本发明公开了一种低电压带隙参考电路，所述低电压带隙参考电路包括提供参考电压轨的电流源。所述电路还包括Vbe回路分支，所述Vbe回路分支耦接到所述参考电压轨以获得具有负温度系数的Vbe电压。所述电路还包括用以获得ΔVbe电压的ΔVbe回路分支，所述ΔVbe回路分支采用分数Vbe电压以提供降低的正温度系数。所述电路还包括反馈放大器，所述反馈放大器在所述放大器A的输入端上设置与所述回路分支相同的电压，以在低于1.2V的温度补偿值下调节所述参考电压轨上的所述电路的输出电压。
Vbe回路分支，所述Vbe回路分支耦接到所述参考电压轨以获得具有负温度系数的Vbe电压；
用以获得ΔVbe电压的ΔVbe回路分支，所述ΔVbe回路分支采用分数Vbe电压以提供降低的正温度系数；
反馈放大器，所述反馈放大器在所述放大器的输入端上设置与所述回路分支相同的电压，以在低于1.2V的温度补偿值下调节所述参考电压轨上的所述电路的输出电压。
2.根据权利要求1所述的低电压带隙参考电路，其特征在于在低于1.2V的所述温度补偿值下在所述参考电压轨上调节所述输出电压而无需微调。
3.根据权利要求1所述的低电压带隙参考电路，其特征在于在低于1.2V的所述温度补偿值下在所述参考电压轨上调节所述输出电压，准确度高于±1％。
4.根据权利要求1所述的低电压带隙参考电路，其特征在于所述ΔVbe电压是两个晶体管的基极-发射极电压减去所述分数Vbe电压的差值。
5.根据权利要求1所述的低电压带隙参考电路，其特征在于，在电阻器上产生所述分数Vbe电压，并且所述分数Vbe电压的值由所述电阻器与另一个电阻器的比率给出。
6.根据权利要求1所述的低电压带隙参考电路，其特征在于，所述输出电压可通过平衡四个电阻器来设置。
7.根据权利要求1所述的低电压带隙参考电路，其特征在于，所述输出电压由给出。
8.根据权利要求1所述的低电压带隙参考电路，其特征在于，所述电路的输入电压比所述输出电压高的值少于10毫伏。
第一电流源(I2)，其经耦合以向参考电压轨提供电流；
第一双极性结型晶体管(Q1)，其具有经由第一集电极电阻器(RC2)耦合到所述参考电压轨的集电极，直接耦合到所述参考电压轨的基极，及经由发射极电阻器(R2)耦合到接地节点的发射极；
第二双极性结型晶体管(Q0)，其具有经由第二集电极电阻器(RC1)耦合到所述参考电压轨的集电极，通过第一基极电阻器(R4)耦合到所述参考电压轨并经由第二基极电阻器(R3)耦合到接地节点的基极，及通过中间电阻器(R1)耦合到所述发射极电阻器的发射极；
第三双极性结型晶体管(Q2)，其具有通过第二电流源(I1)驱动的集电极，耦合到所述第一基极电阻器和所述第二基极电阻器之间的节点的基极，及耦合到所述接地节点的发射极；以及反馈放大器(S)，其调节所述参考电压轨以均衡所述第一双极性结型晶体管和所述第二双极性结型晶体管的集电极电压。
10.根据权利要求9所述的低电压带隙参考电路，其中所述第一双极性结型晶体管提供具有负温度系数的第一基极-发射极电压(Vbe1)，其中所述第二双极性结型晶体管提供当从所述第一基极-发射极电压中减去时产生差分电压(ΔVbe)的第二基极-发射极电压(Vbe0)，所述差分电压具有正温度系数，并且其中所述第三双极性结型晶体管提供第三基极-发射极电压(Vbe2)以稍许地减小所述差分电压。
11.根据权利要求10所述的低电压带隙参考电路，其中所述第一集电极电阻器和所述第二集电极电阻器相等，其中所述发射极电阻器与所述中间电阻器的第一比率(R2/R1)和所述第一基极电阻器与所述第二基极电阻器的第二比率(R4/R3)平衡所述正温度系数和所述负温度系数的贡献以确保所述参考电压轨被温度补偿并保持低于1.2V。
12.根据权利要求11所述的低电压带隙参考电路，其中所述第一电流源从不超过所述参考电压轨10毫伏的电压提供所述电流。
