專利名稱：不隨電源變化的帶隙參考系統的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及電子領域，并且更具體地涉及一種不隨電源變化的帶隙參考系統。
背景技術：
電子系統代表包括各種各樣的系統，這些系統包括用于切換功率轉換器的控制器、微處理器和存儲器。電子系統包括數字、模擬和/或混合數字和模擬電路。經常使用分立、集成部件或者分立和集成部件的組合來實現電路。為了正確地操作，許多電子系統利用一個或者多個電壓和/或電流參考生成器。在許多實例中，特別對于模擬電路，越精確的電路利用越精確的參考信號。因此，在許多實例中，參考生成器試圖提供相對于電源電壓和溫度的變化穩定的參考信號。帶隙參考代表一種用于供應參考信號的公認選擇。一般而言， 帶隙參考是指利用在以不同電流密度操作的兩個p-n結之間的電壓差生成參考信號。圖1描繪了提供帶隙參考電壓VBG的帶隙參考100。一般而言，帶隙參考100基于在二極管102和104上的固有正偏置電壓生成帶隙參考電壓VBG。帶隙參考100從以接地參考101為參考的具有電壓VCC的電壓源接收功率。當正偏置時，二極管102和104具有相應正偏置電壓VBEl和VBE2。電壓VBE2是電壓VBEl的分數。可以通過相對于二極管102 增加二極管104的規格并且因此增加其電流密度，或者并聯放置多個二極管以共同形成二極管104來實現電壓VBE2與VBEl的期望比。運算放大器106通過根據差電壓Vnn-Vnp驅動 P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管(PM0SFET)112來維持與電壓Vnp相等的電壓Vffl。對于Vnn > Vnp,電流iC2減少，而對于Vnn < VNP, iC2增加。電壓Vnp在二極管Dl的陰極。因而， 令“R”為電阻器110和111的電阻值，并且“R1”代表電阻器108的電阻值，如下推導帶隙參考電壓VBG VBE2+iC2 ‘ Rl = VBEl [1]iC2 · Rl = VBE1-VBE2 = Δ VBE [2]由于Vnn = VNP, icl = iC2，所以 icl = Δ VBE/R1 [3]icl · R = Vnn-VBG = ( Δ VBE · R) /Rl [4]并且VBG = VBEl+ ( Δ VBE · R) /Rl [5]在至少一個實施例中，尤其是隨著電源電壓VCC的改變和增加，半導體體材料中生成體誤差電流而在。由于，例如，半導體器件諸如金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)中的電流的熱電子注入而出現體誤差電流。體誤差電流出現于例如“熱”電子越過MOSFET的溝道區域中的能量勢壘時。在體誤差電流近似恒定的穩定環境中，帶隙參考100提供相對穩定的帶隙參考電壓VBG。然而，在一些環境中，電源電壓VCC的直流 (DC)分量變化100-200%或者更多，例如6V<VCC< 18V，并且電源電壓VCC中的交流(AC) 信號(諸如瞬變電壓和脈動)可能引起電源電壓VCC的高頻變化。電源電壓VCC的改變往往變化，并且因此使體誤差電流— ·不穩定。體誤差電流— ·的變化使電流ia和iC2 不穩定，并且因此使帶隙參考電壓VBG變化。帶隙參考電壓VBG的變化可能引起諸如模數轉換器的電路中的誤差，這些電路依賴于穩定帶隙參考電壓VBG以正確和準確工作。
發明內容
在本發明的一個實施例中，一種裝置包括帶隙參考電路，用于生成基本上不隨至少帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的一個或者多個帶隙參考信號。該裝置還包括電流鏡，耦合到帶隙參考電路，用于接收和鏡像控制信號。所述控制信號控制由帶隙參考電路生成的一個或者多個帶隙參考信號。該裝置還包括與絕對溫度成比例的參考信號生成器，耦合于帶隙參考電路與電流鏡之間，用于根據帶隙參考信號中的至少一個來生成一個或者多個與絕對溫度成比例的電流。一個或者多個與絕對溫度成比例的電流基本上不隨至少帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化。在本發明的另一實施例中，一種方法包括生成基本上不隨至少帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的一個或者多個帶隙參考信號。