FR2568386A1 - VOLTAGE REFERENCE CIRCUIT WITH BAND PROHIBITED - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LES CIRCUITS DE REFERENCE DE TENSION DE PRECISION. UN CIRCUIT DE REFERENCE DE TENSION A BANDE INTERDITE COMPREND NOTAMMENT UNE CELLULE DE BANDE INTERDITE 2 QUI DETECTE UN DESEQUILIBRE DANS LES COURANTS CIRCULANT DANS LA CELLULE ET QUI PRODUIT UN SIGNAL DE DESEQUILIBRE QUI EST TRANSMIS EXCLUSIVEMENT PAR DES TRANSISTORS NPN A GRANDE LARGEUR DE BANDE 40, 41, 50, 51 AFIN D'OBTENIR UN GAIN TRES STABLE ET TRES ELEVE ET UNE TRES GRANDE LARGEUR DE BANDE. L'ABSENCE DE TOUT TRANSISTOR PNP ACTIF DANS LE CHEMIN DE SIGNAL PROCURE UN CIRCUIT DE REFERENCE DE TENSION SIMPLE MAIS AYANT NEANMOINS UNE TRES GRANDE LARGEUR DE BANDE, AVEC DES PERFORMANCES STABLES ET TRES REPRODUCTIBLES. APPLICATION AUX CIRCUITS ELECTRONIQUES.THE INVENTION RELATES TO PRECISION VOLTAGE REFERENCE CIRCUITS. A FORBIDDEN BAND VOLTAGE REFERENCE CIRCUIT INCLUDES IN PARTICULAR A FORBIDDEN BAND 2 CELL WHICH DETECTS AN IMBALANCE IN THE CURRENTS FLOWING IN THE CELL AND WHICH PRODUCES AN IMBALANCE SIGNAL WHICH IS TRANSMITTED EXCLUSIVELY BY LARGE BAND 40 NP TRANSISTORSGEURN 41, 50, 51 IN ORDER TO OBTAIN A VERY STABLE AND VERY HIGH GAIN AND A VERY LARGE BANDWIDTH. THE ABSENCE OF ANY ACTIVE PNP TRANSISTOR IN THE SIGNAL PATH PROVIDES A SINGLE VOLTAGE REFERENCE CIRCUIT BUT HAVING A VERY LARGE BANDWIDTH, WITH STABLE AND VERY REPRODUCIBLE PERFORMANCE. APPLICATION TO ELECTRONIC CIRCUITS.
Description
La présente invention concerne les circuits de référence de tension àThe present invention relates to voltage reference circuits at
bande interdite, et elle porteforbidden band, and she carries
plus particulièrement sur de tels circuits ayant une lar- more particularly on such circuits having a
geur de bande très supérieure à ce qu'on peut obtenir avec des circuits à bande interdite antérieurs. bandwidth much higher than can be achieved with previous bandgap circuits.
On utilise couramment des circuits à bande in- Intra-band circuits are commonly used
terdite dans des circuits intégrés pour produire des ten- terdite in integrated circuits to produce
sions de référence invariantes vis-à-vis de la tempéra- invariant reference points with respect to the temperature
ture qui sont employées de façon interne dans le circuit intégré dans divers buts, comme par exemple en tant que which are used internally in the integrated circuit for various purposes, such as for example
tensions de référence ou que tensions de polarisation. reference voltages or bias voltages.
Les divers circuits de référence de tension à bande inter- The various inter-band voltage reference circuits
dite connus présentent divers inconvénients. La plupart de ces circuits sont très complexes et occupent une fraction importante de l'aire d'une puce de semiconducteur. Certains known as known have various disadvantages. Most of these circuits are very complex and occupy a large fraction of the area of a semiconductor chip. Some
des circuits de référence de tension à bande interdite an- reference voltage circuits with forbidden band
térieurs n'ont pas un gain en tension approprié et sont donc excessivement sensibles à des variations des courants de charge que le circuit à bande interdite doit fournir They do not have an appropriate voltage gain and are therefore excessively sensitive to variations in load currents that the bandgap circuit must provide.
à un circuit de charge. Certains des circuits de référen- to a charging circuit. Some of the reference circuits
ce de tension à bande interdite antérieurs ne sont capa- previous bandgap voltage are not capable of
bles de générer qu'une tension de référence particulière, et on ne peut pas les régler pour produire des tensions de référence accrues, de valeur plus élevée, indépendantes de la température. L'état de la technique est indiqué de façon générale dans les brevets des E.U.A. nO Rè-30586, 4 325 017, 4 249 122, 4 339 707 et 4 064 448. Le circuit antérieur connu de la demanderesse qui est le plus proche It can not be adjusted to produce higher reference voltages, higher value, independent of the temperature. The state of the art is generally indicated in U.S. patents. Nos. R-30586, 4,325,017, 4,249,122, 4,339,707 and 4,064,448. The known prior art circuit of the applicant who is closest
de celui de l'invention est décrit dans une demande de bre- of the invention is described in a patent application
vet conjointe et cédée à la demanderesse, intitulée "IMPROVED BANDGAP REFERENCE CIRCUIT", déposée le 25 mai co-owned and assigned to the plaintiff, entitled "IMPROVED BANDGAP REFERENCE CIRCUIT", filed May 25
1984 par Stephen R. Burnham et Paul M. Henry. 1984 by Stephen R. Burnham and Paul M. Henry.