13.根据权利要求11所述的低电压带隙参考电路，其中所述第二双极性结型晶体管的发射极面积是所述第一双极性结型晶体管的发射极面积的N倍。
14.根据权利要求13所述的低电压带隙参考电路，其中所述参考电压轨具有调节电压，所述调节电压为
15.根据权利要求11所述的低电压带隙参考电路，其中为了调节所述参考电压轨，所述反馈放大器驱动耦合在所述参考电压轨和所述接地节点之间的MOSFET的栅极电压。
16.根据权利要求11所述的低电压带隙参考电路，其进一步包括n沟道MOSFET，其具有耦合到所述第二双极性结型晶体管的所述基极的漏极，耦合到所述第三双极性结型晶体管的所述集电极的栅极，及耦合到所述第三双极性结型晶体管的所述基极的源极。
低电压带隙参考电路
技术领域
[0001] 本公开整体涉及电子器件，并且更具体地讲，涉及调节的、温度补偿的电压参考。
背景技术
[0002] 电压参考通常由电子电路提供，该电子电路输出恒定电压，而不管温度或电源的变化如何，该变化可能正常地或以其他方式引起电压波动。因此，期望的行为是即使系统中的条件变化，电压参考也保持恒定。此类电压参考可在电源稳压器、模数转换器、数模转换器等、以及许多其他测量和控制系统中使用。
[0003] 几乎所有的集成电路设备都需要精确的电压参考。一种实施方式被称为Brokaw电压参考，该电压参考通常提供介于1.2V和1.3V之间(即，约1.25V)的电压参考，并且因此需要略高的输入电压(例如，约1.4V)。但是，要求电压参考低于1.2V的集成电路设备(诸如移动应用中的那些设备)与Brokaw电压参考不兼容。
[0004] 以前曾经尝试提供适当的低电压参考，诸如耗尽NMOS电压参考。然而，此类低电压参考由于制造变化而具有高得多的分布，并且需要微调以获得期望的精度。微调在管芯面积、设备和测试时间方面是昂贵的。
发明内容
[0005] 根据本申请的一个方面，提供了低电压带隙参考电路，其特征在于：提供参考电压轨的电流源；Vbe回路分支，该Vbe回路分支耦接到参考电压轨以获得具有负温度系数的Vbe电压；用以获得ΔVbe电压的ΔVbe回路分支，该ΔVbe回路分支采用分数Vbe电压以提供降低的正温度系数；以及反馈放大器，该反馈放大器在放大器的输入端上设置与回路分支相同的电压，以在低于1.2V的温度补偿值下调节参考电压轨上的电路的输出电压。
[0006] 在一个实施方案中，该电路的特征在于，在低于1.2V的温度补偿值下在参考电压轨上调节输出电压而无需微调。
[0007] 在一个实施方案中，该电路的特征在于，在低于1.2V的温度补偿值下在参考电压轨上调节输出电压，准确度高于±1％。
[0008] 在一个实施方案中，该电路的特征在于，AVbe电压是两个晶体管的基极-发射极电压减去分数Vbe电压的差值。
[0009] 在一个实施方案中，该电路的特征在于，在电阻器上产生分数Vbe电压，并且分数Vbe电压的值由电阻器与另一个电阻器的比率给出。
[0010] 在一个实施方案中，该电路的特征在于，输出电压可通过平衡四个电阻器来设置。
[0011] 在一个实施方案中，该电路的特征在于，输出电压由给出。
[0012] 在一个实施方案中，该电路的特征在于，电路的输入电压高于输出电压少于10毫伏。
附图说明
[0013] 在各种所公开实施方案的以下详细描述中，将参考附图，其中：
[0014] 图1是现有技术电路的电路图；
[0015] 图2是调节温度补偿的输出电压的示例性电路的电路图；
[0016] 图3是调节温度补偿的输出电压的另一个示例性电路的电路图；
[0017] 图4是包括半导体晶圆的示例性半导体装置的俯视图；以及
[0018] 图5是示例性集成电路设备的透视图，该集成电路设备包括封装和引脚。
