专利名称：不随电源变化的带隙参考系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电子领域，并且更具体地涉及一种不随电源变化的带隙参考系统。
背景技术：
电子系统代表包括各种各样的系统，这些系统包括用于切换功率转换器的控制器、微处理器和存储器。电子系统包括数字、模拟和/或混合数字和模拟电路。经常使用分立、集成部件或者分立和集成部件的组合来实现电路。为了正确地操作，许多电子系统利用一个或者多个电压和/或电流参考生成器。在许多实例中，特别对于模拟电路，越精确的电路利用越精确的参考信号。因此，在许多实例中，参考生成器试图提供相对于电源电压和温度的变化稳定的参考信号。带隙参考代表一种用于供应参考信号的公认选择。一般而言， 带隙参考是指利用在以不同电流密度操作的两个p-n结之间的电压差生成参考信号。图1描绘了提供带隙参考电压VBG的带隙参考100。一般而言，带隙参考100基于在二极管102和104上的固有正偏置电压生成带隙参考电压VBG。带隙参考100从以接地参考101为参考的具有电压VCC的电压源接收功率。当正偏置时，二极管102和104具有相应正偏置电压VBEl和VBE2。电压VBE2是电压VBEl的分数。可以通过相对于二极管102 增加二极管104的规格并且因此增加其电流密度，或者并联放置多个二极管以共同形成二极管104来实现电压VBE2与VBEl的期望比。运算放大器106通过根据差电压Vnn-Vnp驱动 P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PM0SFET)112来维持与电压Vnp相等的电压Vffl。对于Vnn > Vnp,电流iC2减少，而对于Vnn < VNP, iC2增加。电压Vnp在二极管Dl的阴极。因而， 令“R”为电阻器110和111的电阻值，并且“R1”代表电阻器108的电阻值，如下推导带隙参考电压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]在至少一个实施例中，尤其是随着电源电压VCC的改变和增加，半导体体材料中生成体误差电流而在。由于，例如，半导体器件诸如金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)中的电流的热电子注入而出现体误差电流。体误差电流出现于例如“热”电子越过MOSFET的沟道区域中的能量势垒时。在体误差电流近似恒定的稳定环境中，带隙参考100提供相对稳定的带隙参考电压VBG。然而，在一些环境中，电源电压VCC的直流 (DC)分量变化100-200%或者更多，例如6V<VCC< 18V，并且电源电压VCC中的交流(AC) 信号(诸如瞬变电压和脉动)可能引起电源电压VCC的高频变化。电源电压VCC的改变往往变化，并且因此使体误差电流— ·不稳定。体误差电流— ·的变化使电流ia和iC2 不稳定，并且因此使带隙参考电压VBG变化。带隙参考电压VBG的变化可能引起诸如模数转换器的电路中的误差，这些电路依赖于稳定带隙参考电压VBG以正确和准确工作。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种装置包括带隙参考电路，用于生成基本上不随至少带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的一个或者多个带隙参考信号。该装置还包括电流镜，耦合到带隙参考电路，用于接收和镜像控制信号。所述控制信号控制由带隙参考电路生成的一个或者多个带隙参考信号。该装置还包括与绝对温度成比例的参考信号生成器，耦合于带隙参考电路与电流镜之间，用于根据带隙参考信号中的至少一个来生成一个或者多个与绝对温度成比例的电流。一个或者多个与绝对温度成比例的电流基本上不随至少带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化。在本发明的另一实施例中，一种方法包括生成基本上不随至少带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的一个或者多个带隙参考信号。该方法还包括接收控制信号；并且使用电流镜来镜像控制信号，以便控制由带隙参考电路生成的一个或者多个带隙参考信号。该方法还包括根据带隙参考信号中的至少一个来生成一个或者多个与绝对温度成比例的电流。