低功率快速稳定电压基准电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种低功率快速稳定电压基准电路。描述了电压基准电路的实施例。在一个实施例中，电压基准电路包括：启动电路，配置用于产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断；放大器，连接至所述启动电路，并且配置用于响应于所述启动电流利用正电流反馈回路产生放大的电流；以及绝对温度成比例(PTAT)电流发生器，配置用于响应于所述启动电流和所述放大的电流产生与温度无关的基准电压。本发明还描述了其他实施例。
【专利说明】低功率快速稳定电压基准电路
【技术领域】
[0001]半导体装置典型地具有内置电压基准电路以便为半导体装置的各种(miscellaneous)模块提供基准电压。例如，电压基准电路被广泛地用于模拟集成电路(1C)。偶尔，模拟IC甚至使用不止一个电压基准电路来提供多个基准电压。在数字IC中常常要求电压基准电路用于振荡和时钟产生。电压基准电路是现代半导体装置的基本构件，并且所述电压基准电路的性能(诸如功耗和电压精度)可以影响所述半导体装置的整体性倉泛。
【背景技术】
[0002]半导体装置典型地至少按照“待机”模式和“正常功能”模式工作。在所述“待机”模式下工作，所述半导体装置通过关断有源电路组件节省功率。在所述“正常功能”模式下工作，当所述半导体装置利用有源电路组件处理信息时，所述半导体装置呈现增加的功耗。典型应用要求半导体装置从“待机”模式唤醒并且在短时间内发回信息。例如，温度应用可能要求温度感测电路来唤醒，测量所述环境温度，并且快速地发回温度信息，例如在I微秒的数量级。数字电路从所述“待机”模式唤醒的典型步骤包括:启动电压基准电路以使能振荡器，产生用于所述数字电路操作的振荡器时钟信号，使能其他模块以处理信息，并且将所述信息发送至另一器件。所述电压基准电路的启动时间对于半导体装置的响应时间是关键的。为了减小半导体装置的响应时间，所述电压基准电路的启动时间需要最小化。
[0003]除了最小化电压基准电路的启动时间之外，所述电压基准电路的电流消耗也应当保持较低，特别是用于诸如便携式器件的应用。然而，快速启动时间和低电流消耗的目标会彼此冲突，因为相对较大的电流有助于加速所述电压基准电路的电压稳定(settling)。
【发明内容】
[0004]描述了电压基准电路的实施例。在一个实施例中，电压基准电路包括:启动电路，配置用于产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断；放大器，连接至所述启动电路，并且配置用于响应于所述启动电流利用正电流反馈回路产生放大的电流；以及绝对温度成比例(PTAT)电流发生器，配置用于响应于所述启动电流和所述放大的电流产生与温度无关的基准电压。还描述了其他实施例。
[0005]在实施例中，电压基准电路包括启动电路、运算放大器和PTAT电流发生器。所述启动电路配置用于产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断。所述启动电路包括:电流源，配置用于当没有电流流经所述电压基准时产生源电流；电流比较器，配置用于响应于所述源电流产生所述启动电流；以及开关，连接至所述电流比较器。所述电流比较器还配置用于响应于所述启动电流和所述电流阈值之间的比较关断所述开关。所述运算放大器连接至所述启动电路，并且配置用于响应于所述启动电流利用正电流反馈回路产生放大的电流。所述运算放大器包括连接至所述启动电路的差分输入级和连接至所述差分输入级的输出级。所述差分输入级和所述输出级形成了所述正电流反馈回路，其中流经所述差分输入级的电流尖峰造成了电流超过所述尖峰的进一步增加。所述PTAT电流发生器配置用于响应于所述启动电流和所述放大的电流产生与温度无关的基准电压。
