專利名稱：電壓和電流基準電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電壓和電流基準電路，具體涉及具有低溫度系數的電壓和電流基準電路。
在許多電路設計中，既需要電壓基準，又需要電流基準。電壓基準在不同電路工作條件下提供一個固定電壓。同樣地，電流基準在不同電路工作條件下提供一個固定電流。尤其是，電壓和電流基準不受供電電壓、負載和溫度變化的影響。
本領域技術人員周知的一種類型的電壓基準為帶隙電壓基準。一種帶隙電壓基準近似地提供出硅的帶隙電壓(1.2605伏)作為基準電壓。帶隙電壓基準設計成在電路工作的溫度范圍內具有零溫度系數。一般說來，帶隙電壓基準在寬的溫度范圍內可提供出穩定電壓，不受供電電壓變化的影響，還可以容易地設計得適合于不同負載的要求。
如果能作出電壓基準和電流基準相結合的基準電路，使元件數量最少(從而減小體積)，易于制造，并在寬的溫度范圍上具有低溫度系數，將是很有益處。


圖1是按照本發明的電壓和電流基準電路的電原理圖；及圖2是表示圖1所示電壓和電流基準電路的溫度特性曲線圖。
總的來說，大多數集成電路設計中通常應用有二個電路塊，它們為電壓基準和電流基準。電壓基準提供具有低溫度系數(TC)的穩定電壓，并對供電電源的變化不敏感。基準電壓通常用以作為與其它電壓相比較的一個基點，所述的其它電壓是由一個電路感測或產生的。類似地，電流基準提供具有低溫度系數(TC)的穩定電流，對供電電壓的變化不敏感。基準電流通常是一個鏡像電流，用于集成電路中的偏置電路。
電壓基準電路或電流基準電路設計須考慮的一個因素是其電路所需的尺寸或芯片(die)面積。通常，電壓基準電路或電流基準電路附屬于集成電路的主電路設計。減小電壓或電流基準電路所需的面積，有助于使芯片尺寸最小化或增加留給主電路設計所用的面積。
在大多數電壓基準設計方面，它們不會固有地產生低TC的電流。類似地，電流基準通常也不產生低TC的電壓。因此，電壓和電流基準電路通常并不結合在一起，而是設計為兩個效率不高的、分離的電路。如果以某種方式將電壓基準和電流基準結合為單個電路，則通過消除建立分離的基準電路所需的冗余電路，而會減少面積。圖1是電壓和電流基準電路110的原理圖，該電路使面積最小化，并具有低的溫度系數。
用以產生電壓和電流基準的方法包括形成一個電壓基準電路，以提供一個基準電壓；再從該電壓基準電路提供一個第一電流。從電壓基準電路來的第一電流具有已知的溫度系數(TC)。將該基準電壓施加到一個電阻上，來產生一個第二電流。據此，由該電阻確定因溫度引起的第二電流的變化。選擇電阻值和電流，來補償第一電流的TC。換句話說，通過第二電流的變化以補償由于溫度引起的第一電流的電流變化。第一電流的電流量值大于第二電流。從第一電流減去第二電流，使第一電流余下的電流為基準電流。由于第二電流的溫度依隨性抵消了第一電流的溫度依隨性而使第一電流的剩余電流具有低的溫度系數。
電壓和電流基準電路110包括晶體管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9和T10；電阻R1、R2、R3和R4；以及電容C1。晶體管T1、T2、T3、T4和T5為雙極型NPN晶體管，其集電極、基極和發射極分別對應于第一電極、控制電極和第二電極。晶體管T6、T7、T8、T9和T10為增強型金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)，其漏極、柵極和源極分別對應于第一電極、控制電極和第二電極。晶體管T6、T7和T8為P溝道增強型MOSFET，晶體管T9和T10為N溝道增強型MOSFET。
