DE2935346A1 - INTEGRATED REFERENCE VOLTAGE SOURCE IN MOS TRANSISTOR TECHNOLOGY - Google Patents
INTEGRATED REFERENCE VOLTAGE SOURCE IN MOS TRANSISTOR TECHNOLOGYInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Bezugsspannungsquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft insbesondere eine Bezugsspannungsquelle, die eine der absoluten Temperatur proportionale Bezugsspannung liefert, welche im folgenden als PTAT-Bezugsspannungsquelle oder PTAT-Quelle bezeichnet wird, sowie eine temperaturkompensierte Bezugsspannungsquelle und einen Spannungsdetektor die auf der genannten PTAT-Bezugsspannungsquelle aufgebaut sind.The present invention relates to an integrated voltage reference source according to the preamble of claim 1. It relates in particular to a reference voltage source that is a supplies a reference voltage proportional to the absolute temperature, which is referred to below as a PTAT reference voltage source or PTAT source as well as a temperature-compensated reference voltage source and a voltage detector built on said PTAT reference voltage source.
Bezugsspannungsquellen vom erwähnten Typ werden in integrierten Analog-Schaltungen wie Aaalog-Digitaiumwandlern oder Digital-Analogumwandlern als Kalibrierspannungsquelle verwendet, oder dienen beispielsweise zur Überprüfung einer Batteriespannung.Reference voltage sources of the type mentioned are integrated in Analog circuits such as Aaalog digital converters or digital-to-analog converters used as a calibration voltage source, or are used, for example, to check a battery voltage.
In MOS-Transistortechnik integrierbare Bezugsspannungsquellen sind im Artikel von David A. Hodges, Paul R. Gray und Robert W. Brodersen "Potential of MOS Technologies for Analog Integrated Circuits",, erschienen in der Veröffentlichung ESSCIRC, 1977, Seiten 43 bis 47, erwähnt. Die Verfasser geben dabei verschiedene Möglichkeiten der Verwirklichung solcher Bezugsspannungsquellen an, wie beispielsweise die Verwendung einer Zener-Diode, die Verwendung von bipolaren Transistoren zur Bildung einer"band-gap"— Bezugsspannungsquelle oder die Verwendung der Differenz zwischen den Schwellenspannungen von Verarmungs- und Anreicherungs-MOS-Transistoren. Diese Lösungen sind jedoch zu kompliziert und zu heikel für eine industrielle Anwendung und die genannten Verfasser sind denn auch der Meinung, es sei wenig wahrscheinlich, dass genaue Bezugsspannungsquellen in völlig integrierter Form mit den üblichen MOS-Transistortechniken hergestellt werden könnten.Reference voltage sources that can be integrated into MOS transistor technology are in the article by David A. Hodges, Paul R. Gray and Robert W. Brodersen "Potential of MOS Technologies for Analog Integrated Circuits", published in the publication ESSCIRC, 1977, Pages 43 to 47 mentioned. The authors give various options for realizing such reference voltage sources such as the use of a Zener diode, the use of bipolar transistors to form a "band gap" - Reference voltage source or using the difference between the threshold voltages of depletion and enhancement MOS transistors. However, these solutions are too complicated and too sensitive for industrial application and the authors mentioned are also of the opinion that it is unlikely that exact reference voltage sources will be in a fully integrated form could be made with the usual MOS transistor techniques.
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Die Möglichkeit, integrierte Schaltungen mit im schwachen Inversionsbereich betriebenen MOS-Transistoren zur Herstellung von Bezugsspannungsquellen zu. verwenden, wird von Eric Vittoz und Jean Fellrath im Artikel "CMOS Analog Integrated Circuits based on Weak Inversion Operation", erschienen im ΙΞΕΞ Journal of Solid-state Circuits, Vol. SC-12, Nr. 3, Juni 1977, Seiten 224 bis 231, angegeben. Die vorgeschlagene Schaltung (sh. beispielsweise Figur 8 diese Artikels) liefert jedoch nur eine niedrige Spannung, die nur sehr schwer in einer Kaskadenanordnung vervielfacht v/erden kann.The ability to use integrated circuits in the weak Inversion area operated MOS transistors for manufacture from reference voltage sources to. is based on Eric Vittoz and Jean Fellrath in the article "CMOS Analog Integrated Circuits on Weak Inversion Operation ", published in the ΙΞΕΞ Journal of Solid-state Circuits, Vol. SC-12, No. 3, June 1977, pages 224 to 231. The proposed circuit (see for example Figure 8 of this article) provides only a low voltage which is very difficult to multiply in a cascade arrangement v / can earth.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,, eine PTAT-Bezugsspannungsquelle zu schaffen, die im Aufbau einfach und ohne weiteres in einer üblichen MQS-Transistortechnik herstellbar istο Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung von höheren PTAT-Bezugsspannungen mit Hilfe einer Kaskadenanordnung von Elementarkreisen oder mit Hilfe von zusätzlichen Transistoren» Die Erfindung verfolgt auch den Zwecke unter Verwendung einer erfindungsgemässen PTAT-Besugsspannimgsquelle eine temperaturkompensierte Bezugsspannung oder einen Spannungsdetektor zu schaffen„It is an object of the present invention to provide a PTAT reference voltage source to create, which can be easily and easily manufactured in a conventional MQS transistor technology in structure istο The object of the invention is also the creation of higher PTAT reference voltages with the help of a cascade arrangement of elementary circuits or with the help of additional transistors » The invention also pursues the purposes using a inventive PTAT tension source a temperature-compensated Reference voltage or a voltage detector create"
Zur Lösung der genannten Aufgabe weist die integrierte Bezugsspannungsquelle geraäss der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Bevorzugte Aus» führungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in nebengeordneten Patentansprüchen angegeben.The integrated reference voltage source geraäss the invention in the characterizing part of claim 1 specified features. Preferred embodiments of the invention are set out in the subclaims and in independent claims.
Die erfindungsgeraässen- integrierte Bezugsspannungsquellen be- ■ nötigen dank ihres einfachen Aufbaus nur eine geringe Fläche der integrierten Schaltung» Der Stromverbrauch der Schaltungen ist infolge des Betriebs der Transistoren im Bereich schwacher Inversion sehr gering. Die erfindungsgemässen Anordnungen weisen gute Gesamteigenschaften auf und die Schaltungen können so ausgelegt werden, dass sie sehr gut reproduzierbar sind»The reference voltage sources integrated according to the invention are Thanks to their simple structure, they only require a small area of the integrated circuit »The power consumption of the circuits is very low due to the operation of the transistors in the weak inversion region. The arrangements according to the invention have good overall properties and the circuits can be designed that they can be reproduced very well »
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen :The invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments with the aid of the accompanying drawings. It demonstrate :
Figur IA das Schaltschema eines Elementarkreises einer PTAT-Bezugsspannungsquelle gemäss der Erfindung,FIG. IA shows the circuit diagram of an elementary circuit of a PTAT reference voltage source according to the invention,
Figur IB das Schema einer dynamischeAnordnung entsprechend der Schaltungsanordnung von Figur IA7 FIG. IB shows the scheme of a dynamic arrangement corresponding to the circuit arrangement of FIG. IA 7
Figur 2 das Schaltschema einer PTAT Spannungsquelle mit einer Kaskadenschaltung von Schaltkreisen gemäss Figur IA,FIG. 2 shows the circuit diagram of a PTAT voltage source with a cascade connection of circuits according to FIG.
