和第一下分支之间的耦合限定耦合到第一输入晶体管的控制端子的第一电流输入;以及第二上分支和第二下分支,第二下分支耦合在第二上分支与第二核心晶体管的第一电流端子之间,第二上分支与第二下分支之间的耦合限定耦合到第二输入晶体管的控制端子的第二电流输入。主电路系统的基极电阻元件被耦合在第一核心晶体管的控制端子与第一核心晶体管的第二电流端子之间。
[0010] 在一个示例中,一种带隙电路包括复制电路系统和放大器、核心以及输出区段。该复制电路系统被配置为在放大器的控制下生成偏置电流。该核心包括输入电路系统和主电路系统。该核心被配置为响应于电压输入和偏置电流而输出中间输出电压。该输出区段包括误差校正电路系统,该误差校正电路系统被配置为去除中间输出电压的误差分量并输出带隙基准电压,该带隙基准电压是中间输出电压与误差分量之间的差值。
[0011] 在一个示例中,一种方法包括:生成偏置电流;将偏置电流成镜像到带隙电路的核心部分以生成用于核心的第一输入晶体管和第二输入晶体管的尾电流;响应于施加到核心的输入,分别在核心的主电路系统的第一上分支和第二上分支中生成第一电流和第二电流,其中第一电流和第二电流近似相等;以及响应于尾电流,分别在第一输入晶体管和第二输入晶体管的基极处生成用于主电路系统的第一基极电流和第二基极电流,其中第一基极电流和第二基极电流近似相等。
[0012] 参照附图,从下面的详细描述中可以更好地理解这些特征和其他特征。

附图说明

[0013] 结合详细描述,可以从下面的图中了解本公开的特征。
[0014] 图1是示例带隙电压基准电路的框图
[0015] 图2是如图1所示的示例带隙电压基准电路的电路图。
[0016] 图3是生成带隙基准电压的示例方法的流程图

具体实施方式

[0017] 下文将参照附图详细描述具体示例。这些示例不具有限制性。在附图中,除非另有说明,否则对应的数字和符号一般是指对应的部分。附图中描绘的对象不一定按比例绘制。
[0018] 在示例布置中,提供了电路及其元件,其使得能够生成准确且稳定的带隙基准电压,即在宽温度范围内表现出非常小的变化并且不受低电流增益(低β)的影响的带隙基准电压。一种示例带隙电压基准电路(带隙电路)通过在低电流增益值范围内校正由低β(即相对于集电极电流的非轻微基极电流)导致的误差来改善带隙基准电压的准确度。
[0019] 在一个示例中,一种带隙电路由核心形成,该核心生成用于具有为N的电流密度比的歪斜的第一PNP输入晶体管和第二PNP输入晶体管的尾电流,其中N是大于1的整数。在第一输入晶体管和第二输入晶体管的基极处生成近似相等的基极电流,其中每个基极电流与在耦合到核心的复制电路系统中生成的基极电流近似相等。在核心中生成的基极电流被加到流过主电路系统的相应上分支中的电阻器(每个具有电阻值R2)的电流,以形成用于主电路系统的第一竖直核心PNP晶体管和第二竖直核心PNP晶体管(其也具有为N的电流密度比)的发射极电流。电阻器(具有电阻值R1)被设置在耦合在其对应的上分支与第二核心晶体管的发射极之间的下分支中,并且另一电阻器(具有电阻值R1/2)与值为R2的电阻器串联设置在用于第一核心晶体管的上分支中。具有电阻值R1的基极电阻器被耦合在第一核心晶体管的基极与集电极之间。如同在复制电路系统(其为主电路系统的复制品)中,基极电流流过主电路系统的基极电阻器。输入晶体管和核心晶体管被设定尺寸以使得对于这两个晶体管对来说ΔVBE都是相同的。
[0020] 使用反馈,这种配置使两个分支上的压降相等,并且因此创建流过每个分支的相同电流(PTAT电流)。因此,这种配置使得更容易通过缩放电阻值来抵消或去除由核心生成的中间输出电压的误差诱导电压分量。
[0021] 为了去除误差诱导电压,核心被耦合到包括误差校正电路系统的输出区段以去除或充分地降低由基极电流导致的误差。带隙电路可以与在一个或多个温度下的修整(trim)进行组合以实现甚至更大的准确度。
[0022] 图1是示例带隙电压基准电路(带隙电路)100的框图。带隙电路100可以包括复制电路系统102以及相关联的放大器(例如,OTA)104、核心106和输出区段108。复制电路系统102被配置为生成偏置电流。核心106包括输入电路系统112,该输入电路系统112包括折叠共源共栅放大器,该折叠共源共栅放大器的电压输入被配置为分别接收偏置电压VB1和VB2。
