提供温度补偿的输出电压的参考电压发生器制造技术

本发明专利技术涉及一种提供参考电压（Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗ）的参考电压发生器（４０）。电压发生器（３０）在小于硅带隙电压的电源电压（Ｖｄｄ）操作。它包括用作跨导器（Ｇｐｔａｔ）的ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７）。提供了用于把漏极电流（Ｉ↓［ｐｔａｔ］）馈入所述ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７）的漏极的输入节点，而且输出节点与所述ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７）的漏极和栅极相连。电流发生器（４２）允许ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７）在特定模式下操作，其中漏极电流（Ｉ↓［ｐｔａｔ］）具有正温度系数（α↓［ｐｔａｔ］）且跨导器（Ｇｐｔａｔ）具有负温度系数（α↓［ＧＭ］）。选择ＭＯＳＦＥＴ晶体管的尺寸（Ｗ，Ｌ），以使所述负温度系数（α↓［ＧＭ］）接近所述正温度系数（α↓［ｐｔａｔ］），以使所述输出节点处提供的所述参考电压（Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗ）得到温度补偿。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种提供稳定的输出电压的电压发生器。
技术介绍
多种CMOS和BiCOMS IC包括大型数字核心和一些模拟外围功能元 件。典型地，这些模拟功能元件包括参考电路，除了别的之外，用于 模拟块，用于提供电源电压调整，并且用于特定的数字电路(例如加 电重启电路)。具有低温度系数的电压参考电路最广泛使用的实现是所 谓的带隙(bandgap)参考电路。输出接近于硅带隙的l. 205V参考电压，带隙电路长期作为使用双 极性晶体管或COMS晶体管来实现的标准。然而在当今，在最先进的CMOS技术中难以或几乎不可能设计输出带隙电压的参考电路，这是因为 为了进行正确的操作，带隙电路的电源电压Vdd必须大于带隙电压Vbg， 通常为L3-1.5V。另一方面，CMOS电路的电源电压持续降低，如图l 所示，分别是对于O. 35um工艺为3. 3V、对于O. 25 n m为2. 5V、对于 0. 18um为1.8V，直到对于当今的90nm技术为lV。从这个图中可以看出， 大致地从O. 13um的CM0S技术之后，电源电压Vdd变得过低，对于任何 参考电路都不能输出带隙电压Vbg二l. 205V。通常，多数己知的COMS和非CMOS带隙参考电路的输出电压是二极 管电压和电阻器上的电压之和。典型地，流过电阻器的电流按照如下 方式与绝对温度成比例按照第一阶(in the first order)对二极 管的正向电压的负温度系数进行补偿。这个电流能够以若干方式产生。在典型的CMOS带隙电压参考电路 中，以这样的方式产生电流电流线性地依赖于温度且通常使用热电 压Ut。如果需要带隙电压随着温度变化具有更高的精度，必须使用非常复杂的曲率补偿。此外，如上所述，在电源电压小于半导体材料的 带隙电压时，不能采用这种带隙参考电路。在美国专利6， 566， 850 B2中，提出了一种低电压带隙参考电路。 电流被简单地镜像到晶体管并流至输出电阻器。因此，这个电路提供 了随着温度变化不是很稳定的输出电压。不能以很低的电压来操作所 示电路。这个美国专利中提出的电路的另一个缺点是，需要耗尽型晶 体管。把这种耗尽型晶体管增加到标准工艺中需要额外的成本。美国专利6， 160， 393涉及一种电压参考电路，其中PTAT电流强 制流过串联或并联的pMOS晶体管和nMOS晶体管的组合。不能以很低的 电压来操作所示电路。此外，完全没有提及电路的温度性能。看起来， 温度稳定性比常规带隙的稳定性要差。美国专利6， 160， 393中提出的 电路的其它缺点是，需要同时对nMOS和pMOS晶体管执行离子注入。然 而，这在标准CMOS工艺中是不可用的。美国专利6， 680， 643 B2中提出了另一个电路。这个电路需要多 个不同的元件，例如PTAT电路、跨导运算放大器、差分运算放大器、 放大器电流提取电路和输出级。明显的是，这导致了非常复杂的实现。 这个复杂性增加了成本、使开发时间更长、降低了可靠性并消耗了更 多的功率。此外，电源电压必须至少为1.5V。因此，存在对用于在当今和未来的CMOS技术中产生参考电压的新 原理的需求，其中减小的电源电压不会造成任何约束以妨碍参考电压 的实现。在这样的低电源电压Vdd，明显的是，所产生的参考电压在数 值上必须小于带隙电压。此外，通常期望提供一种允许产生在温度稳定性上具有相等或更 好性能的参考电压的解决方案。因此，本专利技术的目的是提供--种参考电压发生器，即使在电源电 压Vdd小于带隙电压的情况下也能采用。本专利技术的另一个目的是提供一种参考电压发生器，它提供了比常 规带隙参考电路所提供的参考电压具有更小的温度依赖性的参考电 压。本专利技术的另一个目的是提供一种具有很高的精度和低电压的参考电压。
技术实现思路
