CN103677054B

CN103677054B - 带隙基准电压发生器

Info

Publication number: CN103677054B
Application number: CN201210334326.9A
Authority: CN
Inventors: 吴建舟; 王洋
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: US8922190B2; CN103677054A; US20140070777A1

Abstract

一种带隙基准电压发生器具有在第一节点和第二节点之间的第一和第二电流传导路径。第一电流传导路径具有与第一正向偏置PN结元件串联连接的第一电阻元件。抽头通过开关选择性连接到第一电阻元件，开关可控制来选择抽头处的分压比。第二电流传导路径包括与电流密度比第一PN结更大的第二PN结元件串联连接的第二电阻元件。电压误差放大器具有连接到抽头和第二PN结元件的输入以及提供热补偿输出电压V_REF的输出。反馈路径将输出电压V_REF经第三电阻元件应用到第一节点。

Description

带隙基准电压发生器

技术领域

本发明涉及集成电路，更特别地，涉及带隙基准电压发生器。

背景技术

基准电压发生器广泛用于集成电路（IC）和其他电子电路中以提供基准电压，不论制造处理条件从一批产品到另一批产品发生变化，也不论运行温度的变化，基准电压是稳定的。各种技术可用于因工艺变化而补偿基准电压，诸如在电路设计中包括调节电阻器（trim resistor），其在制造IC时可被设置或“调节”。

热补偿一般通过在基准电压发生器中包括带隙模块（band gap module）来获得。带隙模块包括正向偏置的半导体PN结，其可以例如由二极管或者由以二极管连接的双极结晶体管（BJT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）来提供。对于穿过正向偏置的半导体PN结的给定电流，跨该结的电压随着温度上升而下降，一般称为与绝对温度互补（CTAT），例如，在硅半导体中变化约-2mV/°K。带隙模块利用运行在不同电流密度下的一对匹配的正向前置PN结之间的电压差来产生随温度上升而增大的电流，一般称为与绝对温度成正比（PTAT）。该电流用于在电阻器中产生PTAT电压，其被添加到跨过半导体PN结（其可以是所述匹配的对中的一个）的CTAT电压。PTAT和CTAT电压之比可通过例如设置电阻值来设置，从而PTAT和CTAT电压的温度依赖性彼此补偿到第一级近似。典型地，在半导体器件中，所得电压为约1.2-1.3V，接近硅在0°K的理论带隙1.22eV。温度依赖性的剩余第二级近似典型地在设置PTAT和CTAT之比的温度附近的运行温度范围内是小的。

调节用于带隙模块的电阻值通过设置开关或熔丝以连接或短路调节电阻器而方便地数字式执行。期望能关于中值双向地调节电阻值，在某些已知实现中不是这样的。在一些常规实现中，调节开关的接通电阻需要是小的以减小它们的接通电阻变化（例如，随着电源电压的变化的）引入的不精确性。常规实现中具有小的接通电阻的调节开关趋向于占据大的IC面积。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种带隙基准电压发生器，包括：不同电流密度的正向偏置的第一和第二PN结元件；在第一节点和第二节点之间的第一电流传导路径，包括串联连接在所述第一节点和第三节点之间的多个第一电阻元件以及串联连接在所述第三节点和所述第二节点之间的所述第一PN结元件，其中所述第一电阻元件连接成分压器构造；抽头，通过开关元件选择性连接到所述第一电阻元件，其中所述开关元件能控制来选择所述抽头处的分压比；在所述第一和第二节点之间的第二电流传导路径，包括串联连接在所述第一节点和第四节点之间的第二电阻元件以及串联连接在所述第四节点和所述第二节点之间的所述第二PN结元件；电压误差放大器，具有连接到所述抽头的第一输入、连接到所述第四节点的第二输入、以及用于提供热补偿输出电压的输出；以及反馈路径，用于将所述输出电压应用到与所述第一和第二节点串联连接的第三电阻元件。

