CN107783584B

CN107783584B - 和绝对温度成比例的参考电路和电压参考电路

Info

Publication number: CN107783584B
Application number: CN201710741832.2A
Authority: CN
Inventors: S·玛林卡
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices Global ULC; Analog Devices International ULC
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2037-08-25
Also published as: CN107783584A; US10310539B2; US20180059707A1

Abstract

本发明涉及和绝对温度成比例的参考电路和电压参考电路。本公开涉及PTAT电压参考电路和温度依赖性电压参考电路，其中电路输出上的晶体管基极电流的效应被补偿。这通过一对补偿电阻器实现。来自成对晶体管中一个的基极电流用于增加穿过一个补偿电阻器的电压降。来自成对晶体管中另一个的基极电流用于降低相等量的穿过另一补偿电阻器的电压降。补偿电阻器串联反映基极‑发射极电压中的差(ΔV_BE)的电阻器。电路输出是通过串联电阻器测量的。这样，基极电流在输出补偿。

Description

和绝对温度成比例的参考电路和电压参考电路

技术领域

本公开涉及和绝对温度成比例的(PTAT)参考电路和电压参考电路。特别地，其涉及PTAT参考电路和补偿晶体管基极电流的电压参考电路。

背景技术

电子电路通常需要电压或电流参考以有效地操作。电压参考可需要与温度无关。这可在需要固定电压参考的电路中有用。电压参考也可需要与温度有关。这样的参考可以用作温度传感器。通常用于提供温度依赖性电压参考的电路装置利用一对双极结晶体管(BJT)。通过使用具有不同集电极电流密度的两个BJT，可以产生与绝对温度(PTAT)成比例的电压参考。每个BJT的基极-发射极电压的差异可以反映在电阻器上，以产生PTAT电压参考。通过组合PTAT电压参考与免费温度(CTAT)组合电压参考可提供不依赖温度。

基于BJT的电压参考的问题是输出受BJT电流增益因子的影响。这在某些类型的处理中尤其如此，例如CMOS，其中BJT具有低电流增益因子。因此，需要电压参考电路，其中输出电压参考不受BJT基极电流的影响。

发明内容

本公开涉及PTAT电压参考电路和温度依赖性电压参考电路，其中晶体管基极电流对电路输出的影响进行了补偿。这是通过一对补偿电阻器实现的。来自一对晶体管中的一个的基极电流用于增加跨越补偿电阻器之一的电压降。来自另一对晶体管的基极电流是用于将补偿电阻器的另一个电压降降低相等的量。补偿电阻器与电阻器串联，反映了基极-发射极电压(ΔVBE)的差异。电路输出是通过串联电阻器测量的。这样，基极电流在输出端被补偿。

在本公开的某些实施方案中，提供和绝对温度成比例的PTAT电路，电路包括：第一双极晶体管布置为产生第一基极-发射极电压和第一基极电流第二双极晶体管布置为产生第二基极-发射极电压和第二基极电流；和多个无源组件，耦合到第一和第二双极晶体管；其中电路被构造为生成跨多个无源组件的PTAT输出电压，其依赖于第一和第二基极-发射极电压；多个无源组件被构造为补偿第一和第二基极电流。

在本公开的某些实施方案中，提供温度依赖性电压参考，电路包括：第一双极晶体管，布置为产生第一基极-发射极电压和第一基极电流；和第二双极晶体管，布置为产生第二基极-发射极电压和第二基极电流；多个无源组件，耦合第一和第二双极晶体管；和互补绝对温度CTAT组件，耦合多个无源组件；其中电路被构造为生成温度依赖性输出电压，跨多个无源组件和CTAT组件；和多个无源组件被构造为补偿第一和第二基极电流。

在本公开的某些实施方案中，提供了一种产生和绝对温度成比例的PTAT，电压的方法，该方法包括：提供包括第一双极晶体管，第二双极晶体管和多个无源组件，耦合到第一和第二双极晶体管；在第一双极晶体管中，在第二双极晶体管中，第二基极-极射电极和第二基极极电流；产生一个PTAT输出电压，跨越多个无源组件，依赖于所述第一和第二基极-发射极电压的差异；并使用多个无源组件补偿第一和第二基极电流。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并且参考附图来更详细地描述本公开，其中：