这里描述并要求的本专利技术减少或去除了已知系统的上述这些缺点。权利要求l提出了根据本专利技术的一种装置。权利要求2至6提出了 多个有利实施例。根据本专利技术，提供了一种提供期望的参考电压的参考电压发生 器。所述电压发生器以数值上小于带隙电压的电源电压操作。采用 MOSFET晶体管作为跨导。电流被馈入所述MOSFET晶体管的漏极。这个 电流由电流发生器提供，该电流发生器允许MOSFET晶体管按照特定模 式工作，其中所述电流具有正温度系数且所述跨导具有负温度系数。 选择所述MOSFET晶体管的大小，以使所述负温度系数接近所述正温度 系数。由此，由所述参考电压发生器提供的参考电压得到了温度补偿。根据本专利技术的一种参考电压发生器具有如下优点即使在不再能 够设计输出带隙电压的参考电路的最先进CMOS技术中，稳定的参考电压生成也是可能的。就是说，这里提出的参考电压源能够在任意电源电压上运行。另一个优点是，所述参考电压发生器比标准的带隙参考电路简单 得多。此外，它消耗了较少的功率并且易于设计。根据本专利技术的参考电压源仅占据了常规带隙电压所需硅面积的一 部分。可以实现高精度的参考电压。本专利技术的附加特征和优点将在下文的描述中提出，并且从该描述 中部分地变得明显。附图说明为了对本专利技术进行更为完整的描述，以及为了本专利技术的其它目的及优点，结合附图来参考下面的描述，其中图1示出了随着CM0S技术的进步电源电压如何持续下降；图2示出了本专利技术的参考电压发生器的示意性框图；图3示出了M0SFET晶体管的漏极电流(Ids)与栅极-源极电压(Vgs) 的关系，图中的温度变化为-40度至+100度，以20度步进；图4示出了本专利技术第一实施例的示意性框图5A示出了本专利技术第二实施例的示意性框图5 B示出了本专利技术第三实施例的示意性框图5C示出了本专利技术第四实施例的示意性框图6示出了在室温下跨导器(transconductor)(参考图4 (MN)和 图5A (MN3))的温度系数与栅极-源极电压(VKS)的关系；图7A至7C示出了根据本专利技术，可以用于设计参考电压发生器的三个图7D示出了在按比例变为相同的电压时，本专利技术所获得的结果与 常规带隙电路所获得的结果之间的比较。具体实施例方式结合图2和3对本专利技术的工作原理进行描述。图2示出了新的原理， 这里对该原理进行研究，以在过低而不能输出带隙电压的电源电压Vdd 下产生参考电压。关键的要素是所谓的跨导21 (Gptat)，它与绝对温 度T成比例。利用恒定的输入电压，这个跨导21将会输出与绝对温度T 成比例的电流。然而根据本专利技术，跨导21以反向模式(特殊模式)操 作。跨导21产生电压输出，同时其输入是与绝对温度T成比例的电流。 与常见的带隙参考电路相似，这个电流Iptat可以由电流发生器22基于 热电压KT/q而产生，例如，如图2所示。热电压Ut二KT/q在室温下的温 度系数TC为+0.085mV/。C。如果跨导21的温度系数TC与热电压的温度系 数TC精确匹配，即，如果跨导21具有恰好相同的TC，则能够在输出节 点23处获得稳定的参考电压Vref一new，假定符号为负。由于MOS晶体管对温度的依赖性很强，因而在下文中将会提出MOS 晶体管的温度效应。对这个温度依赖性有贡献的两个主要参数是有效 迁移率和阈值电压。前者表示形式为-(1.5-2.0)的幂的温度依赖性， 而后者表示出随着温度变化几乎是直线地减小。可以预料的是，在饱和区中，这些参数的温度效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提供参考电压（Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗ）的参考电压发生器（３０；４０；５０；６０），所述电压发生器（３０；４０；５０；６０）在小于硅带隙电压的电源电压（Ｖｄｄ）操作，包括：　－具有漏极、源极和栅极的ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７），所述ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７）用作跨导器（Ｇｐｔａｔ）；　－输入节点，用于把漏极电流（Ｉ↓［ｐｔａｔ］）馈入所述ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７）的漏极；　－输出节点，与所述ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７）的漏极相连；　－电流发生器（２２；４２；６２），允许所述ＭＯＳＦＥＴ晶体管（ＭＮ；ＭＮ３；ＭＰ４；ＭＰ７）在特定模式下操作，其中所述漏极电流（Ｉ↓［ｐｔａｔ］）具有正温度系数（α↓［ｐｔａｔ］）且所述跨导器（Ｇｐｔａｔ）具有负温度系数（α↓［ＧＭ］），　其中选择所述ＭＯＳＦＥＴ晶体管的尺寸（Ｗ，Ｌ），以使所述负温度系数（α↓［ＧＭ］）接近所述正温度系数（α↓［ｐｔａｔ］），以使所述输出节点处提供的所述参考电压（Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗ）得到温度补偿。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振华，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]