Figur 3 das Schaltschema eines Grundkreises zur Erzielung einer höheren PTAT-Bezugsspannung,Figure 3 shows the circuit diagram of a basic circuit to achieve a higher PTAT reference voltage,
Die Figuren 4A und 4B den Aufbau von Schaltungen auf der Basis von Figur 3A mit zusätzlichen Transistoren,Figures 4A and 4B show the structure of circuits on the basis of Figure 3A with additional transistors,
Figur 5A ein vereinfachtes Schaltschema einer temperaturkompensierten Bezugsspannungsquelle/ Figure 5A a simplified circuit diagram of a temperature-compensated reference voltage source /
Figur 5B die Abhängigkeit der Basis-Emitterspannung eines Hilfstransistois in Figur 5A,FIG. 5B shows the dependence of the base emitter voltage of a Auxiliary transistor in Figure 5A,
Figur 5C eine detaillierte Schallungsanordnung einer temperaturkompensiertenBezugsspannungsquelle nach Figur 5A,Figure 5C shows a detailed circuit arrangement of a temperature compensated voltage reference source according to Figure 5A,
Figur 5D ein vereinfachtes Schema eines Spannungsdetektors undFIG. 5D shows a simplified diagram of a voltage detector and
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Maskenanordnung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Transistoren gemäss Figur IA.FIG. 6 shows a schematic representation of a mask arrangement accordingly a preferred embodiment of the transistors according to Figure IA.
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Die Grundschaltung einer Bezugsspannungsquelle, wie sie in Figur IA dargestellt ist, weist swei n-Kanal MOS-Transistoren T. und T auf, die in einem selben Diffusionsgraben gebildet sind« Die Leitungsstrecken dieser Transistoren sind in Serie zwischen die Klemmen (+»-) einer Speisespannungsquelle geschaltet, welche eine Spannung O0 liefert» Die Gate-Elektroden dieser Transistoren sind untereinander^sowie mit der positiven Klemme (-S-) der Speisespaaniingscmeile verbunden and die Substratanschlüsse sind ebenfalls untereinander,sowie mit der negativen Klemme (-) dieser Spannungsquelle verbunden»The basic circuit of a reference voltage source, as shown in Figure 1A, has swei n-channel MOS transistors T. and T , which are formed in the same diffusion trench. «The lines of these transistors are in series between the terminals (+» -) connected to a supply voltage source, which supplies a voltage O 0 »The gate electrodes of these transistors are connected to one another and to the positive terminal (-S-) of the supply voltage source and the substrate connections are also connected to one another and to the negative terminal (-) of this voltage source tied together"
Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Grundschaltung sei zunächst dar auf !hingewiesen,,, dass ein MOS-Transistor bekanntlich in dem einen oder anderen der beiden folgenden Arbeitsbereiche eingesetzt werden kann :To explain the mode of operation of this basic circuit, it should first be pointed out, that a MOS transistor is known can be used in one or the other of the following two areas of work:
Im quadratischen Arbeitsbereich oder Bereich" starker Inversion^ " in dem die Gate-Quellenspannung des Transistors höher als seine extrapolierte Schwellenspannung ist (sh„ beispielsweise das Buch von A„S„ Grove "Physics and Technology of Semiconductor Devices" herausgegeben von J. Wiley & Sons, 1967 „ Kapitel 9, Seite 277 5 die extrapolierte Schwellenspannung oder "turn-on™-Spannung wird im folgenden mit V bezeichnet) 5In the quadratic working area or area "strong inversion ^" in which the gate-source voltage of the transistor is higher than its extrapolated threshold voltage (see, for example, the book by A "S" Grove "Physics and Technology of Semiconductor Devices" edited by J. Wiley & Sons, 1967 "Chapter 9, page 277 5 the extrapolated threshold voltage or" turn-on ™ voltage is denoted by V in the following) 5
Im exponentiellen Arbeitsbereich oder Bereich schwacher Inversion, in dem die Gate-Quellenspannung des Transistors unterhalb der genannten extrapolierten Schwellenspannung liegt.In the exponential work area or area of weak inversion, in which the gate-source voltage of the transistor is below said extrapolated threshold voltage.
Der Übergang vom einen Arbeitsbereich auf den anderen verläuft kontinuierlich. Im Sättigungsgebiet geht man allgemein davon aus, dass der Transistor im Bereich schwacher Inversion betrieben wird wenn Iß ^ P, UT 2 wobeiThe transition from one work area to the other is continuous. In the saturation region, it is generally assumed that the transistor is operated in the weak inversion region if I ß ^ P, U T 2 where
I_ = SenkenstromI_ = sink current
β = Quadratischer Koeffizient = Sm-C β = quadratic coefficient = Sm-C
W ' OX W ' OX
S = Formfaktor = ■=■ S = form factor = ■ = ■
IjIj
W = Effektive Kanalbreite des Transistors L = Effektive Kanallänge des TransistorsW = effective channel width of the transistor L = effective channel length of the transistor
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j> = Beweglichkeit der Ladungsträger im Kanalj> = mobility of the charge carriers in the channel
C = Gateoxyd-KapazitätC = gate oxide capacitance
U =Charakteristische Spannung = kT/qU = characteristic voltage = kT / q
k = Boitsmann-Konstantek = Boitsmann's constant
Q = ElementarladungQ = elementary charge
T = Absolute TemperaturT = absolute temperature
Im folgenden wird die Angabe, dass ein MOS-Transistor im Bereich schwacher Inversion betrieben wird,so verstanden, dass seine Gate-Quellenspannung immer kleiner als V _ ist und dass sein Senkenstrom der obigen Ungleichung genügt. Unter diesen Voraussetzungen lässt sich der Senkenstrom näherungsweise wie folgt ausdruckenIn the following, the statement that a MOS transistor is operated in the weak inversion range is understood to mean that its Gate-source voltage is always less than V _ and that its sink current satisfies the above inequality. Under these conditions the sink current can be roughly printed out as follows
Vn üt < VV - (VVV n ü t <VV - ( VV
1D - S 1DO 1 D - S 1 DO
2 V T0T Vt 2 V T0T Vt
η UT e - (e ■ - eη U T e - (e ■ - e
I _ = Charakteristischer Strom des TransistorsI _ = characteristic current of the transistor
V = Gate-SubstratspannungV = gate-substrate voltage
η = Steigungsfaktor im exponentieIlen Betriebη = gradient factor in exponential operation
V = Quellen-SubstratspannungV = source-substrate voltage
V = Senken-SubstratspannungV = drain substrate voltage
V = Extrapolierte Schwellenspannung.V = extrapolated threshold voltage.