图1是根据本公开第一实施方案的PTAT电路；

图2是根据本公开第二实施方案的电压参考电路；

图3是根据本公开的第三实施方案的PTAT电路；

图4是根据本公开第四个实施方案的电压参考电路；

图5是表示图3的电路的各种电阻器的电压降模拟图。

图6是表示图2所示的电路的输出电压对温度的模拟图。

具体实施方式

本公开提供PTAT电压参考电路和温度依赖性电压参考。在PTAT电路中，一对晶体管的一个晶体管的基极-发射极电压与基极-发射极之间的电压差该对的另一个晶体管的电压被反射在耦合在两个晶体管基座之间的电阻器上。该电压与绝对温度成比例，取决于两个晶体管的集流器电流密度比。如果该电阻器连接到输出和地，则输出将受到晶体管的基极电流的影响。这是因为一个晶体管的基极电流被引导到地，另一个晶体管的基极电流通过电阻器。为了补偿这一点，两个补偿电阻器与PTAT电阻器串联提供。电阻器中的一个耦合到地。另一个耦合到输出。因此，通过电阻器之一的电流是通过PTAT电阻器的电流加上其中一个晶体管的基极电流。通过其他电阻器的电流是通过PTAT电阻器的电流减去另一个电阻器的基极电流。假设补偿电阻器和基极电流取相同的值，则电阻器中的一个正好使电压下降的电压相当于基极电流的量，另一个负电压降低相同的电压。这样，输出补偿或不依赖基极电流。

图1示出依赖照本公开的实施方案和绝对温度成比例的电压参考电路100。电路100包括第一PNP双极晶体管qp1和第二双极晶体管qp2。每个晶体管的集流器被耦合到地面。电路100还包括三个p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)mp1、mp2和mp3。每个双极晶体管的发射器耦合到相应MOSFET的漏极。特别地，qp1的发射器耦合到mp3的漏极，qp2的发射器耦合到mp2的漏极。P沟道MOSFET用于控制双极晶体管的发射器电流。每个MOSFET的源极耦合到正电源Vdd。

双极晶体管的基极耦合到第一电阻器r1的相应末端。特别地，qp1的基础耦合到r1的第一端，并且qp2的基础耦合到r1的第二末端。如下面将要详细讨论的，qp1和qp2的基极-发射极电压之间的差异将反映在r1之间。r1的第一末端和qp1的基极也耦合到第一补偿电阻器r2的第一末端，第一补偿电阻器的第二末端耦合到地。

电路100还包括放大器A。放大器100包括非反相输入(+)，反相输入(-)和放大器输出102。非反相输入(+)耦合到qp1的发射器和mp3的漏极。反相输入(-)耦合到qp2的发射器和mp2的漏极。在运行期间，两个放大器输入处于相同的电位，因此确保qp1和qp2发射器处的电位相同。如下面更详细地讨论的，这确保了qp1和qp2的基极-发射极电压之间的任何差异反映在r1上。放大器输出102耦合mp1、mp2和mp3的栅极。

电路100还包括PTAT输出节点104。PTAT输出104耦合到第二补偿电阻器r3的第一末端。r3的第二末端耦合到晶体管qp2的基底。PTAT输出104也耦合到MOSFET mp1的漏极。这样，电阻器r1、r2和r3串联在PTAT输出104和地之间。电阻器的值设定为r2＝r3。r1可以采用与r2和r3不同的值。在输出104处开发的电压VO由下式定义：

V_O＝V_r1+V_r2+V_r3 (1)

此处V_r1、V_r2和V_r3是穿过三个电阻器的对应电压降。

双极晶体管qp1具有发射器面积，双极晶体管qp2具有n倍的发射器面积。这样，如果qp1和qp2馈送相同的发射器电流，则qp2的基极-发射极电压将低于qp1的极极-发射极电压。放大器A确保在反相(-)和非反相(+)输入端都存在相同的电压。qp1和qp2的发射器电压是相同的。这样，基极-发射极电压(ΔVBE)的差异反映在r1上。

电压在r1下降为ΔVBE，因此严格按照qp1和qp2的集流器电流密度比来决定。这样，在r1中产生的电流取决于ΔVBE和r1的值，而不是由qp1和qp2产生的基极电流。qp1的基极电流通过r2驱动。这样，r2开发的电压取决于r1产生的电流，qp1的基极电流和电阻器r2的值。通过r3驱动的电流是通过r1驱动的电流，较少是qp2的基极电流。这样，假设r2＝r3，基极电流有效取消，并且VO取决于ΔVBE，但与qp1和qp2的基极电流无关。