[0019] 然而，应当理解，附图中给定的具体实施方案以及对它们的详细描述并不限制本公开。相反，这些实施方案和详细描述为普通技术人员提供了分辨替代形式、等价形式和修改形式的基础，这些替代形式、等价形式和修改形式与给定实施方案中的一个或多个实施方案一起被包含在所附权利要求书的范围内。
[0020] 符号和命名
[0021] 在下面的说明书和权利要求书中通篇使用某些术语来指代特定的系统部件和构造。如本领域技术人员将理解的，公司可能利用不同的名称来指代一个部件。本文献并非意于在名称不同而功能相同的部件之间作出区分。在下面的讨论中以及在权利要求书中，术语“具有”和“包括”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成意指“包括但不限于...”。另外，术语“耦合”或“耦接”意指间接或直接的电连接或物理连接。因此，在各种实施方案中，如果第一设备耦接到第二设备，则该连接可能是通过直接电连接、通过经由其他设备和连接的间接电连接、通过直接物理连接，或者通过经由其他设备和连接的间接物理连接来实现的。
具体实施方式
[0022] 本申请要求2017年3月16日提交的名称为“Low Voltage Bandgap Reference Circuit and Method(低电压带隙参考电路和方法)”的美国临时申请No.62/472,391的权益。
[0023] 在背景技术中指定的问题至少部分地由调节温度补偿的输出电压的电路和设备解决。本文中提出的电路和设备是对Brokaw参考电路(诸如图1所示的Brokaw参考电路100)的改进。电路100包括两个晶体管Q1和Q2；四个电阻器R1、R2、R3和R4；以及反馈放大器S。此处，Q2的发射极面积是Q1的八倍，如标号A和8A所示。在其他实施方案中，Q2的发射极面积是Q1的N倍，其中N是大于1的任何自然数。当它们的公共基极处的电压较小时，使得R2两端的电压降较小，Q2的较大面积使得Q2传导更多的通过R1可用的总电流。因此，对于相同电流，Q2需要更小的基极-发射极电压。每个晶体管的基极-发射极电压Vbe1和Vbe2具有负温度系数(即，其随着温度而降低)。两个基极-发射极电压ΔVbe之间的差值具有正温度系数(即，其随温度而增加)。
[0024] 放大器S使用负反馈来迫使恒定电流通过两个晶体管Q1和Q2。所产生的集电极电压不平衡驱动放大器S，这提高了基极电压。作为另外一种选择，如果基极电压较高，迫使较大电流通过R1，则R2两端的电压将限制通过Q2的电流，使得通过Q2的电流将小于通过Q1的电流。因此，集电极电压不平衡将被反转，导致放大器S降低基极电压。这两个极端条件之间是两个集电极电流所匹配的基极电压，放大器S从任何其他条件驱动到该基极电压。当发射极电流密度J1和J2的比率是8比1(即发射极面积反比)时，将发生这种情况。
[0025] 当放大器S已产生该电流密度差值时，ΔVbe将出现在R2两端。该差值由下式给出：
[0026]
[0027] 其中k是玻耳兹曼常数(1.38e-23J*K-1)，q是电子电荷(1.602e-19C)，并且T是绝对温度(开尔文)。因为通过Q1的电流等于通过Q2的电流，所以通过R1的电流是通过R2的电流的两倍，并且R1两端的电压由下式给出：
[0028]
[0029] 假设电阻器比率和电流密度比率是不变的，则R1两端的电压直接随绝对温度T变化。Q1的基极处的电压是Vbe1与R1两端的温度相关的电压的总和。因此，电路100输出VOUT是下述二者的总和：1)基极-发射极电压差值(ΔVbe)与2)基极-发射极电压之一(Vb21或Vbe2)。
[0030] 在该电路100和其他Brokaw参考电路中，V0ut被调节为约1.25V(即，从1.2V至1.3V的任何值)。然而，集成电路设备越来越多地要求低于1.2V的电压参考，该电压参考不能由电路100提供，但是可以由图2和3所示的电路提供。
