基准电压制造技术

本发明专利技术涉及基准电压。本发明专利技术公开一种基准电压电路，该基准电压电路包括双极晶体管(Q3)和电路(200)，所述电路被配置成测量双极晶体管的发射极电流与基极电流的比率。基准电压电路的输出电压根据测量的比率的函数被补偿。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】基准电压
技术介绍
在许多电子系统中，需要独立于时间变化、温度变化以及工艺变化的精确的模拟 基准电压。例如，模数转换器通常需要模拟基准电压。在许多基准电压电路中，具有正温度 系数（电压随温度升高）的第一电压源与具有负温度系数的第二电压源求和，并且两个温 度相关性抵消。例如，在一个通常的设计（称为带隙基准，或者有时称为Browkaw带隙基 准）中，双极结晶体管的基极-发射极电压被用于具有负温度系数的第一电压，并且两个基 极-发射极电压之间的差被用于具有正温度系数的第二电压，并且这两个电压被缩放并求 和。调整后，这种电路通常可以提供在指定的温度范围内具有大约1 %的电压变化的基准电 压。然而，某些系统需要在指定的温度范围内具有优于1%精度的基准电压。存在对更高精 度的基准电压的持续需要。【附图说明】 图1是基准电压电路的示例实施例的框图示意图。 图2是用于测量双极结晶体管的Mbeta)电路的示例实施例的框图示意图。 图3A和图3B是示出在图2中所示的电路中的某些示例电压波形的时序图。 图4是示出补偿基准电压电路的示例方法的流程图。【具体实施方式】 图1示出基准电压电路100的一个示例的一个实施例的核心部分。电路100产生 可以由其他电路作为基准电压使用的输出电压VBG。在图1的示例中，两个双极结晶体管 (Q1、Q2)具有相同的基极电压。晶体管Q1的发射极的尺寸（面积）是晶体管Q2的发射极 的尺寸的"n"倍。在晶体管Q2的发射极通路中存在电阻器R1。在晶体管Q1的发射极通 路中存在电阻器Rl(m)，该电阻器Rl(m)的电阻是电阻R1的电阻的"m"倍。在具体的示例 实施例中，n= 8且m= 3。具有负反馈的运算放大器102驱动到放大器102两个输入端 之间的电压为零，所以R1和R1 (m)两端的电压是相等的。因此，晶体管Q2的发射极电流是 晶体管Q1的发射极电流的"m"倍。由于Q1和Q2的不同尺寸，晶体管Q2的电流密度（电 流/面积）是晶体管Q1的电流密度的m*n倍。晶体管Q2的基极-发射极电压具有负温度 系数。晶体管Q2和Q1的基极-发射极电压之间的差建立在电阻器R0的两端，该电压差具 有正温度系数。输出电压VBG是晶体管Q2和Q1的基极-发射极电压差和晶体管Q2的基 极-发射极电压的缩放的和。如图1所示，电阻器R2和R3是可变的。VBE的斜率（V%随温度的变化率）随集成 电路工艺变化剧烈。该工艺相关性在制造时通过微调（trim)电阻器R2被微调以调整M。 在制造时微调电阻器R3以调整VBG的幅度误差。理想地，所得到的输出电压VBG是双极结 晶体管在室温（大约1. 22V)下的带隙电压。理想地，所得到的输出电压VBG与温度不相关。 在实践中，在对图1的电路不进行进一步变动的情况下，VGB可以在感兴趣的温度范围（230 开尔文（Kelvin)温度至400开尔文温度）内变化几十毫伏。 需要注意的是，R2和R3可以被实现为为具有熔丝和开关的并联电阻器组，其中熔 丝可以在制造时被熔断以移除某些并联电阻器，开关可以由处理器实时地控制以确定连接 有多少个并联电阻器。相应地，熔丝可以被熔断以提供粗略的初始电阻值，并且开关可被用 来提供精细调整。 基极-发射极电压之间的差如下：等式 2 其中k是Boltzmann常量（1. 38x10 23J/K)，T是单位为开尔文的绝对温度，q是电 子上的电荷（1. 6x10 19C)，并且iei和ie2分别是晶体管Q1和Q2的集电极电流。 因此，随着斜率与集电极电流的比率的对数成比例，两个基极-发射极电压之间 的差与绝对温度（PTAT)是成比例的。通常地，对于带隙基准电压电路，NPN双极晶体管被 使用并且集电极端子是可访问的，用于测量集电极电流。