電壓基準120為電壓和電流基準110產生一個基準電壓。電壓和電流基準110的一個實施例中采用一個帶隙電壓基準。該帶隙電壓基準包括晶體管T1、T2、T3、T4、T6、T7和T8；以及電阻R1、R2和R3。帶隙電壓基準是本領域技術人員周知的，它提供具有低溫度系數的基準電壓。例如，在Paul R.Gray和Robert B.Meyer的“模擬集成電路的分析與設計”(由John wiley和Sons出版，1984年第2版，第289～296頁)一書中描述了帶隙基準，這里引作參考。
基本的帶隙單元由晶體管T1、T2和T4以及電阻R1、R2和R3組成。晶體管T2的集電極和基極共同接至節點12，而發射極接至供電端(例如地)。晶體管T2有一個對應于器件發射區的導電區A。晶體管T4的集電極接至節點15，基極接至節點13，而發射極與地相連接。晶體管T4在節點13上建立一個近似與節點12電壓相同的電壓。由晶體管T7給晶體管T4提供的偏置電流等于晶體管T1和T2偏置電流的和。帶隙電壓由晶體管T4和電阻R1產生。電阻R2具有第一端和接地的第二端。晶體管T1的集電極接至節點13，基極接至節點12，發射極接至電阻R2的第一端。晶體管T1具有對應于器件發射區的導電區(NA)，并且該導電區比晶體管T2導電區大N倍。電阻R1的第一端接至節點14，第二端接至節點13。電阻R3的另一端接至節點14，第二端接至節點12。
帶隙單元在節點14上產生一個對應于硅的帶隙電壓(近似為1.2605伏)的電壓。在帶隙單元中，基極一發射極結電壓的負溫度系數(TC)由電阻的正溫度系數(TC)抵消。溫度依隨性的抵消在由元件值確定的一個溫度上發生。當相同的電流流過晶體管T1和T2時，所組成的單元便是穩定的。電路須配置得可使晶體管T1和T2間的面積比、電阻R2的電阻值和T4的基極一發射極結電壓能確定溫度依隨性抵消時的溫度。通常，溫度依隨性抵消時的溫度須選擇得居于帶隙單元所在集成電路的工作溫度范圍的中心位置上。
晶體管T3、T6和T7形成偏置網絡和反饋環路，以驅動帶隙單元到所述的穩定條件。啟動電路(未示出)用于建立所希望的穩定工作點。在一個實施例中，在使電壓和電流基準電路110驅動到所希望的穩定工作點時，電流源瞬時地給節點15提供一個電流。晶體管T3是基本帶隙單元的低阻抗的驅動級。晶體管T3的集電極接至節點16、基極接至節點15，發射極接至節點14。晶體管T6和T7是電流鏡級。晶體管T6的漏極、柵極共同接至節點16，源極接至電源供電端(例如VDD)。晶體管T7鏡像反映晶體管T6的電流。晶體管T7的漏極接至節點15，柵極接至節點16，源極接至VDD。電流鏡級用MOSFET實現，但也能夠用雙極型晶體管等效地實現。晶體管T7的導電區等于晶體管T6的導電區，以提供I(T7)＝I(T3)＝2*I(R2)的電流。晶體管T4的基極電流為晶體管T1和T2電流的二倍，以補償帶隙單元中晶體管T1和T2的基極電流。
晶體管T8鏡像反映晶體管T6的電流，并提供具有已知溫度系數的電流I(T8)。偏置晶體管T6的電流I(T3)對應于通過帶隙單元中R2的電流I(R2)。尤其是，電流I(T8)像電流I(R2)一樣地隨溫度變化。晶體管T8的漏極接至節點17，柵極接至節點16，源極接至VDD。
電壓跟隨器130在輸出點VREF上提供出由帶隙單元產生基準電壓。輸出點VREF上電壓對應于節點14上的電壓。電壓跟隨器130包括晶體管T5。晶體管T5供給電流I(T5)，其量值由電阻R4確定。晶體管T5的集電極接至節點17，基極接至節點15，發射極接至輸出點VREF。電阻R4和第一端接至輸出點VREF，第二端與地相連接。
電容C1為電壓和電流基準電路的一個補償電容，用于防止振蕩。電容C1提供閉環穩定性。電容C1接在節點13和15之間。電容C1在節點15上形成一個支配的極點，在標準集成電路處理中，其電容值通常為5～10皮法(pF)。