所述一个或者多个与绝对温度成比例的电流基本上不随至少带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化。在本发明的又一实施例中，一种系统包括带隙参考电路，用于生成基本上不随至少带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的一个或者多个带隙参考信号。带隙参考电路包括第一和第二并行电流路径，各电流路径包括一个或者多个二极管，并且在带隙参考电路的操作期间的总二极管正向电压减少对于两个路径而言不同。该系统还包括运算放大器，具有与带隙参考电路的第一并行电流路径耦合的反相节点和与带隙参考电路的第二并行电流路径耦合的非反相节点。运算放大器被配置成生成控制信号以维持经过带隙参考电路的第一和第二并行电流路径的相等电流。该系统还包括电流镜，耦合到带隙参考电路，用于接收和镜像控制信号。该系统还包括与绝对温度成比例的参考信号生成器，耦合于带隙参考电路与电流镜之间，用于根据带隙参考信号中的至少一个来生成一个或者多个与绝对温度成比例的电流。所述一个或者多个与绝对温度成比例的电流基本上不随至少带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化。
通过参照附图，可以更好地理解本发明，并且本领域技术人员可以明了其诸多目的、特征和优点。图1(注为现有技术)描绘了带隙参考电路。图2描绘了包括不随电源变化的带隙参考电路的电子参考信号生成系统。图3描绘了图2的电子参考信号生成系统的一个实施例。图4描绘了图3中的电子参考信号生成系统中的二极管的示例设计和布置。图5描绘了图3的电子参考信号生成系统中的随时间变化的电源电压的电压-时间曲线图。图6描绘了示例电阻器负反馈电路。图7描绘了示例启动电流生成器。
图8描绘了交流(AC)补偿电路的一个实施例。图9描绘了不随电源变化的参考电压生成电路。
具体实施例方式在至少一个实施例中，电子参考信号生成系统包括如下不随电源变化的带隙参考系统，该系统生成基本上不受体误差电流影响的一个或者多个带隙参考信号。在至少一个实施例中，带隙参考针对直流(DC)电源电压的一个范围生成基本上不变的带隙参考信号。 此外，在至少一个实施例中，带隙参考系统在电源电压由于交流(AC)电压而变化时提供基本上不变的带隙参考信号。在至少一个实施例中，带隙参考系统生成基本上不受电源电压的变化影响并且不受体误差电流影响的带隙参考电压VBG、“与绝对温度成比例”(PTAT)的电流("ipxAi")和“与绝对温度零相关” (ZTAT)的电流(“iZTAT”)。因此，在至少一个实施例中，尽管有电源电压的变化和体误差电流，电子参考信号生成系统仍然提供稳定的输出电压、iPTAT电流和iZTAT电流作为用于任何电子电路的参考信号。图2描绘了电子参考信号生成系统200，该系统包括用于生成带隙参考电压VBG的不随电源变化的带隙参考电路202。电子参考信号生成系统200还包括用于生成不随电源变化的电流iPTAT的与绝对温度成比例的信号生成器204。电子参考信号生成系统200还可选地(如虚线所示)包括用于生成不随电源变化的iZTAT电流的与绝对温度零相关的信号生成器206。电子参考信号生成系统200还包括用于辅助运算放大器210维持恒定参考信号的电流镜208。在至少一个实施例中，带隙参考电压VBG以电源电压VDDH+而不是接地参考电压 GNDH为参考以帮助充分减少体电流对带隙参考电压VBG以及电流iPTAT和iZTAT的影响。在电子参考信号生成系统200的操作期间，iPTAT和iZTAT电流相对于电源电压VDDH的DC电压电平范围，并且在至少一个实施例中，还相对于电源电压VDDH的AC变化保持基本上不变。使用术语“基本上”是因为信号可以具有对使用带隙参考电压VBG或者iPTAT或者iZTAT电流作为参考信号没有影响的少量变化。例如，在至少一个实施例中，对于电源电压VDDH从7. 5V 到14. 5V的变化，带隙参考电压VBG近似改变lmV。术语“不变”意味着基本上无变化。电源电压VDDH的AC变化是，例如，瞬变电压，诸如，电源电压VDDH的尖峰、振铃(比如在DC 电压上叠加的正弦波)和任何其它周期或者非周期扰动。电子参考信号生成系统200包括用于向电流镜208提供输入电流iQP的运算放大器210。PTAT信号生成器204和电流镜208在运算放大器210与带隙参考电路202之间提供反馈路径。