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Die
Erfindung betrifft einen Niederspannungs-Niederleistungs-CMOS-Bandabstandsreferenzschaltkreis,
umfassend einen PTAT-Generator und eine PN-Übergangs-Diode,
die eine Übergangszonenspannung
VBE mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
bereitstellt.
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Ein
Bandabstandsreferenzschaltkreis nutzt die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten
von einer Spannungsquelle mit Eigenschaften, die proportional zu
der absoluten Temperatur (PTAT, „proportional to absolute
temperature") sind,
und von der Basisemitterspannung eines bipolaren Transistors, um
eine hochstabile temperaturkompensierte Spannung bereitzustellen.
In normalen CMOS-Verfahren sind meistens lediglich vertikale bipolare
Strukturen, die als pn-Übergangs-Dioden
dienen, verfügbar.
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1 der
beigefügten
Zeichnungen zeigt ein Beispiel eines derartigen CMOS-Bandabstandsschaltkreises,
wie er in diversen Textbüchern
zu finden ist. Der Bandabstandsschaltkreis 10 umfasst die Übergangs-Dioden 12, 14 und
einen Stromspiegel, der die FETs 16, 18 mit zwei
Strompfaden A und B enthält.
Resultierend aus verschiedenen Stromdichten in den pn-Übergangszonen
in den Strompfaden A und B wird ein Strom IP mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten erzeugt.
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Ein
Vielfaches k·IP des Stroms IP wird
durch einen zweiten Stromspiegel 20 und 22 in
einen dritten Strompfad C gespiegelt und durch einen Widerstand 24 in
eine Spannung Vp = k·IP·R umgesetzt,
wobei R der Widerstandswert des Widerstands 24 ist. Die Spannung
Vp mit dem positiven Temperaturkoeffizienten
wird zu der pn-Übergangszonenspannung
VBE der Diode 26 addiert. Da die
pn-Übergangszonenspannung
VBE einen negativen Temperaturkoeffizienten
hat, ist es möglich,
eine temperaturunabhängige Referenzspannung
Uref = k·IP·R + VBE durch Auswahl des Faktors k zu erhalten.
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Die
Leistungsfähigkeit
dieses Schaltkreises ist jedoch auf Grund unterschiedlicher Potentiale
an den Knoten 30 und 32, die systematische Nichtübereinstimmungen
von Strömen
in beiden Zweigen sowie unterschiedliche Leckströme durch in 1 durch
gestrichelte Linien angedeutete, parasitäre Dioden verursachen, nicht
zufrieden stellend. Gängige dieser
Probleme umfassen Operationsverstärker (OP-AMPs), um die Potentiale
an den Knoten 30 und 32 identisch zu halten. Die
Verwendung eines OP-AMPs führt
jedoch zu anderen Problemen. Abgesehen von der größeren Komplexität des Schaltkreises
können
Schwankungen einen unvorhersehbaren Versatz (Offset) verursachen.
Um diese Effekte zu vermeiden, muss zumindest die Eingangsstufe
des OP-AMPs bipolar sein, aber bipolare Transistoren sind in Standard-CMOS-Verfahren
nicht verfügbar.
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Die
Erfindung schlägt
einen einfachen, kompakten Niederspannungs-Niederleistungs-Bandabstandsreferenzschaltkreis
vor, der lediglich Komponenten enthält, die in einem Standard-CMOS-Verfahren
verfügbar
sind.
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Dies
wird durch einen CMOS-Bandabstandsreferenzschaltkreis erreicht,
umfassend einen PTAT-Stromgenerator, der einen PTAT-Strom (IPTAT) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
bereitstellt. Der PTAT-Stromgenerator enthält einen ersten Strompfad mit
einer ersten pn-Übergangs-Diode
und einen zweiten Strompfad mit einer zweiten pn-Übergangs-Diode.
