调整BGR电路的方法及BGR电路

摘要

本发明关于一种用以调整BGR电路的方法。在第一调整步骤中，在一预定温度执行一电压差动放大器的偏移调整。在第二调整步骤中，藉由设定该电压差动放大器的外部电路的可变电阻值，于该预定温度调整由BGR电路所产生的参考电压至该参考电压的预定值。

说明书

本发明是关于一种调整BGR电路的方法以及可依据该方法调整的BGR电路。

在半导体电路技术中需要能够产生与温度及电源电压波动无关的固定输出电压的电路。它们被用在模拟、数字以及混合的模拟/数字电路中。BGR电路(bandgap reference circuits，频带间隙参考电路)是一种经常被使用的此种型态的电路。

BGR电路的基本原理包含加入二个具有互相相反的温度响应的部份信号(电压或电流)。当此二部份信号中有一个信号于温度增加时下降，另一信号则于温度增加时上升。由此二部份信号的总合造成在特定范围的温度内保持输出电压固定。BGR电路的输出电压，以下依据使用的习惯，也被称为参考电压。

BGR电路情况中一个已知的问题是来自相同生产序列的电路具有不同的参考电压。因此，实际上通常需要调整BGR电路，以获得关于想要的绝对参考电压值及/或想要的参考电压的温度恒久性的足够的准确度。

BGR电路具有二元源组件，例如电阻，以及有源组件，通常是差动或运算放大器的形式。来自理想的，计算的参考电压以及来自一固定温度响应的参考电压的偏移是因为缺乏被动与有源组件匹配所产生。

BGR电路调整的目标在于，一方面，来自相对特定温度所计算的值于此温度所获得参考电压值的偏移为最小，以及在另一方面，使温度特性最佳化，亦即，获得一平坦的电压/温度特性曲线。

以下的方法之前已被说明用以调整BGR电路：

于第一种方法中，直接在产生偏移的放大器上执行一偏移补偿。大多数的运算放大器具有为此目的适合的正确输入。偏移补偿消除了在此电路输出所获得的参考电压值与计算值之间的偏移的主要误差成份。然而，其缺点在于，前述参数的残留偏移通常依然存在，且并未获得最佳的参考电压温度特性，相反地，甚至经常发生温度特性甚至在此步骤被破坏的情况。

于第二种已知方法中，电路的输出电压(亦即参考电压)藉由可调整的电阻或其它此电路的无源组件直接被设至计算值。于此方式中，正确的电压在影响设定的温度上获得。其缺点在于，在此方法的情况中，不能保证参考电压的最佳温度恒久性。

必须符合与绝对值及参考电压的温度恒久性相关的严厉需求的BGR电路必须在其绝对值(其由偏移误差主导)及温度响应二方面达到最佳状况。此种BGR电路必须在二不同温度上调整。为此所需的高度复杂性是不利的。

本发明是以指定一种简单执行，并可能达成好的参考电压的温度恒久性，以及参考电压值与想要或计算电压值之间的良好对应的BGR电路调整方法为基础。此外，本发明主要在提供可以简单方式调整的BGR电路。

本发明的目的是藉由独立权利要求的特征而实现。

因此，依据权利要求第一项的本发明的调整方法包括依序被执行的二个调整步骤：在第一调整步骤，在一预定温度执行电压差动放大器的偏移调整。在第二调整步骤，在第一步骤期间所获得的参考电压值随后被设定至此电路的参考电压的预定值(亦即，计算的)。

依据本发明的方法的特定优点在于二调整步骤是在一个且相同的温度上执行，且于此情况中(否则)产生关于绝对值及所获得的参考电压的温度特性二者的调整。

“电压差动放大器(voltage differential amplifier)”一词表示任何被设计用以放大一电压差值的型态的放大器。尤其是，此词包含差动放大器(differential amplifier)及运算放大器(operational amplifier)。

执行第一调整步骤时有利程序的特征在于，此步骤包括将电压差动放大器的输入短路以及将电压差动放大器的输出电压调整至一预定电压等子步骤。尤其是，此预定电压值可以是共同模式电压，其为电压差动放大器的操作电压的正与负电位的平均。此电压差动放大器在偏移调整期间较好是被当成比较器操作。

在依据权利要求第五项的本发明电路的情况中，电压差动放大器的输入可藉由第一开关装置与外部电路隔离，并由第二开关装置被短路。于此种电路设计中，电压差动放大器的短路调整可为偏移校正的目的而被执行。之后，电压差动放大器的输入可由第一开关装置再次被连接至外部电路，而输入的短路可由第二开关装置而被取消。于此电路设计中，此电路输出电压至参考电压的预定值的调整随后可藉由变化具有可调整电阻值的至少一组件的电阻值而被执行。此调整具有在预定温度附近的特定范围中建立恒久固定的(亦即，与温度无关)参考电压的效应。