从以上等式1开始:

V_O＝ΔV_BE+I_r2.r2+I_r3.r3 (2)

Since I_r2＝I_r1+I_Bqp1(其中I_Bqp1是qp1的基极电流)并且因为I_r3＝I_r1-I_Bqp2(其中I_Bqp2是qp2的基极电流),V_O由下式给出:

V_O＝ΔV_BE+(I_r1+I_Bqp1).r2+(I_r1-I_Bqp2).r3 (3)

因此：

V_O＝ΔV_BE+I_r1.r2+I_Bqp1.r2+I_r1.r3-I_Bqp2.r3 (4)

给定I_Bqp1和I_Bqp2相等，并且r2等于r3，则可以将该方程式减少为：

V_O＝ΔV_BE+I_r1.r2+I_r1.r2 (5)

因此：

V_O＝ΔV_BE+2.I_r1.r2 (6)

用I_r1代替ΔV_BE/r1,给出:

V_O＝ΔV_BE+2.ΔV_BE.r2/r1 (6)

因此：

V_O＝ΔV_BE.(1+2.r2/r1) (7)

这样，输出104仅依赖于ΔVBE和电阻器r2和r1的值。这样，输出不依赖双极晶体管的电流增益因子。

该电路装置的另一个优点在于流过r1的电流与发射器电流不同。这样，电流通过r1可能比发射器电流大得多。相对于基极电流，通过r1的电流越大，基极电流效应越大。这也有助于降低由r1值主导的宽带噪声。

图2示出依赖照本公开的实施方案的电路200.电路200的组件中的许多与电路100的组件相同。这些元件参考使用相同的参考，并且将不再在此描述。电路100和电路200之间的唯一区别是电路200包括另外的双极晶体管qp3。qp3的发射器耦合到第一补偿电阻器r2的第二末端。qp3的基流和集流器耦合到地。qp3生成免费绝对温度(CTAT)的输出电压。这样，电路输出104可以独立于温度设定，可用作温度依赖电压参考。

电路200的输出电压104由下式给出：

V_O＝V_BEqp3+V_r1+V_r2+V_r3 (8)

这样，跨越V_r1、V_r2和V_r3开发的PTAT电压与在qp3开发的CTAT电压相结合，产生独立于温度的输出电压。qp3的发射器电流与r2中的电流相同。Ir2由下式给出：

I_r2＝ΔV_BE/r1+I_Bqp1 (9)

假设mp1、mp2和mp3的方面比例相同，qp3的基极电流与qp1的基极电流相同，因此qp3的集流器电流变为：

I_Cqp3＝ΔV_BE/r1 (10)

这样，基极电流也在qp3中补偿。

图3示出了根据本公开的另一实施方案的PTAT电路300。电路300的组件中的许多与电路100的组件相同。这些元件使用相同的参考，这里不再赘述。PTAT电路300包括堆栈架构。特别地，除了双极晶体管qp1和qp2，电路300包括双极晶体管qp3和qp4，排列成堆叠配置。电路200还包括额外的p沟道MOSFET mp4和mp5。

晶体管qp3和qp4的基极分别耦合到晶体管qp1和qp2的发射器。晶体管qp3和qp4的集流器耦合到地。qp3的发射器耦合到放大器A的非反相输入(+)。与电路100相反，非反相输入(+)不耦合到qp1的发射器。qp4的发射器耦合到放大器A的反相输入(-)。与电路100相反，反相输入(-)不耦合到qp2的发射器。这样，放大器A控制qp3和qp4的发射器的电位，而不是qp1和qp2。

放大器A的输出102耦合mp4和mp5的栅极.mp4和mp5的漏极分别耦合qp3和qp4的发射器。mp4和mp5的源耦合到正电源Vdd。

双极晶体管qp3有发射器区域统一。双极晶体管qp4具有n倍的发射器面积。这样，如果qp3和qp4输入相同的发射器电流，则qp4的基极-发射极电压将低于qp3的基极-发射极电压。

在这种电路设计中，跨r1开发的电压是两对晶体管的基极-发射极电压差的组合。这样，V_r1是电路100中的双V_r1。这样，放大器偏置电压对基极-发射极电压差的影响减小。此外，由于在电路100中V_r1为双倍V_r1，所以增益因子(r2与r1的比值)可以是电路100中的一半，以实现相同的输出电压。

