ITMI981453A1

ITMI981453A1 - Circuito regolatore di band-gap per produrre un riferimento di tensione avente una compensazione in temperatura degli effetti di

Info

Publication number: ITMI981453A1
Application number: IT98MI001453A
Authority: IT
Inventors: Salvatore Vincenzo Capici
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 1999-12-25
Also published as: IT1301803B1; US6118264A

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione fa riferimento ad un circuito regolatore di band-gap per produrre un riferimento di tensione avente una compensazione in temperatura degli effetti di secondo ordine.

Più in particolare, l'invenzione, riguarda un circuito elettronico del tipo suddetto e comprendente una cella Brokaw per produrre un primo riferimento di tensione di bandgap Vbg.

Arte nota

I circuiti band-gap di riferimento in tensione sono ben noti ai progettisti di circuiti analogici. Questi circuiti di riferimento forniscono una tensione costante il più possibile indipendente dalla temperatura ambiente alla quale il circuito funziona. Questo genere di circuiti è presente in molti sistemi realizzati con circuiti integrati.

Per esempio, un riferimento di tensione costante viene richiesto in convertitori analogico/digitali che confrontano il valore di un segnale di riferimento in tensione con il valore di un segnale da convertire.

Sono noti numerosi dispositivi circuitali che forniscono un riferimento di tensione band-gap di tipo continuo (vale a dire disponibile il 100% del tempo di funzionamento) . Uno di tali dispositivi è descritto in Gray and Mayer, "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", pubblicato da John Wiley & Sons. Questi circuiti sono generalmente realizzati utilizzando tecnologia a giunzione bipolare in quanto il loro principio di funzionamento di basa sulle proprietà intrinseche della giunzione di un transistore bipolare (BJT), come descritto nella pubblicazione sopracitata.

Il principio di funzionamento di un circuito bandgap di riferimento di tensione band-gap è basato sulla compensazione dell'incremento o decremento nel tasso di variazione di tensione dovuto a variazioni della temperatura ambiente. Vale a dire che la tensione tra la base e l'emettitore di un transistore bipolare decresce con la temperatura ambiente ad un tasso di circa 2 mV/° C.

Nella qui allegata figura 1 è mostrato un esempio di circuito di band-gap noto come cella Brokaw.

Tale cella Brokaw comprende un transistore TI ed un transistore T2 di tipo pnp collegati tra loro in una configurazione a specchio di corrente. Gli emettitori di tali transistori Tl e T2 sono collegati ad un riferimento di tensione Vcc di alimentazione. Le basi dei due transistori Tl, T2 sono connesse tra loro.

La base ed il collettore del primo transistore Tl sono collegati tra loro ed al collettore di un transistore T3 di tipo npn.

Più in particolare, i collettori dei due transistori Tl e T2 sono collegati ai rispettivi collettori di due transistori T3 e T4 aventi differenti aree di emettitore, l'area di emettitore di T4 essendo n volte l'area di emettitore di T3. Un partitore resistivo formato da due resistenze RI ed R2 è collegato tra l'emettitore del transistore T4 e la massa con il nodo H di connessione tra le resistenze collegato all'emettitore del transistore T3.

La tensione di bandgap Vbg è prelevata dal nodo X dì interconnessione tra le basi dei transistori T3 e T4 ed è data dalla seguente relazione:

dove Vbe è la caduta di tensione base-emettitore, VT è la tensione di soglia e K è una costante di progetto data da:

Vi è una dipendenza dalla temperatura della caduta di tensione Vbe base-emettitore che può essere espressa come segue:

dove Vgo è la tensione di bandgap del silicio a zero gradi Kelvin.

Se utilizziamo la relazione (3) all'interno della relazione (1) si ottiene che:

Dal momento che variazione con la temperatura della tensione di soglia VT è nota e che il valore della costante K può essere scelto, è possibile annullare gli effetti della dipendenza del primo ordine dalla temperatura sulla tensione di bandgap Vbg.