此BGR电路的优点在于，相同的电路可被用以补偿电压差动放大器的电压偏移并执行电路无源组件调整。

本发明藉由参考图式的范例被解释如下，其中：

第1A图表示解释偏移误差用的图，其中参考电压被画在温度上；

第1B图表示解释温度特性误差的图式，其中参考电压被画在温度上；

图2表示解释本发明偏移误差补偿的图式，其中参考电压被画在温度上；

图3表示解释本发明温度特性误差补偿的图式，其中参考电压被画在温度上；

图4是本发明BGR电路的电路图。

图1A及1B表示二个必要的效应，其为所获得的参考电压与计算的参考电压之间的偏移发生的理由。

图1A表示参考电压由一非调整BGR电路输出的情况，该参考电压被画在Y轴，且在整个被考虑的温度范围上，具有比计算的理想参考电压曲线RS0高(参考电压曲线RS+)或低(参考电压曲线RS-)的轮廓，但具有关于其温度响应的最佳平坦轮廓，以及关于房间或使用温度TR最佳的对称轮廓。此效应主要是由电压差动放大器中的偏移所产生以下称之为偏移误差，且通常是非调整BGR电路中的普遍误差成份。

图1B表示参考电压具有当温度增加时升高的特性(参考电压曲线RSD+)，或是当温度增加时下降的特性(参考电压曲线RSD-)。此效应主要是基于BGR电路中的无源组件匹配的缺乏所引起。其亦于以下被称为温度特性误差。

参照图1A及1B所解释的二种误差一起在未调整的BGR电路中发生。

图2及3说明依据本发明方法的二个调整步骤，其具有消除所解释的误差的目的。

图2说明依据本发明的第一调整步骤AS1。此参考电压曲线ROST是由一偏移误差及一温度特性误差二者所引起。在房间或使用温度TR的电压差动放大器的偏移调整消除此偏移误差，因此该参考电压曲线ROST在X轴往计算的理想参考电压曲线RS0方向被平行移动。然而，此最佳温度特性在此步骤中尚未产生(亦即，所产生的参考电压曲线RST在温度项目上，因此依然与被计算的理想参考电压曲线RS0不同)因为BGR电路的无源组件的误差未被补偿。

图3说明依据本发明的第二调整步骤AS2。于此情况中，参考电压曲线RST的温度特性误差藉由在房间或使用温度TR执行参考电压对参考电压的预定值的调整而被消除。因此，参考电压曲线RST的温度特性与被计算的理想参考电压曲线RS0匹配，因此二参考电压曲线随后具有相同轮廓。

图4表示依据本发明的BGR电路，其适合并被设计以执行本发明的方法运算放大器OP1的反相输入经由一开关S1被连接至此运算放大器OP1的外部电路的第一电路分支的节点K1。运算放大器OP1的非反相输入经由开关S2被连接至此运算放大器OP1的外部电路的第二电路分支的节点K2。此二电路分支在每一情况中从一共同固定电位伸出，尤其是一地电位VSS，直到共同节节点K3，从K3经由开关S3被连接至运算放大器OP1的输出。

第一电路分支具有电阻R1位于节点K1及共同节点K3之间。在第二电路分支中，电阻R2位于节点K2与K3之间

此外，节点K1经由可调整电阻R0连接至第一电路分支的双极性晶体管T1的集电极。双极性晶体管T1的基极端同样地连接至其集电极端，而其发射极端连接至地VSS。节点K2连接至第二电路分支的双极性晶体管T2的集电极即发射极。双极性晶体管T2的发射极端再次连接至地VSS。

运算放大器OP1的反相及非反相输入可经由开关S4被短路。表示于图4的固定电压源Vdc代表由操作电压电位的平均所给予的共同模式电压。一参考电压Vref可在运算放大器OP1的输出端被输出。偏移调整的可调整的电阻Roffest被设置在运算放大器OP1的端部。

为运算放大器OP1的偏移调整目的，开关S4及S5处于闭(close)开关位置，而开关S1，S2及S3被打开。因此，外部电路与运算放大器OP1切断连接。于此电路设计中，运算放大器OP1被当成一比较器使用。运算放大器OP1藉由设定该可调整电阻Roffset而被调整，最佳偏移调整特征在于此比较器的转换点。这对应共同模式电压，亦即，为0V，例如在对称操作电压电位的情况，或具有1.2V的值，在例如0V及2.4V的操作电压电位情况中。此调整在预定的房间或使用温度TR上被偏移。在此偏移调整的计算上，于BGR电路的较晚的操作期间，参考电压Vref并无由运算放大器OP1所导致的偏移误差。