Im Schaltschema der Figur IA sind die Senkenströme der Transistoren ΤΊ und T jeweils mit I„n und I__ bezeichnet. Wird zusatzlieh ein Strom al „ im Punkt 1 zugeführt, so wird der Senkenstrom des Transistors T,In the schematic diagram of Figure IA the drain currents of the transistors Τ Ί and T are each n with I "and I__ designated. If a current al "is additionally supplied at point 1, the sink current of transistor T,
1DL = 1D2 + aID2 1 DL = 1 D 2 + aI D2
worin a ein konstanter , insbesondere temperaturunabhängiger Faktor ist. Nach dem Schaltbild von Figur IA istwhere a is a constant, in particular temperature-independent factor. According to the circuit diagram of Figure IA is
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ϋτ ϋ τ
1Dl = Sl- 1DOl 1 Dl = S l- 1 DOl
U2/n üT -Cu1ZU1)U 2 / n ü T -Cu 1 ZU 1 )
XD2 ~ S2 I n_ e (e - e X D2 ~ S 2 I n _ e (e - e
Es vjird vorausgesetzt, dass ü„ - U 5> U „ so dass der TransistorIt is assumed that ü „- U 5> U "so that the transistor
i Jl i i Jl i
T gesättigt ist ο Praktisch genügt dasu^ dass U_ = U > 3Un, und in diesem Fall i-yirdT is saturated ο In practice it suffices that U_ = U> 3U n , and in this case i-yird
vernachlässigbar t so dassnegligible t so that
U /η U -(U1/U ) U /η U _(U /U )U / η U - (U 1 / U) U / η U _ (U / U)
e Cl^e - - ) = S2 ID02 β- Χβ (a+l)e Cl ^ e - -) = S 2 I D02 β- Χ β (a + l)
Da T1 und T im seliaen Diffusionsgraben gebildet sind^wird"Since T 1 and T are formed in the same diffusion trench ^ "
1DOl 1 DOl
so dass sichaus der vorstehenden Beziehung der folgende Ausdruck für U ergibtso that from the above relationship the following becomes Expression for U gives
U1 = UT In 2Z1 ,
insbesondere für den Fall a = 0
U1 = UT In (H-S2ZS1) .U 1 = U T In 2 Z 1 ,
especially for the case a = 0
U 1 = U T In (HS 2 ZS 1 ).
Die zwischen der Senkenelektrode (Klemme 1} und der Quellenelek trode von T auftretende Spannung U„ ist daher proportional der absoluten Temperatur T und hängt im übrigen praktisch nur von den Formfaktoren der verwendeten Transistoren ab»The between the sink electrode (terminal 1} and the source elec trode of T occurring voltage U "is therefore proportional to the absolute temperature T and depends practically only on the form factors of the transistors used »
Es hat sich gezeigt, dass im allgemeinen auch eine kleine Differenz AV zwischen den Schwellenspannungen der beiden Transistoren T, und T„ auftritt, wobei typische Werte für dieseIt has been shown that in general there is also a small difference AV between the threshold voltages of the two transistors T, and T "occurs, with typical values for these
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Differenz zwischen O und 20 mV liegen. Es ergibt sich daraus für die Spannung U-^ ein Fehler der gleichen Grössenordnung, nämlich ΔV/n, wobei dieser Fehler jedoch praktisch unabhängig von der Temperatur ist«Difference between 0 and 20 mV. It follows from that for the voltage U- ^ an error of the same order of magnitude, namely ΔV / n, although this error is practically independent the temperature is "
Eine Anordnung mit zwei völlig identischen Transistoren T-, T« lässt sich dadurch herstellen, dass man einen einzigen Transistor verwendet, der abwechselnd die Rolle von T.. und von T„ spielt. Da in der Schaltung von Figur IA die beiden Transistoren zwei gemeinsame Elektroden aufweisen, wird die Verwirklichung der Umschaltung besonders einfach.An arrangement with two completely identical transistors T-, T « can be made by using a single transistor which alternately takes on the role of T .. and T " plays. Since the two transistors have two common electrodes in the circuit of FIG. 1A, the implementation is possible switching is particularly easy.
Figur IB zeigt das Prinzipschema einer dynamischen Ausführungsform der Grundschaltung von Figur IA. Die Leitungsstrecke eines Transistors T, der im Bereich schwacher Inversion betrieben wird, ist einerseits mit einem Umschalter SW verbunden, welcher die entsprechende Elektrode der Leitungsstrecke des Transistors abwechselnd mit der einen und der anderen Klemme einer Speisespannungsquelle U„ verbindet. Die Umschaltstellungen p,, p~ entsprechen jeweils der negativen (-) und der positiven (+) Klemme der Speisespannungsquelle. Die Gate-Elektrode des Transistors ist mit der positiven Klemme (+) verbunden und die andere Elektrode der Leitungsstrecke von T ist über eine Kapazität C, mit der negativen Klemme (-) verbunden. In der Stellung p, des Umschalters spielt der Transistor T die Rolle von T, der Figur IA, und in Stellung p„ die Rolle von T„. Ist die Kapazität C, genügend gross, um eine praktisch konstante Spannung U, zu erzielen, so kann man zeigen, dassFIG. IB shows the basic diagram of a dynamic embodiment of the basic circuit from FIG. IA. The line route of a Transistor T, which is operated in the weak inversion range, is connected on the one hand to a changeover switch SW, which the corresponding electrode of the conduction path of the transistor alternating with one and the other terminal of a supply voltage source U “connects. The switching positions p ,, p ~ correspond to the negative (-) and positive (+) terminal of the supply voltage source. The gate electrode of the transistor is connected to the positive terminal (+) and the other electrode of the line path from T is via a capacitance C, connected to the negative (-) terminal. In the position p, of the switch, the transistor T plays the role of T, the Figure IA, and in position p "the role of T". Is the capacity C, large enough to maintain a practically constant voltage U. one can show that
U1 = UT In (1 +^t1)U 1 = U T In (1 + ^ t 1 )
wobei t1 und t2 jeweils die Zeitspannen darstellen, in denen der Umschalter die Stellungen P1 und p_ einnimmt. Das Verhältnis t2/t1 ersetzt somit das Verhältnis der Formfaktoren im Fall von zwei Transistoren. Wird die Schaltung von Figur IB aus einerwhere t 1 and t 2 each represent the time periods in which the changeover switch assumes the positions P 1 and p_. The ratio t 2 / t 1 thus replaces the ratio of the shape factors in the case of two transistors. If the circuit of Figure IB from a
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- I!- I!