运算放大器210驱动电流镜208以补偿电源电压VDDH+的变化，并且补偿误差电流，诸如体误差电流。电流镜208接收和响应来自运算放大器210的电流iQP，并且驱动电流镜中的电流以控制带隙参考电路202中的带隙参考信号电流iPTAT和带隙参考电压VBG。 因此，来自运算放大器210的电流iQP作用于控制经过电流镜208、PTAT信号生成器204和带隙参考电路202的反馈回路，以便维持不随电源变化的带隙参考电压VBG和不随电源变化的电流iPTAT。运算放大器210的相应正和负电压轨VDDH+和VDDH-相对于电源电压VDDH浮动。 换而言之，电压轨VDDH+和VDDH-随着电源电压VDDH值的改变而改变值，使得VDDH+与 VDDH-之差恒定。电压轨VDDH+和VDDH-相对于电源电压VDDH浮动为运算放大器210提供恒压电压源，并且允许运算放大器210基本上不受电源电压VDDH的变化影响。在至少一个实施例中，电源电压VDDH+的变化是体误差电流的主导来源。图3描绘了电子参考信号生成系统300，该系统代表电子参考信号生成系统200的一个实施例。电子参考信号生成系统300包括带隙参考电路302，该电路代表带隙参考电路202的一个实施例。带隙参考电路302包括用于接收电源电压VDDH+的电压节点303。 带隙参考电路302包括两个正偏置二极管Dl和D2。二极管Dl和D2具有相应正偏置电压 VBEl和VBE2。电压VBE2是电压VBEl的分数。如随后更具体讨论的那样，可以通过相对于二极管Dl增加二极管D2的规格或者并联放置多个二极管D2来实现电压VBE2与VBEl的期望比。运算放大器304维持与电压Vnp相等的电压Vffl。因此，在电阻器306上的电压是 AVBE = VBE1-VBE2。电阻器306的电阻值是Rl。电阻器306的特定值Rl是设计选择的问题。如随后更具体描述的那样，电阻值Rl设置电流iPTAT的值。电阻值Rl被指出是可调的，这是因为改变值Rl可以改变电流iPTAT。在至少一个实施例中，使用常规电阻器负反馈网络(比如电阻器负反馈电路600(图6))来设置电阻值R1。带隙参考电路302还包括均具有电阻值R的电阻器308和310。由于电阻器308和310的对称，电流iPTAT等于2 · icl = 2 · iC2。由于电流iC2 = ΔνΒΕ/Rl，所以电流iPTAT = 2 · AVBE/R1。如随后更具体讨论的那样，在电流‘ 与ΔΥΒΕ和R之间的关系造成电流iPTAT不随电源电压变化。可以使用任何数目的串联和/或并联连接的电阻器来实施“电阻器”。在至少一个实施例中，运算放大器304的电压轨VDDH+和VDDH-如结合运算放大器210描述的那样相对于电源电压VDDH+浮动。在至少一个实施例中，使用低电压器件来制作运算放大器304。在低电压器件一般比高电压器件更不易受热电子注入和相关体误差电流影响。运算放大器304的设计一般确定运算放大器304的DC偏移电压性质。一般而言，较高的DC电压偏移造成电阻器Rl上的电压AVBE改变。为了使电压AVBE由于DC偏移电压所致的百分比改变最小，可以增加电压ΔΥΒΕ的值。如先前讨论的那样，电压AVBE 的值由电压VBE2与VBEl之差设置。因此，在至少一个实施例中，可以通过相对于二极管Dl 的规格增加二极管D2的规格来增加电压AVBE的值。二极管D2和Dl的特定设计、布置和规格比是设计选择的问题。在至少一个实施例中，设计二极管D2和D1，使得AVBE充分大于运算放大器304的偏移电压，以便允许运算放大器304使Vnn与Vnp相等。图4描绘了图3的二极管D2和Dl的示例设计和布置。参照图3和图4，在至少一个实施例中，二极管D2和Dl被布置为二极管组402。在二极管组 402中，二极管D2实际上是八个并联的二极管DZtl-DZ7,并且二极管D^-D〗,实际上被布置在围绕中心二极管Dl的矩形图案中。各二极管D&-D27的规格与极管Dl相同。二极管D2和 Dl的特定面积比是二极管D2和Dl占用的面积数量与准确的电流iPTAT之间的折衷。在至少一个实施例中，使用面积比8 1，这是因为电流iPTAT与相应二极管Dl和D2的反向偏置电流isl和iS2的自然对数函数成正比。因此，二极管D2的规格增加对电流iPTAT的值具有减弱效果。参照图3，如电子参考信号生成系统300的电流iPTAT的以下推导中所示，电流iPTAT 的值不随电源电压变化iC2 = (VBE1-VBE2)/R1[6]