在运算放大器OP1的偏移调整已实现之后，开关S4及S5被打开(open)，而开关S，S2及S3被关闭(close)。于此开关位置，可调整的电阻R0可在预定的房间或使用者温度TR被设定，以参考电压Vref呈现一预定参考电压的方式。此测量消除温度特性误差，因此参考电压Vref在房间附近的固定温度范围或使用者温度上具有固定的轮廓。

图4所示的BGR电路的操作方法说明如下。

以下的电流及电压发生于电路图中：

Ic1：双极性晶体管T1的集电极电流。

Ic2：双极性晶体管T2的集电极电流。

Vbe1：双极性晶体管T1的基极-发射极电压。

Vbe2：双极性晶体管T2的基极-发射极电压。

VR0：跨越可调整电阻R0的电压降。

VR1：跨越电阻R1的电压降。

VR2：跨越电阻R2的电压降。

出现在运算放大器OP1的输出的电压Vref可由跨越电阻R2的电压降VR2以及双极性晶体管T2的基极-发射极电压Vbe2表示：

         Vref＝VR2+Veb2       (1)

跨越双极性晶体管的基极与发射极之间的电压降具有温度的依赖性。例如，在300K温度以及0.6V输入电压的该基极-发射极电压约为-2mV/K。为获得一温度-稳定的参考电压Vref，必须加入一个具有大小相等，但符号相反的温度系数的电压至该基极-发射极电压。这表示在300k温度时跨越电阻R2的电压降VR2必须具有+2mV/K的温度系数。此依温度而定的电压在双极性晶体管T1的辅助下产生。

为使这变得明显，需要额外建立表示于图4中的BGR电路的不同网状方程式。且以下维持为真：

           Vref＝VR1+Vbe2      (2)

           VR0＝Vbe2＝Vbe1     (3)

为建立跨越可调整电阻R0的电压降VR0的程序(3)，必需考虑理想运算放大器的反相及非反相输入端之间没有电压降的情况。等同于没有电流流经一理想运算放大器的该输入端。因此，流经电阻R1的电流与流经可调整电阻R0的电流IC1相同，且以下为真：

           VR1/R1＝VR0/R0      (4)

如果将程序(2)，(3)插入程序(4)，则获得以下结果：

           Vref＝Vbe2+(R1/R0)*(Vbe2-Vbe1)         (5)

比较程序(5)与程序(1)，显示程序(5)右边的第二加数代表电压VR2。

依温度而定的双极性晶体管T1与T2的集电极电流Ic1与Ic2分别与基极-发射极电压Vbe1与Vbe2呈指数关系，并与被称为VT的热电压有关：Icx＝Isx*(exp(Vbex/VT)-1)，其中x＝1，2                (6)

于此例中，Isx代表个别双极性晶体管T1，T2的反相电流。以下与绝对温度T(K)相关的关系式在热电压VT时维持为真：

          VT＝k*T/q         (7)

其中，k表示波兹曼常数(1.38*10^-23J/K)，而q表示基本电荷(1.6*10^-19C)。以Vbex＞＞k*T/q，转换方程式(6)产生：

       Vbex＝VT*1n(Icx/Isx)          (8)

如果使程序被使用在图4所示的BRG电路，且如果考虑

                 VR1＝VR2          (9)

为真，则程序(3)的结果如下：

    VR0＝Vbe2-Vbe1＝VT*1n(R1/R2)        (10)

以此方程式达到二双极性晶体管T1，T2在结构上相同且因此具有相同的反相电流Isx。程序(10)随后可以被代入程序(5)：

Vref＝Vbe2+(R1/R0)*VT 1n(R1/R2)         (11)

如以上所述，基极-发射极电压Vbe2的温度系数为-2mV/K程序(7)显示热电压VT的温度系数为+0.086mV/K。经由电阻R0，R1及R2的适当选择，程序(11)的右边的第二加数可以被设计成具有+2mV/K的温度系数。

总而言之，本发明的BGR电路产生二个具有相反但大小相同的温度系数的电压。加入此二电压产生温度-稳定的参考电压。来自参考电压的理想值以及来自参考电压的理想温度响应的偏移从相同组件的异质性(inhomogeneity)可量中产生，此相同组件从相同生产序列中被使用于不同的BGR电路。依据本发明的BGR电路允许此种异质性藉由所使用的运算放大器及所使用电阻二者的电压调整而被补偿。