Stromquelle gespeist, so muss die Kapasität C5 stoischen den Klemmen (+) und C-) genügend gross sein, nm die Konstanz der Spannung U, in diesem dynamischen Krsis su gswahrleisten«Power source supplied, so must the capasity C 5 stoic terminals (+) and C) large be sufficient nm the constancy of the voltage U, in this dynamic Krsis su gswahrleisten "
Die Grundschaltung von Eigur IA erlaubt in der Praxis bei eia©r üblichen Dimensionierung clsr Transistoren ^ Spannungen U« i-a der Grössenordnung "/on hundert Millivolt au erreichen» Um höhere PTAT-Besugsspanriungeri su srzMsri, lassen sich mshrere solcher Grundschaltungea. auf einfach© Ils iss in Easkad© anordnen»The basic circuit of Eigur IA allows in practice at eia © r usual dimensioning clsr transistors ^ voltages U «i-a der Order of magnitude "/ on a hundred millivolts au" to reach higher PTAT-Besugsspanriungeri su srzMsri, let yourself be more of such Basic circuit a. simply arrange © Ils eat in Easkad © »
Figur 2 zeigt eine solche Bezugsspannungsquells, vielchs aus ρ Grundschaltungen oder Elementarkreisea aufgebaut ist» Jeder Elementarkreis weist swei η-Kanal Transistoren ausweiche den -Transistoren T1 und T9 der Figur IA entsprechen, und jeder Grundkreis wird jeweils durch ein® entsprsehende Stromquelle gespeist. Der k-te Kiementarkreis,- k = X1 2, 3, ».., p, weist dementsprechend Traasitoren T1, und T-, auf„ welche jeweils in einem selben Diffusionsgraben gebildet sind und untereinander analog den Transistoren T1 und T» von Figur IA geschaltet sind=- Die entsprechende Stromquelle wird durch einen ρ ..Kanal Transistor T_, gebildet, dessen Leitungsstrecke in Serie mit denen der Transistoren T,^. und T», liegt, v«?obei die Quellenelektroden allerFigure 2 shows such a reference voltage source, made up of many ρ basic circuits or elementary circuits a »Each elementary circuit has two η-channel transistors, which correspond to the transistors T 1 and T 9 of Figure 1A, and each basic circuit is fed by a corresponding current source. The k-th Kiementarkreis, - k = X 1 2, 3, ».., p, accordingly has tracers T 1 , and T-, which are each formed in the same diffusion trench and analogous to the transistors T 1 and T with one another »From Figure IA are connected = - The corresponding current source is formed by a ρ .. channel transistor T_, whose line path is in series with those of the transistors T, ^. and T ", lies, v"? ob with the source electrodes of all
Transistoren T-. mit der positiven Kleiame (·:-) einer Speiseiis. Transistors T-. with the positive Kleiame (· :-) an ice cream.
Spannungsquelle verbunden sind= Die Gate-Elektroden aller Transistoren T„, sind untereinander, sowie mit der Gate-Elektrode eines Transistors T70 verbunden, dessen Senkenelektrode ebenfalls mit der Gesamtheit der genannten Gate-Elektroden verbunden ist. Die Leitungsstrecke von T70 ist in Serie mit einem strombestimmenden Element R- zwischen die Klemmen der Speisespannungsquelle geschaltet« Das Element Rn bestimmt den Senkenstrom I_ des Transistors T und kann beispielsweise ein Widerstand oder eine KonstantStromquelle sein. Die einzelnen von den Transistoren T-^ gelieferten Ströme v/erden mit I. bezeichnet.Voltage source are connected = the gate electrodes of all transistors T 1 are connected to one another and to the gate electrode of a transistor T 70 , the drain electrode of which is also connected to the entirety of said gate electrodes. The line section from T 70 is connected in series with a current-determining element R- between the terminals of the supply voltage source. The element R n determines the sink current I_ of the transistor T and can, for example, be a resistor or a constant current source. The individual currents supplied by the transistors T- ^ are denoted by I.
Die Elementarkreise der Bezugsspannungsquelle sind untereinanderThe elementary circuits of the reference voltage source are one below the other
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derart verbunden, dass die Quellenelektrode des Transistors T,, des ersten Elementarkreises (k=l) mit der negativen Klemme (-) der Speisespannungsquelle und die Quellenelektrode des Transistors Tn, des k-ten Elementarkreises mit der Senkenelektrode des Transistors T1,, ,. des (k-l)-ten Elementarkreises verbunden sind. Der Transistor T wird daher von der Summe der Ströme I, bis I durchflossen, während T„, nur von I, durchflossen wird. Man erhält demnach folgende Beziehungconnected in such a way that the source electrode of the transistor T ,, of the first elementary circuit (k = l) with the negative terminal (-) of the supply voltage source and the source electrode of the transistor T n , of the k-th elementary circuit with the sink electrode of the transistor T 1 ,, ,. of the (kl) -th elementary circle are connected. The transistor T is therefore traversed by the sum of the currents I, to I, while T ", only by I, is traversed. The following relationship is obtained
ülk =üTln [1+S2k ü lk = ü T ln [ 1 + S 2k
worin S11 und S01 jeweils die Formfaktoren der Transistoren T1,where S 11 and S 01 are the shape factors of the transistors T 1 ,
XK ZK XKXK ZK XK
und T , darstellen.and T, represent.
Wie Figur 2 zeigt, ist der Transistor T-, so geschaltet, dass er mit T__ zusammen eine Stromspiegelschaltung bildet. Sind insbesondere die Ströme I, bis I alle untereinander gleich, so ergibt sich für die gesamte BezugsspannungAs Figure 2 shows, the transistor T- is connected so that it together with T__ forms a current mirror circuit. Are in particular the currents I to I are all equal to each other, then results for the entire reference voltage
U1 = ^_ ülk = UT ^_ In |_1 + (p-k) S2k / Slk k=l k=lU 1 = ^ _ ü lk = U T ^ _ In | _1 + (pk) S 2k / S lk k = lk = l
Sind alle Elementarkreise untereinander gleich ausgebildet, wobei S0, = S und S , = S1, und ist S„» S1, so wird die Spannung U näherungsweiseIf all elementary circles are designed in the same way, where S 0 , = S and S, = S 1 , and if S "» S 1 , then the voltage U is approximately
S2 S 2
U, = UU, = U
[p In g- + In (p i)][p In g- + In (p i)]
Die Schaltungsanordnung von Figur 2 erlaubt somit eine hohe Bezugsspannung zu erzielen, welche genau proportional U_, ist, d.h. proportional der absoluten Temperatur T ist. Der Stromverbrauch dieser Anordnung kann mit Hilfe von R- eingestellt werden, was einen zusätzlichen Vorteil darstellt. In einer abgewandelten Anordnung können die Transistorenpaare T11, T31 bis T, , T2 The circuit arrangement of FIG. 2 thus allows a high reference voltage to be achieved, which is exactly proportional to U_, that is to say is proportional to the absolute temperature T. The power consumption of this arrangement can be adjusted using R-, which is an additional advantage. In a modified arrangement, the transistor pairs T 11 , T 31 to T 1, T 2
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in einem gemeinsamen Diffusionsgraben gebildet werden. Die minimale Speisespannung ist dann jedoch wegen eines Modulationseffektes durch das Substrat höher anzusetzen. are formed in a common diffusion trench. the however, the minimum supply voltage must then be set higher because of a modulation effect through the substrate.
Eine andere Schaltungsanordnung zur Erzielung von höheren Bezugsspannungen mit Hilfe der Grundschaltung ist in Figur 3 dargestellt. Zwei η-Kanal Transistoren T,3 und T34 die jeweils den Transistoren T1 und T- der Figur IA entsprechen, sind untereinander in der gleichen Art wie T, und T„ verbunden. Dieser Elementarkreis wird durch einen p-Kanal Transistor T,_ gespeist, wobei die Leitungsstrecke dieses Transistors in Serie mit denen der Transistoren T13 und T zwischen die Klemmen (+,-) einer Speisespannungsquelle geschaltet ist.Another circuit arrangement for achieving higher reference voltages with the aid of the basic circuit is shown in FIG. Two η-channel transistors T, 3 and T 34, which each correspond to the transistors T 1 and T 1 of FIG. 1A, are connected to one another in the same way as T 1 and T 1. This elementary circuit is fed by a p-channel transistor T, _, the conduction path of this transistor being connected in series with those of the transistors T 13 and T between the terminals (+, -) of a supply voltage source.