Tous les circuits à bande interdite antérieurs All previous bandgap circuits
les plus proches de celui de l'invention utilisent des tran- closest to that of the invention use
sistors PNP latéraux en tant que dispositifs actifs dans les voies de signal des étages amplificateurs qui amplifient des différences entre les signaux d'entrée différentiels Lateral PNP sistors as active devices in signal channels of amplifier stages that amplify differences between differential input signals
d'une cellule de bande interdite. L'utilisation de tran- a bandgap cell. The use of
sistors PNP latéraux limite sévèrement la largeur de ban- Lateral PNP sistors severely limit the width of
de des étages amplificateurs, à moins qu'on n'utilise des techniques nécessitant des circuits complexes, du fait que la largeur de bande des transistors PNP latéraux dans la technologie actuelle des circuits intégrés est limitée à amplification stages, unless techniques requiring complex circuits are used, because the bandwidth of the lateral PNP transistors in current integrated circuit technology is limited to
environ un mégahertz. Ceci constitue une limitation impor- about a megahertz. This constitutes an important limitation
tante des circuits à bande interdite antérieurs, du fait previous bandgap circuits, as a result of
que les applications modernes des circuits à bande inter- modern applications of inter-band circuits
dite conduisent à leur utilisation dans des circuits inté- they lead to their use in integrated circuits.
grés qui commandent des systèmes qui sont soumis à des courants transitoires de fréquence élevée. Si le circuit who control systems that are subject to transient currents of high frequency. If the circuit
à bande interdite a une faible largeur de bande, les ten- bandgap has a low bandwidth, the
sions transitoires présentes sur une tension de noeud de transients present on a node voltage of
référence générée par le circuit à bande interdite et com- reference generated by the bandgap and
mandant d'autres circuits critiques sont filtréoeset tendent à s'amortir lentement en produisant des ondulations, ce qui entratne un fonctionnement défectueux des circuits other critical circuits are filtered and tend to dampen slowly producing ripples, resulting in faulty circuit operation.
dans le système commandé. Les circuits de référence à ban- in the controlled system. The reference circuits with
de interdite doivent donc avoir des largeurs de bande éle- banned must therefore have high bandwidths.
vées, pour une raison qui est précisément identique à celle pour laquelle les circuits régulateurs de tension doivent for a reason which is exactly the same as that for which the voltage regulator circuits
de façon générale avoir une largeur de bande élevée, c'est- generally have a high bandwidth, that is,
à-dire pour qu'ils puissent présenter une récupération très to say so that they can present a very recovery
rapide après la présence de courants de charge transitoires. fast after the presence of transient charge currents.
Les étages amplificateurs à transistors PNP la- The amplifier stages with transistors PNP la-
téraux qui sont utilisés en relation avec certains circuits which are used in connection with certain circuits
de référence de tension à bande interdite antérieurs, peu- reference to previous bandgap voltage, may
vent être utilisés commodément avec la technologie courante can be used conveniently with current technology
des circuits intégrés bipolaires, et certains de ces cir- bipolar integrated circuits, and some of these
cuits, comme celui mentionné dans la demande de brevet con- cooked, like the one mentioned in the patent application
jointe de Burnham/Henry, doivent être conçus avec soin pour joined by Burnham / Henry, must be carefully designed to
atteindre des gains suffisamment élevés. achieve sufficiently high earnings.
Il demeure donc un besoin portant sur un cir- There remains, therefore, a need for a cir-
cuit de référence de tension à bande interdite perfec- bake voltage reference to perfect bandgap
tionné, simple et à grande largeur de bande, procurant simple and broad bandwidth, providing
une tension de référence accrue et indépendante de la tem- an increased reference voltage independent of the time
pérature qui soit très stable et qui ait une réponse à des variations de charge transitoires qu'il est possible which is very stable and has a response to transient load variations that are possible
de prévoir de façon très précise. to predict in a very precise way.
L'invention a donc pour but de procurer un cir- The object of the invention is therefore to provide a
cuit de référence de tension à bande interdite de type per- bake voltage reference with band gap type
fectionné, ayant une largeur de bande très supérieure à with a bandwidth much greater than
celle de circuits de référence de tension à bande interdi- that of reference circuits with a band
te antérieurs.earlier.
Un autre but de l'invention est de procurer un circuit de référence de tension à bande interdite qui soit économique, qui ait une grande largeur de bande et dont on puisse prévoir avec précision les caractéristiques de récupération en présence de variations transitoires de Another object of the invention is to provide a band gap voltage reference circuit which is economical, has a large bandwidth and can be accurately predicted recovery characteristics in the presence of transient variations of
la charge.load.
Brièvement, et conformément à l'un de ses mo- Briefly, and in accordance with one of his
des de réalisation, l'invention procure un circuit de ré- embodiments, the invention provides a feedback circuit
férence à bande interdite à grande largeur de bande qui comprend une cellule de bande interdite ayant des première bandgap bandgap which includes a bandgap cell with first bandgap
et seconde entrées différentielles, la première de ces en- and second differential inputs, the first of these
trées étant connectée de façon à recevoir une tension de being connected so as to receive a voltage of
référence, un circuit de rapport résistif destiné à appli- reference, a resistive ratio circuit intended to
quer une "tension thermique" à la seconde entrée différen- a "thermal voltage" at the second differential input
tielle de la cellule de bande interdite, un circuit de char- of the bandgap cell, a charging circuit
ge dans la cellule de bande interdite, destiné à produire in the bandgap cell, intended to produce
un signal amplifié représentatif d'un déséquilibre de cou- an amplified signal representative of a neck imbalance
rant dans la cellule de bande interdite, et des circuits destinés à amplifier à nouveau le signal pour produire une in the bandgap cell, and circuits for amplifying the signal again to produce a
tension de référence de sortie, dans lequel le signal am- output reference voltage, wherein the amber signal
plifié ne passe que par des transistors NPN verticaux dans folded only goes through vertical NPN transistors in
le circuit de charge et le circuit amplificateur. Le cir- the charging circuit and the amplifier circuit. The cir-
cuit de tension de référence à bande interdite et à grande fired reference voltage with bandgap and large
largeur de bande comprend également un circuit de réac- bandwidth also includes a feedback circuit
tion qui réagit à la tension de référence de sortie en produisant un signal de réaction et en l'appliquant au circuit de rapport résistif, pour établir et pour corriger la tension thermique. Le mode de réalisation de l'inven- tion qui est décrit utilise un circuit miroir de courant PNP en tant que dispositif de charge à courant constant which responds to the output reference voltage by producing a feedback signal and applying it to the resistive ratio circuit to establish and correct the thermal voltage. The embodiment of the invention which is described uses a PNP current mirror circuit as a constant current charging device.
