包括带隙参考电路的电路的制作方法

本揭露涉及一种包括带隙参考电路的电路。

背景技术：

参考电压用于在存储器、模拟以及混合模式到数字电路范围内的许多应用。使用带隙参考(bandgapreference；bgr)电路来产生这种参考电压。随着电池操作便携式应用的传播，对于低功率和低电压操作的需求正在增加。常规bgr的参考电压是1.25伏，这与硅的带隙的电压几乎相同。此1.25伏的固定输出电压限制bgr电路的低电压操作。

技术实现要素：

根据本揭露的实施例，电路包括带隙参考电路以及电流分流路径。所述带隙参考电路包括第一节点、第二节点以及第三节点。第一电阻元件连接在所述第二节点与所述第三节点之间。所述带隙参考电路操作以提供作为输出的参考电压。所述电流分流路径连接在所述第一节点与所述第三节点之间。所述电流分流路径可操作以调节所述第一电阻元件两端的电压降。

附图说明

结合附图阅读以下具体实施方式会最好地理解本揭露的方面。应注意，根据行业中的标准惯例，各种特征未按比例绘制。实际上，为了论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。

图1示出根据一些实施例的带隙参考电路。

图2示出根据一些实施例的带隙参考电路的分流路径。

图3示出根据一些实施例的带隙参考电路的晶体管的偏置电压的曲线图。

图4示出根据一些实施例的用于提供参考电压的方法的流程图。

附图标号说明

100：带隙参考电路；

102、m1：第一电流源；

104、m2：第二电流源；

106、m3：第三电流源；

108：第一比较器；

110、r1：第一电阻器；

112、r3：第三电阻器；

114、r2：第二电阻器；

116、r4：第四电阻器；

118、q1：第一晶体管；

120、q2：第二晶体管；

122：电流分流路径；

124：第一节点；

126：第二节点；

128：第三节点：

130：第四节点；

132：第五节点；

202、m4：第四电流源；

204、m5：第五电流源；

206：第二比较器；

208、r5：第五电阻器；

210：第六节点；

212：第七节点；

400：方法；

405、410、415、420、425、430、435：操作；

ia1：第一分流电流；

ia2：第二分流电流；

im1：第一电流；

im2：第二电流；

im3：第三电流；

im4：第四电流；

im5：第五电流；

iq1：第一偏置电流；

iq2：第二偏置电流；

ir1、ir2、ir3：电流；

va：第一节点的电势；

vb：第二节点的电势；

vc：第五节点的电势；

vd：第七节点的电势；

vout：输出电压；

ahvdd、ahvss：总线电势。

具体实施方式

以下公开提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的具体实例来简化本揭露。当然，这些只是实例且并不意欲为限制性的。举例来说，在以下描述中，第一特征在第二特征上方或第二特征上的形成可包括第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，且还可包括可在第一特征与第二特征之间形成额外特征以使得第一特征与第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本揭露可在各种实例中重复附图标号和/或字母。此重复是出于简化和清楚的目的，且本身并不规定所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。

传统的带隙参考(bgr)电路使用双极性晶体管(bipolarjunctiontransistors；bjt)的阵列以及电流镜来提供所需参考电压。由于bjt的电压降在0.7伏到0.8伏之间，所以这种基于传统bjt的bgr电路不在1.0伏下被操作。因此，一些传统bgr电路使用电阻器来形成温度无关电流以提供低于1.0伏的参考电压。这种传统bgr电路也被称为电流模式bgr电路。然而，为了符合低电压规范，电阻器的阻抗值较高(即，大于200兆欧(megaohms))。这种高电阻值的电阻器在芯片上占据较大面积。另外，电流模式bgr电路的电流镜靠近于其亚阈值区(sub-thresholdregion)操作，这降低电流镜的性能。

实现低于1.0伏的参考电压的另一传统方法包括开关电容器网络(switchedcapacitornetwork；scn)电路。然而，scn电路需要额外时钟来操作电路的电容器且参考电压上存在电压波纹(ripple)(所述电压波纹随负载电流变化)。

根据本揭露的实施例，公开一种带隙参考(bgr)电路。本文中所公开的bgr电路包括第一多个电流源、多个晶体管、多个电阻元件、第一比较器以及电流分流路径。电流分流路径包括第二多个电流源、第二比较器以及电阻元件。电流分流路径可操作以调节流经多个晶体管中的至少一个的电流的量。因此，所公开的bgr电路的晶体管在1.0纳安的偏置电流之下被操作。此外，所公开bgr电路提供小于0.7伏的参考电压输出。另外，电流分流路径使得所公开bgr电路的电流源能够在饱和区处操作以提供良好失配(mismatch)性能。