[0006]在实施例中，带隙电压基准电路包括启动电路、运算放大器和PTAT电流发生器。所述启动电路配置用于产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断。所述运算放大器连接至所述启动电路，并且配置用于响应于所述启动电流利用正电流反馈回路产生放大的电流。所述运算放大器包括连接至所述启动电路的差分输入级和连接至所述差分输入级的输出级。所述差分输入级和所述输出级形成了所述正电流反馈回路，其中流经所述差分输入级的电流中的尖峰造成了电流超过所述尖峰的进一步增加。所述PTAT电流发生器配置用于响应于所述启动电流和所述放大的电流产生与温度无关的基准电压。
[0007]根据结合附图的作为本发明原理描述的以下详细描述，本发明实施例的其他方面和优势将变得更加清楚明白。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是根据本发明实施例的半导体装置的示意性方框图。
[0009]图2描述了图1中电压基准电路的实施例。
[0010]图3描述了图2所示电压基准电路的实施例。
[0011]图4是图3所示电压基准电路的输入电压和输出基准电压的曲线图。
[0012]图5示出了图3所示电压基准电路的反馈回路。
[0013]图6是图3所示电压基准电路的稳定性响应的曲线图。
[0014]在整个说明书中，类似的参考数字可以用于标识类似的元件。
【具体实施方式】
[0015]容易理解的是，可以以很多不同结构形式安排和设计在此概括描述的以及在附图中阐释的实施例的组件。因此，以下各种实施例的详细描述(如在图中表示的)不旨在限制本公开的范围，而是仅仅代表各种实施例。尽管在附图中介绍了所述实施例的各个方面，除非特别说明，所述附图不一定按比例绘制。
[0016]所述实施例在各方面都被认为只是阐释性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而非这种详细描述表示。在所述权利要求等同的意义和范围内的所有改变都被包含在其范围之内。
[0017]在整个说明书中涉及特征、优势或者类似的语言不意味着利用本发明实现的所有特征和优势应当在或者就在任何单个的实施例中。相反，涉及特征和优势的语言被理解为意味着结合实施例所述的具体特征、优势或者特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明中所述特征和优势的讨论以及类似的语言可以但不一定涉及相同的实施例。
[0018]此外，本发明所述特征、优势和特性可以在一个或者多个实施例中以任何合适的方式组合。相关领域普通技术人员将会认识到，根据在此描述，可以在没有一个或多个具体特征或者特定实施例优势的情况下实践本发明。在其他情况下，可以在某些实施例中认识附加特征和优势，可能不会在本发明的所有实施例中出现。[0019]在整个说明书中涉及“一个实施例”、“实施例”或者类似的语言意味着结合所示实施例描述的具体特征、结构或者特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书中短语“在一个实施例中”、“在实施例中”以及类似的语言可以但不一定全部涉及同一个实施例。
[0020]PNP双极型器件可以用作低成本电压基准电路。PNP双极型器件在不同偏置电流下的结电压可以用于产生与温度无关的基准电压。这种结构也称作带隙电压基准电路，因为其输出电压典型地为1.23V，与价带的数值类似。然而，双极带隙电路的典型启动时间在几百微秒(us)的范围内，不适合具有严格定时要求的应用。
[0021]图1是根据本发明实施例的半导体装置100的示意性方框图。所述半导体装置可以是半导体电路，诸如数字电路。在图1所述的实施例中，所述半导体装置包括电压基准电路102和主电路系统104。可以将所述半导体装置实现在衬底中，诸如半导体晶片或者印刷电路板(PCB)。在实施例中，所述半导体装置封装在半导体IC芯片106中并且包括在计算器件中，诸如智能电话、平板电脑、笔记本电脑等。