Der PTAT-Stromgenerator enthält
ferner einen ersten Stromspiegel, umfassend einen ersten Spiegel-FET,
der einen in den ersten Strompfad geschalteten Kanal und mit dem
ersten Spiegelknoten verbundenes Gate aufweist, und einen zweiten Spiegel-FET,
der einen in den zweiten Strompfad geschalteten Kanal und ein mit
dem ersten Spiegelknoten verbundenes Gate aufweist. Der erste Stromspiegel
sorgt für
denselben Strom sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Strompfad.
Der Bandabstandsreferenzschaltkreis umfasst ferner einen dritten
Strompfad mit einem Verstärker-FET.
Der Verstärker-FET
hat ein mit dem PTAT- Stromgenerator verbundenes
Gate und kopiert den PTAT-Strom in den dritten Strompfad. Der Bandabstandsreferenzschaltkreis
umfasst ferner einen vierten Strompfad mit einer dritten pn-Übergangs-Diode,
die eine Übergangszonenspannung
VBE mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
bereitstellt. Ein zweiter Stromspiegel enthält einen dritten Spiegel-FET
mit einem in den dritten Strompfad geschalteten Kanal und einem mit
einem Spiegelknoten verbundenen Gate, und einen vierten Spiegel-FET
mit einem in den vierten Strompfad geschalteten Kanal und einem
mit dem Rückkopplungsknoten
verbundenen Gate. Der zweite Stromspiegel spiegelt ein Vielfaches
des PTAT-Stroms
von dem dritten Strompfad in den vierten Strompfad. Der vierte Strompfad
enthält
ferner einen in Reihe mit der dritten pn-Übergangs-Diode geschalteten
Widerstand zur Umsetzung des Vielfachen des PTAT-Stroms in eine
Spannung, die zu der Übergangszonenspannung
VBE addiert wird, um die Ausgangsreferenzspannung
zu ergeben. Der zweite Stromspiegel enthält ferner einen ersten Rückkopplungs-FET
mit einem Kanal in dem ersten Strompfad und einem mit dem Rückkopplungsknoten
verbundenen Gate, und einen zweiten Rückkopplungs-FET mit einem Kanal
in dem zweiten Strompfad des PTAT-Stromgenerators und einem mit dem Rückkopplungsknoten
verbundenen Gate. Der erste und der zweite Rückkopplungs-FET bilden einen
Rückkopplungspfad,
um für
den ersten Stromspiegel dasselbe Potential in dem ersten und dem
zweiten Strompfad bereitzustellen. Der Verstärker-FET stellt ferner eine
Steuerung für
den Ausgangsstrompfad D über
den zweiten Stromspiegel bereit, der aus dem dritten Spiegel-FET
und dem vierten Spiegel-FET besteht. Der Verstärker-FET bildet ein aktives
Verstärkungselement
und bietet eine hohe Schleifenverstärkung, die zu einer höheren Genauigkeit
bei der Stabilisierung der Referenzspannung führt. Der dritte Strompfad kann
sowohl von der Rückkopplungsschleife
als auch von der Steuerung des Ausgangsstrompfads gemeinsam verwendet
werden. Der Rückkopplungspfad
stellt eine hohe Versorgungsspannungsunterdrückung bereit, die zu einer
hohen Versorgungsspannungsschwankungsstabilität führt.
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Weitere
Voreile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm einer CMOS-Bandabstandsreferenz gemäß dem Stand der
Technik; und
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2 ein
Schaltungsdiagramm einer CMOS-Bandabstandsreferenz gemäß der Erfindung.
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Der
CMOS-Bandabstandsreferenzschaltkreis 100 in 2 umfasst
einen PTAT-Stromgenerator 102 zur Bereitstellung eines
Stroms Iptat, der proportional zu der absoluten
Temperatur (PTAT) ist und einen positiven Temperaturkoeffizienten
aufweist. Der PTAT-Stromgenerator umfasst einen ersten Strompfad
A, einschließlich
einer ersten pn-Übergangs-Diode 104 mit
einer Anode 106 und einer mit Masse verbundenen Kathode 108,
und einen zweiten Strompfad B, einschließlich einer zweiten pn-Übergangs-Diode 110 mit
einer Anode 112 und einer mit Masse verbundenen Kathode 114.