本发明的另一方面在于提供一种制造带隙基准电压发生器的方法。该带隙基准电压发生器具有：不同电流密度的正向偏置的第一和第二PN结元件；在第一节点和第二节点之间的第一电流传导路径，包括串联连接在所述第一节点和第三节点之间的多个第一电阻元件以及串联连接在所述第三节点和所述第二节点之间的所述第一PN结元件；在所述第一节点和所述第二节点之间的第二电流传导路径，包括串联连接在所述第一节点和第四节点之间的第二电阻元件以及串联连接在所述第四节点和所述第二节点之间的所述第二PN结元件。所述方法包括：将所述第一电阻元件连接成分压器构造，一抽头通过开关元件选择性连接到所述第一电阻元件；控制所述开关元件以选择所述抽头处的分压比；提供电压误差放大器，该电压误差放大器具有连接到所述抽头的第一输入、连接到所述第四节点的第二输入、以及用于提供热补偿输出电压的输出；以及提供反馈路径，该反馈路径用于将所述输出电压应用到与所述第一和第二节点串联连接的第三电阻元件。

附图说明

本发明以示例的方式说明且不限于附图所示的其实施例，附图中相似的附图标记表示相似的元件。为了简单和清楚而示出图中的元件，其不一定是按比例绘制的。

图1是常规带隙基准电压发生器的示意性电路图；

图2是图1的带隙基准电压发生器中的可变电阻器的构造的示意图；

图3是图1的带隙基准电压发生器中的可变电阻器的替选构造的示意图；

图4是以示例方式给出的、根据本发明一实施例的带隙基准电压发生器的示意性电路图；以及

图5是图4的带隙基准电压发生器的误差放大器的示例的示意性电路图。

具体实施方式

图1是常规带隙基准电压发生器100的示意性电路图。带隙基准电压发生器100包括调节电阻器网络R7，以及除了连接成带隙电压发生器构造的正向偏置的二极管式连接的双极结晶体管（BJT）Q1和Q2之外，示为电阻器R4/R5和R6的调节电阻器网络，其中BJT Q1的发射极面积是BJT Q2的发射极面积的M倍。基极-发射极电压Vbe1和/或Vbe2在单个预定温度下测量。基于所测量的基极-发射极电压，电阻器网络R7和/或R4/R5被调节以提供在该温度下期望的带隙电压。输出电压调节程序包括在单个温度下测量跨BJT Q1的基极-发射极端子的第一电压Vbe1，使用Vbe1来确定第一调节电阻网络R7的电阻值，以及将第一调节电阻网络R7调节到该电阻值。调节步骤包括在相同温度下测量跨第二BJT Q2的基极-发射极端子的第二电压Vbe2。在执行带隙电压Vbg的调节程序以减小温度系数之后，可以执行用于最小化输出电压的绝对值的电压补偿调节。补偿调节步骤包括：调节第二和第三调节电阻网络R4/R5和R6，从而获得所期望的输出基准电压Vref。

调节电阻器网络R7、R4/R5和R6承载电流，该电流产生跨过电阻网络的所需电压。常规电阻网络的示例示于图2和3中且包括梯级电阻器元件200和一组开关元件202，或者并联连接的一组电阻器300，其每个与各自的开关元件302串联。开关元件202或302选择性接通或切断以将对应的电阻元件200短路或包括在网络的电流路径中，或者将对应的电阻元件300包括或排除在网络的电流路径中。当开关元件202或302接通时，它们承载穿过网络的电流，开关元件202或302的接通电阻的变化将影响输出基准电压Vref的精度。如果开关元件202或302是例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），那么接通电阻是电源电压的函数，为了使输出基准电压Vref的变化减小到可接受的值，开关元件202或302的接通电阻必须低，其消耗大的IC面积。如果开关元件202或302是熔丝，那么可以用较小的每熔丝IC面积获得低的短路电阻，但是需要对应数量的专用电接触焊盘以在制造期间选择性吹断熔丝，这又导致大的IC面积消耗。此外，使用熔丝是低灵活性的，因为调整是单向的。

现在参照图4，示出根据本发明一实施例的示例的带隙基准电压发生器400。带隙基准电压发生器400包括不同电流密度的第一和第二正向偏置PN结元件Q₁和Q₂。第一节点404和第二节点406之间的第一电流传导路径402包括串联连接在第一节点404和第三节点410之间的多个第一电阻元件408以及串联连接在第三节点410和第二节点406之间的第一PN结元件Q₁。第一电阻元件408连接成分压器构造，抽头412通过开关元件414选择性连接到第一电阻元件408，开关元件414可控制来选择抽头412处的分压比。