权利要求
1.一种装置，包括带隙参考电路，用于生成基本上不随至少所述带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的一个或者多个带隙参考信号；电流镜，耦合到所述带隙参考电路，用于接收和镜像控制信号，其中所述控制信号控制由所述带隙参考电路生成的所述一个或者多个带隙参考信号；以及与绝对温度成比例的参考信号生成器，耦合于所述带隙参考电路与所述电流镜之间， 用于根据所述带隙参考信号中的至少一个来生成一个或者多个与绝对温度成比例的电流， 其中所述一个或者多个与绝对温度成比例的电流基本上不随至少所述带隙参考电路的所述电源电压的直流值的改变而变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电流镜包括用于生成所述控制信号的镜像的 η沟道晶体管，并且所述与绝对温度成比例的参考信号生成器包括用于生成一个或者多个与绝对温度成比例的电流的P沟道晶体管。
3.根据权利要求1所述的装置，其中各与绝对温度成比例的电流基本上不随所述电流镜中的体误差电流变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述带隙参考信号基本上不随所述电源电压的瞬变而变化。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述带隙参考信号包括基本上不随至少所述带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的参考电压。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括运算放大器，耦合于所述带隙参考电路与所述电流镜之间，其中在所述装置的操作期间，所述运算放大器响应所述带隙参考电路中的电压的改变，并且驱动所述电流镜中的电流以维持所述不随电源变化的带隙参考电压。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述运算放大器包括用于分别响应所述带隙参考电路的电压的交流和直流改变的低频主导路径和高频主导路径。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述电流镜包括栅极耦合到所述运算放大器、漏极耦合到所述带隙参考电路并且源极耦合到参考电压的源极跟随器场效应晶体管，其中所述运算放大器驱动所述场效应晶体管的栅极电压以补偿至少所述体误差电流。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述带隙参考信号之一是与绝对温度成比例的电流，并且所述与绝对温度成比例的参考信号生成器生成由所述带隙参考电路生成的所述与绝对温度成比例的电流的副本。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还被配置成生成不随至少所述带隙参考电路中的电源电压的直流值的改变而变化的与绝对温度零相关的电流。
11.根据权利要求10所述的装置，还包括与绝对温度零相关，用于生成所述与绝对温度零相关的电流的至少一个副本，其中所述与绝对温度零相关的电流的所述副本不随至少所述带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述带隙参考电路以所述电源电压为参考。
13.一种方法，包括生成基本上不随至少带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的一个或者多个带隙参考信号；接收控制信号；使用电流镜来镜像所述控制信号，以控制由所述带隙参考电路生成的所述一个或者多个带隙参考信号；并且根据所述带隙参考信号中的至少一个生成一个或者多个与绝对温度成比例的电流，其中所述一个或者多个与绝对温度成比例的电流基本上不随至少所述带隙参考电路的所述电源电压的直流值的改变而变化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中生成基本上不随所述电流镜中的体误差电流变化的一个或者多个与绝对温度成比例的电流。
15.根据权利要求13所述的方法，其中生成所述一个或者多个带隙参考信号还包括生成基本上不随所述电源电压的瞬变而变化的一个或者多个带隙参考信号。
