專利名稱：與溫度無關(guān)的參考電路的制作方法
與溫度無關(guān)的參考電路技術(shù)領(lǐng)域
本公開內(nèi)容總體涉及與溫度無關(guān)的參考電路(temperature independent reference circuits)領(lǐng)域，更具體而言，涉及在半導(dǎo)體芯片上制造的與溫度無關(guān)的電壓參 考電路和與溫度無關(guān)的電流參考電路。
背景技術(shù)：
與溫度無關(guān)的參考電路已廣泛用于集成電路(IC)中許多年。與溫度無關(guān)的參考電 路的目的是產(chǎn)生在溫度變化下基本恒定的(substantially constant with temperature) 參考電壓和/或參考電流。在現(xiàn)有技術(shù)的IC中，經(jīng)溫度補償?shù)?temperature-compensated) 參考電壓和經(jīng)溫度補償?shù)膮⒖茧娏饔袝r在同一硅芯片上使用分立的電路來生成。一般而 言，首先得到與溫度無關(guān)的電壓參考，然后利用該與溫度無關(guān)的電壓得到與溫度無關(guān)的電 流。但是，這種方法的缺陷是，用來分立地生成參考電壓和參考電流的線路(circuitry)通 常是復(fù)雜的，且一般占據(jù)該半導(dǎo)體(例如硅)管芯(die)的大面積。


在附圖的圖中以示例而非限制的方式圖解了本發(fā)明，附圖中
圖1圖解了用于在集成電路(IC)上同時生成經(jīng)溫度補償?shù)膮⒖茧妷汉徒?jīng)溫度補 償?shù)膮⒖茧娏鲀烧叩呐c溫度無關(guān)的參考電路的電路示意圖。
圖2圖解了用于在集成電路(IC)上同時生成經(jīng)溫度補償?shù)膮⒖茧妷汉徒?jīng)溫度補 償?shù)膮⒖茧娏鲀烧叩呐c溫度無關(guān)的參考電路的另一示例性電路示意圖。
具體實施方式
在以下的描述中闡述特定細節(jié)，如器件類型、導(dǎo)電類型、電壓、部件值、配置等，以 提供對本發(fā)明的徹底理解。但是，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識到，實施所描述的實施方 案可以不需要這些特定細節(jié)。
應(yīng)意識到，盡管公開了在某些電路配置中利用特定晶體管類型(例如N溝道場效 應(yīng)晶體管)的IC，但是在其他實施方案中也可以使用不同的晶體管類型(例如P溝道)。在 另一些實施方案中，以示例的方式示出的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件 中的一些或全部可以被替換成雙極結(jié)型晶體管(BJT)、絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)或其 它提供晶體管功能的器件結(jié)構(gòu)。此外，集成電路領(lǐng)域以及電壓和/或電流參考電路領(lǐng)域的 技術(shù)人員將理解，晶體管器件，如在圖中以示例的方式示出的晶體管器件，可以與其它晶體 管器件結(jié)構(gòu)集成，或者制作或配置成使得不同的器件共享連接和半導(dǎo)體區(qū)域(例如，N阱、 襯底等)。對本公開文本來說，“地”或“地電位”指這樣的參考電壓或電位電路或IC的所 有其它電壓或電位都是相對于該參考電壓或電位來定義或測量的。
圖1圖解了用于在IC上同時生成經(jīng)溫度補償?shù)膮⒖茧妷汉徒?jīng)溫度補償?shù)膮⒖茧?流兩者的與溫度無關(guān)的參考電路100的電路示意圖。(在本申請的語境中，認為術(shù)語“IC”與單塊器件(monolithic device)是同義的。)與溫度無關(guān)的參考電路100包括NPN雙極 型晶體管Ql、Q2、Q3和Q4。晶體管Ql和Q2是相匹配的器件，其中Ql相對于Q2的發(fā)射極 尺寸比(emitter size ratio)為“a”，其中“a”是大于1的整數(shù)。Q2的發(fā)射極被示為聯(lián)接 到地。Ql的發(fā)射極，即節(jié)點Vx，通過串聯(lián)連接的電阻器Rl和R2聯(lián)接到地。在示出的實施 方案中，與溫度無關(guān)的電流參考Ikef流過電阻器Rl和R2，其中Ikef = VX/(R1+R2)。Ql的集 電極，即節(jié)點102，聯(lián)接到Q3的基極和電阻器R3的一端。R3的另一端，即節(jié)點103，連接到 晶體管Q4的發(fā)射極。節(jié)點103提供從與溫度無關(guān)的電流參考Ikef得到的與溫度無關(guān)的電 壓參考Vkef，如下文更詳細描述的。