該方法還包括接收控制信號；并且使用電流鏡來鏡像控制信號，以便控制由帶隙參考電路生成的一個或者多個帶隙參考信號。該方法還包括根據帶隙參考信號中的至少一個來生成一個或者多個與絕對溫度成比例的電流。所述一個或者多個與絕對溫度成比例的電流基本上不隨至少帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化。在本發明的又一實施例中，一種系統包括帶隙參考電路，用于生成基本上不隨至少帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的一個或者多個帶隙參考信號。帶隙參考電路包括第一和第二并行電流路徑，各電流路徑包括一個或者多個二極管，并且在帶隙參考電路的操作期間的總二極管正向電壓減少對于兩個路徑而言不同。該系統還包括運算放大器，具有與帶隙參考電路的第一并行電流路徑耦合的反相節點和與帶隙參考電路的第二并行電流路徑耦合的非反相節點。運算放大器被配置成生成控制信號以維持經過帶隙參考電路的第一和第二并行電流路徑的相等電流。該系統還包括電流鏡，耦合到帶隙參考電路，用于接收和鏡像控制信號。該系統還包括與絕對溫度成比例的參考信號生成器，耦合于帶隙參考電路與電流鏡之間，用于根據帶隙參考信號中的至少一個來生成一個或者多個與絕對溫度成比例的電流。所述一個或者多個與絕對溫度成比例的電流基本上不隨至少帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化。
通過參照附圖，可以更好地理解本發明，并且本領域技術人員可以明了其諸多目的、特征和優點。圖1(注為現有技術)描繪了帶隙參考電路。圖2描繪了包括不隨電源變化的帶隙參考電路的電子參考信號生成系統。圖3描繪了圖2的電子參考信號生成系統的一個實施例。圖4描繪了圖3中的電子參考信號生成系統中的二極管的示例設計和布置。圖5描繪了圖3的電子參考信號生成系統中的隨時間變化的電源電壓的電壓-時間曲線圖。圖6描繪了示例電阻器負反饋電路。圖7描繪了示例啟動電流生成器。
圖8描繪了交流(AC)補償電路的一個實施例。圖9描繪了不隨電源變化的參考電壓生成電路。
具體實施例方式在至少一個實施例中，電子參考信號生成系統包括如下不隨電源變化的帶隙參考系統，該系統生成基本上不受體誤差電流影響的一個或者多個帶隙參考信號。在至少一個實施例中，帶隙參考針對直流(DC)電源電壓的一個范圍生成基本上不變的帶隙參考信號。 此外，在至少一個實施例中，帶隙參考系統在電源電壓由于交流(AC)電壓而變化時提供基本上不變的帶隙參考信號。在至少一個實施例中，帶隙參考系統生成基本上不受電源電壓的變化影響并且不受體誤差電流影響的帶隙參考電壓VBG、“與絕對溫度成比例”(PTAT)的電流("ipxAi")和“與絕對溫度零相關” (ZTAT)的電流(“iZTAT”)。因此，在至少一個實施例中，盡管有電源電壓的變化和體誤差電流，電子參考信號生成系統仍然提供穩定的輸出電壓、iPTAT電流和iZTAT電流作為用于任何電子電路的參考信號。圖2描繪了電子參考信號生成系統200，該系統包括用于生成帶隙參考電壓VBG的不隨電源變化的帶隙參考電路202。電子參考信號生成系統200還包括用于生成不隨電源變化的電流iPTAT的與絕對溫度成比例的信號生成器204。電子參考信號生成系統200還可選地(如虛線所示)包括用于生成不隨電源變化的iZTAT電流的與絕對溫度零相關的信號生成器206。電子參考信號生成系統200還包括用于輔助運算放大器210維持恒定參考信號的電流鏡208。在至少一個實施例中，帶隙參考電壓VBG以電源電壓VDDH+而不是接地參考電壓 GNDH為參考以幫助充分減少體電流對帶隙參考電壓VBG以及電流iPTAT和iZTAT的影響。在電子參考信號生成系統200的操作期間，iPTAT和iZTAT電流相對于電源電壓VDDH的DC電壓電平范圍，并且在至少一個實施例中，還相對于電源電壓VDDH的AC變化保持基本上不變。使用術語“基本上”是因為信號可以具有對使用帶隙參考電壓VBG或者iPTAT或者iZTAT電流作為參考信號沒有影響的少量變化。例如，在至少一個實施例中，對于電源電壓VDDH從7. 5V 到14. 5V的變化，帶隙參考電壓VBG近似改變lmV。術語“不變”意味著基本上無變化。電源電壓VDDH的AC變化是，例如，瞬變電壓，諸如，電源電壓VDDH的尖峰、振鈴(比如在DC 電壓上疊加的正弦波)和任何其它周期或者非周期擾動。