补偿初期效果的电路和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种用于补偿初期效果的方法和装置，所述初期效果固有存在于双极 结型晶体管(BJT)中。更具体地说，本公开涉及配置成当从在不同的集电极电流密度操作的 两个相同BJT产生时，减少从成比例于绝对温度(PTAT)的基极-发射极电压差所产生的非线 性的方法和电路。根据本教导的电路和方法可以有利地用于温度传感器、带隙型电压基准 和不同的模拟电路。
【背景技术】
[0002] 由于基极-集电极电压和基极-发射极电压的变化，集电极电流(Ic)的变体被称为 初期效果。初期效果涉及从偏压所产生的BJT的基极宽度的调制，所述基极电压施加到集电 极-基极结和基极-发射结。由于集电极-基极电压变化，直接或向前的初期效果对应于基极 宽度调制，以及由于发射极-基极电压变化，反向初期效果对应于基极宽度调制。初期效果 具有带隙电路中的特别效果，所述带隙电路使用两个或多个BJT以产生电压输出。在这样的 电路中，当输出是基极发射极电压和绝对电压的比例的组合时，基于在不同集电极电流密 度运行的两个双极晶体管的基极-发射极电压差，直接和反向初期电压的影响有助于电路 的整体输出。这在基于硅的温度传感器中更重要。
[0003] 持续存在需要补偿初期效果。
【发明内容】
[0004] 因此，本教导提供了一种用于补偿初期效果的方法和装置。本教导基于理解：固有 存在于双极晶体管的初期效果可通过各个晶体管的明智偏压来补偿。使用这种理解，可以 产生互补于绝对温度的CTAT单元和成正比于绝对温度的PTAT单元，其输出不受初期效果的 影响。通过组合这两个单元的输出，可产生基准电路，其输出为至少一阶温度不敏感。
[0005] 这些和其它特征将参照以下附图更好地理解，所述附图向本领域技术人员提供本 教导的理解，但决不是意在将本教导限制于下面的具体细节。
【附图说明】
[0006] 图1是根据本教导实施的电路的示例；
[0007] 图2是根据本教导实施的另一电路的不例；
[0008] 图3示出对于现有技术电路和理想的PTAT电压的基极-发射极电压差的模拟结果；
[0009] 图4示出产生表示在图3中绘出两个电压分量的差异的电压非理想；
[0010] 图5示出用于图2的电路的电压差的模拟曲线图；
[0011] 图6示出根据本教导实现的优化电路的模拟结果;和
[0012] 图7是示意图，示出CTAT单元如何与PTAT单元相结合以提供参考电压。
【具体实施方式】
[0013]为了理解本教导，以及如何解决由初期效果引入的误差，适当地考虑晶体管如何 实际操作。双极结晶体管的数学模型存在，以及这样的一个模型是Gummel-Poon模型，其详 细ig息为：
[0015]其中：
[0016] Ic是集电极电流；
[0017] Is是饱和电流；
[0018] Vbe是基极-发射极电压；
[0019] VBC是基极-集电极电压；
[0020] Vaf是直接初期电压参数；
[0021] Var 是 reverseEarly 电压参数；
[0022] VT是热电压，
其中，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度和q是电子电荷。
[0023]在正常的晶体管操作中，发射极-基极结是正向偏压，集电极-基极结是反向偏压， 使得等式(1)可被重新写为：
[0025]从等式(2)，可以得出以下关系：
[0027] 基极-发射极电压，现在可以根据热电压VT、集电极电流IC、饱和电流Is和初期电压
[0028] 在等式(4)中，V、表示不受初期效果影响的基极-发射极电压。对于成比例于绝对 温度的集电极电流，PTAT集电极电流，V、电压依赖于温度，根据等式(2)和(5 )，使得：
[0030]应当理解，对于任何给定的集电极电流，该基极-发射极电压是因为它是，并不能 被修改。然而，本发明人已经认识到，集电极-基极电压可以被调整，以使得所述直接和反向 初期效果相互抵消。使用从等式(4)中定义的关系得到的分析，补偿条件是：