第一节点404与第二节点406之间的第二电流传导路径416包括串联连接在第一节点404和第四节点420之间的第二电阻元件418以及串联连接在第四节点420和第二节点406之间的第二PN结元件Q₂。电压误差放大器422具有连接到抽头412的第一输入、连接到第四节点420的第二输入、以及提供热补偿输出电压V_REF的输出424。反馈路径426将输出电压V_REF应用到与第一和第二节点404和406串联连接的第三电阻元件428。

在带隙基准电压发生器400的该示例中，PN结元件Q₁和Q₂包括具有发射极、基极和集电极区域的双极结晶体管(BJT)，基极区域连接到各自的集电极区域，各正向偏置的基极-发射极结与第一和第二电流传导路径402和416串联连接。多个第一电阻元件408包括多个电阻调节元件430和将电阻调节元件430串联连接的多个连接器元件432，开关元件414可控制来将抽头412选择性地与连接器元件432相连并选择抽头412处分压比的值，其可以关于中值双向设置。带隙基准电压发生器400的该示例包括用于控制开关元件414以选择和设置抽头412处的分压比的控制器。控制器包括调节寄存器434和解码器436，其控制包括开关元件414的转换开关(multiplexer)。第一PN正向偏置结元件Q₁具有比第二PN正向偏置结元件Q₂更小的电流密度，密度之比为M比1，多个第一电阻元件408给出比第二电阻元件418更大的电阻。电压误差放大器422的第一输入是倒相输入，电压误差放大器的第二输入是非倒相输入。

更详细地，多个第一电阻元件408包括串联连接在第一节点404和电阻调节元件430之间的具有电阻R₁-nR的电阻器438、串联连接在第三节点410和电阻调节元件430之间的具有电阻R₂-nR的电阻器440、以及包括电阻值为R的2n个梯级调节电阻器的多个电阻调节元件430。第一节点404和第三节点410之间的第一电流传导路径402中存在的电阻独立于分压比且等于R1+R2。第二电阻元件418给出的存在于第二电流传导路径416中的电阻选择为等于R1。由调节寄存器434和解码器436所选择的、抽头412到梯级2n个值为R的调节电阻器430的连接位置对应于调节电阻器430的编号k，k从梯级调节电阻器430的中点起在－n和＋n之间，并选择电阻元件408的分压比，当k为零时其等于R₂/(R₁+R₂)。选择包括电阻器428的电阻值和电压误差放大器422的偏置电压，使得当编号k等于零时标称上输出电压V_REF具有合适的值。

然而，电压发生器400的实际特性由于例如制造工艺变化而经受变化。在制造期间电压发生器400的测试中，通过在特定温度下与标准基准电压相比测量输出电压V_REF，由调节寄存器434和解码器436来调节电阻元件408的分压比，以补偿与电压发生器400的标称特性的差异。调节电阻器430的电阻R选择为足够小以提供对分压比的精细调节，同时提供充足的精细调节范围，而没有不适当地增大调节电阻器430和对应的开关元件414的数量；在该示例中，将调节电阻器430和对应的开关元件414的数量限制到十六已经是可行的。调节电阻器430的编号k的值可以关于标称值零在－n和＋n之间变化，从而关于梯级调节电阻器430中点的双向调整是可行的，如果调整过程过冲，那么调整方向可以反转，不同于吹断熔丝。

抽头412处的电压V_k应用到放大器422的倒相输入，呈现在节点420处的电压降V_EB2应用到放大器422的非倒相输入。对于给定电流和温度，跨BJT Q₁（其电流密度是所匹配的BJT Q₂的电流密度的M分之一）的电压降V_EB1小于跨BJT Q₂的电压降V_EB2。多个第一电阻元件408给出比第二电阻元件418更大的电阻，但是电阻的标称值R₁、R₂、R₆和R选择为使得当调节电阻器430的编号k等于零（对应于梯级2n个调节电阻器430的中点）时抽头412处的电压V_k标称上等于跨BJT Q₂的电压降V_EB2。