Der erste Strompfad A und der zweite Strompfad B sind über einen ersten
Stromspiegel 115, der aus einem ersten PMOS-Spiegel-FET 116 und
einem zweiten PMOS-Spiegel-FET besteht, gekoppelt. Der erste Spiegel-FET 116 hat
einen Drain-Anschluss 120, der mit einem ersten Spiegelknoten 122 verbunden
ist, einen Source-Anschluss 124, der mit der Anode 106 der
ersten pn-Übergangs-Diode 104 über einen
Reihenwiderstand 126 verbunden ist, und einen Gate-Anschluss 128,
der mit dem ersten Spiegelknoten 122 verbunden und folglich
mit dem Drain-Anschluss 120 kurzgeschlossen ist. Der zweite
Spiegel-FET 118 hat einen Drain-Anschluss 130,
der mit einem zweiten Spiegelknoten 132 verbunden ist,
einen Source-Anschluss 134, der mit der Anode 112 der
zweiten pn-Übergangs-Diode 110 verbunden
ist, und einen Gate-Anschluss 136, der mit dem Gate-Anschluss
des ersten FETs 116 und mit dem ersten Spiegelknoten 122 verbunden
ist.
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Der
PTAT-Generator 102 umfasst ferner einen ersten NMOS-Rückkopplungs-FET 140 für den Strompfad
A und einen zweiten NMOS-Rückkopplungs-FET 142 für den Strompfad
B. Der erste Rückkopplungs-FET 140 hat
einen Drain-Anschluss 144, der
mit dem ersten Spiegelknoten 122 verbunden ist, einen Source-Anschluss 146,
der mit einer Versorgungsspannung VDD verbunden
ist, und einen Gate-Anschluss 148, der mit einem Rückkopplungsknoten 150 verbunden
ist. Der zweite Rückkopplungs-FET 142 hat
einen Drain-Anschluss 152, der mit dem zweiten Spiegelknoten 132 verbunden
ist, einen Source-Anschluss 154,
der mit der Versorgungsspannung VDD verbunden
ist, und einen Gate-Anschluss 156, der ebenfalls mit dem
Rückkopplungsknoten 150 verbunden
ist.
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Ein
PMOS-Verstärker-FET 158 ist
in einem dritten Strompfad C angeordnet. Der Verstärker-FET 158 hat
einen Drain-Anschluss 160, der mit einem Knoten 162 verbunden
ist, einen Source-Anschluss 164, der mit einem Summierungsknoten 166 verbunden
ist, und einen Gate-Anschluss 168, der mit dem dritten
Spiegelknoten 132 verbunden ist. Ein erster Kompensationskondensator 170 ist
zwischen den Gate-Anschluss 168 des Verstärker-FETs 158 und Masse
geschaltet.
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Der
dritte Strompfad C enthält
ferner einen dritten NMOS-Spiegel-FET 172 mit einem Drain-Anschluss 174,
der mit dem Knoten 162 verbunden ist, einem Source-Anschluss 176,
der mit der Versorgungsspannung VDD verbunden
ist, und einem Gate-Anschluss 178, der mit dem Rückkopplungsknoten 150 verbunden
und mit dem Drain-Anschluss 174 kurzgeschlossen ist.
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In
einem vierten, einem Ausgangsstrompfad D, ist ein vierter NMOS-Spiegel-FET 180 angeordnet,
wobei der vierte Spiegel-FET 180 gemeinsam mit dem dritten
Spiegel-FET 172 einen zweiten Stromspiegel zur Kopplung
des dritten Pfads C mit dem Ausgangsstrompfad D bildet. Der vierte
Spiegel-FET 180 hat einen Drain-Anschluss 182,
der mit einem Ausgangsknoten 184 verbunden ist, einen Source-Anschluss 186,
der mit der Versorgungsspannung VDD verbunden
ist, und einen Gate-Anschluss 188, der mit dem Rückkopplungsknoten 150 verbunden
ist.