繼續(xù)來看圖1的實施例，晶體管Q4的基極共同聯(lián)接到Q3的集電極、電阻器R4和 P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(PM0QMP1的漏極。R4的另一端和MPl的源極被連 接到電壓供應(yīng)電位VDD。MPl的柵極被聯(lián)接以接收上電(PU)信號，該上電信號確保該電路 的適當運作。在上電時，VDD從地電位攀升(ramp up)，且PU初始是低的，以將電流驅(qū)動到 Q4的基極。當VDD達到高至足以讓電路100運作的電位時，上電信號PU變?yōu)楦撸瑥亩P(guān)閉 (turn off)MPI0
與溫度無關(guān)的參考電路100還包括聯(lián)接在VDD和Q4的集電極之間的PMOS晶體管 MP2。MP2的柵極和漏極共同聯(lián)接到與NPN晶體管Ql和Q2成電流鏡配置(current mirror configuration)的相匹配的PMOS晶體管MP3和MP4的柵極，從而通過MP4來反射與溫度無 關(guān)的電流參考Ikef，以供在該IC上別的地方輸出。本領(lǐng)域的從業(yè)者將意識到，圖1的電路生 成經(jīng)溫度補償?shù)碾娏鱅kef，然后該電流被用來在節(jié)點103處生成經(jīng)溫度補償?shù)碾妷篤KEF。為 了實現(xiàn)該結(jié)果，電阻器R3和Rl具有比值M并且相匹配，這意味著它們具有相同的電阻溫度 系數(shù)(temperature coefficient of resistance)，因為它們在該IC上由相同的材料制成。 在一個實施方案中，Rl和R3包括注入有或摻雜有P型摻雜劑的半導(dǎo)體材料。
溫度系數(shù)TC可以被定義為當溫度改變1攝氏度時物理性質(zhì)的相對變化。電阻器R3 和Rl的溫度系數(shù)TC3為正，且大于Δ Vbe的正溫度系數(shù)TCl。具體而言，Δ Vbe是晶體管Ql的 基極-發(fā)射極間的電壓與晶體管Q2的基極-發(fā)射極間的電壓之差。電阻器R2由與電阻器R3 和Rl相比不同的材料類型(例如，多晶硅)制成。R2的溫度系數(shù)TC2也為正，但小于TC1。 當該電路在適當運作時，電流鏡晶體管ΜΡ2和ΜΡ3迫使流過Ql和Q2的電流相等，從而導(dǎo)致 了串聯(lián)連接的電阻器Rl和R2兩端的ΔνΒΕ。電阻比R1/R2被選擇為使得TCl = TC2X (R2/ (R1+R2)) +TC3 X (Rl/(R1+R2))。這使組合電阻R1+R2隨溫度的變化與Δ Vbe隨溫度的變化 相同，從而導(dǎo)致了流過Rl和R2的在溫度變化下恒定(constant over temperature)的電IREF °
為了更好地理解與溫度無關(guān)的參考電路100的運作，可以用以下等式數(shù)學(xué)地表示與溫度無關(guān)的電流參考Ikef
lREF = ( ) ⑴
為了實現(xiàn)與溫度無關(guān)的電流參考Ikef，AVbe的百分比變化應(yīng)等于總電阻(R1+R2) 的百分比變化。如進一步示出的，AVbe的百分比變化可以用下面的等式⑵計算
權(quán)利要求