dissymétrique pour un c8té de la cellule de bande inter- asymmetrical for one side of the
dite, un circuit à charge d'émetteur de type NPN pour iso- said, an NPN-type transmitter charge circuit for isolating
ler la sortie dissymétrique de la cellule de bande inter- the asymmetrical output of the
dite et pour appliquer son signal à l'entrée d'un étage said and to apply his signal to the entrance of a floor
amplificateur ayant un transistor NPN actif et un tran- amplifier having an active NPN transistor and a tran-
sistor de charge à courant constant branché en miroir de courant, de type PNP. Le signal amplifié est isolé par un transistor NPN à charge d'émetteur et il est appliqué à un transistor NPN de réaction et à un circuit diviseur constant current load sistor connected in current mirror, type PNP. The amplified signal is isolated by an emitter-charged NPN transistor and is applied to a feedback NPN transistor and divider circuit
qui effectue une division résistive de la tension de réfé- which performs a resistive division of the reference voltage
rence de sortie qui est appliquée au circuit de rapport output frequency that is applied to the signal circuit
résistif. Le circuit de rapport résistif est réglé de fa- resistive. The resistive ratio circuit is adjusted
çon à réaliser une compensation précise du coefficient de température négatif de la tension VBE du transistor NPN de réaction. L'invention sera mieux comprise à la lecture de to achieve a precise compensation of the negative temperature coefficient of the voltage VBE of the reaction NPN transistor. The invention will be better understood when reading
la description qui va suivre d'un mode de réalisation, don- the following description of an embodiment, given
né à titre d'exemple non limitatif. La suite de la descrip- born as a non-limiting example. The rest of the description
tion se réfère aux dessins annexés sur lesquels:. - refers to the accompanying drawings in which :. -
la figure i est un schéma simplifié d'un circuit de référence de tension à bande interdite; la figure 2 est un schéma de circuit détaillé d'un mode de réalisation de l'invention; et Figure i is a schematic diagram of a band gap voltage reference circuit; Figure 2 is a detailed circuit diagram of an embodiment of the invention; and
la figure 3 est un graphique utile à la descrip- Figure 3 is a graph useful for describing
tion du fonctionnement des circuits des figures 1 et 2. operation of the circuits of Figures 1 and 2.
En considérant maintenant la figure 1, on voit Now considering Figure 1, we see
un circuit générateur de tension de référence à bande inter- an inter-band reference voltage generator circuit
dite, 1, qui comprend une cellule de bande interdite encadrée par les lignes en traits mixtes 2. La cellule de bande interdite 2 comprend un transistor NPN 33 dont la base est connectée au conducteur 101 et dont l'émetteur est 1, which comprises a bandgap framed by the phantom lines 2. The bandgap cell 2 comprises an NPN transistor 33 whose base is connected to the conductor 101 and whose emitter is
connecté à un circuit de source à courant constant 3. connected to a constant current source circuit 3.
L'émetteur du transistor 33 est également connecté à l'émetteur du transistor 34, dont la base est connectée au conducteur de masse 5. Les quatre flèches symbolisant The emitter of the transistor 33 is also connected to the emitter of the transistor 34, the base of which is connected to the ground conductor 5. The four arrows symbolizing
l'émetteur du transistor 34 indiquent que son aire d'émet- the transmitter of transistor 34 indicate that its transmission area
teur est quatre fois plus grande que celle du transistor 33. Le collecteur du transistor 33 est connecté au moyen d'un conducteur 6 et d'une résistance 17 à un conducteur The collector of transistor 33 is connected by means of a conductor 6 and a resistor 17 to a conductor which is four times larger than that of transistor 33.
d'alimentation en tension +V. De façon similaire, le col- voltage supply + V. Similarly, the col-
lecteur du transistor 34 est connecté au conducteur +V transistor 34 drive is connected to the + V driver
par un conducteur 7 et une résistance 18. by a conductor 7 and a resistor 18.
La base du transistor 33 est connectée par le The base of transistor 33 is connected by the
conducteur 101 et la résistance 21 au conducteur de réac- conductor 101 and the resistor 21 to the feedback conductor
tion 103, et elle est également connectée par la résistan- 103, and is also connected by the resistance
ce 16 au conducteur de masse 5.this 16 to the ground conductor 5.
Les conducteurs 6 et 7, qui constituent les bornes de sortie de la cellule de bande interdite 2, sont respectivement connectés aux entrées positive et négative The conductors 6 and 7, which constitute the output terminals of the bandgap cell 2, are respectively connected to the positive and negative inputs.
de l'amplificateur à gain élevé 8. La sortie de l'amplifi- of the high gain amplifier 8. The output of the amplifier
cateur 8 est connectée au conducteur 37, auquel est appli- 8 is connected to the conductor 37, to which
quée la tension de sortie VREF.the output voltage VREF.
Une résistance 19 est connectée entre le conduc- A resistor 19 is connected between the lead
teur 37 et le conducteur 102, sur lequel apparaît,une ten- 37 and the driver 102, on which appears, a voltage
sion de bande interdite VBG. Une résistance 20 est connectée entre le conducteur 102 et le conducteur de masse 5. Le bandgap VBG. A resistor 20 is connected between the conductor 102 and the ground conductor 5. The
conducteur 102 est également connecté à la base du transis- driver 102 is also connected to the base of the transistor.
tor NPN de réaction 36, dont le collecteur est connecté à tor NPN reaction 36, whose collector is connected to
+V, et dont l'émetteur est connecté au conducteur de réac- + V, and whose transmitter is connected to the response conductor
tion 103.103.
On notera que la structure précédente, représen- It will be noted that the preceding structure, representing
tée sur la figure 1, est envisagée non pour décrire précisé- shown in Figure 1, is not intended to describe specifically
ment l'invention, mais pour faciliter la description du fonc- the invention, but to facilitate the description of the func-
tionnement fondamental du circuit à bande interdite, dont un mode.de réalisation particulier constitue la présente fundamental circuit of the bandgap circuit, a particular embodiment of which constitutes the present
invention et qui est représenté sur la figure 2. Le fonc- invention and which is shown in FIG.
tionnement du circuit de la figure 2 est similaire à celui du circuit simplifié de la figure 1. Sur la figure 1, le fonctionnement fondamental est le suivant. L'amplificateur 8 détecte toute différence de faible valeur entre les tensions sur les conducteurs 6 et 7, et il fait varier VREF en lui donnant une valeur qui est renvoyée en réaction et force VTH à avoir une valeur pour laquelle les conducteurs 6 et 7 sont précisément à la même tension. On suppose que les valeurs des résistances 17 et 18 sont égales. Le gain très élevé de l'amplificateur The circuit of FIG. 2 is similar to that of the simplified circuit of FIG. 1. In FIG. 1, the basic operation is as follows. The amplifier 8 detects any low value difference between the voltages on the conductors 6 and 7, and varies VREF by giving it a value which is feedback and forces VTH to have a value for which the leads 6 and 7 are precisely at the same voltage. It is assumed that the values of the resistors 17 and 18 are equal. The very high gain of the amplifier
8 force donc la circulation de courants égaux dans les tran- 8 forces the circulation of equal currents in
sistors 33 et 34.sistors 33 and 34.