La figura 2 mostra il tipico andamento della tensione di badgap Vbg in funzione della temperatura per una cella di Brokaw di tipo noto.

Come si può apprezzare, su un intervallo di temperatura che va dai -50 ai 150 °C, si osserva una variazione di 1,5 mV della tensione di bandgap. L'andamento a campana che si nota in Figura 2 è proprio dovuto agli effetti di secondo ordine della relazione (4).

Questa variazione si somma con errori dovuti alle variazioni nel processo di fabbricazione, alle disfunzioni tra i componenti il circuito ed agli strees meccanici dovuti alla fase di packaging. Pertanto, è assai probabile che vengano superati i valori previsti nelle specifiche di progetto.

In sostanza, per riuscire a soddisfare le specifiche occorre compensare anche gli effetti di secondo ordine.

La tecnica nota propone già alcune soluzione per soddisfare a questa esigenza.

Le soluzioni di tipo noto si basano sul presupposto che la dipendenza dalla temperatura della caduta di tensione base-emettitore può essere modificata polarizzando il transistore con una corrente proporzionale alla temperatura assoluta (regolatori PTAT).

Queste soluzioni presentano però alcuni inconvenienti :

- i relativi circuiti regolatori consumano molto quando ci sono molti rami di corrente. Inoltre, eventuali disaccoppiamenti tra gli specchi di corrente riducono di molto l'efficacia della compensazione. Si veda ad esempio: Gunawan and others: "A Curvature-Corrected Low Voltage Bandgap Reference" - IEEE Journal of Solid State Circuit, voi. 28, No. 6, June 1993.

- i regolatori di tipo noto non funzionano correttamente per valori di tensione di alimentazione inferiori a 3 V, che sono attualmente richiesti per molti applicazioni microelettroniche. Si veda a riguardo: Meijer and others: ” A New Curvature-Corrected Bandgap Reference" - IEEE Journal of Solid State Circuit, voi. SC-17, No. 6, December 1992.

Lo scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un circuito band-gap che può essere integrato come parte di circuiti integrati e che può produrre un riferimento di tensione avente una compensazione in temperatura degli effetti di secondo ordine .

Un altro scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un circuito di riferimento in tensione con un basso consumo di potenza.

Un ulteriore scopo dell'invenzione è quello di mettere a disposizione un circuito di riferimento in tensione avente una struttura di base fondata su una cella Brokaw ma che possa operare anche se alimentato con bassi valori di tensione.

Sommario dell'invenzione

L'invenzione raggiunge questi scopi, come pure altri scopi e vantaggi che risulteranno evidenti dalla descrizione.

L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di sommare alla tensione di riferimento Vbg, ricavata dalla cella Brokaw, una tensione di compensazione Vcorr per ottenere una tensione di riferimento più stabile in temperatura.

La nuova tensione di riferimento risulta appiattita rispetto alla curvatura di figura 2.

Sulla base di questa idea di soluzione, l'invenzione raggiunge i suddetti scopi tramite un circuito bandgap di riferimento in tensione di comprendere ulteriormente:

una porzione circuitale di compensazione per produrre un valore di tensione Vcorr di compensazione, nonché

- mezzi per sommare tale valore di tensione Vcorr di compensazione al primo riferimento di tensione Vbg di bandgap .