然而，现代短沟道CMOS工艺中的 问题是，仅可以实现的双极晶体管是衬底PNP晶体管，衬底PNP晶体管的集电极是不可访问 的。为了克服这个问题，在图1所示的实施例中，放大器102测量两个发射极电流的差分结 果。两个基极-发射极电压之间的差使用发射极电流表示如下： 等式 3 其中，iE1是晶体管Q1的发射极电流，iE2是晶体管Q2的发射极电流，0 1是集电极 电流与晶体管Q1的基极电流的比率，并且02是集电极电流与晶体管Q2的基极电流的比 率。 等式3可以通过使用以下定义来简化： 结果是简化的等式6,如下： AVbe=AVBE(ldeal)+Vp 等式 6 在用于制造双极晶体管的优化的某些半导体集成电路工艺中，P0 2可以是大 的（>1〇〇)，使得Vp是可忽略不计的，并根据等式6,AVBE=AV BE(ideal) ° 然而，对于用于制 造金属氧化物半导体（M0S)晶体管的优化的某些半导体集成电路工艺来说，^和0 2可以 是相对是小的（〈10)，使得Vp变得相对重要。如果0 :和e2都是小的，那么Vp导致如下 两种不准确性。第一，工艺误差在^和0 2为小时是不能被充分微调的。也就是说，当制 造工艺产生小的^和0 2时，那么根据等式6,即使在室温下的初始制造时的校准下，AVBE 不等于AVBEUdeal)。第二，0 0 2随温度变化。由于晶体管Q1和Q2的不同电流密度，0i 和随温度以不相等的曲率而变化。因此，Vp在室温下的初始制造校准期间引起偏差并 且Vp在感兴趣的温度范围内引起AVBE的非线性变化。在下面讨论的示例实施例中，（在 制造时和实时两者）在工作温度下测量 01和0 2，V{!被计算，并且电阻R2和R3被微调以 补偿Vp。该计算的Vp的补偿使基准电压在感兴趣的温度范围内具有约0. 2%的变化。理想的VBG(VBGldeal)如下： VBGldeal=VBE+M*(AVBE(ldeal))等式 7 结合等式1和等式6,未补偿的实际的VBG(VBGaetual)为： VBGactual=VBE+M*(AVBE(ldeal)+Vp)等式 8 VBGldea^于给定的制造工艺是已知的。在制造时间，VBGaetual可以被调整为等于在 室温下的VBGldeal。然而，根据温度的函数的VBGaetual具有作为M的函数的曲率。如果M被 调整（通过调整R2)为等式7所要求的值，那么VBG&tual将具有随温度的最小变化。但是， 如果M在制造时间被调整而未补偿Vp(等式8)，那么M将不具有等式7所要求的值，并且 M将不具有VBGaetual随温度的最小变化所要求的值。为了克服这个，在两个步骤中微调R2。 首先，R2被微调直到VBGaetual=VBGldeal。表示所得的M的初始值为M。，R2进一步被微调直 至VBGaetual=VBG。所得到M的值保存VBGaetual随温度的曲率，这已经通过设计随 温度被最小化。但是，注意在此步骤之后，VBGaetual偏离于VBGldealM^Vp。接着，R3被微调 以将VBGactual调整回至VBGldeal。 为了利用Vp的补偿调整M，V^需要被确定。图2示出用于测量0 02的电路 示例实施例。在图2中，第三双极晶体管Q3被用于0测量。如以下更详细的讨论，图2中 的晶体管Q3的电流密度可以通过适当地调整晶体管Q3的发射极电流而被设定为期望的 值。晶体管Q3的电流密本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有输出电压的基准电压电路，所述电路包括：具有基极和发射极的双极晶体管；被配置成测量所述双极晶体管的发射极电流与基极电流的比率的电路；和根据所测量的比率的函数被补偿的输出电压。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：X·濮，K·纳咖拉杰，Y·胡，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US