输入电路系统112被耦合到复制电路系统102以便将偏置电流以2倍成镜像,并且该镜像电流被用作尾电流,以驱动一对输入PNP晶体管分别在基极电流路径116和118上生成相应基极电流,这些基极电流是近似相同的。核心106的主电路系统114(其被配置为与复制电路系统102基本上相同)被耦合到输入电路系统112以生成在主电路系统114的相应上分支中流动的集电极电流。基极电流和集电极电流在主电路系统114的相应下分支中进行组合以形成相应PNP核心晶体管的发射极电流。
[0023] 复制电路系统102和核心电路系统106各自被耦合到电压供电端子124,该电压供电端子124适于耦合到供电电压(AVDD)。复制电路系统102、核心电路系统106以及输出区段108各自被耦合到基准节点126,例如接地端子。
[0024] 输入电路系统112与主电路系统114之间的反馈耦合创建了近似相等的集电极电流,其为PTAT电流。生成了中间输出电压(Vx),其包括CTAT电压项、PTAT电压项以及作为基极电流的因子的误差项。然后通过输出区段108的误差校正电路系统122去除该误差项以生成基本上平坦的带隙基准电压(VBG),该带隙基准电压在宽温度范围内是稳定的并且不受低电流增益影响。
[0025] 图2是示例带隙电路200的电路图,该示例带隙电路200总体包括分别对应于或基本上对应于图1中所示的方框的各种电路部件。就此而言,带隙电路200包括复制电路系统202、相关联的放大器(例如OTA或误差放大器)204、核心206和输出区段208。核心206包括经由基极电流路径216和218耦合的输入电路系统212和主电路系统214。输出区段208包括误差校正电路系统222。
[0026] 复制电路系统202包括PMOS晶体管M8,该M8具有耦合到供电电压端子224的源极,该供电电压端子224被配置为耦合到供电电压(例如AVDD)。晶体管M8的漏极被耦合到一对电流路径232和234。相等尺寸的电阻器236和238(各自具有电阻值R2)被分别设置在路径232和234中。晶体管M8的栅极被耦合到放大器204的输出,该输出控制所生成的偏置电流(I3)的流动。另一电阻器242被设置在电流路径234中。电阻器242具有小于R2的电阻值R1。电阻器242被耦合在电阻器238与PNP晶体管M6的发射极之间。晶体管M6的基极和集电极在基准节点或接地端子226处被耦合在一起。在电流路径232中,电阻器236被耦合在晶体管M8的漏极与PNP晶体管M5的发射极之间。基极电阻器244(具有电阻值R1)被耦合在晶体管M5的基极与其集电极之间,该集电极也被耦合到接地端子226。晶体管M5和M6被竖直地配置并具有为N的电流密度比,其中N是大于1的整数。
[0027] 在操作中,偏置电流 其被近似相等地划分到电流路径232和234中。因此,晶体管M5的发射极电流(IE5)近似为IC/2+IB/2,并且晶体管M6的发射极电流(IE6)是近似相等的。晶体管M5的基极电流(IB5)近似为IB/2。
[0028] 放大器204的输入中的一个(例如,反相输入)被耦合到晶体管M5的发射极,并且误差放大器204的另一个输入(例如,非反相输入)在电阻器238和242之间被耦合到电流路径234。放大器204优选是具有非常高的输入阻抗的CMOS设计,使得在输入处仅出现很小量的电流。放大器204基于在输入连接点处测量的电压的比较来控制晶体管M8的栅极。
[0029] 核心206包括PMOS晶体管M9,该PMOS晶体管M9的源极被耦合到供电电压端子224。晶体管M9的栅极被耦合到复制电路系统202的PMOS晶体管M8的栅极以便在M9上将偏置电流I3以2倍成镜像。镜像电流(I4)(其因此近似为2(IC+IB))被用作用于输入电路系统212的一对歪斜的输入PNP晶体管M3和M4的尾电流。晶体管M3和M4中的每一个的发射极被耦合到M9的漏极。晶体管M3和M4被配置为使得它们的电流密度比为N。分别从晶体管M3和M4的基极生成基极电流IB3和IB4。基极电流IB3和IB4分别在电流路径216和218上流到主电路系统214。
[0030] 晶体管M3和M4的集电极被耦合到总体上由附图标记210标识的折叠共源共栅放大器的相应支路,使得晶体管M3和M4的集电极电流IC3和IC4流到相应支路。折叠共源共栅放大器210可以与具有两个偏置电压输入的放大器204基本上相同,其中在两个偏置电压输入处分别施加偏置电压VB1和VB2以控制主电路系统214的PMOS晶体管M10以分别在主电路系统214的第一上分支246和第二上分支248中生成近似相等的电流I1和I2。折叠共源共栅放大器的示例配置被示出在图2中。然而,如本领域技术人员将理解的,可以采用与本文的教导一致的替代配置。