负反馈回路426使分别在第一和第二电流传导路径402和416中流动的电流I₁和I₂在电阻器428中之和调整到放大器422的输入处的电压V_k和电压降V_EB2基本相等的水平。

图5示出带隙基准电压发生器400中的误差放大器422的示例500。误差放大器500具有以长尾对（long-tailed pair）构造连接的p型MOSFET 502和504，它们的源极连接到公共节点506。p型MOSFET 508的源极连接到电压源V_DD，漏极连接到节点506，栅极连接到偏置电压V_BIAS源（未示出）。p型MOSFET 510的源极连接到电压源V_DD，漏极连接到输出端子424，栅极连接到偏置电压V_BIAS源。n型MOSFET 512和514以电流镜构造分别连接在MOSFET 502和504的漏极与电压源V_SS之间。MOSFET 512和514的栅极连接在一起且连接到MOSFET 502和512的漏极，它们的源极连接到电压源V_SS。MOSFET 514的漏极连接到n型MOSFET 516的栅极，n型MOSFET 516的源极连接到电压源V_SS，n型MOSFET 516的漏极连接到输出端子424。电流镜将公共电流I_TAIL的流在MOSFET 502和512中的部分拷贝到MOSFET 504和514中，从而电流信号附加到电压信号，提高放大器500的增益。

输出电压V_REF可表示为恒定偏置电压和热补偿校正f_vbg之和。抽头412处的电压V_k由下式给出：

V_k＝V_EB1+I₁(R₂+kR)

电压误差放大器422和反馈回路426使抽头412处的电压V_k基本等于呈现在节点420处的电压降V_EB2，从而：

V_k＝V_EB1+I₁(R₂+kR)＝V_EB2

第一电流传导路径402中的电流I₁由下式给出：

I₁＝ΔV_EB/(R₂＋kR)，

其中ΔV_EB是跨过BJT Q₂和Q₁的基极-发射极电压降V_EB2和V_EB1之间的差异，其是PTAT。节点404和406之间的电压对于第一和第二电流传导路径402和416相同，从而：

V_EB2＋I₂R₁＝V_EB1＋I₁(R₂＋R₁)，且

I_{2} = \frac{I_{1} (R_{2} + R_{1}) - Δ V_{EB}}{R_{1}} = I_{1} (1 - kR / R_{1})

肖特基二极管方程式给出：

V_{EB 1} \approx V_{T} \ln (I_{1} / {MI}_{S}),

V_{EB 2} \approx V_{T} \ln (I_{2} / I_{S})

其中I_S是归一化反相偏置饱和电流，远小于I₁或I₂，V_T是由k'T/q给出的热电压，其中k'是玻尔兹曼常数，T是以°K计的绝对温度，q是电子电荷，且其中M是BJT Q₂和Q₁的电流密度之比。

根据以上，I₁由下式给出：

I_{1} = \frac{V_{T}}{(R_{2} + kR)} [\ln (1 - kR / R_{1}) + \ln M]

到第一级，如果kR远小于R₁和R₂：

\frac{V_{T}}{(R_{2} + kR)} \approx V_{T} / R_{2} (1 - kR / R_{2})

且

\ln (1 - kR / R_{1}) \approx - kR / R_{1},

且

I_{1} = \frac{V_{T}}{R_{2}} (\ln M - kR / R_{2} \ln M - kR / R_{1}),

k∈[-n:+n]

I_{2} = \frac{V_{T}}{R_{2}} (\ln M - k (R / R_{1} + R / R_{2}) \ln M - kR / R_{1}),

k∈[-n:+n]

根据以上方程式，对输出电压V_REF的热补偿校正f_vbg的值可导出为：

f_vbg(T,k)=f_vbg(T)|_k _＝ ₀+k*C*V_T,k∈[-n,n]

f_{vbg} (T) |_{k = 0} = (\frac{R_{1}}{R_{2}} + \frac{2 R_{6}}{R_{2}}) V_{T} \ln M + V_{EB 2} (T) |_{k = 0}

在这些方程式中，M是常数，C是取决于M且取决于两个电阻之比的参数，通过匹配它们的制造工艺和设计，可以使电阻比值随温度恒定。采用编号k等于零，测量输出电压V_REF的温度系数，通过利用调节寄存器434、解码器436和开关元件414调整编号k，可以实现到第一级的热补偿。