16.根据权利要求13所述的方法，其中生成所述一个或者多个带隙参考信号还包括生成基本上不随至少所述带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的一个或者多个带隙参考信号。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括生成控制信号以响应所述带隙参考电路中的电压的改变，并且驱动所述电流镜中的电流以维持所述一个或者多个带隙参考信号基本上不随至少所述带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化。
18.根据权利要求17所述的方法，其中生成控制信号以响应所述带隙参考电路中的电压的改变还包括使用高频主导路径来生成所述控制信号，以响应所述带隙参考电路的电压的交流电压改变；并且使用低频主导路径来生成所述控制信号，以响应所述带隙参考电路的电压的直流电压改变。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述电流镜包括栅极耦合到所述运算放大器、 漏极耦合到所述带隙参考电路并且源极耦合到参考电压的源极跟随器场效应晶体管，其中所述运算放大器驱动所述场效应晶体管的栅极电压以补偿至少所述体误差电流。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述带隙参考信号之一是与绝对温度成比例的电流，并且根据所述带隙参考信号中的至少一个来生成一个或者多个与绝对温度成比例的电流还包括生成由所述带隙参考电路生成的所述与绝对温度成比例的电流的副本。
21.根据权利要求13所述的方法，还包括生成基本上不随至少所述带隙参考电路的所述电源电压的直流值的改变而变化的与绝对温度零相关的电流。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括生成基本上不随至少所述带隙参考电路的所述电源电压的直流值的改变和体误差电流而变化的与绝对温度零相关的电流。
23.根据权利要求13所述的方法，还包括使所述带隙参考电路以所述电源电压为参考。
24.一种系统，包括带隙参考电路，用于生成基本上不随至少所述带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的一个或者多个带隙参考信号，其中所述带隙参考电路包括第一和第二并行电流路径，每个电流路径包括一个或者多个二极管，并且在所述带隙参考电路的操作期间的总二极管正向电压减少对于所述两个路径而言不同；运算放大器，具有与所述带隙参考电路的所述第一并行电流路径耦合的反相节点和与所述带隙参考电路的所述第二并行电流路径耦合的非反相节点，其中所述运算放大器被配置成生成控制信号以维持经过所述带隙参考电路的所述第一和第二并行电流路径的相等电流；电流镜，耦合到所述带隙参考电路，用于接收和镜像所述控制信号；以及与绝对温度成比例的参考信号生成器，耦合于所述带隙参考电路与所述电流镜之间， 用于根据所述带隙参考信号中的至少一个生成一个或者多个与绝对温度成比例的电流，其中所述一个或者多个与绝对温度成比例的电流基本上不随至少所述带隙参考电路的所述电源电压的直流值的改变而变化。
25.根据权利要求M所述的装置，其中所述装置还被配置成生成不随至少所述带隙参考电路的电源电压的直流值的改变而变化的与绝对温度零相关的电流。
全文摘要
本发明涉及不随电源变化的带隙参考系统。一种电子参考信号生成系统包括不随电源变化的带隙参考系统，该系统生成基本上不受体误差电流影响的一个或者多个带隙参考信号。在至少一个实施例中，带隙参考生成针对直流(DC)电源电压的一个范围而言基本上不变的带隙参考信号。此外，在至少一个实施例中，带隙参考系统在电源电压由于交流(AC)电压而变化时提供基本上不变的带隙参考信号。在至少一个实施例中，带隙参考系统生成基本上不受电源电压的变化影响并且不受体误差电流影响的带隙参考电压VBG、“与绝对温度成比例”(PTAT)的电流(“iPTAT”)和“与绝对温度零相关”(ZTAT)的电流(“iZTAT”)。
文档编号G05F3/16GK102236359SQ201110043989
公开日2011年11月9日 申请日期2011年2月22日 优先权日2010年2月22日
发明者拉里·L·哈里斯, 普拉沙恩斯·德拉克沙帕利, 约翰·L·梅兰松 申请人:塞瑞斯逻辑公司