Les résistances 19 et 20 remplissent la fonction qui consiste à "accroître proportionnellement" la tension Resistors 19 and 20 fulfill the function of "proportionally increasing" the voltage
VBG sur le conducteur 102, pour établir la valeur de réfé- VBG on the driver 102, to establish the reference value
rence VREF. On peut exprimer ceci différemment en disant VREF. We can express this differently by saying
que VREF est divisée conformément au rapport entre la ré- that VREF is divided according to the relationship between the
sistance 19 et la résistance 20, pour établir la valeur de la tension de bande interdite VBG qui est appliquée à la 19 and resistance 20, to establish the value of the VBG band gap voltage that is applied to the
base du transistor de réaction 36.base of the reaction transistor 36.
A ce point, il faut avoir à l'esprit qu'un but du circuit de tension de référence à bande interdite 1 est de At this point, it must be borne in mind that one purpose of the forbidden band reference voltage circuit 1 is to
produire pour VREF un niveau qui soit indépendant de la tem- produce for VREF a level that is independent of the time
pérature.ture.
La tension base-émetteur du transistor de réac- The base-emitter voltage of the reaction transistor
tion36 n'est cependant pas indépendante de la température, et elle diminue en fait lorsque la température augmente, comme l'indique la courbe 39 sur la figure 3. Sur la figure However, the temperature is not temperature independent, and decreases in fact as the temperature increases, as shown in curve 39 in FIG.
3, la variation nulle désirée de la tension de bande inter- 3, the desired zero variation of the inter-band voltage
dite VBG sur le conducteur 102 est indiquée par la référence 38. La référence 44 désigne la région hachurée sur la figure said VBG on the conductor 102 is indicated by the reference 38. The reference 44 designates the hatched region in the figure
3 qui représente la différence entre la courbe 39 et la cour- 3 which represents the difference between curve 39 and
be 38, et représente la valeur de la tension au noeud 103. be 38, and represents the value of the voltage at node 103.
On notera ensuite que la tension sur le oonduc- It will then be noted that the tension on the oonduct-
teur 101, c'est-à-dire la tension VTH, est égale à (kT/q)Log(N), en désignant par N le rapport entre l'aire de l'émetteur du transistor 34 et l'aire de l'émetteur du transistor 33. On peut voir que la valeur de VTH augmente 101, that is to say the voltage VTH, is equal to (kT / q) Log (N), denoting by N the ratio between the area of the emitter of the transistor 34 and the area of the emitter of transistor 33. It can be seen that the value of VTH increases
lorsque la température augmente.when the temperature increases.
L'homme de l'art verra aisément qu'on peut sé- Those skilled in the art will readily see that it is possible
lectionner le rapport entre la résistance 21 et la résis- select the ratio of resistance 21 to resistance
tance 16 de fagon que la variation de la tension de réac- 16, so that the variation of the reaction voltage
tion sur le conducteur 103 ait une pente égale mais de si- the driver 103 has an equal slope but
gne opposé à la pente de la ligne 39 sur la figure 3, et compense donc précisément le coefficient de température opposite to the slope of line 39 in FIG. 3, and thus compensates for the temperature coefficient precisely
négatif de la tension base-émetteur du transistor de réac- negative of the base-emitter voltage of the
tion 36.36.
A ce point, on va décrire le mode de réalisa- At this point, we will describe the mode of
tion détaillé de l'invention en se référant à la figure 2. detailed description of the invention with reference to FIG.
La référence 1A désigne le circuit de référence de tension à bande interdite perfectionné de l'invention. Lorsque Reference 1A designates the improved band gap voltage reference circuit of the invention. When
c'était possible, on a utilisé les mêmes références numé- it was possible, we used the same numerical references
riques pour désigner les composants identiques ou similaires to designate identical or similar components
sur la figure 2 et sur la figure 1.in Figure 2 and in Figure 1.
Pour certaines raisons pratiques, la structure de la cellule de bande interdite 2 sur la figure 2 est quelque For some practical reasons, the structure of the band gap cell 2 in FIG.
peu différente de la structure représentée sur la figure 1. little different from the structure shown in Figure 1.
Premièrement, les résistances 17 et 18 représentées sur la First, the resistors 17 and 18 represented on the
figure 1 ont été supprimées et on trouve à la place un tran- Figure 1 has been deleted and there is instead a
sistor PNP latéral 9, fonctionnant en source de courant, dont l'émetteur est connecté à +V par une résistance de contre-réaction 10A, et dont le collecteur est connecté au PNP side sistor 9, operating as a current source, whose emitter is connected to + V by a feedback resistor 10A, and whose collector is connected to the
conducteur 7. En association avec des transistors PNP laté- 7. In combination with PNP transistors
raux 11 et 13, le transistor PNP latéral 9 constitue un cir- 11 and 13, the side PNP transistor 9 constitutes a cir-
cuit miroir de courant de type PNP, comme l'homme de l'art le notera aisément. La base du transistor 9 est connectée baked current mirror PNP type, as one skilled in the art will note easily. The base of transistor 9 is connected
à l'émetteur du transistor 13, dont le collecteur est connec- to the emitter of transistor 13, whose collector is connected
té à -V. La base du transistor 9 est également connectée à la base du transistor 11, dont l'émetteur est connecté à +V par la résistance de contre-réaction lOB. Le collecteur du transistor 11 est connecté à la base du transistor 13 au moyen du conducteur 14, et il est également connecté au to -V. The base of the transistor 9 is also connected to the base of the transistor 11, the emitter of which is connected to + V by the feedback resistor IOB. The collector of the transistor 11 is connected to the base of the transistor 13 by means of the conductor 14, and it is also connected to the
collecteur du transistor NPN 3B, qui est l'un des transis- collector of the NPN transistor 3B, which is one of the
tors de source de courant d'un circuit miroir de courant de type NPN, comprenant les transistors NPN 3A, 3B, 3C, current source torsion of an NPN-type current mirror circuit, comprising the NPN transistors 3A, 3B, 3C,
3D, 3E et 3F. Une source de courant 29 attaque le transis- 3D, 3E and 3F. A current source 29 attacks the transistor
tor connecté en diode 3F, qui établit la tension base- tor connected in diode 3F, which establishes the voltage
émetteur des transistors fonctionnant en source de courant emitter of transistors operating as current source
dans ce circuit miroir de courant.in this current mirror circuit.