[0022]所述半导体装置100的电压基准电路102配置用于为所述主电路系统104产生至少一个基准电压。在一个实施例中，所述半导体装置是电源管理1C，并且所述电压基准电路102给所述电源管理IC的电压调节和电流偏置组件提供基准电压。在另一实施例中，所述半导体装置是数字时钟1C，并且所述电压基准电路102给所述数字时钟IC的振荡和时钟产生组件提供基准电压。尽管在图1中示出了包括一个电压基准电路的半导体装置，在其他实施例中，所述半导体装置可以包括多个电压基准电路，所述多个电压基准电路为所述半导体装置的不同模块产生多于一个的基准电压。
[0023]除了所述基准电压之外，所述电压基准电路102可以基于所述基准电压产生基准电流。在一些实施例中，独立的电流基准电路用于基于所述基准电压产生基准电流。基于所述基准电压和所述基准电流操作的电子电路的性能依赖于所述基准电压和所述基准电流的精度。例如，所述基准电压和所述基准电流可以由振荡器使用，用于振荡信号的产生。在所述振荡器中，所述振荡信号的精度很大程度上依赖于输入到所述振荡器的所述基准电压和所述基准电流的精度。
[0024]所述半导体装置100的主电路系统104包括执行所述半导体装置一个或者多个功能的电路组件。例如，所述主电路系统可以包括电压调节和电流偏置电路组件、振荡和时钟产生电路组件或者执行计时功能的计时(timekeeping)电路组件,诸如产生当前时间值、存储所述当前时间值和其他参数以及与外部实体通信。
[0025]图2描述了图1所描述的电压基准电路102的实施例。在图2所描述的实施例中，电压基准电路202包括启动电路210、放大器212和绝对温度成比例(PTAT)电流发生器214，配置用于产生与温度无关的基准电压。在一个实施例中，所述启动电路210、所述放大器212和所述PTAT电流发生器214连接至电源电压和较低电压，诸如地。所述电压基准电流202可以产生从小于I伏特到几十伏特的基准电压。在实施例中，所述电压基准电路202是产生大约1.23V的带隙电压的带隙电路。
[0026]所述启动电路210配置用于产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断。因为所述启动电路210响应于所述启动电流和所述电流阈值之间的比较而被关断，减小了所述启动电流210的功耗。在图2所描述的实施例中，所述启动电路210包括:电流源216，配置用于当没有电流经过所述电压基准时产生源电流；电流比较器218，配置用于响应于所述源电流产生所述启动电流；以及连接至所述电流比较器218的开关220。所述电流比较器218配置用于响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而关断所述开关220。
[0027]在一个实施例中，所述电流比较器218包括触发晶体管，所述触发晶体管具有连接至所述开关220、所述PTAT电流发生器214的晶体管的栅极端和所述放大器212的晶体管的栅极端的栅极端。因为所述触发晶体管的栅极端连接至所述PTAT电流发生器214的晶体管的栅极端和所述放大器212的晶体管的栅极端，可以通过所述触发晶体管设置所述PTAT电流发生器214和所述放大器212的晶体管的电压，因而强制所述电压基准电路302进入所需工作状态。在这个实施例中，所述开关220可以包括晶体管，所述晶体管的栅极端连接至所述电流比较器218的触发晶体管的源极端或者漏极端。
[0028]在一个实施例中，所述电流源216包括第一组串联连接的晶体管，所述电流比较器218包括第二组串联连接的晶体管，并且所述开关220包括开关式晶体管。在这个实施例中，所述第二组晶体管可以包括触发晶体管和至少一个晶体管，所述至少一个晶体管连接至所述触发晶体管漏极端或者源极端以及所述开关式晶体管栅极端。此外，所述触发晶体管的栅极端可以连接至所述开关式晶体管的漏极端或者源极端、所述PTAT电流发生器214的多个晶体管的栅极端以及所述放大器212的多个晶体管的栅极端。