[0031] 主电路系统214也包括第一上分支246和第二上分支248,在其中分别设置电阻器252和254。电阻器252和254中的每一个具有电阻值R2。第二电阻器256也被设置在第一上分支246中。电阻器256具有电阻值R1/2,其中R1小于R2。
[0032] 第一上分支246和第二上分支248分别耦合到第一下分支262和第二下分支264。基极电流路径216在第一下分支262耦合到第一上分支246的地方将电流馈送到第一下分支262。第一下分支262的另一端被耦合到核心PNP晶体管M1的发射极。基极电流路径218在第二下分支264耦合到第二上分支248的地方将电流馈送到第二下分支264。电阻器266被设置在第二下分支264中,处于其与第二上分支248的耦合点和核心PNP晶体管M2的发射极之间。
电阻器266具有电阻值R1。晶体管M2的集电极和基极被耦合在一起并且也耦合到接地端子
226。具有电阻值R1的基极电阻器268被耦合在晶体管M1的基极和集电极之间。晶体管M1的集电极被耦合到接地端子226。核心PNP晶体管M1和M2被竖直地配置并且具有为N的电流密度比。
[0033] 因此,主电路系统214与复制电路系统202基本上相同。更精确地说,复制电路系统202被构造成主电路系统214的复制品。反馈被提供给主电路系统214,其通过歪斜的输入PNP晶体管M3和M4以及折叠共源共栅放大器210来提供,该输入PNP晶体管M3和M4与核心PNP晶体管M1和M2具有同样为N的电流密度比,该折叠共源共栅放大器210被耦合到输入电路系统212和主电路系统214两者。
[0034] 晶体管M10的漏极与第一上分支246和第二上分支248的耦合形成将核心206耦合到输出区段208的中间输出节点272。在中间输出节点272处生成中间输出电压Vx。输出区段208包括输出端子274,在该输出端子274处生成带隙基准电压(VBG)。为了去除Vx的误差分量,输出区段208的误差校正电路系统222包括放大器(例如,误差放大器或OTA)278、NMOS晶体管M7以及电阻器276和282。电阻器276被耦合在中间输出节点272与输出端子274之间。晶体管M7的漏极被耦合到输出端子274,并且电阻器282被耦合在M7的源极与放大器278的反相输入(‑)之间。非反相输入(+)被耦合到晶体管M1的基极,并且误差放大器的输出被耦合到晶体管M7的栅极。
[0035] 核心206被配置为使得在操作中分别流过第一上分支246和第二上分支248的电流I1和I2是近似相等的;因此, 其中的后者代表集电极电流。由于从晶体管M3和M4的基极流出的基极电流(分别为IB3和IB4)是相等的 因此分别流到PNP核
心晶体管M1和M2的发射极的发射极电流IE1和IE2也是近似相等的。也就是说,
此外,流过电阻器268的基极电流(用IB1表示)近似等于IB。
[0036] IC是PTAT电流,其流过第一上分支246和第二上分支248中的每一个。其中ΔVBE是晶体管M1和M2的基极‑发射极电压的差值。
[0037] 中间输出电压Vx可以被表达为:替换IC得到: 重新布置
得到:
[0038] 带隙电压VBG近似为Vx‑(IB*R1),其中(IB*R1)代表基极电流误差电压项。该误差电压项由误差校正电路系统222来消除。放大器278感测电阻器268上的压降,其中放大器278将其非反相输入耦合到晶体管M1的基极。
[0039] 电阻器268两端的该感测电压代表误差电压项(IB*R1),其通过由驱动晶体管M7创建的反馈被强制施加在电阻器282上。这将电流 引入输出区段208的该支路中,在电阻器276上创建相同的压降IB*R1。因此,VBG是CTAT电压分量和PTAT电压分量的总和并且能够被表达为: 替换ΔVBE得到:
[0040] 通过这样配置,带隙电路200在低电流增益下提供了准确的带隙基准电压。带隙电路200不仅去除或极大地减少由于低电流增益所创建的误差,它也在宽温度范围内提供更准确的带隙基准电压。通过带隙电路200,带隙基准电压在拐角处的变化可以比使用常规带隙电路在相同拐角处经历的变化的一半还小。
[0041] 图3是使用例如带隙电路200生成带隙基准电压的示例方法300的流程图。在操作302中,使用例如复制电路系统202(其中核心PNP晶体管具有为N的电流密度比)以及相关联的放大器204来生成偏置电流。在操作304中,随后将偏置电流以2倍成镜像以在带隙电路