图1示出根据一些实施例的bgr电路100的实例电路图。如图1中所绘示，bgr电路100包括第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106。第一电流源m1102可操作以提供第一电流im1，第二电流源m2104可操作以提供第二电流im2，且第三电流源m3106可操作以提供第三电流im3。第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106是匹配电流源或实质上相同的电流源。也就是说，第一电流im1大致等于第二电流im2，所述第二电流大致等于第三电流im3。即：

im1＝im2＝im3…….(1)

在实例实施例中，第一电流im1和第二电流im2的温度系数几乎为零。在实例实施例中，第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106是p型金属氧化物(p-typemetaloxide；pmos)晶体管。pmos晶体管的实例可包括金属氧化物半导体场效晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor；mosfet)。然而，在阅读描述之后，对本领域一般技术人员显而易见的是，pmos晶体管在本质上是示例性的，且可将例如双极性晶体管(bjt)、场效晶体管(fieldeffecttransistors；fet)、扩散晶体管等的其它类型的晶体管用于第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106。

如图1中所示出，bgr电路100进一步包括第一晶体管q1118和第二晶体管q2120。在实例实施例中，第一晶体管q1118和第二晶体管q2120是双极性晶体管(bjt)。在其它实施例中，第一晶体管q1118和第二晶体管q2120是二极管。然而，在阅读本揭露之后，对本领域一般技术人员显而易见的是，bjt和二极管在本质上是示例性的，且可将其它类型的晶体管用于bgr电路100。另外，bgr电路100包括第一电阻器r1110、第二电阻器r2114、第三电阻器r3112以及第四电阻器r4116。在实例实施例中，第一电阻器r1110的电阻值(也被称为阻抗值)等于第二电阻器r2116。即：

r1＝r2…….(2)

如图1中所示出，第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106中的每一个的第一端各自连接到总线电势ahvdd。第一电流源m1102的第二端连接到第一晶体管q1118的第一端。第一电流源m1102的第二端在第一节点124处连接到第一晶体管q1118的第一端。第一电阻器r1110的第一端也连接到第一节点124。第一晶体管q1118的第二端、第一晶体管q1118的基极以及第一电阻器r1110的第二端连接到接地。在实例实施例中，第一节点124的电压或电势被称为va。

第二电流源m2104的第二端连接到第三电阻器r3112的第一端。在实例实施例中，第二电流源m2104的第二端在第二节点126处连接到第三电阻器r3112的第一端。第二电阻器r2114的第一端也连接到第二节点126。第二节点126的电压或电势是vb。

第二电阻器r2114的第二端连接到接地。第三电阻器r3112的第二端连接到第二晶体管q2120的第一端。举例来说，第三电阻器r3112的第二端在第三节点128处连接到第二晶体管q2120的第一端。第二晶体管q2120的第二端连接到接地。另外，第二晶体管q2120的基极连接到接地。在实例实施例中，第二节点126与第三节点128之间的电压差被称为dvbe。第三电流源m3106的第二端在第四节点130处连接到第四电阻器r4116的第一端。第四节点130的电压或电势是bgr电路100的输出电压vout(也被称为参考电压或vref)。第四电阻器r4116的第二端连接到接地。

bgr电路100进一步包括第一比较器108。在实例实施例中，比较器108包括两个输入和一个输出。如图1中所示出，第一比较器108的第一输入连接到第一节点124且第一比较器108的第二输入连接到第二节点126。第一比较器108的输出连接到第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106中的每一个的栅极。

在实例实施例中，第一比较器108可操作以比较第一节点124与第二节点126的电势(即，电势va和电势vb)，且控制第一电流源m1102和第二电流源m2104的输出以使得第一节点124处的电势大致等于第二节点126处的电势。即：

va＝vb…….(3)

第一比较器108的输出也连接到第三电流源m3106的栅极。因此，根据实施例，第一比较器108可操作以控制第一电流im1、第二电流im2以及第三电流im3中的每一个。在一些实施例中，第一比较器108在负反馈模式下被连接。在实例实施例中，第一比较器108是放大器，例如运算放大器(operationalamplifier；opamp)。然而，在阅读描述之后，对本领域一般技术人员显而易见的是，opamp在本质上是示例性的，且可使用其它类型的比较器。