[0029]所述放大器212连接至所述启动电路210，并且配置用于响应于所述启动电流利用正电流反馈回路产生放大的电流。在图2所描述的实施例中，所述放大器212是正反馈运算放大器(OPAMP)，包括连接至所述启动电路210的差分输入级222和连接至所述差分输入级222的输出级224。所述差分输入级222和所述输出级224形成了所述正电流反馈回路，其中流经所述差分输入级222的电流尖峰造成了超过所述尖峰的电流进一步增加。因为所述放大器212利用正电流反馈回路对所述启动电流进行放大，所述启动电流的放大速度增加，因而减小了所述电压基准电路202的稳定时间。
[0030]在一个实施例中，所述差分输入级222包括晶体管的差分输入对。所述晶体管差分输入对的漏极电流与所述晶体管差分输入对的栅极-源极电压差呈指数相关。在一个实施例中，所述输出级224包括二极管连接的晶体管，并且所述二极管连接的晶体管的漏极端连接(例如直接连接)至所述二极管连接的晶体管的栅极端。在这个实施例中，所述二极管连接的晶体管的栅极端可以连接至所述PTAT电流发生器214的多个晶体管的栅极端和所述差分输入级212的晶体管的栅极端，并且流经所述差分输入级的电流可以是所述差分输入级212晶体管的偏置电流。在这个实施例中，所述PTAT电流发生器214还可以包括多个连接至所述PTAT电流发生器214的晶体管的双极型器件。
[0031]所述电压基准电路202可以以快速的启动/稳定时间和低电流消耗产生与温度无关的基准电压。在所述电压基准电路202的操作示例中，所述启动电路210产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断。因为所述启动电路210响应于所述比较而被关断，所述启动电路210的功耗可以保持较低。响应于所述启动电流，所述放大器212利用正电流反馈回路产生放大的电流。因为所述放大器212利用所述正电流反馈回路对所述启动电流进行放大，所述启动电流的放大速度增加，因而减小了所述电压基准电路202的启动/稳定时间。响应于所述启动电流和所述放大的电流，所述PTAT电流发生器214产生与温度无关的基准电压。
[0032]图3描述了图2所描述的电压基准电路202的实施例。在图3所描述的实施例中，电压基准电路302包括启动电路310、正反馈0PAMP312和PTAT电流发生器314，都连接至正电压“Vdd”和地“GND”。所述电压基准电路302在输出端340处产生基准电压Vref。
[0033]所述启动电路310包括:电流源316，包括PMOS晶体管“MP9”、“MP10”和NMOS晶体管“MN4” ；电流比较器318，包括PMOS晶体管“MP8”和NMOS晶体管“丽5”和“MN6” ；以及用作开关的PMOS晶体管“MP11”。
[0034]在所述启动电路310的操作示例中，由晶体管MP9、MPlO和MN4形成的所述电流源316产生电流。由所述电流源316产生的电流被镜像到所述晶体管丽5、MN6。当所述启动电路310处在没有电流(即没有电流流经晶体管丽5、MN6)的状态时，所述晶体管MP8关断并且没有电流流经所述晶体管MP8。因为没有电流流经所述晶体管MP8，在所述晶体管MPll栅极端的电压被所述晶体管丽5、MN6下拉，这样导通了所述晶体管MP11。在所述晶体管MP11导通之后，所述晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP8的栅极端的电压被所述晶体管MP11下拉，造成电流注入所述双极型晶体管Ql、Q2、Q3和所述0PAMP312，并且强制所述电压基准电路302进入所需工作状态。所述晶体管MP8、MN6、丽5形成所述电流比较器318。当所述晶体管MP8栅极端的电压被所述晶体管MPll下拉至低于其阈值电压的电平时，所述晶体管MP8导通。当流经所述晶体管MP8的电流大于流经所述晶体管丽5、MN6的电流时，所述晶体管MPll栅极端的电压增加，造成所述晶体管MPll切断。在实施例中，所述启动电路310仅消耗大约49纳安(nA)。更具体地，所述电流源316产生大约45nA的电流并且所述电流比较器318消耗大约4nA的电流。