[0031] 图2示出电路202，该电路将温度补偿的输出电压Vref调节为低于1.2V。电路202可以是较大电路的一部分，集成电路设备的一部分，形成在半导体晶圆上等等，如虚线矩形200所表示。电路202包括三个双极性结型晶体管(“BJT”)Q0、Q1和Q2；两个金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)M0和M1；六个电阻器R1、R2、R3、R4、RC1和RC2；两个电流源I1和I2，以及反馈放大器A。放大器A通过感测电阻器RC1和RC2的底部端子上的电压而保持通过晶体管Q0和Q1的相同电流。放大器使用通过M0的反馈回路在其输入之间设置零电压。由于RC1和RC2的上部端子连结在一起，RC1和RC2两端存在相同电压，从而产生通过RC1和RC2的相同电流(以及因此通过Q0和Q1的相同电流)。在至少一个实施方案中，M1是耗尽负MOSFET(“NMOS”)晶体管或低Vth NMOS，并且M0是NMOS或BJT。
[0032] 电流源I2提供参考电压轨204，并且电路202包括耦接到参考电压轨204的回路分支206。该分支206获得Q1的基极-发射极电压Vbe1，该基极-发射极电压具有负温度系数。电路还包括ΔVbe回路分支208。该分支获得这样的电压，该电压包括如上所述来自Q1和Q2的基极-发射极电压的电压差，但是还包括Q2的分数基极-发射极电压Vbe2。该分数电压实现降低的正温度系数。可以在电阻器R4上产生分数Vbe2电压。尽管电阻可能对工艺变化敏感，但它们的比率通常保持相当精确。因此，电路200采用R4与R3的电阻器比率来设置并入ΔVbe回路中的Vbe2的分数。以这种方式，对于低于1.25V和/或1.2V的输出电压可以实现温度补偿。具体地讲，反馈放大器A在放大器的输入端上设置与回路分支相同的电压，以在低于1.2V的温度补偿值下调控参考电压轨上的电路的输出电压。例如，反馈放大器A将Vbe1电压与降低的ΔVbe电压组合，以在低于1.25V和/或1.2V的温度补偿值下调节输出电压Vref。这样的调节可以在没有微调的情况下进行，准确度高于±1％。具体地讲，输出电压可由下式给出：
[0033]
[0034] 其中
[0035] 如等式(3)所指出，可通过平衡四个电阻器R1、R2、R3和R4来设置输出电压。电路的输入电压高于输出电压少于10毫伏。
[0036] 图3示出电路302，该电路将温度补偿的输出电压Vref调节为低于1.2V。电路302可以是较大电路的一部分，集成电路设备的一部分，形成在半导体晶圆上等等，如虚线矩形300所表示。电路302包括五个BJT Q0、Q1、Q2、Q3和Q4；十五个MOSFET M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M13和M14；八个电阻器R1、R2、R3、R4、R5、R6、RC1和RC2；以及一个电容器Cc。反馈放大器由R6、Q3、Q4、M4、M6、M7、M8、M9、M11、M12、M13、M14、M0和Cc实现。
[0037] 电路302包括耦接到参考电压轨304的回路分支306。该分支306获得具有负温度系数的电压Vbe1，如上所述。电路还包括ΔVbe回路分支308。该分支获得如上所述的ΔVbe电压，使用分数Vbe2电压来提供降低的正温度系数。如上所述，可以使用电阻器比率R4比R3在电阻器R4上产生分数Vbe2电压。具体地讲，
[0038]
[0039] 其中N是Q0和Q1之间的发射极面积的比率。因此，输出电压由下式给出：
[0040]
[0041] 或
[0042]
[0043] 如等式(5)和(6)所指出，可通过平衡四个电阻器R1、R2、R3和R4来设置输出电压。电路的输入电压高于输出电压少于10毫伏。