Si on le désire, on peut utiliser des résistan- If desired, resistance can be used.
ces de contre-réaction en série avec les émetteurs de cha- these counter-reactions in series with the transmitters of
cun des transistors NPN fonctionnant en source de courant, pour améliorer leur appariement, mais, par commodité, ces each of the NPN transistors operating as a current source, to improve their pairing, but, for convenience, these
résistances ne sont pas représentées sur la figure 2. resistors are not shown in Figure 2.
L'homme de l'art notera aisément que le collec- Those skilled in the art will readily note that the collection of
teur du transistor PNP source de courant 9 présente au current source PNP transistor 9 is present at
collecteur du transistor NPN 34A une impédance très supé- collector of the NPN transistor 34A a much higher impedance
rieure à celle qu'on peut obtenir par une résistance uti- than can be achieved by resistance
lisable en pratique, comme la résistance 18 représentée sur la figure 1, dans l'état actuel de la technologie des readable in practice, as the resistor 18 shown in Figure 1, in the current state of the art technology.
circuits intégrés.integrated circuits.
La résistance 17 de la figure 1 n'est pas uti- The resistor 17 of FIG. 1 is not used
lisée dans la cellule de bande interdite sur la figure 2. in the bandgap cell in Figure 2.
- Un transistor NPN 10 dont la base est connectée à une ten- An NPN transistor 10 whose base is connected to a voltage
sion de référence dont le niveau est supérieur de 3 chutes de tension de diode à celui du conducteur de masse 5, est reference voltage whose level is greater than 3 diode voltage drops to that of the ground conductor 5, is
connecté par son émetteur au collecteur du transistor 33A. connected by its emitter to the collector of transistor 33A.
Le transistor 10 a pour fonction d'égaliser les tensions The function of transistor 10 is to equalize the voltages
collecteur-base des transistors 33A et 34A. collector-base of transistors 33A and 34A.
Pour augmenter la tension nominale aux bornes de la résistance 16, on a utilisé l'expédient consistant à ajouter un transistor connecté en diode, 33B, identique au transistor 33A, en série avec l'émetteur du transistor NPN 33A. De façon similaire, le transistor connecté en To increase the nominal voltage across the resistor 16, the expedient of adding a diode-connected transistor 33B identical to the transistor 33A in series with the emitter of the NPN transistor 33A has been used. Similarly, the transistor connected to
diode 34B est connecté en série avec l'émetteur du tran- diode 34B is connected in series with the transmitter of the
sistor 34A, dont le collecteur est connecté au conducteur 7. Les émetteurs des transistors 33B et 34B sont connectés ensemble et sont également connectés au transistor source de courant 3A, dont l'émetteur est connecté à -V. Dans le sistor 34A, whose collector is connected to the conductor 7. The emitters of the transistors 33B and 34B are connected together and are also connected to the current source transistor 3A, whose emitter is connected to -V. In the
mode de réalisation préféré de l'invention, l'aire d'émet- preferred embodiment of the invention, the transmission area
teur du transistor 33B est égale à celle du transistor 33A, et l'aire d'émetteur du transistor 34B est égale à l'aire d'émetteur du transistor 34A. On notera que plus le rapport The transistor 33B is equal to that of the transistor 33A, and the emitter area of the transistor 34B is equal to the emitter area of the transistor 34A. It should be noted that the higher the ratio
des aires des émetteurs des transistors 34A et 34B, vis- areas of the emitters of transistors 34A and 34B,
à-vis des aires d'émetteurs correspondantes des transis- the corresponding transmitter areas of the transistors
tors 33A et 33B, est grand, moins l'atténuation de réac- tors 33A and 33B, is large, minus the attenuation of
tion due aux résistances 21 et 16 doit être forte; et plus l'atténuation est faible, plus la largeur de bande due to resistances 21 and 16 must be strong; and the lower the attenuation, the more the bandwidth
en boucle fermée est grande.Closed loop is great.
Alors que le signal de sortie de la cellule de bande interdite représentée sur la figure i est appliqué While the output signal of the bandgap cell shown in Figure i is applied
sous la forme d'un signal d'entrée différentiel à l'ampli- in the form of a differential input signal to the amplifier
ficateur 8, sur la figure 2 le signal de sortie amplifié 8, in FIG. 2 the amplified output signal
que la cellule de bande interdite 2 produit sur le conduc- that the bandgap cell 2 produces on the conductor
teur 7 est pris sous la forme d'un signal de sortie "dissy- 7 is taken as an output signal "dissy-
métrique"; au lieu d'un signal de sortie différentiel, et metric "instead of a differential output signal, and
il est appliqué à la base d'un transistor à charge dfémet- it is applied to the base of a transistor with a charge of
teur 40, dont le collecteur est connecté à +V. 40, whose collector is connected to + V.