如图1中所绘示，bgr电路100进一步包括电流分流路径122。电流分流路径122的第一端连接到第五节点132且电流分流路径122的第二端连接到第三节点128。第五节点132连接到第一节点124。在实例、实施例中，电流分流路径122可操作以调节流经bgr电路100的晶体管的电流的量。举例来说，电流分流路径122可操作以调节流经第一晶体管q1118和第二晶体管q2120的电流的量。通过为流经第一晶体管q1118和第二晶体管q2120的电流提供分流路径且调节定位在分流路径上的电阻元件的电阻值来调节电流的量。举例来说，电流分流路径122可操作以在第五节点132处吸取第一分流电流ia1且在第三节点128处吸取第二分流电流ia2。在实例实施例中，第一分流电流ia1大致等于第二分流电流ia2。即：

ia1＝ia2…….(4)

在实例实施例中，将流经第一电阻器r1110、第二电阻器r2114以及第三电阻器r3112的电流分别提供为电流ir1、电流ir2以及电流ir3。此外，将流经第一晶体管q1118和第二晶体管q2120的电流分别提供为电流iq1和电流iq2。在实例实施例中，由于电势va大致等于电势vb(公式(3))且第一电阻器r1110的电阻值大致等于第二电阻器r2114的电阻值(公式(2))，所以流经第一电阻器r1110的电流大致等于流经第二电阻器r2114的电流。即：

ir1＝ir2…….(5)

在实例实施例中且如公式(4)中所提供，第一分流电流ia1实质上等于第二分流电流ia2。因此，将流经第二电阻器r2114和第三电阻器r3112的电流(即，电流ir2和电流ir3)确定为：

其中vbe是第二节点126处的电势且dvbe是第二节点126与第三节点128之间的电势差。另外，将bgr电路100的输出电压vout确定为：

如公式(7)中所示出，通过调整第二节点126的电势(即vbe)和第二节点126与第三节点128之间的电势差(即dvbe)来调整bgr电路100的输出电压。

在实例实施例中，通过调整电流ir3和电流iq2来调整第二节点126的电势和第二节点126与第三节点128之间的电势差。举例来说，可通过增大或减小电流ir3来增大或减小第二节点126与第三节点128之间的电势差。在实例实施例中，电流分流路径122可操作以调整电流ir3和电流iq2。在一些实例中，电流iq1和电流iq2被称为第一偏置电流iq1和第二偏置电流iq2。

图2示出电流分流路径122的电路图。如图2中所绘示，电流分流路径122包括第四电流源m4202、第五电流源m5204、第二比较器206以及第五电阻器r5208。第四电流源m4202和第五电流源m5204是pmos晶体管，例如mosfet。第二比较器206是放大器，例如opamp。在阅读描述之后，对本领域一般技术人员显而易见的是，pmos晶体管在本质上是示例性的，且可将例如双极性晶体管(bjt)、场效晶体管(fet)、扩散晶体管等的其它类型的晶体管用于实施第四电流源m4202和第五电流源m5204。类似地，在阅读描述之后，对本领域一般技术人员显而易见的是，opamp在本质上是示例性的，且可使用其它类型的比较器。

第五电阻器r5208的第一端连接到第五节点132。第五电阻器r5208的第二端连接到第二比较器206的第一输入。如图2中所绘示，第五电阻器r5208的第二端在第六节点210处连接到第二比较器206的第一输入。第五电流源m5204的第一端连接到第五节点210。第五节点210的电势被称为vc。

第四电流源m4202的第一端连接到第二比较器206的第二端。在实例实施例中，第四电流源m4202的第一端在第七节点212处连接到第二比较器206的第二端。第七节点212的电势被称为vd。第七节点212连接到第三节点128。

电流分流路径122的第二比较器206包括两个输入和一个输出。第二比较器206的输出连接到第四电流源m4202和第五电流源m5204两者的栅极。在实例实施例中，第二比较器206可操作以保持第一输入处和第二输入处的电压实质上相等。举例来说，第二比较器206可操作以持续比较电压vc与电压vd。基于所述比较，第二比较器206配置成控制电流im4和电流im5的量以使得电压vc和电压vd实质上相等。即：

vc＝vd…….(8)

在实例实施例中，第四电流源m4202和第五电流源m5204可操作以分别提供第四电流im4和第五电流im5。在实例实施例中，第四电流源m4202和第五电流源m5204是可操作以提供实质上相同的量的电流的镜像或匹配电流源。因此，第四电流im4大致等于第五电流im5。即：

im4＝im5…….(9)