图4显示电路400依照本公开的实施方案。电路400的许多组件与电路300的组件相同。这些元件使用相同的参考，这里不再赘述。电路300和电路300之间的唯一区别是电路300包括另外的双极晶体管qp5。这是与图2所示的类似的布置。qp5的发射器耦合到第一补偿电阻器r2的第二末端。qp5的基流和集流器耦合到地。qp5是一个免费的绝对温度(CTAT)组件，这样，电路输出不依赖温度。

现在将通过参考电路300和图3来描述用于补偿基极电流的上述电路装置的有效性。电路300在环境温度下使用具有约25的“β”因子的基底双极晶体管的CMOS处理进行了模拟。qp1和qp3设置为具有5μm×5μm的发射器面积。qp2和qp4由26个相同的双极晶体管形成，以并联连接，以模拟26个电阻。电阻器r1、r2和r3的值为17kΩ。发射器电流在四个双极晶体管qp1至qp4设置为0.28μA，电流通过r1、r2和r3设置为约10μA。

图5示出了假设三电阻器具有相同值的每个电阻器r1至r3上的电压降与温度的模拟图。可以看出，由于qp1的基极电流，r2上的电压降略高于r1。由于qp2的基极电流，r3上的电压降低于r1以下的电压。这样，输出电压恰好是r1电压的三倍，即三倍于ΔV_BE。因此，基极电流得到补偿。

图6是表示电路200的输出处的模拟电压的图。可以看出，电压从-40℃到125℃几乎没有变化。

电路200和400可用于三种功能之一。通过将qp3(图2)或qp5(图4)中的发射器连接到地，电路执行与电路100和300相同的PTAT功能。当qp3或qp5的发射器不耦合到地，电路提供温度依赖性参考电压。最后，电路可以通过镜像mp1的偏置电流来充当PTAT电流发生器。

Claims

1.一种和绝对温度成比例PTAT电路，所述电路包括：

第一双极晶体管和第二双极晶体管，第一双极晶体管布置为产生第一基极-发射极电压和第一基极电流，第二双极晶体管布置为产生第二基极-发射极电压和第二基极电流，第一双极晶体管和第二双极晶体管的各自的发射极偏置在相同的电压处；和

多个无源组件，耦合至所述第一双极晶体管和第二双极晶体管，其中多个无源组件包括第一电阻组件、第二电阻组件和第三电阻组件的从地起的串联布置；

其中所述第一电阻组件包括连接到第一双极晶体管的基极的第一端和连接到第二双极晶体管的基极的第二端，使得通过第一电阻组件的电流由第一双极晶体管和第二双极晶体管的各自的基极之间的电压差确定；

其中所述电路被构造为使用多个无源组件产生PTAT输出电压，所述PTAT输出电压依赖于所述第一基极-发射极电压和所述第二基极-发射极电压的差；并且

多个无源组件被构造为补偿所述第一基极电流和所述第二基极电流。

2.根据权利要求1所述的PTAT电路，其中电路被构造为产生等于跨第一电阻组件的第一基极-发射极电压和第二基极-发射极电压的差的电压。

3.根据权利要求2所述的PTAT电路，其中所述无源组件还包括由第一双极晶体管的基极电流驱动的所述第二电阻组件，以及由通过第一电阻组件的电流减去第二双极晶体管的基极电流所驱动的第三电阻组件。

4.根据权利要求3所述的PTAT电路，其中第二电阻组件耦合到第一双极晶体管的基极以及地，并且第三电阻组件耦合到第二双极晶体管的基极以及PTAT电路的输出。

5.根据权利要求4所述的PTAT电路，其中所述电路被构造为使得所述第一基极电流增加跨所述第二电阻组件的电压降，并且所述第二基极电流以相应量降低跨所述第三电阻组件的电压降，从而补偿所述第一基极电流和第二基极电流。

6.根据权利要求5所述的PTAT电路，其中所述电路被构造为产生：

通过所述第一电阻组件的第一电流，与第一基极-发射极电压和第二基极-发射极电压的差成比例；

通过所述第二电阻组件的第二电流，等于所述第一电流加上所述第一基极电流；和

通过所述第三电阻组件的第三电流，等于所述第一电流减去所述第二基极电流。

7.根据权利要求6所述的PTAT电路，其中所述第一电阻组件和第三电阻组件是具有基本相等电阻的电阻器。

8.根据权利要求7所述的PTAT电路，其中所述电路被构造为产生依赖于所述第二电流的跨所述第二电阻组件的电压，并产生依赖于所述第三电流的跨所述第三电阻组件的第二电压，从而在加和跨第一电阻组件、第二电阻组件和第三电阻组件的串联布置的单个串联电压时，补偿所述第一双极晶体管和第二双极晶体管中的基极电流。