[0035]所述正反馈0PAMP312包括:差分输入级322，包括PMOS晶体管“MP2”、“MP6”、“MP7”和NMOS晶体管“丽I”、“丽2”;以及输出级324，包括PMOS晶体管“MP3”和NMOS晶体管“MN3”。所述晶体管MP3是二极管连接的晶体管，其中所述漏极端和所述栅极端连接在一起以形成二极管连接。在一个实施例中，所述0PAMP312消耗大约0.54ii A的低电流。
[0036]所述0PAMP312用正电流反馈实现了所述基准电压(例如所述带隙电压)的快速稳定时间。在所述正反馈0PAMP312的操作示例中，所述晶体管MP2偏置电流的增加造成所述晶体管MN2栅极端处的电压增加。所述晶体管MN2栅极端处的电压增加导致流经所述晶体管MN3电流的增加。因为流经所述晶体管MP3的电流被镜像到所述晶体管MP2，流经所述晶体管MP2的电流随着流经所述晶体管MN3的电流增加而增加。这样完成了所述正反馈回路，其中流经所述晶体管MP2的电流中的正尖峰造成所述晶体管MP2中电流超过所述尖峰的进一步增加。
[0037]所述差分输入级322的晶体管MP6、MP7形成差分输入对。在图3所描述的实施例中，用低电流对所述差分输入对进行偏置，以使所述正反馈0PAMP312的功耗最小。在实施例中，用90nA的电流对所述差分输入对进行偏置。然而，用低电流对所述差分输入对进行偏置的一个附带的好处是所述0PAMP312的低偏移(low offset)。因为所述晶体管MP6、MP7具有大的宽长(W / L)比并且用低电流进行偏置，所述晶体管MP6、MP7工作在“弱反型”(weak inversion)区域，其中晶体管MP6或MP7的漏极电流“ ID”与所述栅极-源极电压差“Vgs”呈指数关系，所述栅极-源极电压差是所述晶体管栅极端和源极端之间的电压差。在一个实施例中，所述漏极电流Id和所述栅极-源极电压Vgs满足以下表达式:[0038]
【权利要求】
1.一种电压基准电路，包括: 启动电路，配置用于产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断； 放大器，连接至所述启动电路，并且配置用于响应于所述启动电流利用正电流反馈回路产生放大的电流；以及 绝对温度成比例PTAT电流发生器，配置用于响应于所述启动电流和所述放大的电流产生与温度无关的基准电压。
2.根据权利要求1所述的电压基准电路，其中所述放大器包括运算放大器，所述运算放大器包括: 连接至所述启动电路的差分输入级；以及 连接至所述差分输入级的输出级，其中所述差分输入级和所述输出级形成正电流反馈回路，其中流经所述差分输入级的电流尖峰造成了电流超过所述尖峰的进一步增加。
3.根据权利要求2所述的电压基准电路，其中所述输出级包括二极管连接的晶体管，以及其中所述二极管连接的晶体管的漏极端连接至所述二极管连接的晶体管的栅极端。
4.根据权利要求3所述的电压基准电路，其中所述二极管连接的晶体管的栅极端连接至所述PTAT电流发生器的多个晶体管的栅极端以及所述差分输入级的晶体管的栅极端。
5.根据权利要求4所述的电压基准电路，其中流经所述差分输入级的电流是所述差分输入级的晶体管的偏置电流。
6.根据权利要求4所述的电压基准电路，其中所述PTAT电流发生器还包括连接至所述PTAT电流发生器的多个晶体管的多个双极型器件。
7.根据权利要求3所述的电压基准电路，其中所述二极管连接的晶体管的漏极端直接连接至所述二极管连接的晶体管的栅极端。
8.根据权利要求2所述的电压基准电路，其中所述差分输入级包括晶体管的差分输入对，以及其中所述晶体管的差分输入对的漏极电流与所述晶体管的差分输入对的栅极-源极电压差呈指数关系。
9.根据权利要求1所述的电压基准电路，其中所述启动电路包括: 电流源，配置用于当没有电流流经所述电压基准时产生源电流； 电流比较器，配置用于响应于所述源电流产生所述启动电流；以及 连接至所述电流比较器的开关，其中所述电流比较器还配置用于响应于所述启动电流和所述电流阈值之间的比较来关断所述开关。
10.根据权利要求9所述的电压基准电路，其中所述电流比较器包括触发晶体管，所述触发晶体管的栅极端连接至所述开关、所述PTAT电流发生器的多个晶体管的栅极端以及所述放大器的多个晶体管的栅极端。