在任何一个时刻仅一个开关元件414接通，选择第一电阻元件408的分压比。电压误差放大器422给出高输入阻抗。因此，流经接通的开关元件414的电流是小的，其接通电阻的变化对带隙基准电压发生器400的性能仅具有小的影响，可以容易地容忍更高的接通电阻。在带隙基准电压发生器400中，电阻调节元件430全都是等值的。在图2和3所示的结构中，可以选择不同大小的电阻调节元件200或300，其通过同时接通不同组合的开关元件202和302来组合，从而对于给定数量的调节级别（在带隙基准电压发生器400的情况下为十六），可使用更小数量的电阻调节元件200或300以及开关元件202和302。然而，开关元件202或302本身所占据的面积，或者如果熔丝替代开关元件202和302的话使熔丝能被吹断的焊盘所占据的面积，远大于带隙基准电压发生器400的开关元件414的面积。在相等精度的示例中，已经发现在图2和3所示结构中开关元件202或302所占据的面积，或者用于熔丝的焊盘所占据的面积，在带隙基准电压发生器400中的约二十五倍和五十倍大之间，尽管具有四分之一的开关元件202或302（或者用于熔丝的焊盘）。

在前述说明中，已经参照本发明的实施例的特定示例描述了本发明。然而，将显然的是，可以在其中进行各种修改和变化而不偏离所附权利要求定义的本发明的较宽思想和范围。例如，这里描述的半导体衬底可以是任何半导体材料或材料组合，诸如砷化镓、硅锗、绝缘体上硅（SOI）、硅、单晶硅等，或者以上的组合。PN结可以由二极管或二极管式连接的BJT或MOSFET或者其他晶体管形成。

这里论述的连接可以是适于往来于各节点、单元或器件，例如经由中间器件传输信号的任何类型的连接。因此，除非另外地暗示或者说明，否则连接可以是直接连接或者间接连接。连接可以参照单个连接、多个连接、单向连接或双向连接来图示或说明。然而，不同的实施例可以改变连接的实现。例如，可以使用多个单独的单向连接而不是双向连接，反之亦然。此外，可以用串行地或者以分时复用方式传输多个信号的单个连接代替多个连接。类似地，承载多个信号的单个连接可以分成承载这些信号的子集的各种不同连接。因此，对于传输信号而言存在许多选项。

尽管在示例中描述了特定导电类型或电势极性，但是将意识到，导电类型和电势极性可以反转。

还对于示例而言，在一个实施例中，所示多个示例可以实现为位于单个集成电路上或同一设备内的电路。替选地，多个示例可实现为任意数量的以适当方式彼此互连的分开的集成电路或分开的器件。

在权利要求书中，措辞“包括”和“具有”不排除权利要求中所列的那些之外其他元件或步骤的存在。属于“一”、“一个”在这里使用时定义为一个或超过一个。此外，权利要求中的引入性短语“至少一个”和“一个或更大”不应解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”对另一权利要求要素的引入将包含这种引入权利要求要素的任何特定权利要求限制到仅含一个这种要素的发明，即使当同一权利要求包括引入短语“一个或更多”或“至少一个”以及不定冠词诸如“一”或“一个”时。对于定冠词的使用而言，这同样适用。除非另外陈述，否则术语诸如“第一”和“第二”用于这种术语描述的要素之间的任意区分。因此，这些术语不一定旨在表明这种要素的时间或其他方面优先化。某些措施描述于相互不同的权利要求中的事实并不表明这些措施的组合不能被有利地适用。

Claims

1.一种带隙基准电压发生器，包括：

不同电流密度的正向偏置的第一和第二PN结元件；

在第一节点和第二节点之间的第一电流传导路径，包括串联连接在所述第一节点和第三节点之间的多个第一电阻元件以及串联连接在所述第三节点和所述第二节点之间的所述第一PN结元件，其中所述第一电阻元件连接成分压器构造，所述多个第一电阻元件包括：包括电阻值为R的2n个梯级调节电阻器的多个电阻调节元件、串联连接所述多个电阻调节元件的多个连接器元件、串联连接在所述第一节点和所述多个电阻调节元件之间的具有电阻R₁-nR的第一电阻器、以及串联连接在所述第三节点和所述多个电阻调节元件之间的具有电阻R₂-nR的第二电阻器，其中所述多个电阻调节元件的编号k的值能够关于标称值零在-n和+n之间变化；