L'émetteur du transistor à charge d'émetteur ou The emitter of the emitter charging transistor or
séparateur 40 est connecté au conducteur 27, qui est lui- separator 40 is connected to the conductor 27, which is itself
même connecté au collecteur du transistor source de courant 3C. La base du transistor 40 est également connectée à une borne du condensateur de compensation 12. L'émetteur du even connected to the collector of the current source transistor 3C. The base of the transistor 40 is also connected to a terminal of the compensation capacitor 12.
transistor séparateur 40 est également connecté par le con- separator transistor 40 is also connected by the con-
ducteur 27 à la base d'un transistor amplificateur de se- driver 27 at the base of a transistor amplifier of se-
cond étage, 41, qui est un transistor NPN, conformément à l'invention. L'émetteur du transistor NPN 41 est connecté au conducteur de masse 5, et son collecteur est connecté par le conducteur 22 à l'autre borne du condensateur de compensation 12, ainsi qu'au collecteur du transistor PNP source de courant 23. Les transistors PNP latéraux 23 et 25 forment un autre circuit miroir de courant de type PNP. Les émetteurs de ces deux transistors PNP fonctionnant en source de courant sont connectés à +V par des résistances de contre-réaction respectives O10C et 10D. Leurs bases cond floor, 41, which is an NPN transistor, according to the invention. The emitter of the NPN transistor 41 is connected to the ground conductor 5, and its collector is connected by the conductor 22 to the other terminal of the compensation capacitor 12, as well as to the collector of the PNP transistor current source 23. The transistors Lateral PNPs 23 and 25 form another PNP-type current mirror circuit. The emitters of these two PNP transistors operating as a current source are connected to + V by respective feedback resistors O10C and 10D. Their bases
sont toutes deux connectées par le conducteur 26 au col- both are connected by the driver 26 to the
lecteur du transistor 25.transistor 25 reader.
Le signal de sortie du second étage amplifica- The output signal of the second amplifier stage
teur sur la figure 2, apparait sur le conducteur 22 et il est transmis par le conducteur 22 à la base du transistor 2, appears on the conductor 22 and is transmitted by the conductor 22 to the base of the transistor
NPN à charge d'émetteur 50, dont le collecteur est connec- NPN with transmitter charge 50, whose collector is connected
té à +V, et dont l'émetteur est connecté au conducteur 28. to + V, and whose transmitter is connected to the conductor 28.
Le collecteur du transistor PNP source de cou- The collector of the PNP transistor source of cou-
rant 25 est connecté par le conducteur 26 au collecteur rant 25 is connected by the conductor 26 to the collector
du transistor NPN source de courant 3D. of the NPN transistor current source 3D.
Le conducteur 28 connecte l'émetteur du transis- The driver 28 connects the transmitter of the transistor
tor NPN à charge d'émetteur 50 au collecteur du transistor NPN miroir de courant 3E. Le conducteur 28 est également connecté à la base du transistor NPN 51, dont l'émetteur attaque le conducteur 37 sur lequel est produite la tension de référence de bande interdite accrue, VREF, indépendante tor NPN to 50 emitter load at the collector of the NPN current mirror 3E. The conductor 28 is also connected to the base of the NPN transistor 51, the emitter of which drives the conductor 37 on which is produced the increased bandgap reference voltage, VREF, independent
de la température. Le collecteur du transistor 51 est con- of the temperature. The collector of transistor 51 is
necté à +V. Le conducteur 37 est connecté au collecteur du transistor NPN de réaction 36, dont l'émetteur est connecté au conducteur de réaction 103, comme sur la figure 1. Les résistances 19 et 20 et le conducteur 102 sont connectés de la même manière que sur la figure 1, et remplissent la même fonction qui consiste à accroître proportionnellement VBG connected to + V. The conductor 37 is connected to the collector of the reaction NPN transistor 36, the emitter of which is connected to the feedback conductor 103, as in FIG. 1. The resistors 19 and 20 and the conductor 102 are connected in the same manner as on FIG. Figure 1, and perform the same function of proportionally increasing VBG
pour produire VREF.to produce VREF.
Le fonctionnement en continu correspondant à l'am- The continuous operation corresponding to the
plification dissymétrique effectuée par la cellule de bande interdite de la figure 2 diffère du fonctionnement de la il cellule représentée sur la figure 1, dans laquelle le circuit miroir de courant PNP comprenant les transistors asymmetrical plating carried out by the forbidden band cell of FIG. 2 differs from the operation of the cell shown in FIG. 1, in which the PNP current mirror circuit comprising the transistors
9, 11 et 13, permet au courant I2 traversant les tran- 9, 11 and 13, allows the current I2 crossing the tran-
sitors 34A et 34B d'avoir une valeur de 50 microampères, de la manière déterminée par le courant Il, qui est éga- lement de 50 microampères, ce dernier étant produit par le transistor NPN 3B, fonctionnant en source ou miroir sitors 34A and 34B have a value of 50 microamperes, as determined by the current Il, which is also 50 microamperes, the latter being produced by the NPN transistor 3B, operating as a source or mirror
de courant, et par la source de courant 29. current, and by the current source 29.
Le transistor NPN miroir de courant 3A, donne une valeur de 100 microampères au courant 13 qui circule The NPN current mirror transistor 3A gives a value of 100 microamperes to the current 13 flowing
dans son collecteur. Le courant 14 qui traverse les tran- in his collector. The current 14 which passes through the
sistors 33A et 34A est donc forcé à 50 microampères. sistors 33A and 34A is forced to 50 microamperes.
Tout déséquilibre entre 12 et 14 produit par une varia- Any imbalance between 12 and 14 produced by a variation
tion de la tension VTH sur le conducteur 101 est donc am- tion of the voltage VTH on the conductor 101 is therefore
plifié sur le conducteur 7 avec un gain d'environ 500, et il est à nouveau amplifié sur le conducteur 22 avec un gain supplémentaire d'environ 2000, et une réaction folded on the driver 7 with a gain of about 500, and it is again amplified on the driver 22 with an additional gain of about 2000, and a reaction
est établie d'une manière analogue à celle décrite ci-des- is established in a manner similar to that described above.
sus en relation avec la figure 1, pour produire la correc- in relation to Figure 1, to produce the correct
tion nécessaire sur le conducteur 101. necessary on the driver 101.
Un aspect original de l'invention ci-dessus consiste dans l'utilisation exclusive de transistors NPN An original aspect of the invention above consists in the exclusive use of NPN transistors
en tant que dispositifs actifs dans les parties amplifica- as active devices in the amplifying parts
trices du circuit à bande interdite de la figure 2, com- of the forbidden-band circuit of Figure 2,
* prenant les transistors 40, 41, 50, 51 et 36. Ces transis-taking transistors 40, 41, 50, 51 and 36. These transistors
tors NPN ont une fréquence de coupure très supérieure à celle des transistors PNP latéraux qu'on peut réaliser en NPN tors have a cut-off frequency much higher than that of lateral PNP transistors which can be
pratique à l'heure actuelle, dans l'état présent de la tech- practice in the present state of the art,
nique. Le tableau suivant donne des exemples de valeurs Picnic. The following table gives examples of values
pour les résistances et le condensateur du mode de réalisa- for the resistors and the capacitor of the mode of
tion de la figure 2.of Figure 2.
