专利名称：与温度无关的参考电路的制作方法
与温度无关的参考电路技术领域
本公开内容总体涉及与温度无关的参考电路(temperature independent reference circuits)领域，更具体而言，涉及在半导体芯片上制造的与温度无关的电压参 考电路和与温度无关的电流参考电路。
背景技术：
与温度无关的参考电路已广泛用于集成电路(IC)中许多年。与温度无关的参考电 路的目的是产生在温度变化下基本恒定的(substantially constant with temperature) 参考电压和/或参考电流。在现有技术的IC中，经温度补偿的(temperature-compensated) 参考电压和经温度补偿的参考电流有时在同一硅芯片上使用分立的电路来生成。一般而 言，首先得到与温度无关的电压参考，然后利用该与温度无关的电压得到与温度无关的电 流。但是，这种方法的缺陷是，用来分立地生成参考电压和参考电流的线路(circuitry)通 常是复杂的，且一般占据该半导体(例如硅)管芯(die)的大面积。
在附图的图中以示例而非限制的方式图解了本发明，附图中
图1图解了用于在集成电路(IC)上同时生成经温度补偿的参考电压和经温度补 偿的参考电流两者的与温度无关的参考电路的电路示意图。
图2图解了用于在集成电路(IC)上同时生成经温度补偿的参考电压和经温度补 偿的参考电流两者的与温度无关的参考电路的另一示例性电路示意图。
具体实施方式
在以下的描述中阐述特定细节，如器件类型、导电类型、电压、部件值、配置等，以 提供对本发明的彻底理解。但是，相关领域的普通技术人员将意识到，实施所描述的实施方 案可以不需要这些特定细节。
应意识到，尽管公开了在某些电路配置中利用特定晶体管类型(例如N沟道场效 应晶体管)的IC，但是在其他实施方案中也可以使用不同的晶体管类型(例如P沟道)。在 另一些实施方案中，以示例的方式示出的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件 中的一些或全部可以被替换成双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅场效应晶体管(IGFET)或其 它提供晶体管功能的器件结构。此外，集成电路领域以及电压和/或电流参考电路领域的 技术人员将理解，晶体管器件，如在图中以示例的方式示出的晶体管器件，可以与其它晶体 管器件结构集成，或者制作或配置成使得不同的器件共享连接和半导体区域(例如，N阱、 衬底等)。对本公开文本来说，“地”或“地电位”指这样的参考电压或电位电路或IC的所 有其它电压或电位都是相对于该参考电压或电位来定义或测量的。
图1图解了用于在IC上同时生成经温度补偿的参考电压和经温度补偿的参考电 流两者的与温度无关的参考电路100的电路示意图。(在本申请的语境中，认为术语“IC”与单块器件(monolithic device)是同义的。)与温度无关的参考电路100包括NPN双极 型晶体管Ql、Q2、Q3和Q4。晶体管Ql和Q2是相匹配的器件，其中Ql相对于Q2的发射极 尺寸比(emitter size ratio)为“a”，其中“a”是大于1的整数。Q2的发射极被示为联接 到地。Ql的发射极，即节点Vx，通过串联连接的电阻器Rl和R2联接到地。在示出的实施 方案中，与温度无关的电流参考Ikef流过电阻器Rl和R2，其中Ikef = VX/(R1+R2)。Ql的集 电极，即节点102，联接到Q3的基极和电阻器R3的一端。R3的另一端，即节点103，连接到 晶体管Q4的发射极。节点103提供从与温度无关的电流参考Ikef得到的与温度无关的电 压参考Vkef，如下文更详细描述的。
继续来看图1的实施例，晶体管Q4的基极共同联接到Q3的集电极、电阻器R4和 P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PM0QMP1的漏极。R4的另一端和MPl的源极被连 接到电压供应电位VDD。MPl的栅极被联接以接收上电(PU)信号，该上电信号确保该电路 的适当运作。在上电时，VDD从地电位攀升(ramp up)，且PU初始是低的，以将电流驱动到 Q4的基极。当VDD达到高至足以让电路100运作的电位时，上电信号PU变为高，从而关闭 (turn off)MPI0
与温度无关的参考电路100还包括联接在VDD和Q4的集电极之间的PMOS晶体管 MP2。MP2的栅极和漏极共同联接到与NPN晶体管Ql和Q2成电流镜配置(current mirror configuration)的相匹配的PMOS晶体管MP3和MP4的栅极，从而通过MP4来反射与温度无 关的电流参考Ikef，以供在该IC上别的地方输出。本领域的从业者将意识到，图1的电路生 成经温度补偿的电流Ikef，然后该电流被用来在节点103处生成经温度补偿的电压VKEF。为 了实现该结果，电阻器R3和Rl具有比值M并且相匹配，这意味着它们具有相同的电阻温度 系数(temperature coefficient of resistance)，因为它们在该IC上由相同的材料制成。 在一个实施方案中，Rl和R3包括注入有或掺杂有P型掺杂剂的半导体材料。