電子參考信號生成系統200包括用于向電流鏡208提供輸入電流iQP的運算放大器210。PTAT信號生成器204和電流鏡208在運算放大器210與帶隙參考電路202之間提供反饋路徑。運算放大器210驅動電流鏡208以補償電源電壓VDDH+的變化，并且補償誤差電流，諸如體誤差電流。電流鏡208接收和響應來自運算放大器210的電流iQP，并且驅動電流鏡中的電流以控制帶隙參考電路202中的帶隙參考信號電流iPTAT和帶隙參考電壓VBG。 因此，來自運算放大器210的電流iQP作用于控制經過電流鏡208、PTAT信號生成器204和帶隙參考電路202的反饋回路，以便維持不隨電源變化的帶隙參考電壓VBG和不隨電源變化的電流iPTAT。運算放大器210的相應正和負電壓軌VDDH+和VDDH-相對于電源電壓VDDH浮動。 換而言之，電壓軌VDDH+和VDDH-隨著電源電壓VDDH值的改變而改變值，使得VDDH+與 VDDH-之差恒定。電壓軌VDDH+和VDDH-相對于電源電壓VDDH浮動為運算放大器210提供恒壓電壓源，并且允許運算放大器210基本上不受電源電壓VDDH的變化影響。在至少一個實施例中，電源電壓VDDH+的變化是體誤差電流的主導來源。圖3描繪了電子參考信號生成系統300，該系統代表電子參考信號生成系統200的一個實施例。電子參考信號生成系統300包括帶隙參考電路302，該電路代表帶隙參考電路202的一個實施例。帶隙參考電路302包括用于接收電源電壓VDDH+的電壓節點303。 帶隙參考電路302包括兩個正偏置二極管Dl和D2。二極管Dl和D2具有相應正偏置電壓 VBEl和VBE2。電壓VBE2是電壓VBEl的分數。如隨后更具體討論的那樣，可以通過相對于二極管Dl增加二極管D2的規格或者并聯放置多個二極管D2來實現電壓VBE2與VBEl的期望比。運算放大器304維持與電壓Vnp相等的電壓Vffl。因此，在電阻器306上的電壓是 AVBE = VBE1-VBE2。電阻器306的電阻值是Rl。電阻器306的特定值Rl是設計選擇的問題。如隨后更具體描述的那樣，電阻值Rl設置電流iPTAT的值。電阻值Rl被指出是可調的，這是因為改變值Rl可以改變電流iPTAT。在至少一個實施例中，使用常規電阻器負反饋網絡(比如電阻器負反饋電路600(圖6))來設置電阻值R1。帶隙參考電路302還包括均具有電阻值R的電阻器308和310。由于電阻器308和310的對稱，電流iPTAT等于2 · icl = 2 · iC2。由于電流iC2 = ΔνΒΕ/Rl，所以電流iPTAT = 2 · AVBE/R1。如隨后更具體討論的那樣，在電流‘ 與ΔΥΒΕ和R之間的關系造成電流iPTAT不隨電源電壓變化。可以使用任何數目的串聯和/或并聯連接的電阻器來實施“電阻器”。在至少一個實施例中，運算放大器304的電壓軌VDDH+和VDDH-如結合運算放大器210描述的那樣相對于電源電壓VDDH+浮動。在至少一個實施例中，使用低電壓器件來制作運算放大器304。在低電壓器件一般比高電壓器件更不易受熱電子注入和相關體誤差電流影響。運算放大器304的設計一般確定運算放大器304的DC偏移電壓性質。一般而言，較高的DC電壓偏移造成電阻器Rl上的電壓AVBE改變。為了使電壓AVBE由于DC偏移電壓所致的百分比改變最小，可以增加電壓ΔΥΒΕ的值。如先前討論的那樣，電壓AVBE 的值由電壓VBE2與VBEl之差設置。因此，在至少一個實施例中，可以通過相對于二極管Dl 的規格增加二極管D2的規格來增加電壓AVBE的值。二極管D2和Dl的特定設計、布置和規格比是設計選擇的問題。在至少一個實施例中，設計二極管D2和D1，使得AVBE充分大于運算放大器304的偏移電壓，以便允許運算放大器304使Vnn與Vnp相等。圖4描繪了圖3的二極管D2和Dl的示例設計和布置。參照圖3和圖4，在至少一個實施例中，二極管D2和Dl被布置為二極管組402。在二極管組 402中，二極管D2實際上是八個并聯的二極管DZtl-DZ7,并且二極管D^-D〗,實際上被布置在圍繞中心二極管Dl的矩形圖案中。各二極管D&-D27的規格與極管Dl相同。二極管D2和 Dl的特定面積比是二極管D2和Dl占用的面積數量與準確的電流iPTAT之間的折衷。在至少一個實施例中，使用面積比8 1，這是因為電流iPTAT與相應二極管Dl和D2的反向偏置電流isl和iS2的自然對數函數成正比。因此，二極管D2的規格增加對電流iPTAT的值具有減弱效果。參照圖3，如電子參考信號生成系統300的電流iPTAT的以下推導中所示，電流iPTAT 的值不隨電源電壓變化iC2 = (VBE1-VBE2)/R1[6]