TABLEAU ITABLE I
Résistance 10A 2 kiloohms Résistance 10B 2 kiloohms Résistance 10C 2 kiloohms Résistance 10D 2 kiloohms Résistance 16 700 ohms Résistance 21 5 kiloohms Condensateur 12 2,5 picofarads Les valeurs des résistances 19 et 20 ne sont en rien critiques, et elles sont simplement choisies de façon à faire circuler un courant de polarisation approprié dans le transistor à charge d'émetteur 51, et de façon à donner le rapport d'accroissement proportionnel désiré faisant Resistance 10A 2 kiloohms Resistance 10B 2 kiloohms Resistance 10C 2 kiloohms Resistance 10D 2 kiloohms Resistance 16 700 ohms Resistance 21 5 kiloohms Capacitor 12 2.5 picofarads The values of resistors 19 and 20 are not critical, and they are simply chosen to circulate an appropriate bias current in the emitter load transistor 51, and to give the desired proportional increase ratio
passer de la tension de bande interdite VBG à la valeur dé- to go from the band gap voltage VBG to the value de-
sirée, indépendante de la température, de VREF. Les va- Sire, independent of the temperature, of VREF. The values
leurs précises des courants produits par les transistors NPN fonctionnant en miroir de courant 3C, 3D et 3E ne sont their precise currents produced by the NPN transistors operating in current mirror 3C, 3D and 3E are not
en rien critiques.nothing critical.
L'homme de l'art notera qu'à la température am- Those skilled in the art will note that at ambient temperature
biante, la valeur de VTH est d'environ 71 millivolts, si on donne la valeur 4 à N, c'est-à-dire le rapport entre les biante, the value of VTH is about 71 millivolts, if we give the value 4 to N, that is to say the ratio between
aires des émetteurs des transistors 34A et 34B, et les ai- transistors of the transistors 34A and 34B, and
res des émetteurs des transistors 33A et 33B. res emitters of transistors 33A and 33B.
On désire de façon caractéristique que la valeur It is typically desired that the value
de VBG soit égale à la tension de bande interdite du sili- VBG is equal to the bandgap voltage of the silicone
cium, qui est d'environ 1,14 volt. Il est souhaitable que la somme de la tension base-émetteur VBE(36) du transistor 36 et de la tension sur le conducteur 103 soit égale à la tension de bande interdite VBG. La figure 3 montre ces deux cium, which is about 1.14 volts. It is desirable that the sum of the base-emitter voltage VBE (36) of the transistor 36 and the voltage on the conductor 103 is equal to the bandgap voltage VBG. Figure 3 shows these two
composantes de tension et leur somme, sur une plage de tem- voltage components and their sum over a period of time
pératures théorique. Mathématiquement, on peut extrapoler la valeur de VBE(36), pour obtenir VBG à une température égale à 0 Kelvin. A cette même température, la valeur extrapolée de VTH est égale à zéro. La partie hachurée 44 du dessin représente la tension au noeud 103, qui est égale à R21+R16 VTH, en désignant par R16 et R21 les valeurs des R16 résistances 16 et 21. Le choix approprié du rapport des résistances et de N permet à la tension au noeud 103 d'aug- menter en fonction de la température, dans un rapport tel theoretical temperatures. Mathematically, we can extrapolate the value of VBE (36), to obtain VBG at a temperature equal to 0 Kelvin. At this same temperature, the extrapolated value of VTH is equal to zero. The shaded part 44 of the drawing represents the voltage at the node 103, which is equal to R21 + R16 VTH, by designating by R16 and R21 the values of the R16 resistors 16 and 21. The appropriate choice of the ratio of the resistances and N allows the voltage at node 103 to increase as a function of temperature, in such a ratio
que la tension au noeud de bande interdite 102 demeure pra- that the voltage at the bandgap node 102 remains practically
tiquement constante dans la plage intéressante, de 200 tically constant in the interesting range of 200
à 4000 Kelvin.at 4000 Kelvin.
Il faut noter qu'avec une analyse précise, la composante VBE(36) présente une légère courbure et que la tension de bande interdite varie légèrement en fonction de It should be noted that with a precise analysis, the VBE component (36) has a slight curvature and that the band gap voltage varies slightly depending on
la température. On peut inclure ces effets dans la concep- temperature. These effects can be included in the design
tion d'ensemble du circuit de référence de la figure 2. of the reference circuit of FIG. 2.
On a trouvé que le mode de réalisation de l'in- It has been found that the embodiment of the invention
vention décrit ci-dessus avait une très grande largeur de bande, d'environ 30 mégahertz. Ceci est très supérieur à la largeur de bande d'amplificateur de tous les circuits amplificateurs de référence de tension à bande interdite The invention described above had a very wide bandwidth of about 30 megahertz. This is much greater than the amplifier bandwidth of all bandgap voltage reference amplifier circuits
connus dans l'art antérieur, qui utilisent tous des ampli- known in the prior art, all of which use amplifiers
ficateurs à un seul étage de gain, formés par des circuits PNP miroirs de courant ou des circuits de réaction de type bootstrap, qu'on appelle quelquefois des circuits miroirs de courant flottants. Ces derniers circuits ont de façon single-stage gain drivers, formed by current mirror PNP circuits or bootstrap-type feedback circuits, sometimes referred to as floating current mirror circuits. These last circuits have so
caractéristique une largeur de bande d'amplificateur infé- characteristic a lower amplifier bandwidth
rieure à un mégahertz.than one megahertz.
Le circuit représenté sur la figure 2 n'exige ce- The circuit shown in FIG. 2 does not require
pendant pas une aire de puce de semiconducteur supérieur à celle des amplificateurs miroirs de courant flottants PNP à un seul étage, et il est beaucoup plus simple du point de vue de l'analyse des circuits. La largeur de bande améliorée while not having a higher semiconductor chip area than single-stage PNP floating current amplifiers, and it is much simpler from a circuit analysis point of view. Improved bandwidth
du circuit représenté sur la figure 2 fait en réalité inter- of the circuit represented in FIG.
venir deux étages d'amplification au lieu d'un seul. Le pre- come two amplification stages instead of just one. Meadow-
mier étage d'amplification comprend la moitié droite de la cellule d'amplification 2 et le transistor PNP source de courant 9, et le second étage comprend le transistor NPN The first amplification stage comprises the right half of the amplification cell 2 and the PNP current source transistor 9, and the second stage comprises the NPN transistor.