Die Senkenelektrode des Transistors T.. 3 ist mit der Gate-Elektrode eines anderen η-Kanal Transistors T35 verbunden, dessen Leitungsstrecke in Serie mit derjenigen eines fünften Transistors T , vom ρ-Kanal Typ zwischen die Klemmen (+,-) geschaltet ist. Die Gate-Elektroden der Transistoren T1-, und Tco sind unterein-The drain electrode of the transistor T .. 3 is connected to the gate electrode of another η-channel transistor T 35 , the line path of which is connected in series with that of a fifth transistor T, of the ρ-channel type between the terminals (+, -) . The gate electrodes of the transistors T 1 -, and T co are
bx dzbx dz
ander, sowie mit der Senkenelektrode von Tj--, verbunden, wodurch die beiden Transistoren T_, und Tß2 eine Stromspiegelschaltung bilden.other, as well as with the drain electrode of Tj--, connected, whereby the two transistors T_, and T ß2 form a current mirror circuit.
Die Transistoren sind so dimensioniert, dass sie im Bereich schwacher Inversion arbeiten und die Speisespannung ist genügend gross gewählt, um die Transistoren T„. und T__ zur Sättigung zu bringen.The transistors are dimensioned so that they work in the weak inversion range and the supply voltage is sufficient chosen large to the transistors T ". and T__ to saturation bring to.
Die Senkenströme der Transistoren T?- und T sind jeweils mit I„The sink currents of the transistors T ? - and T are each with I "
und I_ bezeichnet. Bezeichnet man ferner mit Sc und S,. die 3 oband I_ denotes. One also denotes with S c and S ,. the 3 ob
jeweiligen Formfaktoren der Transistoren T5, und Tg2, so ergibt sich infolge der Stromspiegelschaltungrespective shape factors of the transistors T 5 , and Tg 2 , it results as a result of the current mirror circuit
I2 = I3S6 /S5 I 2 = I 3 S 6 / S 5
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Ferner zeigt das Schaltbild, dass der Senkenstrom I1 von T13 gleich I_ ist. Die charakteristischen Ströme I- dieser Transistoren, die in einer gleichen integrierten Schaltung gebildet sind, sind bekanntlich untereinander gleich, so dass man mit den Bezeichnungen S , S- und S3 für die jeweiligen Formfaktoren der Transistoren T, _, T34 und T31. und unter Berücksichtigung der Sättigung von T35 folgende Beziehung erhältThe circuit diagram also shows that the sink current I 1 of T 13 is equal to I_. The characteristic currents I- of these transistors, which are formed in the same integrated circuit, are known to be equal to one another, so that one can use the designations S, S- and S 3 for the respective form factors of the transistors T, _, T 34 and T 31 . and taking the saturation of T 35 into account, is given the following relationship
Vn UT -(VÜT)
1I = Sl 1DO e (1"e = T2 = 1S VS5 *Vn U T - (V Ü T)
1 I = S l 1 DO e (1 " e = T 2 = 1 SV S 5 *
Vn ütV n u t
- S3 1DO e S6/S5- S 3 1 DO e S 6 / S 5
U1 und U sind dabei jeweils analog zu Figur IA die Spannungen zwischen den Senkenelektroden von T, 3 und T34 und der negativen Klemme (-).U 1 and U are each analogous to FIG. 1A, the voltages between the drain electrodes of T, 3 and T 34 and the negative terminal (-).
Im Elementarkreis T13, T-. erhält man wie in Figur IA U1 = UT In (1 + S2ZS1)In the elementary circle T 13 , T-. one obtains as in Figure IA U 1 = U T In (1 + S 2 ZS 1 )
V0TV 0 T
e ± L = 1 +e ± L = 1 +
womit die Beziehung I =1 folgende Gleichung ergibt ü2/n ÜT l/nwith which the relationship I = 1 results in the following equation ü 2 / n Ü T l / n
S1 e S2Z(S1+S2) - S3 (I+S2ZS1) /n S6Zs5 S 1 e S 2 Z (S 1+ S 2 ) - S 3 (I + S 2 ZS 1 ) / n S 6 Zs 5
worausfrom what
U2 = η UT In [(S3ZS1) (S6ZS5) (I+S1ZS2)U 2 = η U T In [(S 3 ZS 1 ) (S 6 ZS 5 ) (I + S 1 ZS 2 )
Man erzielt somit in dieser Anordnung eine Bezugsspannung U2 welche proportional U ist und im übrigen nur von den Formfaktoren der Transistoren und von deren Steigungsfaktor η abhängt. Es ist zu bemerken, dass die Ströme I1 = I2 und I3 In this arrangement, a reference voltage U 2 is thus achieved which is proportional to U and otherwise only depends on the shape factors of the transistors and their slope factor η. It should be noted that the currents I 1 = I 2 and I 3
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unabhängig von der Speisespannung sind. Dies folgt aus dem vorstehenden, aus dem sich die Beziehungare independent of the supply voltage. This follows from the foregoing, from which the relationship emerges
1I = 1DO S3 «W (1 + VSl) 1 I = 1 DO S 3 «W (1 + V S l )
ergibt. Die obere Grenze des für eine gegebene Technologie charakteristischen Stromes 1 „ erlaubt die Transistoren der Schaltung so zu dimensionieren, dass deren Betrieb im Bereich schwacher Inversion gewährleistet ist.results. The upper limit of the current 1 “, which is characteristic for a given technology, allows the transistors of the Dimension the circuit in such a way that its operation in the area of weak inversion is guaranteed.
Durch Hinzufügung von zusätzlichen Transistoren lassen sich ausgehend von der Anordnung von Figur 3A praktisch beliebig hohe Bezugsspannungen erzielen, wobei diese selbstverständlich immer kleiner als die Speisespannung sind.By adding additional transistors, starting from the arrangement of FIG. 3A, practically any number of transistors can be used achieve high reference voltages, these of course are always lower than the supply voltage.
Die Figuren 4A und 4B zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen, die aus der Anordnung von Figur 3 hergeleitet sind und in ihrem Verhalten gleichwertig sind. Die fünf Grundtransistoren, die denjenigen der Figur 3 entsprechen, sind in den Figuren 4A und 4B in analoger Weise bezeichnet.Figures 4A and 4B show two different embodiments that are derived from the arrangement of Figure 3 and in their Behavior are equivalent. The five basic transistors, which correspond to those of Figure 3, are in Figures 4A and 4B in an analogous manner.