9.根据权利要求1所述的PTAT电路，其中所述电路被构造为从所述第一双极晶体管和第二双极晶体管产生基本相同的基极电流。

10.根据权利要求1所述的PTAT电路，其中所述PTAT输出电压不依赖所述第一基极电流和第二基极电流。

11.根据权利要求l所述的PTAT电路，还包括可操作放大器，其中所述放大器的非反相输入耦合至所述第一双极晶体管的发射极，并且所述放大器的反向输入耦合至所述第二双极晶体管的发射极，并且所述第一双极晶体管和第二双极晶体管的集电极耦合到地。

12.根据权利要求1所的PTAT电路，还包括多个场效应晶体管FET，其中每个相应FET的漏极耦合至所述第一双极晶体管和第二双极晶体管中的每个的对应的发射极。

13.根据权利要求11所述的PTAT电路，还包括多个FET，其中每个相应FET的漏极耦合至所述第一双极晶体管和第二双极晶体管中的每个的每个相应的发射极，其中所述放大器的输出耦合到多个FET的栅极。

14.根据权利要求1所述的PTAT电路，还包括以堆叠布置构造的一个或多个额外的双极结晶体管。

15.根据权利要求1所述的PTAT电路，被包括在不依赖温度的电压参考电路中，所述不依赖温度的电压参考电路具有耦合至所述PTAT电路的第一和绝对温度互补CTAT组件。

16.根据权利要求15所述的PTAT电路，其中所述CTAT组件是CTAT双极结晶体管，并且所述无源组件耦合至所述CTAT双极结晶体管的发射极。

17.根据权利要求1所述的PTAT电路，被包括在电压参考电路中，所述电压参考电路包括：

CTAT组件，耦合至所述PTAT电路；以及开关结构，布置为选择性地连接PTAT电路和CTAT组件，使得在第一模式中，PTAT电路和CTAT组件连接以提供不依赖温度的电压参考，并且在第二模式中，PTAT电路和CTAT组件未连接以提供PTAT电压参考。

18.一种不依赖温度的电压参考，电路包括：

第一双极晶体管和第二双极晶体管，第一双极晶体管布置为产生第一基极-发射极电压和第一基极电流，第二双极晶体管布置为产生第二基极-发射极电压和第二基极电流，第一双极晶体管和第二双极晶体管的各自的发射极偏置在相同的电压处；

多个无源组件，耦合至所述第一双极晶体管和第二双极晶体管，其中多个无源组件包括第一电阻组件、第二电阻组件和第三电阻组件的从地起的串联布置；和

和绝对温度互补CTAT组件，耦合至多个无源组件；

其中所述电路被构造为产生使用多个无源组件以及CTAT组件生成的跨PTAT组件的不依赖温度的输出电压；和

其中多个无源组件被构造为补偿所述第一基极电流和第二基极电流。

19.一种产生和绝对温度成比例PTAT电压的方法，该方法包括：

提供电路，所述电路包括第一双极晶体管、第二双极晶体管和耦合至所述第一双极晶体管和第二双极晶体管的第一电阻组件、第二电阻组件和第三电阻组件的从地起的串联布置，其中第一双极晶体管和第二双极晶体管的各自的发射极偏置在相同的电压处，其中所述第一电阻组件包括连接到第一双极晶体管的基极的第一端和连接到第二双极晶体管的基极的第二端，使得通过第一电阻组件的电流由第一双极晶体管和第二双极晶体管的各自的基极之间的电压差确定；

在所述第一双极晶体管处产生第一基极-发射极电压和第一基极电流，以及在所述第二双极晶体管处产生第二基极-发射极电压和第二基极电流；

产生跨第一电阻组件的PTAT输出电压，所述PTAT输出电压依赖于所述第一基极-发射极电压和第二基极-发射极电压的差；和

通过在串联布置中的第二电阻组件和第三电阻组件中产生偏移电压来补偿第一基极电流和第二基极电流以补偿第一基极电流和第二基极电流在PTAT输出电压上的效应。