電流I(T8)大于電流I(T5)，從而產生一個差值電流，饋送至電流鏡電路140。電流鏡電路140包括晶體管T9和T10。晶體管T9的漏極和柵極共同接至節點17，而源極與地相連接。晶體管T10的漏極接至輸出端IREF1，柵極接至節點17，而源極與地相連接。晶體管T10輸出電流IOUT，它對應于饋送至晶體管T9的差值電流。在電壓和電流基準11的實施例中，晶體管T3和T5具有相等的導電區，晶體管T6、T7和T8具有相等的導電區，晶體管T9和T10具有相等的導電區。
下文描述電壓和電流基準電路110的工作。電壓和電流基準電路110提供出具有低溫度系數(TC)的電流和電壓。具有帶隙單元的電壓基準用于產生低溫度系數的基準電壓。產生出與基本帶隙單元來的電流相對應的第一電流。該電流具有基于帶隙單元特性的已知的TC。第二電流從基準電壓中產生。該第二電流具有的溫度特性能對消第一電流的溫度特性。從第一電流中減去第二電流，剩余的電流具有低溫度系數。下面，描述電壓和電流基準電路的一個實施例。應當指出，數值的選取是為了示例的目的，對于具體的應用可以改變元件值，仍會得到很好的結果。
晶體管T1的導電區與晶體管T2的導電區有一定比值。如圖1所示，晶體管T1的發射區是晶體管T2發射區的N倍。為了示例起見，令N＝8。電阻R2確定帶隙單元的工作電流。在本例中，電阻R1＝電阻R3，R1和R3的電阻值也用于調節輸出端電壓VREF。在這一實施例中，在輸出端VREF提供一個等于硅帶隙電壓(1.2605伏)的基準電壓。
初始時，啟動電路向晶體管T3基極提供一個電流。在電壓和電流基準電路110穩定后，啟動電路不再提供電流。當帶隙單元已穩定工作于所希望的輸出時，晶體管T3提供電流I(T3)。晶體管T1和T2可以配置得可使晶體管T2的基極-發射極結電壓等于晶體管T1基極-發射極結電壓與電阻R2上電壓之和。具體地說，晶體管T1和T2工作在相同的電流下。由于兩器件的導電區之間有差別，故晶體管T2的工作電流密度比晶體管T1的高。因此，工作在相同電流條件下時，晶體管T2的基極-發射極結電壓比晶體管T1的大。晶體管T1和T2基極-發射極結之間的差值電壓加在電阻R2上。電流I(T3)對應于帶隙單元的電流。晶體管T6和T8形成電流鏡電路，它鏡像反映電流I(T3)。晶體管T8輸出對應于電流I(T3)的電流I(T8)。在這一實施例中，I(T6)＝I(T8)，所以I(T3)＝I(T8)。
晶體管T5為電壓跟隨器結構。如果晶體管T5工作在與晶體管T3相同的狀態，則輸出端電壓VREF與節點14上的電壓相同。如果晶體管T3和T5工作在不同的狀態，則電阻R1和R3可以提供調節作用，使輸出端電壓VREF變為硅帶隙電壓。電阻R4上的帶隙電壓產生由晶體管T5傳導的電流I(T5)。在這一例子中(為了簡化起見)，假定電壓和電流基準電路110的各雙極型晶體管的β(短路電流放大系數)足夠大，可忽略集電極電流和發射極電流之間的差異。
電流I(T8)大于電流I(T5)。從電流I(T8)減去電流I(T5)，使I(T8)的剩余電流饋送至電流鏡電路140的晶體管T9。饋送至晶體管T9的電流與T10鏡像。在這一例子中，晶體管T9和T10具有相等的導電區。輸出電流IOUT等于饋送至晶體管T9的電流。因此，輸出電流IOUT可由式1來表示。
IOUT＝I(T8)-I(T5) (1)如前面所述，由晶體管T1和T2傳導的電流是相等的。晶體管T3給晶體管T1和T2提供電流，因此，晶體管T3的電流I(T3)等于電流I(R2)的兩倍。電流I(T3)＝2×I(R2)是由晶體管T6給出的電流。在這一例子中，晶體管T6和T8是相同的，并處于電流鏡像結構中。I(T8)和帶隙單元電流之間的關系可以由式2來表示。