抽头，通过开关元件选择性连接到所述第一电阻元件，其中所述开关元件能控制来选择所述抽头处的分压比；

在所述第一和第二节点之间的第二电流传导路径，包括串联连接在所述第一节点和第四节点之间的第二电阻元件以及串联连接在所述第四节点和所述第二节点之间的所述第二PN结元件；

电压误差放大器，具有连接到所述抽头的第一输入、连接到所述第四节点的第二输入、以及用于提供热补偿输出电压的输出；以及

反馈路径，用于将所述输出电压应用到与所述第一和第二节点串联连接的第三电阻元件。

2.如权利要求1所述的带隙基准电压发生器，其中，所述PN结元件包括具有发射极、基极和集电极区域的双极结晶体管，所述基极区域连接到所述集电极区域，相应的正向偏置的基极-发射极结与所述第一和第二电流传导路径串联连接。

3.如权利要求1所述的带隙基准电压发生器，其中所述开关元件能控制来将所述抽头与相应的连接器元件选择性连接并选择所述抽头处所述分压比的值，该值能关于中值双向设置。

4.如权利要求1所述的带隙基准电压发生器，还包括控制器，用于控制所述开关元件以选择和设置所述抽头处的所述分压比。

5.如权利要求4所述的带隙基准电压发生器，其中，所述控制器包括调节寄存器和连接到该调节寄存器的解码器。

6.如权利要求1所述的带隙基准电压发生器，其中，正向偏置的所述第一PN结元件具有比正向偏置的所述第二PN结元件更小的电流密度，所述多个第一电阻元件给出比所述第二电阻元件更大的电阻。

7.如权利要求1所述的带隙基准电压发生器，其中，所述电压误差放大器的所述第一输入是倒相输入，所述电压误差放大器的所述第二输入是非倒相输入。

8.一种制造带隙基准电压发生器的方法，该带隙基准电压发生器具有：不同电流密度的正向偏置的第一和第二PN结元件；在第一节点和第二节点之间的第一电流传导路径，包括串联连接在所述第一节点和第三节点之间的多个第一电阻元件以及串联连接在所述第三节点和所述第二节点之间的所述第一PN结元件；在所述第一节点和所述第二节点之间的第二电流传导路径，包括串联连接在所述第一节点和第四节点之间的第二电阻元件以及串联连接在所述第四节点和所述第二节点之间的所述第二PN结元件，所述方法包括：

将所述第一电阻元件连接成分压器构造，一抽头通过开关元件选择性连接到所述第一电阻元件；

控制所述开关元件以选择所述抽头处的分压比；

提供电压误差放大器，该电压误差放大器具有连接到所述抽头的第一输入、连接到所述第四节点的第二输入、以及用于提供热补偿输出电压的输出；以及

提供反馈路径，该反馈路径用于将所述输出电压应用到与所述第一和第二节点串联连接的第三电阻元件，

其中所述多个第一电阻元件包括：包括电阻值为R的2n个梯级调节电阻器的多个电阻调节元件、串联连接所述多个电阻调节元件的多个连接器元件、串联连接在所述第一节点和所述多个电阻调节元件之间的具有电阻R₁-nR的第一电阻器、以及串联连接在所述第三节点和所述多个电阻调节元件之间的具有电阻R₂-nR的第二电阻器，其中所述多个电阻调节元件的编号k的值能够关于标称值零在-n和+n之间变化。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述PN结元件包括具有发射极、基极和集电极区域的双极结晶体管，所述基极区域连接到所述集电极区域，相应的基极-发射极结被正向偏置且与所述第一和第二电流传导路径串联连接。

10.如权利要求8所述的方法，其中，将所述第一电阻元件连接成分压器构造包括用多个连接器元件串联连接所述电阻调节元件，并且将所述开关元件连接在各个所述连接器元件与所述抽头之间，且

控制所述开关元件包括通过所述开关元件之一选择性连接所述抽头和相应的连接器元件以选择所述抽头处的所述分压比的值，该值能关于中值双向设置。