温度系数TC可以被定义为当温度改变1摄氏度时物理性质的相对变化。电阻器R3 和Rl的温度系数TC3为正，且大于Δ Vbe的正温度系数TCl。具体而言，Δ Vbe是晶体管Ql的 基极-发射极间的电压与晶体管Q2的基极-发射极间的电压之差。电阻器R2由与电阻器R3 和Rl相比不同的材料类型(例如，多晶硅)制成。R2的温度系数TC2也为正，但小于TC1。 当该电路在适当运作时，电流镜晶体管ΜΡ2和ΜΡ3迫使流过Ql和Q2的电流相等，从而导致 了串联连接的电阻器Rl和R2两端的ΔνΒΕ。电阻比R1/R2被选择为使得TCl = TC2X (R2/ (R1+R2)) +TC3 X (Rl/(R1+R2))。这使组合电阻R1+R2随温度的变化与Δ Vbe随温度的变化 相同，从而导致了流过Rl和R2的在温度变化下恒定(constant over temperature)的电IREF °
为了更好地理解与温度无关的参考电路100的运作，可以用以下等式数学地表示与温度无关的电流参考Ikef
lREF = ( ) ⑴
为了实现与温度无关的电流参考Ikef，AVbe的百分比变化应等于总电阻(R1+R2) 的百分比变化。如进一步示出的，AVbe的百分比变化可以用下面的等式⑵计算
权利要求
1.在半导体衬底上制造的与温度无关的参考电路，包括第一和第二双极型晶体管，该第一双极型晶体管的基极和集电极联接到该第二双极型 晶体管的基极，该第二双极型晶体管的发射极对该第一双极型晶体管的发射极的尺寸比等 于N，其中N是大于1的整数，该第一双极型晶体管的发射极联接到地电位；第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联联接在该第二双极型晶体管的发射极 和该地电位之间，所述第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值Rl和R2，并分别具有 第三和第二温度系数TC3和TC2 ；第一和第二晶体管，所述第一和第二晶体管被布置为相对于所述第一和第二双极型晶 体管的电流镜，使得当将电力被供应到该与温度无关的参考电路时，参考电流流过所述第 一和第二双极型晶体管中的每一个，所述第一和第二电阻值使得所述第一和第二双极型晶 体管的基极-发射极电压之差的温度系数TCl基本等于TC2X (R2/(R1+R2))+TC3X (Rl/(R1+R2))从而导致该参考电流在温度变化下基本恒定；第三双极型晶体管，该第三双极型晶体管的发射极联接到该地电位，该第三双极型晶 体管的基极联接到该第二双极型晶体管的集电极，以及第三电阻器，该第三电阻器联接在一节点和该第二双极型晶体管的集电极之间，当电 力被供应到该与温度无关的参考电路时，该参考电流流过该第三电阻器，该第三电阻器具 有第三电阻值R3以及第三温度系数TC3，该第三电阻值使得在温度变化下，该第三双极型 晶体管的基极-发射极电压的百分比变化基本等于该第三电阻器两端的电压降的百分比 变化，从而导致在该节点处生成在温度变化下基本恒定的参考电压。
2.如权利要求1所述的与温度无关的参考电路，其中所述第一和第三电阻器包括第一 材料类型，该第二电阻器包括第二材料类型。
3.如权利要求2所述的与温度无关的参考电路，其中该第一材料类型包括ρ型注入物。
4.如权利要求2所述的与温度无关的参考电路，其中该第二材料类型包括多晶硅。
5.如权利要求1所述的与温度无关的参考电路，还包括第四双极型晶体管，该第四双 极型晶体管的基极联接到该第三双极型晶体管的集电极，该第四双极型晶体管的发射极联 接到该节点，该第四双极型晶体管的集电极联接到该电流镜的第二晶体管。
6.如权利要求5所述的与温度无关的参考电路，其中所述第一和第二晶体管分别包括 第一和第二 ρ沟道场效应晶体管。
7.如权利要求6所述的与温度无关的参考电路，还包括联接到所述第一和第二ρ沟道 场效应晶体管的第三P沟道场效应晶体管，该第三P沟道场效应晶体管被配置来输出该参 考电流。
全文摘要
与温度无关的参考电路，包括具有共同联接的基极的第一和第二双极型晶体管。第一和第二电阻器串联联接在第二双极型晶体管的发射极和地之间。第一和第二电阻器分别具有第一和第二电阻值R1和R2，并分别具有第三和第二温度系数TC3和TC2。这些电阻值使得第一和第二双极型晶体管的基极-发射极电压之差的温度系数TC1基本等于TC2×(R2/(R1+R2))+TC3×(R1/(R1+R2))，从而导致流过第一和第二双极型晶体管中的每一个的在温度变化下基本恒定的参考电流。联接在一节点和第二双极型晶体管的集电极之间的第三电阻器的值使得在该节点处生成的参考电压在温度变化下基本恒定。
文档编号G05F3/16GK102033563SQ20101050159
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年10月2日
发明者D·龚, L·伦德 申请人:电力集成公司