I(T8)＝I(T3)＝2*I(R2) (2)由于晶體管T1和T2之間的基極-發射極結電壓的差值引起的通過電阻R2的電流可以由式3來表示。式3中，Vt為對應于KT/q的雙極型晶體管的熱電壓，其中K為波耳茲曼常數，T為溫度，q為電子電荷。
I(R2)＝(Vt*ln(N))/R2 (3)在本例中，輸出端電壓VREF為硅帶隙電壓(1.2605伏)。電流I(T5)決定于電阻R4，并由式4表示。
I(T5)＝V帶隙/R4(4)電流的溫度系數乘以電流的量值得到電流溫度靈敏度的量度。下文列出的式5使電流I(T8)和I(T5)的電流溫度靈敏度相等。式5的結果是抵消電流I(T8)與電流I(T5)的溫度依隨性。從I(T8)減去I(T5)的差值電流(饋送至晶體管T9)具有低溫度系數。
TC(I(T8))*I(T8)＝TC(I(T5))*I(T5) (5)電流I(T8)的溫度系數取決于二個因素。第一，基極-發射極的結電壓隨溫度增高而電壓值減小。第二，R2的量值隨溫度增高而增大。在帶隙單元中，晶體管T4基極-發射極結的溫度系數和電阻R1上的電壓做成在一個預定溫度上相抵消，以產生出零TC電壓。然而，由帶隙單元傳導的電流I(R2)不是隨溫度不變的常量。式6表示出與電流I(R2)對應的溫度系數之間的關系。式6中的溫度系數對應于在晶體管T1和電阻R2兩者已知下電流隨溫度的變化。溫度系數隨著所采用的特定芯片處理過程而變化。
TC(I(T8))＝TC(T1)-TC(R2)(6)重新安排式5來解出電流I(T5)，得到式7。
I(T5)＝(TC(I(T8))/TC(R4))*I(T8)(7)利用方程式1中I(T5)的表達式，特別是，式8所示的IOUT的表達式。
IOUT＝I(T8)*(1-TC(I(T8))/TC(R4)) (8)利用式2和3中所描述的關系可計算出電阻R2的值。電流I(T8)式中的R2的值可以由式9表示。
R2＝(Vt*ln(N))/(0.5*(I(T8)) (9)根據式7，電阻R4的值等于輸出端電壓VREF除以電流I(T5)。電阻R4數值由式10表示。
R4＝V帶隙/I(T5) (10)節點14上的電壓由輸出端電壓VREF開始計算。如前所述，在本例中，輸出電壓VREF＝V帶隙(硅帶隙電壓)。計及晶體管T3和T5的基極-發射極結電壓(Vbe)，如式11所示。
V(節點14)＝V帶隙+Vbe(T5)-Vbe(T3) (11)晶體管T3和T5的基極-發射極結電壓(Vbe)可以用式12計算。
Vbe＝Vt*ln(I/Is) (12)式中，Vt為雙極型晶體管的熱電壓，I為由晶體管給出的電流，Is為隨所用的芯片處理而變化的飽和電流。
在這個例子中，電阻R1和R3的電阻值相等，導通相等的電流。R1和R3的電阻值根據式13計算。晶體管T1和T2給出的電流等于I(R2)。
R1＝R3＝(V(節點14)-Vbe(T2)/(I(R2))(13)采用真實數值的例子有助于說明電壓和電流基準11的設計。在其內采用電壓和電流基準11的電路工作在-50℃與150℃之間的溫度范圍內。在電路工作的溫度范圍的中心上，例如按上列溫度范圍在50℃上，解式1～11，可以得到最優結果。假定電壓和電流基準11的輸出端電壓VREF＝1.2605伏(硅帶隙電壓)，輸出電流IOUT＝20微安(μA)。