Um zur Anordnung von Figur 4A zu gelangen, wurden (Q-5) n-Kanal Transistoren und (Q-5) p-Kanal Transistoren zu den genannten fünf Grundtransistoren hinzugefügt, so dass eine entsprechende Anzahl von zusätzlichen Zweigen entsteht, deren jeder durch einen p-Kanal Transistor T,., i = 6, 7, ..., Q und einen ent-To arrive at the arrangement of Figure 4A, (Q-5) were n-channel Transistors and (Q-5) p-channel transistors are added to the mentioned five basic transistors, making a corresponding one Number of additional branches, each of which is formed by a p-channel transistor T,., I = 6, 7, ..., Q and a corresponding
DlDl
sprechenden η-Kanal Transistor T.., j = (Q+l), (Q+2), ..., (2Q-5) gebildet wird. Die Leitungsstrecken dieser Transistoren sind in ·. jedem Zweig in Serie geschaltet. Die Transistoren T-. sind mitspeaking η-channel transistor T .., j = (Q + l), (Q + 2), ..., (2Q-5) is formed. The conduction paths of these transistors are in ·. connected in series to each branch. The transistors T-. are with
DlDl
ihren Quellenelektroden an die positive Klemme (+) der Speisespannungsquelle angeschlossen und ihre Gate-Elektroden sind untereinander und mit denen der Transistoren Tc1 und T,.- verbunden. Die Transistoren T.. sind in getrennten Diffusionsgräben gebildet und ihre Gate-Elektrode ist jeweils mit ihrer Senkenelektroden verbunden, während ihr Substrat mit der Quellenelektrode verbunden ist.their source electrodes are connected to the positive terminal (+) of the supply voltage source and their gate electrodes are connected to one another and to those of the transistors T c1 and T, .-. The transistors T .. are formed in separate diffusion trenches and their gate electrode is in each case connected to their drain electrodes, while their substrate is connected to the source electrode.
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Die Quellenelektrode des Transistors T.. .. ist mit der Senkenelektrode des Transistors T24 verbunden und die Quellenelktrode jedes Transistors T4. ist mit der Senkenelektrode des vorhergehenden Transistors T...,. verbunden. Somit addieren sich die Senken-Quellenspannungen der einzelnen Transistoren T.., die in Kaskade geschaltet sind, und zu diesen addiert sich ferner die Ausgangsspannung U2 der Grundschaltung. Werden die Transistoren T.. mit untereinander gleichen Formfaktoren hergestellt, deren Grosse S. sei,und werden die Transistoren Tg. ebenfalls mit untereinander gleichen Formfaktoren hergestellt/ die ferner gleich dem des Transistors Tg2 seien und die GrosseThe source electrode of the transistor T .. .. is connected to the drain electrode of the transistor T 24 and the source electrode of each transistor T 4 . is connected to the drain electrode of the preceding transistor T ...,. tied together. The sink-source voltages of the individual transistors T .., which are connected in cascade, thus add up, and the output voltage U 2 of the basic circuit is also added to these. If the transistors T .. are produced with mutually identical form factors, the size of which is S., and the transistors T g . also produced with mutually identical form factors / which are also equal to that of the transistor T g2 and the size
S, haben, so erhält man
ο S, you get
ο
U2 = η ÜT in [(S3ZS1) (Q-4) (SgZS5).U 2 = η Ü T in [(S 3 ZS 1 ) (Q-4) (SgZS 5 ).
.(1+S1Zs2) (1+S2Zs1)1711 J. (1 + S 1 Zs 2 ) (1 + S 2 Zs 1 ) 1711 J
U21 = U2 + nüT In [ (S3ZS4) (Q-5) (SgZS5) (1+S3ZS1)1/n U 21 = U 2 + nü T In [(S 3 ZS 4 ) (Q-5) (SgZS 5 ) (1 + S 3 ZS 1 ) 1 / n
Es tritt daher zwischen der Senke des letzten Transistors T4(2O-5 und der Quelle von T13 eine gesamte Bezugsspannung U3.-,-. auf, die immer proportional η UT ist.A total reference voltage U 3 .-, -., Which is always proportional to η U T , therefore occurs between the drain of the last transistor T 4 (2O-5 and the source of T 13 ).
In der Schaltungsanordnung gemäss Figur 4B sind (Q-5) n-Kanal Transistoren T . (j = 6, 7, ...,Q) untereinander in Serie zwischen den Elementarkreis T13, T24 und den Transistor Tß3 geschaltet, welcher den gesamten Senkenstrom für alle diese Transistoren liefert. Die Gate-Elektroden der Transistoren T4. sind wie in Figur 4A mit den Senkenelektroden dieser Transistoren verbunden. Die Transistoren T4. sind in getrennten Diffusionsgräben hergestellt und arbeiten wie in den früheren Beispielen im Bereich schwacher Inversion. In the circuit arrangement according to FIG. 4B, (Q-5) n-channel transistors T are. (j = 6, 7, ..., Q) connected in series between the elementary circuit T 13 , T 24 and the transistor T ß3 , which supplies the entire sink current for all these transistors. The gate electrodes of the transistors T 4 . are connected to the drain electrodes of these transistors as in Figure 4A. The transistors T 4 . are made in separate diffusion trenches and work as in the earlier examples in the area of weak inversion.
Die durch den Elementarkreis T13, T34 gelieferte Spannung U3 hat denselben Ausdruck wie"in Figur 3. Zwischen der Senken-The voltage U 3 supplied by the elementary circuit T 13 , T 34 has the same expression as "in FIG.
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elektrode und der Quellenelektrode jedes Transistors T .., dessen Formfaktor mit S. bezeichnet wird,, erhält man eine zusätzliche Spannungelectrode and the source electrode of each transistor T. ., the form factor of which is denoted by S., an additional voltage is obtained
Δ U = η UT In [ (S3/S4) (S5ZS5) (l+S^S^ 1/n] , welche sich zu U addiert.Δ U = η U T In [(S 3 / S 4 ) (S 5 ZS 5 ) (l + S ^ S ^ 1 / n ], which adds to U.
Die gesamte Bezugsspannung/ die somit zwischen der Senkenelektrode des Transistors T und der Quellenelektrode des Transistors T- auftritt wird daherThe entire reference voltage / which thus occurs between the drain electrode of the transistor T and the source electrode of the transistor T- is therefore
ü2(Q-5) =U2 + (Q~5) Δϋ *
Diese Spannung ist demnach wieder proportional n-U . ü 2 (Q-5) = U 2 + (Q ~ 5) Δϋ *
This voltage is therefore proportional to nU again.
In der Praxis lassen sich auf diese Weise Spannungen von etwa 800 Millivolt mit nur zwei zusätzlichen Transistoren T.., deren Formfaktoren nicht grosser als 10 sind, gemäss den Schaltungen der Figuren 4A und 4B erzielen.In practice, voltages of about 800 millivolts with only two additional transistors T .., their Form factors are not larger than 10, according to the circuits of Figures 4A and 4B.
Die oben beschriebenen PTAT-Bezugsspannungsquellen können in vorteilhafter Weise in einer Anordnung Verwendung finden, die eine temperaturkompensierte Bezugsspannung liefert (band-gap reference),d.h. eine Bezugsspannung die unabhängig von der Temperatur ist.The PTAT reference voltage sources described above can be used in can be used advantageously in an arrangement that supplies a temperature-compensated reference voltage (band-gap reference), i.e. a reference voltage which is independent of the Temperature is.