Le caratteristiche ed i vantaggi del regolatore secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

Breve descrizione dei disegni

- la figura 1 mostra un vista schematica di un circuito regolatore bandgap del tipo noto come cella Brokaw;

- la figura 2 mostra una vista schematica di una forma d'onda in funzione della temperatura di un segnale di tensione regolata prodotta dalla cella di figura 1;

le figure 2A e 2B mostrano rispettive viste schematiche di forme d'onda in funzione del tempo di segnali in corrente ed in tensione presenti nello stadio di figura 1;

- la figura 3 mostra una vista schematica di una soluzione circuitale secondo la presente invenzione;

- le figure 4a, 4b e 4c mostrano rispettive viste schematiche di curve tensione-temperatura per una possibile tensione di bandgap prodotta senza compensazione, una tensione di compensazione prodotta secondo l'invenzione ed una tensione bandgap compensata;

- 'la figura 5 mostra una vista schematica di maggiore dettaglio circuitale di un regolatore di tensione bandgap realizzato in accordo con la presente invenzione;

- le figure 6a, 6b e 6c mostrano viste schematiche di curve tensione-temperatura per una tensione di bandgap prodotta senza compensazione, una tensione di compensazione ed una tensione bandgap compensata, rispettivamente.

Descrizione dettagliata

Con riferimento a tali figure, ed in particolare all'esempio di figura 5, con 1 è globalmente e schematicamente indicato un circuito regolatore di tensione bandgap realizzato in accordo con la presente invenzione.

Il circuito regolatore 1 comprende un generatore 2 di una tensione bandgap Vbg di riferimento. Tale generatore 2 è una cella Brokaw del tipo già descritto in precedenza con riferimento alla figura 1.

Il circuito 1 è vantaggiosamente realizzato in tecnologia bipolare; tuttavia, nulla vieta di applicare i principi dell'invenzione a soluzioni circuitali realizzate in tecnologia CMOS.

II circuito regolatore 1 secondo l'invenzione comprende una porzione aggiuntiva indicata con 3. Tale porzione 3 comprende un amplificatore 4 a transconduttanza ed un elemento sensibile alle variazioni di temperatura, ad esempio un transistore connesso a diodo Ql.

L'amplificatore 4 è preferibilmente realizzato tramite una coppia di transistori bipolari Q2 e Q3, entrambi di tipo PNP. Gli emettitori di tali transistori sono collegati al riferimento di tensione Vcc di alimentazione tramite un generatore di corrente 12. L'emettitore del transistore Q2 è collegato all'emettitore del transistore Q3 tramite una resistenza R3.

Un partitore resistivo, indicato con 5, e formato da una coppia di resistenze R4, R5, è collegato tra il nodo di interconnessione X tra le basi dei transistori T3 e T4 della cella Brokaw 2 e la massa GND.

La base del transistore Q3 è connessa direttamente al nodo di interconnessione tra le resistenze R4, R5 del partitore 5. Il collettore del transistore Q3 è invece collegato al riferimento di tensione di massa GND.

Secondo l'invenzione tra il nodo H della cella Brokaw 2 di figura 1 e la massa GND è inserito un partitore resistivo 6 comprendente una prima resistenza R2' ed una seconda resistenza R2''. Al nodo di interconnessione tra queste due resistenze R2' ed R2'' è collegato il collettore del transistore Q2 dell'amplificatore 4.

Un generatore di corrente II è collegato in serie al diodo Q1 tra il riferimento di tensione Vcc di alimentazione ed il riferimento di tensione di massa GND. La base del transistore Q2 è collegata tra tale generatore di corrente II ed il diodo Q1.

I transistori Q2 e Q3 formano l'amplificatore 4 a transconduttanza che confronta la tensione Vd sul diodo Ql, prelevata dal transistore Q2, con una tensione di riferimento Vth prelevata tramite il partitore 5 dal valore di tensione prodotto dalla cella 2.

Al variare della temperatura T, la tensione Vd diminuisce ed il transistore Q2 incomincia a portare una corrente maggiore di quella del transistore Q3 . Il resistore R3 introduce un cosiddetto offset di tensione in modo tale da far condurre il transistore Q2 solo a partire da un certo valore di temperatura. Inoltre, tale resistore serve anche per stabilire il valore di transconduttanza dell'amplificatore 4.

II tipo di intervento del circuito 1 secondo l'invenzione può essere compreso al meglio facendo riferimento alle curve di tensione-temperatura mostrate nelle figure 4a, 4b e 4c.