權利要求
1.一種裝置，包括帶隙參考電路，用于生成基本上不隨至少所述帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的一個或者多個帶隙參考信號；電流鏡，耦合到所述帶隙參考電路，用于接收和鏡像控制信號，其中所述控制信號控制由所述帶隙參考電路生成的所述一個或者多個帶隙參考信號；以及與絕對溫度成比例的參考信號生成器，耦合于所述帶隙參考電路與所述電流鏡之間， 用于根據所述帶隙參考信號中的至少一個來生成一個或者多個與絕對溫度成比例的電流， 其中所述一個或者多個與絕對溫度成比例的電流基本上不隨至少所述帶隙參考電路的所述電源電壓的直流值的改變而變化。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電流鏡包括用于生成所述控制信號的鏡像的 η溝道晶體管，并且所述與絕對溫度成比例的參考信號生成器包括用于生成一個或者多個與絕對溫度成比例的電流的P溝道晶體管。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中各與絕對溫度成比例的電流基本上不隨所述電流鏡中的體誤差電流變化。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述帶隙參考信號基本上不隨所述電源電壓的瞬變而變化。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述帶隙參考信號包括基本上不隨至少所述帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的參考電壓。
6.根據權利要求1所述的裝置，還包括運算放大器，耦合于所述帶隙參考電路與所述電流鏡之間，其中在所述裝置的操作期間，所述運算放大器響應所述帶隙參考電路中的電壓的改變，并且驅動所述電流鏡中的電流以維持所述不隨電源變化的帶隙參考電壓。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中所述運算放大器包括用于分別響應所述帶隙參考電路的電壓的交流和直流改變的低頻主導路徑和高頻主導路徑。
8.根據權利要求6所述的裝置，其中所述電流鏡包括柵極耦合到所述運算放大器、漏極耦合到所述帶隙參考電路并且源極耦合到參考電壓的源極跟隨器場效應晶體管，其中所述運算放大器驅動所述場效應晶體管的柵極電壓以補償至少所述體誤差電流。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中所述帶隙參考信號之一是與絕對溫度成比例的電流，并且所述與絕對溫度成比例的參考信號生成器生成由所述帶隙參考電路生成的所述與絕對溫度成比例的電流的副本。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中所述裝置還被配置成生成不隨至少所述帶隙參考電路中的電源電壓的直流值的改變而變化的與絕對溫度零相關的電流。
11.根據權利要求10所述的裝置，還包括與絕對溫度零相關，用于生成所述與絕對溫度零相關的電流的至少一個副本，其中所述與絕對溫度零相關的電流的所述副本不隨至少所述帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化。
12.根據權利要求1所述的裝置，其中所述帶隙參考電路以所述電源電壓為參考。
13.一種方法，包括生成基本上不隨至少帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的一個或者多個帶隙參考信號；接收控制信號；使用電流鏡來鏡像所述控制信號，以控制由所述帶隙參考電路生成的所述一個或者多個帶隙參考信號；并且根據所述帶隙參考信號中的至少一個生成一個或者多個與絕對溫度成比例的電流，其中所述一個或者多個與絕對溫度成比例的電流基本上不隨至少所述帶隙參考電路的所述電源電壓的直流值的改變而變化。
14.根據權利要求13所述的方法，其中生成基本上不隨所述電流鏡中的體誤差電流變化的一個或者多個與絕對溫度成比例的電流。