Ein Beispiel ist schematisch in Figur 5A dargestellt. Es weist eine PTAT-Quelle auf, sowie einen Operationenverstärker A, einen bipolaren Transistor Te (zum Beispiel vom npn Typ, η - p-Diffusionsgraben - n-Substrat) , eine Stromquelle J, einen Regulier-Transistor T (zum Beispiel einen p-Kanal MOS-Transistor), und einen Spannungsteiler R , R .An example is shown schematically in Figure 5A. It has a PTAT source, as well as an operational amplifier A, a bipolar transistor T e (for example of the npn type, η - p diffusion trench - n substrate), a current source J, a regulating transistor T (for example a p Channel MOS transistor), and a voltage divider R, R.
Die Stromquelle J liefert dem bipolaren Transistor T3 einen konstanten Strom !.Bekanntlich ist in einem solchen Fall dieThe current source J supplies the bipolar transistor T 3 with a constant current!
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Basis-Emitter-Spannung V_,_ von T_ eine abnehmende lineareBase-emitter voltage V _, _ from T_ a decreasing linear
ash b ash b
Funktion der absoluten Temperatur. Diese Beziehung ist in Eigur 5B graphisch dargestellt. Der Wert V_. ist die Breite des verbotenen Bandes von Silizium bei Extrapolation bis 0 K.Function of the absolute temperature. This relationship is graphically illustrated in Figure 5B. The value V_. is the width of the forbidden band of silicon with extrapolation to 0 K.
Die am Spannungsteiler R,, IU (Ausgangsklemme R) auftretende Spannung ist mit U bezeichnet und stellt die BezugsspannungThe one occurring at the voltage divider R ,, IU (output terminal R) Voltage is designated with U and represents the reference voltage
XVXV
Die Spannung am Widerstand R_ wird infolge der verwendeten den VersThe voltage across the resistor R_ is used as a result of the the verse
schleiferibbon
den Verstärker A und den Transistor Tn enthaltenden Regel-the amplifier A and the transistor T n containing control
b-üR=ü+VBE b - ü R = ü + V BE
mit b =with b =
Wird die PTAT-Bezugsspannungsquelle so dimensioniert, dass für eine gegebene TemperaturIf the PTAT reference voltage source is dimensioned so that for a given temperature
ü = VG0 - VBE
so erhält man eine temperaturkompensierte Bezugsspannung ü = V G0 - V BE
in this way a temperature-compensated reference voltage is obtained
ÜR = VG0/b· Ü R = V G0 / b
Der Wert dieser Bezugsspannung kann durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses b eingestellt werden, womit gegebenenfalls auch ein durch eine Unsymmetrie der Transistoren T1 , T„ entstehender Fehler in der Spannung U korrigiert werden kann. FürThe value of this reference voltage can be set by a suitable choice of the ratio b, with which, if necessary, an error in the voltage U caused by an asymmetry of the transistors T 1 , T "can also be corrected. For
Figur 5C zeigt das detaillierte Schaltbild einer temperaturkompensierten Bezugsspannungsquelle entsprechend der Prinzip-Figure 5C shows the detailed circuit diagram of a temperature compensated Reference voltage source according to the principle
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schaltung von Figur 5A.circuit of Figure 5A.
In der in diesem Beispiel verwendeten PTAT-Bezugsspannungsquelle, welche derjenigen von Figur 2 entspricht,, sind die Transistoren in analoger Weise wie in Figur 2 bezeichnet. Der Operationenverstärker A weist η-Kanal MOS-Transistoren T, g, T17, tiq ' T3if T_3 ,sowie p-Kanal MOS-Transistoren T2-, T27" T32" T34 ent~ sprechend dem Schema von Figur 5C auf.In the PTAT reference voltage source used in this example, which corresponds to that of FIG. 2, the transistors are designated in a manner analogous to that in FIG. The operational amplifier A has η-channel MOS transistors T, g, T 17 , t iq ' T 3i f T_ 3 , and p-channel MOS transistors T 2 -, T 27 " T 32" T 34 in accordance with the scheme of Figure 5C.
Die der Temperatur proportionale Spannung U wird an die Gate-Elektrode des Transistors T^6 (Klemme -) angelegt und der Emitter des bipolaren Transistors T ist mit der Gate-Elektrode des Transistors T..- (Klemme +) verbunden. Die Senkenelektrode des Transistors T32 (Aüsgangsklemme S) ist mit der Gate-Elektrode des Regulier-Transistors T verbunden, dessen LeitungsstreckeThe voltage U, which is proportional to the temperature, is applied to the gate electrode of the transistor T ^ 6 (terminal -) and the emitter of the bipolar transistor T is connected to the gate electrode of the transistor T ..- (terminal +). The drain electrode of the transistor T 32 (output terminal S) is connected to the gate electrode of the regulating transistor T, its line path
in Serie mit dem Spannungsteiler R1, R? zwischen den Klemmen der Speisespannungsquelle liegt.in series with the voltage divider R 1 , R ? between the terminals of the supply voltage source.
Der Verzweigungspunkt dieses Spannungsteilers ist mit der Basis des Transistors T verbunden, während die Kollektor-The branch point of this voltage divider is connected to the base of the transistor T, while the collector
Emitte:&Strecke dieses Transistors in Serie mit der Leitungsstrecke eines η-Kanal MOS-Transistors T_Q zwischen die Klemm« der Speisespannungsquelle geschaltet ist.Emitte: & path of this transistor in series with the line path of an η-channel MOS transistor T_ Q between the terminal «of the supply voltage source is connected.
Die in Figur 5C als Beispiel gezeigte Konstantstromquelle J weist einen η-Kanal Transistor T_Q auf, der im Bereich starkerThe constant current source J shown as an example in figure 5C has an η-channel transistor Q T_, in the region of strong
2.02.0
Inversion betrieben wird. Die stabilisierte Spannung Vo_, wirdInversion is operated. The stabilized voltage V o _, becomes
D EiD egg
dem Gate dieses Transistors zugeführt, welcher somit einen kons tanten Strom I liefert. Dieser Strom speist eine Mehrfach-Spiegelschaltung, welche durch die p-Kanal Transistoren T39, T_ T , T72' T73' T74' T75 gebildet wird und die zur Polarisierung der PTAT Quelle dient.fed to the gate of this transistor, which thus supplies a constant current I. This current feeds a multiple mirror circuit which is formed by the p-channel transistors T 39 , T_ T, T 72 ' T 73' T 74 ' T 75 and which serves to polarize the PTAT source.
Der Transistor T_Q liefert einen Strom IQ, der eine weitere durch die η-Kanal Transistoren T30, T2Q und T1 gebildete Mehrfach-Spiegelschaltung speist, über welche der bipolareThe transistor T_ Q supplies a current I Q , which feeds a further multiple mirror circuit formed by the η-channel transistors T 30 , T 2Q and T 1 , via which the bipolar
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Transistor T und der Operationenverstärker"A polarisiert 5Transistor T and the operational amplifier "A polarized 5
werden.will.