11.根据权利要求10所述的电压基准电路，其中所述开关包括晶体管，所述晶体管的栅极端连接至所述电流比较器的触发晶体管的源极端或者漏极端。
12.根据权利要求9所述的电压基准电路，其中所述电流源包括第一组串联连接的晶体管，其中所述电流比较器包括第二组串联连接的晶体管，以及其中所述开关包括开关式晶体管。
13.根据权利要求1 2所述的电压基准电路，其中所述第二组晶体管包括触发晶体管和连接至所述触发晶体管的漏极端或者源极端以及所述开关式晶体管的栅极端的至少一个晶体管，其中所述触发晶体管的栅极端连接至所述开关式晶体管的漏极端或者源极端、所述PTAT电流发生器的多个晶体管的栅极端以及所述放大器的多个晶体管的栅极端。
14.根据权利要求1所述的电压基准电路，其中所述电压基准电路是带隙电路。
15.一种电压基准电路，包括: 启动电路，配置用于产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断，其中所述启动电路包括: 电流源，配置用于当没有电流流经所述电压基准时产生源电流； 电流比较器，配置用于响应于所述源电流产生所述启动电流； 以及 连接至所述电流比较器的开关，其中所述电流比较器还配置用于响应于所述启动电流和所述电流阈值之间的比较来关断所述开关； 运算放大器，连接至所述启动电路，并且配置用于响应于所述启动电流利用正电流反馈回路产生放大的电流，其中所述运算放大器包括: 连接至所述启动电路的差分输入级；以及 连接至所述差分输入级的输出级，其中所述差分输入级和所述输出级形成正电流反馈回路，其中流经所述差分输入级的电流尖峰造成了电流超过所述尖峰的进一步增加；以及绝对温度成比例PTAT电流发生器，配置用于响应于所述启动电流和所述放大的电流产生与温度无关的基准电压。
16.根据权利要求15所述的电压基准电路，其中所述输出级包括二极管连接的晶体管，以及其中所述二极管连接的晶体管的漏极端直接连接至所述二极管连接的晶体管的栅极端。
17.根据权利要求16所述的电压基准电路，其中所述电流比较器包括触发晶体管，所述触发晶体管的栅极端连接至所述开关、所述PTAT电流发生器的多个晶体管的栅极端以及所述运算放大器的多个晶体管的栅极端。
18.一种带隙电压基准电路，包括: 启动电路，配置用于产生启动电流，并且响应于所述启动电流和电流阈值之间的比较而被关断； 运算放大器，连接至所述启动电路，并且配置用于响应于所述启动电流利用正电流反馈回路产生放大的电流，其中所述运算放大器包括: 连接至所述启动电路的差分输入级；以及 连接至所述差分输入级的输出级，其中所述差分输入级和所述输出级形成正电流反馈回路，其中流经所述差分输入级的电流尖峰造成了电流超过所述尖峰的进一步增加；以及绝对温度成比例PTAT电流发生器，配置用于响应于所述启动电流和所述放大的电流产生与温度无关的基准电压。
19.根据权利要求18所述的带隙电压基准电路，其中所述输出级包括二极管连接的晶体管，其中所述二极管连接的晶体管的漏极端直接连接至所述二极管连接的晶体管的栅极端，其中所述二极管连接的晶体管的栅极端连接至所述PTAT电流发生器的多个晶体管的栅极端和所述差分输入级的晶体管的栅极端，以及其中所述启动电路包括:电流源，配置用于当没有电流流经所述电压基准时产生源电流； 电流比较器，配置用于响应于所述源电流产生所述启动电流； 以及 连接至所述电流比较器的开关，其中所述电流比较器还配置用于响应于所述启动电流和所述电流阈值之间的比较关断所述开关。
20.根据权利要求19所述带隙电压基准电路，其中所述电流比较器包括触发晶体管，所述触发晶体管的栅极端连接至所述开关、所述PTAT电流发生器的多个晶体管的栅极端以及所述运算放大器的多个晶 体管的栅极端。
【文档编号】G05F1/56GK103677044SQ201310412151
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2012年9月14日
【发明者】张俊谋 申请人:Nxp股份有限公司