在实例实施例中，将bgr电路100的电流ir3确定为：

如由公式(10)所示出，可通过调整电流iq2或第五电阻器r5208的电阻值来调整电流ir3。将电流iq2确定为：

如公式(11)中所绘示，bgr电路100的第二晶体管q2120的偏置电流iq2取决于第五电阻器r5208和第三电阻器r3112的电阻值。因此，根据实施例，可通过增大或减小第五电阻器r5208的电阻值来增大或减小偏置电流iq2。因此，第二晶体管q2120可配置成在1.0纳安的偏置电流范围之下被操作以具有小于0.7伏的电压降。另外，每个第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106使用电流分流路径122在饱和区处操作以提供更好的性能。举例来说，第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106中的每一个在大致0.2微安的电流范围下被操作。

在实例实施例中且如上文所论述，电流分流路径122包括负反馈中的第二比较器206和低电阻值的第五电阻器r5208来减小流入第二晶体管q2120的第二偏置电流iq2。另外，电流分流路径122减小第一电阻器r1110、第二电阻器r2114以及第三电阻器r3112的电阻值。

在实例实施例中，在选择第一电阻器r1110、第二电阻器r2114以及第三电阻器r3112的电阻值和第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106的电阻值之后，可选择第五电阻器r5208的电阻值来确定分流电流且保持输出电压vout，所述输出电压的温度相关性不明显地(negligently)变小。图3示出在-40℃与125℃温度范围内的bgr电路100的输出电压vout的图形表示。如图3中所示出，bgr电路100的输出电压vout在-40℃与125℃温度范围上相对稳定且不存在波纹效应。

图4示出用于提供参考电压的方法的步骤。在方法400的操作405处，提供可操作以产生第一电流的第一电流源。举例来说，提供第一电流源m1102来产生第一电流im1。在实例实施例中，使所产生的第一电流im1吸取到晶体管。举例来说，使第一电流im1吸取到第一晶体管q1118，所述第一晶体管在第一节点124处连接到第一电流源m1102。另外，第一电阻元件r1110连接到第一节点124。

在方法400的操作410处，提供可操作以产生第二电流的第二电流源。经由电阻元件使所产生的第二电流吸取到另一晶体管。举例来说，提供可操作以产生第二电流im2的第二电流源m2104。经由第三电阻器r3112使第二电流im2吸取到第二晶体管q2120，所述第三电阻器在第二节点126处连接到第二电流源m2104。第三电阻器r3112在第三节点128处连接到第二晶体管q2120。

在方法400的操作415处，提供可操作以产生第三电流的第三电流源。使所产生的第三电流被吸取到电阻元件。举例来说，提供可操作以产生第三电流im3的第三电流源m3106。使第三电流im3被吸取到第四电阻器r4116。第四电阻器r4116在第四节点130处连接到第三电流源m3106。

在方法400的操作420处，提供可操作以使第一节点与第二节点的电势均衡的第一比较器。举例来说，第一比较器108可操作以持续比较第一节点124与第二节点126的电势。接着，第一比较器108可操作以更改第一电流im1或第二电流im2，以使得第一节点124的电势大致等于第二节点126的电势。

在方法400的操作425处，经由电流分流路径在第一节点处吸取第一分流电流。举例来说，电流分流路径122可操作以在第一节点124处吸取第一分流电流ia1。在方法400的操作430处，经由电流分流路径在第三节点处吸取第二分流电流。举例来说，电流分流路径122可操作以在第三节点128处吸取第二分流电流ia2。

在方法400的操作435处，通过调节第一分流电流和第二分流电流中的至少一个来调节第二晶体管的偏置电流。举例来说，通过在第一节点124与第三节点128之间提供电流分流路径122由此减小偏置电流iq2，来调节第二晶体管q2120的偏置电流iq2。在第四节点130处提供参考电压。

在实例实施例中，与传统电流模式bgr电路相比，bgr电路100的电阻器(即，第一电阻器r1110、第二电阻器r2114以及第三电阻器112)的电阻值归因于电流分流路径122而更小。另外，bgr电路100的电流镜(即，第一电流源m1102、第二电流源m2104以及第三电流源m3106)在饱和范围内操作且符合变化规范。此外，不同于开关电容器网络(scn)电路，bgr电路100不要求额外时钟且不展现输出电压中的电压波纹。因此，bgr电路100不要求输出电容器来使输出电压稳定。