Die in diesem Beispiel verwendete PTAT-Bezugsspannungsquelle wird von fünf in Kaskade geschalteten Elementarkreisen gebildet, welche jeweils ein Verhältnis S_/S, = 81 aufweisen. Um die Auswirkung der Leckströme zu verringern und das Verhalten der Anordnung bei höheren Temperaturen zu verbessern, kann gegebenenfalls, je nach der verwendeten Technologie, die Zahl der Elementarkreise erhöht werden, beispielsweise auf 8, und das Verhältnis der Formfaktoren verringert werden.The PTAT reference voltage source used in this example is formed by five elementary circuits connected in cascade, each with a ratio S_ / S, = 81. To the To reduce the effect of leakage currents and to improve the behavior of the arrangement at higher temperatures, it may be possible, Depending on the technology used, the number of elementary circles can be increased, for example to 8, and the ratio the form factors are reduced.
Figur 5D stellt eine andere Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemässen PTAT-Bezugsspannungsquelle dar. Diese Verwendung ergibt sich, aus den im Zusammenhang mit Figur 5A angestellten Betrachtungen und dementsprechend wurden die analogen Elemente in den Figuren 5A und 5D in der gleichen Weise bezeichnet.FIG. 5D shows another possible use of the invention PTAT reference voltage source. This use results from the statements made in connection with FIG. 5A Considerations and accordingly the analogous elements in Figures 5A and 5D have been labeled in the same way.
Aus dem Schaltbild von Figur 5D ist ersichtlich, dass darin im Vergleich zu Figur 5A der Transistor Tn weggelassen wurdeIt can be seen from the circuit diagram of FIG. 5D that the transistor T n has been omitted in comparison with FIG. 5A
κ. —κ. -
und R1 direkt mit der positiven Klemme (+) der Speisespannungsquelle verbunden ist. Somit ist U13 = V , wenn man mit V denand R 1 is directly connected to the positive terminal (+) of the supply voltage source. Thus U 13 = V if one uses V den
Xv CO OCXv CO OC
Wert der Speisespannung bezeichnet. Wenn V durch den WertValue of the supply voltage. If V by the value
CCCC
V _/b geht, so ändert sich der Zustand am Ausgang S des Operationenverstärkers A und die Anordnung stellt somit einen Spannungsdetektor dar, der auf die Grosse der Speisespannung anspricht. V _ / b goes, the state at the output S of the operational amplifier changes A and the arrangement thus represents a voltage detector which is responsive to the magnitude of the supply voltage.
Die hier beschriebenen Bezugsspannunsquellen gehen von einem sehr einfachen Elementarkreis aus, der völlig mit einer üblichen MOS-Technologie vereinbart ist. Es ist zu bemerken, dass,obwohl die vorliegende Beschreibung auf der Verwendung von η-Kanal Transistoren beruht, eine ähnliche Anordnung auch mit p-Kanal Transistoren aufgebaut werden kann.The reference voltage sources described here are based on a very simple elementary circuit that is completely based on conventional MOS technology is agreed. It should be noted that although the present description is based on the use of η-channel transistors is based, a similar arrangement can also be constructed with p-channel transistors.
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Die von den beschriebenen Anordnungen eingenommene Oberfläche der integrierten Schaltung ist äusserst gering und die praktische Ausführung der Schaltungen ermöglicht die Erzielung einer sehr guten Reproduzierbarkeit, wenn die folgenden.Bemerkungen berücksichtigt werden.The surface area of the integrated circuit occupied by the arrangements described is extremely small and the practical implementation of the circuits enables very good reproducibility to be achieved if the following remarks are taken into account.
Um die Wirkung der Ausgangsleitwerte der MOS Transistoren zu verringern, soll die Kanallänge gross gewählt werden» In einer Silizium-Gate CMOS-Technologie sind typische Werte für diese Kanallänge LTo increase the effect of the output conductance of the MOS transistors reduce, the channel length should be chosen to be large »In one Silicon gate CMOS technology are typical values for this Channel length L
L > 12 ^t-m für η-Kanal Transistoren und L > 20 μ-m für p-Kanal Transistoren.L> 12 ^ tm for η-channel transistors and L> 20 μ-m for p-channel transistors.
Um die Formfaktoren S und S0 gut zu beherschen, wird Vorzugsweise für T, und T0 die gleiche Länge gewählt.In order to master the form factors S and S 0 well, the same length is preferably chosen for T 1 and T 0.
Um eine grosse Differenz und ein genaues Verhältnis zwischen S1 und S zu erzielen, wird T0 in mehrere Elementartransistoren unterteilt, deien Abmessungen identisch denen von T, sind, und diese Elementartransistoren werden parallel zueinander geschaltet. In order to obtain a large difference and an exact ratio between S 1 and S, T 0 is divided into a plurality of elementary transistors, the dimensions of which are identical to those of T 1, and these elementary transistors are connected in parallel with one another.
Figur 6 zeigt anhand einer schematischen Ansicht der verwendeten Masken eine bevorzugte Ausführungsform des Schaltkreises nach Figur IA. Der Transistor T0 ist in Elementartransistoren T2 1' T1, T „, und T w unterteilt, die symmetrisch in Bezug auf T, angeordnet sind, um auf der Silizium-Scheibe die Auswirkung von eventuellen Gradienten in der Dicke der Gate-Oxydschicht zu vermeiden. Die mit 61, 61', 61", 61'" und 61IV bezeichneten Linien stellen die Begrenzung der Diffusionszonen und die mit 62 bezeichneten Linien den Umriss der Gate-Elektrode aus polykristallinem Silizium dar. Kontaktfenster wie 63 sind durch volle Linien im Innern der Diffusions zonen dargestellt.FIG. 6 shows, on the basis of a schematic view of the masks used, a preferred embodiment of the circuit according to FIG. 1A. The transistor T 0 is subdivided into elementary transistors T 2 1 ', T 1 , T ″, and T w , which are arranged symmetrically with respect to T, in order to prevent possible gradients in the thickness of the gate oxide layer on the silicon wafer to avoid. The lines labeled 61, 61 ', 61 ", 61'" and 61 IV represent the delimitation of the diffusion zones and the lines labeled 62 the outline of the gate electrode made of polycrystalline silicon. Contact windows such as 63 are indicated by solid lines in the interior of the Diffusion zones shown.
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Ferner sind metallisierte Zonen 64, 65, 66, 67 in strichlierten Linien angegeben. Die Zone 64 weist die Verbindung 1 der Figur IA auf und die Zonen 66 bzw. 67 weisen jeweils die Verbindungen mit den Speisespannungsklemmen (+) und (-) auf. Der Umriss 68 schliesslich bezeichnet die Verankerungsstelle mit dem Diffusionsgraben oder mit dem Substrat.Furthermore, metallized zones 64, 65, 66, 67 are shown in dashed lines Lines indicated. The zone 64 has the connection 1 of FIG. 1A and the zones 66 and 67 each have the connections with the supply voltage terminals (+) and (-). Finally, the outline 68 denotes the anchoring point with the Diffusion trench or with the substrate.
O3Ö012/07S1O3Ö012 / 07S1
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