[0032]如果等式(6)得到满足，则单个晶体管的基极-发射极电压的温度依赖性可以确定 为不受初期效果的影响。图1显示偏压单个双极晶体管qn2的集电极的电路的示例，具有缩 放基极发射极电压以补偿该单个晶体管的初期效果。在此实施方式中，对于单个晶体管补 偿正向和反向的初期效果，使得该电路可以被用来产生没有初期效果贡献的基极发射极电 压VBE。这样的电压具有互补于绝对温度CTAT的特性，因此可以有效地用作温度传感器或者 并入与绝对温度PTAT成比例的特征的其它电路，以产生参考电压电路，其输出与温度无关。 [0033]虽然有许多方法产生用于偏压qn2的集电极的缩放CTAT电压，以补偿初期效果，图 1提供一个例子。在该电路中，第一双极型晶体管qnl用于生成CTAT电压分量，其由两个电阻 的比率r2/rl镜像和缩放，然后用来偏压第二双极型晶体管的集电极qn2。在该电路中，偏压 电流11(这是优选PTAT在形式)是从二极管连接的PM0S晶体管mpl镜像至类似的PM0S晶体管 mp2和mp3,其配置为充当电流镜。PM0S晶体管mp2的漏极电流用于偏压第一双极晶体管QN1。 第一放大器A1控制NM0S晶体管mnl的栅极节点，使得qnl的基极-发射极电压(其是CTAT的形 式和具有从反向初期效果的贡献)通过第一电阻R1反射。匪OS mnl的漏极电流从二极管连 接的PM0S晶体管mp4反射到类似布置PM0S晶体管MP5的漏极。反过来，其从二极管连接的 NM0S晶体管mn2镜像到类似配置的NM0S晶体管mn3。假定图1的电路从dc电压偏压，所述dc电 压从VDD连接到GND节点，并假设mp4和mp5具有相同的纵横比(W/L)，mn2和mn3也具有相同的 宽高比，mn3的漏极电流可以从下列关系式来确定：
[0035 ]其中Vbe (qn 1)表示qn 1的基极-发射极电压。
[0036]电流镜像M0S晶体管mp3为第二双极型晶体管(BJT)qn2产生集电极电流，其具有直 接的初期效果误差贡献。该晶体管还耦合到第二放大器A2的非倒相节点和输出。该放大器 的输出端通过电路的第二电阻器r2耦合第二BJT qn2的基极。mp3漏电流的值和第二电阻器 r2的值设定qn2的集电极-基极电压为值：
[0038]通过审慎缩放第一和第二电阻器r2和rl的值，能够根据等式(9)提供前向和反向 每方程初期效果之间的关系：
[0040] 以这种方式，第二双极qn2的基极-发射极电压的初期影响完全消除，以及晶体管 qn2的基极-发射极电压(其在形式上是CTAT)可以根据以上等式(5)的值来确定。实际上，与 双极型晶体管qn2关联的初期效果用于通过适当地偏压集电极-基极结而补偿相同晶体管 的反向初期效果。从在环境温度下与基极-发射极电压相关的常规值和晶体管的操作的检 查可以理解，在上面的方程的项的实际值是：Vbe = 0.7V; VAF = 50V; VAR = 5V，Δ Vbe = 0.054V。使用这些数字，应该理解，根据图1的教导的电路将需要0.7*50/5 = 7V的集电极-基 极电压以否定初期效果。对于许多的电路实施方式，这可能是不实际的，但当该电路为单个 晶体管提供反向和向前早效果的完整补偿，它提供了可以用在诸如上述那些的其他电路的 非常有用CTAT单元，作为温度传感器或温度无关的电压基准的分量电路单元。
[0041] 本发明人还认识到，可产生用于初期效果补偿的PTAT单元。该PTAT单元也可以用 作温度传感器或温度独立电压基准的分量电路单元。
[0042]还可从等式(5)的项的精密检测理解有非线性的来源。如果该电压从不同偏压的 两个双极晶体管qnl、qn2提取，基极-发射极电压差的非线性AVBE(其在形式是固有PTAT) 可以减少接近未可测量的水平。具体地说，如果低电流密度双极晶体管以零集电极-基极电 压偏压，和高集电极电流密度的双极晶体管以PTAT电压偏压，对于第一近似，我们可以减少 接近零，基极-发射极电压差的非线性。在不同的集电极电流密度工作的两个双极晶体管的 基极-发射极电压可以表示为等式(10)和(11)的项：
[0045] 其中VBE1 (T)表示高集电极电流密度晶体管的基极-发射极电压，a是外推带隙电 压，VBE2(T)表示低集电极电流密度晶体管的基极-发射极