還假定雙極型晶體管基極-發射極結的TC為每攝氏度百萬分之3000(3000ppm/℃)，Is＝1.6×10-16安(A)，又由于電阻引起的電流變化為4300ppm/℃，晶體管T1和T3的發射區比N＝8，則電壓和電流基準110的設計可以按如下步驟解出(所解的公式示于括號中)(6)TC(I(T8))＝3000ppm/℃-4300ppm/℃＝-1300ppm/℃；(7)I(T5)＝(-1300ppm/℃/-4300ppm/℃)*I(T8)＝0.302*I(T8)；(1)IOUT＝I(T8)*(1-0.302)＝0.698*I(T8)＝20μA重新移項安排后，I(T8)＝20.000μA/0.698＝28.653μA，利用式1解出I(T5)，I(T5)＝28.653μA-20.000μA＝8.653μA；(9)R2＝(Vt*ln(N))/0.5*(I(T8))＝4038歐式中，Vt@50℃＝27.82毫伏(mv)，N＝8；(10)R4＝1.2605V/8.653μA＝145672歐I(T3)＝I(T8)＝28.653μAI(R2)＝I(T3)/2＝14.327μA(12)Vbe(T5)＝27.82mV*In(8.653μA/1.6*10-16A)＝0.688伏(12)Vbe(T3)＝27.82mV*In(28.653μA/1.6*10-16A)＝0.721伏(11)V(節點14)＝(1.2605+0.688-0.721)伏＝1.2275伏(12)Vbe(T2)＝27.82mV*In(14.327μA/1.6*10-16A)＝0.702伏(13)R1＝R3＝(1.2275V-0.702V)/14.327μA＝36679歐雙極型晶體管T3和T5處于電壓跟隨器結構中，能用MOSFET器件代替。同樣，MOSFET晶體管T6、T7和T8能用雙極型晶體管代替。
電阻R5和晶體管T11和T12形成電流鏡電路14的另一實施例。電阻R5第一端接至節點17(經由虛線)，而第二端接至節點18。晶體管T11的集電極和基極共同接至節點18，而發射極與地相連接。晶體管12的集電極接至輸出端IREF2，基極接至節點18，而發射極與地相連接。在輸出端IREF2上提供基準電流。在電阻R5上產生電壓降，以增加節點17上的電壓。
二極管D1和晶體管T13、T14形成電流鏡電路14的另一實施例。二極管D1的陽極接至節點17(經由虛線)，而陰極接至節點19。晶體管T13的漏極和柵極共同接至節點18，而源極與地相連接。晶體管14的漏極接至輸出端Iref3，柵極接至節點19，而源極與地相連接。在輸出端IREF3上提供基準電流。在二極管D1上產生電壓降，以增加節點17上的電壓。
圖2是示明圖1中電壓和電流基準電路110的溫度特性曲線圖。圖2中既示明電壓也示明電流的溫度特性。圖2所示的曲線圖是在采用與圖1所述例子相似的元件值下從晶體管電平模擬中得出的。該圖以50℃為中心，溫度范圍為200℃。在該溫度范圍內，電壓在1.2577伏與1.2605伏之間變化(變化2.8毫伏)。在該溫度范圍內，電流在19.25微安與20.50微安之間變化(變化1.25微安)。
至此，可以理解，現已提供一種電壓和電流基準電路。該電壓和電流基準電路具有低溫度系數和最少數量的元件，可減小電路所用的芯片面積。在電路中電壓基準產生一個基準電壓。由電壓基準給出的電流用來產生一個電流基準。來自電壓基準的電流的溫度系數是已知的。一個電阻由電壓基準的基準電壓偏置。由該電阻和基準電壓產生的電流的溫度系數與該電壓基準的溫度系數相對應。從電壓基準給出的電流中減去由該電阻形成的電流，兩個電流的溫度依隨性將互相抵消。從電壓基準來的剩余電流便具有低的溫度系數。將該剩余電流饋送至電流鏡，該鏡像電流作為基準電流。
權利要求
1.一種電壓和電流基準電路，用于提供基準電壓和基準電流，其特征在于一個電壓基準，具有提供第一電流的第一端和第二端；一個晶體管，具有第一電極，連接到所述電壓基準第二端，一個控制電極，連接到所述電壓基準第一端，和第二電極，用于提供基準電壓；一個電阻，具有第一端，連接至所述晶體管第二電極，和第二端，連接到第一電源端子，這里，所述電阻產生第二電流；一個電流鏡電路，具有一個第一端，連接到所述電壓基準的第二端，和一個第二端，用于提供基準電流。