200的核心206中生成尾电流。该尾电流被划分到输入电路系统212的两个支路中,其中每个支路中的电流流到一对PNP输入晶体管的相应一个晶体管的发射极。在操作306中,响应于施加到核心206的输入,在主电路系统214的一对上分支的每个上分支中生成近似相等的PTAT电流。在操作308中,生成近似相等的基极电流并且该基极电流从输入晶体管的基极流出且相应地与PTAT电流进行组合,在此之后每个组合的电流流到主电路系统214的一对PNP核心晶体管中的相应一个晶体管的发射极。在操作310中,在核心晶体管之一的基极处生成基极电流并且该基极电流流过耦合在该基极与接地之间的基极电阻器。在操作312中,生成中间输出电压。在操作314中,使用带隙电路200的输出区段208的误差校正电路系统222来从中间输出电压消除或去除中间输出电压的误差电压项(该项近似等于由流过基极电阻器的基极电流所生成的压降)。在操作316中,生成准确的容忍增益和温度的带隙基准电压。
[0042] 图3描绘了生成带隙基准电压的一种可能的操作顺序。并非所有的操作都必须以所描述的顺序来执行。两个或更多个操作可以被组合成单个操作。一些操作可以被基本上同时执行。可以执行与本文的描述一致的附加操作和/或替代操作。
[0043] 带隙电路及其电路系统的各种示例使得能够生成不仅容忍温度也容忍电流增益的准确且稳定的带隙基准电压。特别地,这种电路不受到低电流增益(低β)的影响。在近似27℃的单个温度修整下,根据本文的教导生成的带隙基准电压可以近似–55℃至近似155℃的温度范围内表现出近似2.4mV的变化,这显著低于常规带隙电路。诸如图2中所描绘的电路可以被用在需要准确的带隙基准电压但不支持高电流增益BJT的应用或过程中。
[0044] 贯穿整个说明书使用了术语“耦合”。该术语及其派生词可以涵盖实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如,如果设备A提供信号以控制设备B执行动作,则在第一示例中,设备A耦合到设备B,或者在第二示例中,设备A通过介入元件C耦合到设备B,条件是介入元件C不会实质性地改变设备A和设备B之间的功能关系,从而使设备B经由设备A提供的控制信号而由设备A控制。
[0045] 被“配置为”执行任务或功能的设备可以在制造时由制造商配置(即编程和/或硬接线)以执行该功能,和/或可以在制造后由用户可配置(或可重新配置)以执行该功能和/或其他附加或替代功能。该配置可以通过设备的固件和/或软件编程来实现,通过设备的硬件部件和互连的结构和/或布局来实现,或者通过它们的组合来实现。
[0046] 如本文所用,术语“端子”是指“节点”、“互连”、“引脚”和/或“引线”。除非有相反的特别说明,否则这些术语通常是指设备元件、电路元件、集成电路、设备或其他电子半导体部件之间的互连或其终端。
[0047] 在本文中被描述为包括某些部件的电路或设备可以改成与这些部件耦合以形成所描述的电路系统或设备。例如,被描述为包括一个或多个半导体元件(诸如晶体管)、一个或多个无源元件(诸如电阻器)和/或一个或多个源(诸如电压源和/或电流源)的结构可以改为在单个物理设备(即半导体管芯和/或集成电路(IC)封装件)内仅包括半导体元件,并且可以适于在制造时或制造后(例如,由最终用户和/或第三方)与无源元件和/或源中的至少一些耦合以形成所描述的结构。
[0048] 除非另有说明,否则被示出为电阻器的部件通常代表被串联和/或并联耦合以提供所示电阻器所代表的阻抗量的一个或多个元件。例如,本文中描述为单个电阻器的电阻器可以改为在相同节点之间并联耦合的多个电阻器。同样,多个串联的电阻器也可以被组合成单个电阻器。
[0049] 在本文描述的示例中,相对于(一个或多个)BJT晶体管而言的术语“(一个或多个)控制端子”是指(一个或多个)这种晶体管的(一个或多个)基极,并且结合(一个或多个)MOSFET晶体管所用的“(一个或多个)控制端子”是指(一个或多个)这种晶体管的(一个或多个)栅极。术语“电流端子”是指MOSFET晶体管的漏极端子和源极端子,以及BJT的发射极端子和集电极端子。此处使用的“接地”一词包括底盘接地、大地接地、浮置接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适合于本说明书的教导的任何其他形式的接地连接。除非另有说明,数值前的“约”、“近似”、“左右”或“基本上”是指所述数值+/‑10%。
[0050] 在权利要求的范围内,对所描述的示例的修改是可能的,并且其他示例也是可能的。此外,本文所述的特征可以被应用于与所提供的教导一致的其他环境和应用中。
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