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Eine
dritte pn-Übergangs-Diode 190,
die eine Übergangszonenspannung
VBE mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
bereitstellt, hat eine mit Masse verbundene Kathode 192 und
eine mit dem Summierungsknoten 166 verbundene Anode 194.
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Ein
Konversionswiderstand 196 ist zwischen den Ausgangsknoten 184 und
den Summierungsknoten 166 geschaltet. Ein Ausgangskompensationskondensator 198 ist
zwischen den Ausgangsknoten 184 und Masse geschaltet.
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Es
werden Gruppen von FETs und Dioden gebildet, die aufeinander abgestimmte
(matched) Konfigurationsparameter, z.B. Abmessungen (B/L), aufweisen.
In 1 haben die FETs und die pn-Übergangs-Dioden die Kennungen
X, Y und Z, um die Angehörigkeit
zu verschiedenen Gruppen zu veranschaulichen.
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Der
erste Spiegel-FET 116, der zweite Spiegel-FET 118 und
der Verstärker-FET 158 sind
zum Beispiel abgestimmt, um identische Stromdichten bereitzustellen,
angegeben durch die Kennung „X". Auf dieselbe Art
sind der erste Rückkopplungs-FET 140, der
zweite Rückkopplungs-FET 142 und
der dritte Spiegel-FET 172 abgestimmt, angegeben durch
die Kennung „Y". Das Ziel dieser
Abstimmung ist die Bereitstellung desselben Stroms IPTAT in
allen drei Strompfaden A, B und C.
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Die
Abmessungen der ersten pn-Übergangs-Diode 104 und
der zweiten pn-Übergangs-Diode 110 sind
auch abgestimmt, aber mit einem vorbestimmten Verhältnis in
ihren Parametern. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Dimensionierung der ersten pn-Übergangs-Diode 104 achtmal
so groß wie die
Dimensionierung der zweiten pn-Übergangs-Diode 110 gewählt. Deshalb
hat die zweite pn-Übergangs-Diode 110 eine
Stromdichte, die achtmal die Stromdichte in der ersten Übergangs-Diode 104 beträgt. Folglich
liefert der IPTAT-Generator einen Strom IPTAT mit einem positiven Temperaturkoeffizienten,
der durch den Verstärker-FET 158 in
den dritten Strompfad C kopiert wird.
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Durch
den zweiten Stromspiegel, der durch den dritten Spiegel-FET 172 und
den vierten Spiegel-FET 180 gebildet wird, wird der Strom
IPTAT in den vierten Strompfad D gespiegelt.
Da der dritte Spiegel-FET 172 und der vierte Spiegel-FET 180 mit
unterschiedlichen Abmessungen konfiguriert sind und ein Stromdichtenverhältnis von
y : k·y
bereitstellen, beträgt
der in den Ausgangsstrompfad D gespiegelte Strom k·IPTAT.
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Die
dritte pn-Übergangs-Diode 190 erfährt sowohl
den Strom IPTAT aus dem Strompfad C als auch
den Strom k·IPTAT aus dem Strompfad D. Um dieselbe Stromdichte
wie in der zweiten pn-Übergangs-Diode 110 zu
bekommen, ist die dritte pn-Übergangs-Diode 190 in
Relation zu der zweiten pn-Übergangs-Diode 110 mit
einem Faktor von (k + 1)·x
bemessen. Die dritte pn-Übergangs-Diode 190 stellt
eine Übergangszonenspannung
VBE mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
bereit.