1.在半導(dǎo)體襯底上制造的與溫度無關(guān)的參考電路，包括第一和第二雙極型晶體管，該第一雙極型晶體管的基極和集電極聯(lián)接到該第二雙極型 晶體管的基極，該第二雙極型晶體管的發(fā)射極對該第一雙極型晶體管的發(fā)射極的尺寸比等 于N，其中N是大于1的整數(shù)，該第一雙極型晶體管的發(fā)射極聯(lián)接到地電位；第一和第二電阻器，所述第一和第二電阻器串聯(lián)聯(lián)接在該第二雙極型晶體管的發(fā)射極 和該地電位之間，所述第一和第二電阻器分別具有第一和第二電阻值Rl和R2，并分別具有 第三和第二溫度系數(shù)TC3和TC2 ；第一和第二晶體管，所述第一和第二晶體管被布置為相對于所述第一和第二雙極型晶 體管的電流鏡，使得當將電力被供應(yīng)到該與溫度無關(guān)的參考電路時，參考電流流過所述第 一和第二雙極型晶體管中的每一個，所述第一和第二電阻值使得所述第一和第二雙極型晶 體管的基極-發(fā)射極電壓之差的溫度系數(shù)TCl基本等于TC2X (R2/(R1+R2))+TC3X (Rl/(R1+R2))從而導(dǎo)致該參考電流在溫度變化下基本恒定；第三雙極型晶體管，該第三雙極型晶體管的發(fā)射極聯(lián)接到該地電位，該第三雙極型晶 體管的基極聯(lián)接到該第二雙極型晶體管的集電極，以及第三電阻器，該第三電阻器聯(lián)接在一節(jié)點和該第二雙極型晶體管的集電極之間，當電 力被供應(yīng)到該與溫度無關(guān)的參考電路時，該參考電流流過該第三電阻器，該第三電阻器具 有第三電阻值R3以及第三溫度系數(shù)TC3，該第三電阻值使得在溫度變化下，該第三雙極型 晶體管的基極-發(fā)射極電壓的百分比變化基本等于該第三電阻器兩端的電壓降的百分比 變化，從而導(dǎo)致在該節(jié)點處生成在溫度變化下基本恒定的參考電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的與溫度無關(guān)的參考電路，其中所述第一和第三電阻器包括第一 材料類型，該第二電阻器包括第二材料類型。
3.如權(quán)利要求2所述的與溫度無關(guān)的參考電路，其中該第一材料類型包括ρ型注入物。
4.如權(quán)利要求2所述的與溫度無關(guān)的參考電路，其中該第二材料類型包括多晶硅。
5.如權(quán)利要求1所述的與溫度無關(guān)的參考電路，還包括第四雙極型晶體管，該第四雙 極型晶體管的基極聯(lián)接到該第三雙極型晶體管的集電極，該第四雙極型晶體管的發(fā)射極聯(lián) 接到該節(jié)點，該第四雙極型晶體管的集電極聯(lián)接到該電流鏡的第二晶體管。
6.如權(quán)利要求5所述的與溫度無關(guān)的參考電路，其中所述第一和第二晶體管分別包括 第一和第二 ρ溝道場效應(yīng)晶體管。
7.如權(quán)利要求6所述的與溫度無關(guān)的參考電路，還包括聯(lián)接到所述第一和第二ρ溝道 場效應(yīng)晶體管的第三P溝道場效應(yīng)晶體管，該第三P溝道場效應(yīng)晶體管被配置來輸出該參 考電流。
全文摘要
與溫度無關(guān)的參考電路，包括具有共同聯(lián)接的基極的第一和第二雙極型晶體管。第一和第二電阻器串聯(lián)聯(lián)接在第二雙極型晶體管的發(fā)射極和地之間。第一和第二電阻器分別具有第一和第二電阻值R1和R2，并分別具有第三和第二溫度系數(shù)TC3和TC2。這些電阻值使得第一和第二雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓之差的溫度系數(shù)TC1基本等于TC2×(R2/(R1+R2))+TC3×(R1/(R1+R2))，從而導(dǎo)致流過第一和第二雙極型晶體管中的每一個的在溫度變化下基本恒定的參考電流。聯(lián)接在一節(jié)點和第二雙極型晶體管的集電極之間的第三電阻器的值使得在該節(jié)點處生成的參考電壓在溫度變化下基本恒定。
文檔編號G05F3/16GK102033563SQ20101050159
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月2日
發(fā)明者D·龔, L·倫德 申請人:電力集成公司