2.權利要求1的電壓和電流基準電路，其特征在于，所述第一電流的量值大于所述第二電流的量值，并從所述第一電流中減去所述第二電流，使所述第一電流的剩余電流饋送至所述電流鏡電路。
3.權利要求2的電壓和電流基準電路，其特征在于，所述電壓基準為一個帶隙電壓基準。
4.權利要求3的電壓和電流基準電路，其特征在于，所述電壓基準的特征在于一個第一電阻，具有第一端和第二端；一個第一導電型的第一晶體管，具有第一電極，連接到所述第一電阻第二端，以及一個控制電極和一個第二電極；一個第二電阻，具有第一端連接到所述第一晶體管第二電極，和第二端，連接到所述第一電源端子；一個第二晶體管，具有所述第一導電型，具有一個第一電極和一個控制電極，共同連接到所述第一晶體管控制電極，以及一個第二電極，連接到所述第一電源端子；一個第三電阻，具有第一端，連接到所述第一電阻第一端，和第二端，連接到所述第二晶體管第一電極；一個第三晶體管，具有所述第一導電型，具有一個第一電極，一個控制電極，連接到所述電壓基準第一端，和一個第二電極，連接到所述第一電阻第一端；一個第四晶體管，具有所述第一導電型，具有一個第一電極，連接到所述第三晶體管控制電極，一個控制電極，連接到所述第一電阻第二端，和一個第二電極，連接到所述第一電源端子；一個第五晶體管，具有第二導電型，具有第一電極和控制電極，共同連接到所述第三晶體管第一電極，以及第二電極，連接到第二電源端子；一個第六晶體管，具有所述第二導電型，具有第一電極，連接到所述第三晶體管控制電極；控制電極，連接到所述第五晶體管控制電極；和第二電極，連接到所述第二電源端子；一個第七晶體管，具有所述第二導電型，具有第一電極，連接到所述電壓基準第二端；控制電極，連接到所述第五晶體管控制電極；和第二電極，連接到所述第二電源端子；
5.按照權利要求4的電壓和電流基準電路，其特征在于，所述電壓基準的所述第一和第二晶體管為雙極型晶體管，這里，所述第一晶體管的導電區為所述第二晶體管導電區的N倍。
6.按照權利要求5的電壓和電流基準電路，其特征在于，所述電流鏡電路包括一個第一晶體管，具有所述第一導電型，具有第一電極和控制電極，共同接至所述電流鏡像電路第一端，以及第二電極，接至所述第一電源端子；一個第二晶體管，具有所述第一導電型，具有第一電極，接至所述電流鏡電路第二端；控制電極，接至所述第一晶體管控制電極；和第二電極，接至所述第一電源端子。
7.按照權利要求6的電壓和電流基準電路，其特征在于，所述的電流鏡電路還包括一個電阻，接在所述電流鏡電路第一端和所述第一晶體管第一電極之間。
8.按照權利要求6的電壓和電流基準電路，其特征在于，所述的電流鏡電路還包括一個二極管，該二極管的陽極接至所述電流鏡電路的第一端，而陰極接至所述第一晶體管的第一電極。
9.一種用于產生基準電壓和基準電流的方法，其特征在于，包括以下步驟產生一個基準電壓；產生具有已知溫度系數的一個第一電流；將所述基準電壓加給一個電阻以產生一個第二電流；從所述第一電流中減去所述第二電流，這里，所述第二電流可抵消因溫度引起的所述第一電流的變化；提供出所述第一電流的剩余電流，作為具有低溫度系數的一個基準電流。
全文摘要
具有低溫度系數的電壓和電源基準電路可使元件數最少以減小集成電路芯片面積。帶隙電壓基準產生低溫度系數的電壓。電壓跟隨器接到該帶隙電壓基準以產生出相應的基準電壓。從帶隙電壓基準來的隨溫度變化的電流被鏡像并提供到電壓跟隨器的第一電極。電阻(R4)接在電源端子與電壓跟隨器第二電極之間，選擇該阻值以產生電流來抵消隨溫度變化的電流的溫度依隨性。電流鏡電路接收隨溫度變化的電流的剩余部分，輸出一個低溫度系數的電流。
文檔編號H01L27/00GK1162191SQ9710249
公開日1997年10月15日 申請日期1997年2月20日 優先權日1997年2月20日
發明者杰弗森·W·豪爾 申請人:摩托羅拉公司