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Der
durch den Konversionswiderstand 196 fließende Strom
k·IPTAT in dem Ausgangsstrompfad D verursacht
einen Spannungsabfall Vptat = k·Iptat·R
mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. An dem Ausgangsknoten 184 wird
die Spannung Vptat zu dem positiven Temperaturkoeffizienten
zu der pn-Übergangszonenspannung
VBE mit dem negativen Temperaturkoeffizienten
addiert. Deshalb stellt der Ausgangsknoten 184, der den
Ausgangsanschluss darstellt, eine Ausgangsspannung Vout =
k·IPTAT·R
+ VBE bereit. Durch Wahl des Faktors k kann
der Temperaturkoeffizient dieser Ausgangsspannung Vout minimiert
oder zum Zwecke der Kompensation maßgeschneidert werden. Somit
kann der Bandabstandsreferenzschaltkreis 100 eine Ausgangsspannung
Vout mit einem äußerst niedrigen Temperaturkoeffizienten oder
mit einem zur Kompensation angepassten Temperaturkoeffizienten in
einem integrierten oder einem diskreten Schaltkreis bereitstellen.
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Ein
negativer Rückkopplungsschleifenpfad wird über den
Rückkopplungsknoten 150 durch
den zweiten Stromspiegel, der den ersten und den zweiten Rückkopplungs-FET 140, 142 des
PTAT-Generators enthält,
bereitgestellt. Der Rückkopplungspfad stellt
sicher, dass die Potentiale an dem ersten Spiegelknoten 122 und
an dem zweiten Spiegelknoten 132 gleich sind. Durch diese
Maßnahme
kann ein hohes Versorgungsspannungsunterdrückungsverhältnis erreicht werden. Somit
beeinflussen Schwankungen in der Versorgungsspannung den PTAT-Strom
Iptat in den Strompfaden A bis D nicht.
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Auf
Grund der hohen Schleifenverstärkung des
durch den Verstärker-FET 158 gebildeten
aktiven Verstärkungselements,
kann das Verstärkungselement
gemeinsam erstens dazu verwendet werden, um eine Steuerung für den Ausgangsstrompfad
D über
den zweiten Stromspiegel bereitzustellen, und zweitens für die Rückkopplungsschleife über die Rückkopplungs-FETs 140 und 142.
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Ein
weiteres vorteilhaftes Merkmal des vorgeschlagenen Schaltkreises
besteht in der gemeinsamen Nutzung der dritten pn-Übergangs-Diode 190 sowohl
für den
dritten Strompfad C als auch für
den Ausgangsstrompfad D.
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Parasitärkapazität an dem
Knoten 162 kann einen zweiten Pol darstellen, aber auf
Grund des geringen Widerstands in dem Pfad C wird dieser Pol hin zu
hohen Frequenzen verschoben.
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Um
definierte Anlaufbetriebsbedingungen zu garantieren, ist eine Anlaufeinheit 200 mit
dem Knoten 122 in dem ersten Strompfad A verbunden, die
es ermöglicht,
einen Anlaufstrom zuzuführen.
Die Struktur und die Funktion einer derartigen Anlaufeinheit 200 sind
dem Fachmann wohl bekannt.
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Die
gemeinsame Nutzung der Komponenten zur Implementierung verschiedener
Funktionsleitungen führt
zu einer hochkompakten Bauart des Schaltkreises. Deshalb bietet
der vorgeschlagene Bandabstandsreferenzschaltkreis die wichtigen
Vorteile, dass er Fläche
einspart und mit einem niedrigen Ruhestrom betrieben werden kann.
Dennoch bietet der vorgeschlagene Schaltkreis im Vergleich zu herkömmlichen
Stromspiegelreferenzen eine höhere Leistungsfähigkeit,
d.h. zum Beispiel beim Rauschverhalten. Operationsverstärker sind
obsolet, und deshalb kann der Schaltkreis in Standard-CMOS implementiert
werden, wobei das bei PMOS-Technologie auftretende Rauschen vermieden
wird.