15.根據權利要求13所述的方法，其中生成所述一個或者多個帶隙參考信號還包括生成基本上不隨所述電源電壓的瞬變而變化的一個或者多個帶隙參考信號。
16.根據權利要求13所述的方法，其中生成所述一個或者多個帶隙參考信號還包括生成基本上不隨至少所述帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的一個或者多個帶隙參考信號。
17.根據權利要求13所述的方法，還包括生成控制信號以響應所述帶隙參考電路中的電壓的改變，并且驅動所述電流鏡中的電流以維持所述一個或者多個帶隙參考信號基本上不隨至少所述帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化。
18.根據權利要求17所述的方法，其中生成控制信號以響應所述帶隙參考電路中的電壓的改變還包括使用高頻主導路徑來生成所述控制信號，以響應所述帶隙參考電路的電壓的交流電壓改變；并且使用低頻主導路徑來生成所述控制信號，以響應所述帶隙參考電路的電壓的直流電壓改變。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述電流鏡包括柵極耦合到所述運算放大器、 漏極耦合到所述帶隙參考電路并且源極耦合到參考電壓的源極跟隨器場效應晶體管，其中所述運算放大器驅動所述場效應晶體管的柵極電壓以補償至少所述體誤差電流。
20.根據權利要求13所述的方法，其中所述帶隙參考信號之一是與絕對溫度成比例的電流，并且根據所述帶隙參考信號中的至少一個來生成一個或者多個與絕對溫度成比例的電流還包括生成由所述帶隙參考電路生成的所述與絕對溫度成比例的電流的副本。
21.根據權利要求13所述的方法，還包括生成基本上不隨至少所述帶隙參考電路的所述電源電壓的直流值的改變而變化的與絕對溫度零相關的電流。
22.根據權利要求21所述的方法，還包括生成基本上不隨至少所述帶隙參考電路的所述電源電壓的直流值的改變和體誤差電流而變化的與絕對溫度零相關的電流。
23.根據權利要求13所述的方法，還包括使所述帶隙參考電路以所述電源電壓為參考。
24.一種系統，包括帶隙參考電路，用于生成基本上不隨至少所述帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的一個或者多個帶隙參考信號，其中所述帶隙參考電路包括第一和第二并行電流路徑，每個電流路徑包括一個或者多個二極管，并且在所述帶隙參考電路的操作期間的總二極管正向電壓減少對于所述兩個路徑而言不同；運算放大器，具有與所述帶隙參考電路的所述第一并行電流路徑耦合的反相節點和與所述帶隙參考電路的所述第二并行電流路徑耦合的非反相節點，其中所述運算放大器被配置成生成控制信號以維持經過所述帶隙參考電路的所述第一和第二并行電流路徑的相等電流；電流鏡，耦合到所述帶隙參考電路，用于接收和鏡像所述控制信號；以及與絕對溫度成比例的參考信號生成器，耦合于所述帶隙參考電路與所述電流鏡之間， 用于根據所述帶隙參考信號中的至少一個生成一個或者多個與絕對溫度成比例的電流，其中所述一個或者多個與絕對溫度成比例的電流基本上不隨至少所述帶隙參考電路的所述電源電壓的直流值的改變而變化。
25.根據權利要求M所述的裝置，其中所述裝置還被配置成生成不隨至少所述帶隙參考電路的電源電壓的直流值的改變而變化的與絕對溫度零相關的電流。
全文摘要
本發明涉及不隨電源變化的帶隙參考系統。一種電子參考信號生成系統包括不隨電源變化的帶隙參考系統，該系統生成基本上不受體誤差電流影響的一個或者多個帶隙參考信號。在至少一個實施例中，帶隙參考生成針對直流(DC)電源電壓的一個范圍而言基本上不變的帶隙參考信號。此外，在至少一個實施例中，帶隙參考系統在電源電壓由于交流(AC)電壓而變化時提供基本上不變的帶隙參考信號。在至少一個實施例中，帶隙參考系統生成基本上不受電源電壓的變化影響并且不受體誤差電流影響的帶隙參考電壓VBG、“與絕對溫度成比例”(PTAT)的電流(“iPTAT”)和“與絕對溫度零相關”(ZTAT)的電流(“iZTAT”)。
文檔編號G05F3/16GK102236359SQ201110043989
公開日2011年11月9日 申請日期2011年2月22日 優先權日2010年2月22日
發明者拉里·L·哈里斯, 普拉沙恩斯·德拉克沙帕利, 約翰·L·梅蘭松 申請人:塞瑞斯邏輯公司