根据实施例，一种包括带隙参考(bgr)电路的电路包括：第一节点、第二节点以及第三节点，第一电阻元件连接在第二节点与第三节点之间，且bgr电路操作以提供作为输出的参考电压；以及电流分流路径，连接在第一节点与第三节点之间，电流分流路径可操作以调节第一电阻元件两端的电压降。

在一些实施例中，所述带隙参考电路进一步包括第一多个电流源、第一晶体管、第二晶体管以及第一比较器，其中所述第一晶体管连接在所述第一节点与接地之间，其中所述第二晶体管连接在所述第三节点与所述接地之间，且其中所述第一比较器操作以通过控制所述第一多个电流源的电流的量来使所述第一节点与所述第二节点的电势大致均衡。

在一些实施例中，所述电流分流路径包括第二比较器以及第二电阻元件，其中所述第二电阻元件的第一端连接到所述第一节点，以及所述第二电阻元件的第二端连接到所述第二比较器的第一输入。

在一些实施例中，所述电流分流路径进一步包括第二多个电流源，其中所述第二比较器的输出连接到所述第二多个电流源的栅极。

在一些实施例中，所述第二比较器包括负反馈运算放大器。

在一些实施例中，所述电流分流路径可操作以在所述第一节点处吸取第一分流电流以及在所述第三节点处吸取第二分流电流。

在一些实施例中，所述第一分流电流等于所述第二分流电流。

在一些实施例中，所述电流分流路径可操作以通过调节所述第二晶体管的偏置电流来调节所述电压降。

在一些实施例中，基于所述第一电阻元件以及所述第二电阻元件的电阻值来判定所述第二晶体管的所述偏置电流。

在一些实施例中，所述第一比较器的输出连接到所述第一多个电流源的栅极。

根据实施例，一种电路包括：带隙参考(bgr)电路，包括第一节点、第二节点、第三节点以及第四节点。bgr电路可操作以：使第一节点与第二节点之间的电势差大致均衡且在第四节点处提供预定参考电压。bgr电路进一步包括：电流分流路径，可操作以调节bgr电路的第一晶体管的偏置电流的量，第一晶体管操作以在第三节点处吸取偏置电流，且第三节点连接到第二节点。

在一些实施例中，通过调节连接在第三节点与第二节点之间的第一电阻元件的电阻值来调节偏置电流的量。

在一些实施例中，通过调节电流分流路径的第一电阻元件以及第二电阻元件的电阻值来调节偏置电流的量。

在一些实施例中，电流分流路径可操作以通过吸取第三节点处的第一分流电流来调节偏置电流的量。

在一些实施例中，电流分流路径可操作以通过在第三节点处吸取第一分流电流以及在第一节点处吸取第二分流电流来调节偏置电流的量，其中第一分流电流大致等于第二分流电流。

在一些实施例中，带隙参考电路进一步包括第一电流源、第二电流源、第三电流源，且其中带隙参考电路可操作以通过调节第一电流源的第一电流、第二电流源的第二电流以及第三电流源的第三电流来使第一节点与第二节点之间的电势差大致均衡，第一电流源操作以在第一节点处吸取第一电流，第二电流源操作以在第二节点处吸取第二电流，第三电流源操作以在第四节点处吸取第三电流。

在一些实施例中，电流分流路径包括第四电流源以及第五电流源，且其中第四电流源以及第五电流源是匹配电流源。

根据实施例，公开一种用于提供参考电压的方法。所述方法包括：提供包括第一节点、第二节点、第三节点以及第四节点的带隙参考(bgr)电路，bgr电路可操作以在第四节点处提供参考电压输出；经由电流分流路径在第一节点处注入第一分流电流；经由电流分流路径在第三节点处注入第二分流电流；以及通过调节以下中的至少一个来调节bgr电路的晶体管的偏置电流：第一分流电流和第二分流电流。

在一些实施例中，第一分流电流等于第二分流电流。

在一些实施例中，调节晶体管的偏置电流包括调节以下中的至少一个的电阻值：连接在第二节点与第三节点之间的第一电阻元件，以及电流分流路径的第二电阻元件。

前文概述若干实施例的特征以使本领域的普通技术人员可更好地理解本揭露的各方面。本领域的普通技术人员应理解，其可以易于使用本揭露作为设计或修改用于进行本文中所引入的实施例的相同目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构的基础。本领域的普通技术人员还应认识到，这种等效构造并不脱离本揭露的精神和范围，且本领域的普通技术人员可在不脱离本揭露的精神和范围的情况下在本文中进行各种改变、替代以及更改。