41 et le transistor PNP source de courant 23. Les perfor- 41 and the current source PNP transistor 23.
mances considérablement améliorées résultent du fait que le signal amplifié ne passe par aucun des transistors PNP sources de courant; ces transistors font simplement fonction de dispositifs de charge à impédance élevée. La fréquence de coupure des transistors NPN verticaux dans greatly improved maneuvers result from the fact that the amplified signal does not pass through any of the current source PNP transistors; these transistors simply act as high impedance load devices. The cutoff frequency of vertical NPN transistors in
les circuits intégrés bipolaires est de façon caractéristi- bipolar integrated circuits is typically
que supérieure à 500 mégahertz. Pour les transistors PNP than greater than 500 megahertz. For PNP transistors
latéraux, la fréquence-de coupure est de façon caractéris- side, the cut-off frequency is typically
tique d'environ un mégahertz seulement. Il en résulte que des circuits à haute fréquence à transistors PNP latéraux, et des amplificateurs comprenant de tels circuits, ont des tick of about one megahertz only. As a result, high frequency circuits with side PNP transistors, and amplifiers comprising such circuits, have
largeurs de bande limitées à une valeur de l'ordre du mé- bandwidths limited to a value of the order of
gahertz, à moins d'utiliser des techniques faisant appel gahertz, unless you use techniques that make use of
à des circuits complexes.to complex circuits.
A titre de comparaison pour montrer la simplicité de conception et d'analyse du circuit de la figure 2 par rapport aux étages d'amplification antérieurs précités à By way of comparison to show the simplicity of design and analysis of the circuit of FIG. 2 with respect to the above-mentioned amplification stages at
"miroir de courant PNP flottant", incorporés dans des cir- "floating PNP current mirror", incorporated into cir-
cuits générateurs de tension de bande interdite de l'art burned bandgap voltage generators of art
antérieur, on peut noter que le gain du circuit de l'inven- previous, we can note that the gain of the circuit of the invention
tion avec ses deux étages d'amplification de type NPN est tion with its two stages of NPN amplification is
simplement gm1gm2RllR12, en désignant par gml la transcon- simply gm1gm2RllR12, where gml is the transcon-
ductance du côté droit de lacellule debande interdite 2, par Rill'impédance au noeud 7, par gm2 la transconductance du transistor NPN 41 et par R12 l'impédance au noeud 22. Ce gain est très stable, on peut le prévoir avec précision et ductance on the right side of the forbidden cell cell 2, by Rill 'impedance at node 7, by gm2 transconductance NPN transistor 41 and by R12 the impedance at node 22. This gain is very stable, it can be accurately predicted and
il a une valeur d'environ i 000 000. Comme mentionné précé- it has a value of about 1,000,000. As mentioned earlier
demment, le gain du circuit miroir de courant PNP flottant peut théoriquement être proche de l'infini mais, en pratique, However, the gain of the floating PNP current mirror circuit can theoretically be close to infinity but, in practice,
lorsqu'on construit réellementces dispositifs, des phénomè- when we actually build these devices, phenomena
nes subtils dans le fonctionnement du circuit font que le gain réel est fréquemment très inférieur à celui prévu et souvent très inférieur à 1 000 000. En outre, la largeur de bande des circuits miroirs de courant PNP est toujours très inférieure à la largeur de bande de 30 mégahertz du Subtle effects in the operation of the circuit mean that the actual gain is frequently much lower than expected and often much less than 1,000,000. In addition, the bandwidth of the PNP current mirror circuits is still much less than the bandwidth. 30 megahertz of
présent circuit.present circuit.
Cette largeur de bande extrêmement élevée per- met au condensateur de compensation 12 d'avoir une valeur This extremely high bandwidth allows the compensation capacitor 12 to have a value
très faible, de façon caractéristique d'environ 2 à 5 pico- very low, typically about 2 to 5 pico-
farads seulement, comparé à la plage de 30 à 40 picfarads farads only, compared to the beach of 30 to 40 picfarads
des condensateurs de compensation qui sont exigés de fa- compensation capacitors which are required to
çon caractéristique dans des circuits de référence de ten- characteristic in reference circuits of
sion à bande interdite antérieurs. previous bandgap.
La période de récupération du circuit de référen- The recovery period of the reference circuit
ce à bande interdite de la présente invention, sous l'effet de variations de charge transitoires en sortie, est donc réduite d'un ordre de grandeur ou plus, par rapport aux this band-gap of the present invention, under the effect of transient load variations output, is reduced by an order of magnitude or more, compared to
circuits de tension de référence à bande interdite anté- pre-banded reference voltage reference circuits
rieurs, employant des transistors PNP latéraux actifs dans using PNP side transistors active in
leurs étages d'amplification. On considère donc que le cir- their amplification stages. It is therefore considered that the cir-
cuit à bande interdite de la figure 2 représente une con- baked-in-line of Figure 2 represents a
ception beaucoup plus sûre, à moindres risques, qui n'exi- much safer, less risky, which does not require
ge aucun compromis de taille, de complexité ou de perfor- no compromise in size, complexity or performance
mances, et qui a toujours une largeur de bande très supé- and still has a much higher bandwidth
rieure et des temps de récupération très inférieurs à tout and much lower recovery times than
circuit de référence de tension à bande interdite connu. known band gap voltage reference circuit.
Bien qu'on ait décrit l'invention en considérant un mode de réalisation particulier, l'homme de l'art notera Although the invention has been described with reference to a particular embodiment, those skilled in the art will appreciate
qu'on peut apporter diverses modifications au mode de réali- various modifications to the way in which
sation décrit, sans sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple, on peut procéder de diverses manières autres que celles décrites, pour obtenir des densités de courant égales dans les transistors NPN situés dans chacun des cotés droit described, without departing from the scope of the invention. For example, one can proceed in various ways other than those described, to obtain equal current densities in the NPN transistors located in each of the right sides
et gauche de la cellule de bande interdite. and left of the bandgap cell.
Claims (15)
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