[0044] 图4是包括半导体晶圆402的示例性半导体装置400的俯视图。也被称为片或衬底的晶圆402是在用于制造集成电路的电子器件中使用的诸如晶体硅之类的半导体材料的薄片。晶圆402用作内置在晶圆402内和上方的电路404的衬底，并且经历许多微制造工艺步骤，诸如掺杂或离子注入、蚀刻、各种材料的沉积、以及光刻图案化。电路404可以是上文相对于图2和3所讨论的电路202、302，并且晶圆402可由虚线矩形200、300表示。在此类工艺之后，各个电路404被分离和封装，如图5所示。
[0045] 图5是示例性集成电路设备500的透视图，该集成电路设备包括封装502以及耦接到封装502的引脚504。封装502可容纳上文相对于图2和3所讨论的电路202、302，并且封装502可由虚线矩形200、300表示。封装是半导体器件制造的最后阶段，其中电路被包封在防止物理损坏和腐蚀的支撑封装502中。封装502支撑引脚504，该引脚将设备500连接到电路板。封装可以是单列直插封装(“SIP”)、双列直插封装(“DIP”)、陶瓷DIP、玻璃密封DIP、四列直插封装(“QIP”)、瘦小型DIP、锯齿形直插封装(“ZIP”)、模制DIP、塑料DIP等。
[0046] 在一些方面，根据以下实施例中的一个或多个提供用于调节温度补偿的输出电压的系统、设备和方法：
[0047] 实施例1：低电压带隙参考电路包括提供参考电压轨的电流源。电路还包括Vbe回路分支，该Vbe回路分支耦接到参考电压轨以获得具有负温度系数的Vbe电压。电路还包括用以获得ΔVbe电压的ΔVbe回路分支，该ΔVbe回路分支采用分数Vbe电压以提供降低的正温度系数。电路还包括反馈放大器，该反馈放大器在放大器的输入端上设置与回路分支相同的电压，以在低于1.2V的温度补偿值下调节参考电压轨上的电路的输出电压。
[0048] 实施例2：集成电路设备包括封装以及耦接到封装的引脚。设备还包括由封装容纳的低电压带隙参考电路，该低电压带隙参考电路包括Vbe回路分支，该Vbe回路分支耦接到参考电压轨以获得具有负温度系数的Vbe电压。电路还包括用以获得ΔVbe电压的ΔVbe回路分支，该ΔVbe回路分支采用分数Vbe电压以提供降低的正温度系数。电路还包括反馈放大器，该反馈放大器在放大器的输入端上设置与回路分支相同的电压，以在低于1.2V的温度补偿值下调节参考电压轨上的电路的输出电压。
[0049] 实施例3：半导体装置包括半导体晶圆和形成在晶圆中或晶圆上的电路。每个电路包括Vbe回路分支，该Vbe回路分支耦接到参考电压轨以获得具有负温度系数的Vbe电压。每个电路还包括用以获得ΔVbe电压的ΔVbe回路分支，该ΔVbe回路分支采用分数Vbe电压以提供降低的正温度系数。每个电路还包括反馈放大器，该反馈放大器在放大器的输入端上设置与回路分支相同的电压，以在低于1.2V的温度补偿值下调节参考电压轨上的电路的输出电压。
[0050] 以下特征可被并入上文所述的各种实施方案中，此类特征单独并入或结合其他特征中的一个或多个并入。在低于1.2V的温度补偿值下在参考电压轨上调节输出电压而无需微调。在低于1.2V的温度补偿值下在参考电压轨上调节输出电压，准确度高于±1％。ΔVbe电压可以是两个晶体管的基极-发射极电压减去分数Vbe电压的差值。分数Vbe电压可在电阻器上产生，并且分数Vbe电压的值可由电阻器与另一个电阻器的比率给出。输出电压可通过平衡四个电阻器来设置。输出电压可由 给出。输入电压可高于输出电压不到10毫伏。
[0051] 一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。旨在使以下权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式。