Il circuito secondo l'invenzione opera sommando alla tensione Vbg di bandgap prodotta dalla cella 2 una tensione Vcorr di compensazione che consente di ottenere un riferimento Vrif di tensione più stabile in temperatura. Ad esempio, supponiamo di dover operare in una condizione come quella mostrata in figura 4b. La tensione Vcorr di compensazione viene generata nel nodo di interconnessione tra le resistenze R2' ed R2' ' del partitore 6.

Tale tensione Vcorr di compensazione viene prodotta da una corrente I(T) che scorre sulla resistenza R2'' e sul collegamento tra tale resistenza ed il collettore del transistore Q2.

La figura 6a mostra l'andamento della tensione Vbg di bandgap prodotta nel caso in esame dalla cella 2. La figura 6b mostra invece l'andamento della tensione Vcorr di compensazione che viene sommata alla tensione Vbg tramite il circuito regolatore 1 secondo l'invenzione.

Scegliendo in modo opportuno il valore del resistore R3, è stato possibile rendere nulla la compensazione per valori di temperatura inferiori ad una soglia predeterminata.

Dalla figura 6c è possibile apprezzare il confronto tra la tensione Vrif di bandgap compensata che si ottiene con il regolatore 1 secondo l'invenzione e la tensione di bandgap senza compensazione prodotta secondo la tecnica nota. Come si può chiaramente vedere, la variazione in temperatura della tensione di bandgap compensata si è ridotta della metà rispetto al caso della tecnica nota e con un consumo aggiuntivo di corrente dovuto alla componentistica addizionale di soli 1,5 μΑ.

In sostanza il regolatore secondo l'invenzione risolve il problema tecnico e consegue numerosi vantaggi tra i quali sono degni di nota i seguenti:

- compensazione degli effetti del secondo ordine della temperatura sul valore della tensione di riferimento prodotta;

- basso consumo di potenza;

- possibilità di operare anche con bassi valori di tensione di alimentazione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Circuito regolatore (1) di band-gap per produrre un riferimento di tensione (Vrif) avente una compensazione in temperatura degli effetti di secondo ordine, del tipo comprendente: una cella Brokaw (2) per produrre un primo riferimento di tensione (Vbg) di bandgap e caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente: - una porzione circuitale (3) di compensazione per produrre un valore di tensione (Vcorr) di compensazione, nonché - mezzi per sommare tale valore di tensione (Vcorr) dì compensazione al primo riferimento di tensione (Vbg) di bandgap.
2. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta porzione circuitale (3) comprende un comparatore (4) collegato all'uscita della cella di Brokaw e ricevente su un primo ingresso un valore di tensione (Vth) prelevato da una partizione di detto primo riferimento di tensione (Vbg) di bandgap e su un secondo ingresso un valore di tensione (Vd) funzione della temperatura (T) per produrre in uscita detto valore di tensione (Vcorr) di compensazione.
3. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto comparatore (4) è un amplificatore a transconduttanza.
4. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il valore di transconduttanza dell'amplificatore è regolato da un resistore (R3) inserito tra i due ingressi dell'amplificatore.
5. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto valore di tensione (Vcorr) di compensazione viene prodotto tramite una corrente (I(T)) funzione della temperatura uscente da detto comparatore.
6. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto il secondo ingresso di detto comparatore è collegato ad un elemento (Ql) sensibile a variazioni di temperatura.
7. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto elemento è un transistore (Ql) connesso a diodo.
8. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto comparatore (4) comprende una coppia di transistori bipolari (Q2, Q3) interconnessi, a transconduttanza ed alimentati tramite un generatore di corrente (12).
9. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi comprendono un partitore resistivo (6) collegato all'uscita del comparatore e ad un transistore della cella Brokaw.
10. Circuito regolatore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che tra gli emettitori di detti transistori bipolari (Q2, Q3) vi è un resistore (R3) di offset.