用于提供带隙电压参考的设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于提供带隙电压参考的设备。


背景技术：

2.在多种产品中需要带有高精度的参考电压，例如该参考电压与目标值偏差小于1％。如此，需要带有高精度的参考电压例如用于精确的电压或电流测量或精确的温度测量。参考电压的精度在此必须在产品的使用寿命中并且还在变化的温度上是恒定的。为了实现这一目标，使用了一些技术，通过所述技术将用于产生参考电压的电路中的系统误差和统计误差最小化。
3.提供精确参考电压的一种技术是使用所谓的带隙电压参考的电路。在此所使用的技术也被称为“带隙偏压(英：bandgap biasing)”。在此，产生了与当前的温度成比例的电压。这样的电压在此被称为绝对温度比例(英：proportional-to-absolute-temperature)电压，ptat电压。此外，在此还产生了一种另外的电压，该电压在温度曲线上下降。这样的电压被称为绝对温度互补(英：complementary-to-absolute-temperature)电压，ctat电压。如果ptat电压和ctat电压例如相加，则基于温度的相应电压的偏差相互补偿。因此，可以提供在很大程度上与温度有关的参考电压。
4.在这样的电路中，常见的是，穿过两个二极管的两个电流的比率、例如穿过双极晶体管的各自发射极电流的比率是已知的，并且优选设置为一个合理的值。例如，这通过使用n 1个相同类型的电流源来实现。如此，例如通过电流源中的n个电流源确定穿过双极晶体管中的第一双极晶体管的电流，通过一个另外的电压源确定穿过一个另外的双极晶体管的电流，以便达到n/1的电流比率。
5.然而，出现如下问题：由于由年龄限定的效应或其他效应，这些电流之间的比率与最初的目标值有所偏差，这导致参考电压中的精度损失。为了克服这个问题，可以在不同的电流源之间交替使用电流，这例如可以基于动态元素匹配(dem)方法实现。以这种方式，不同电流源之间的偏差可以得到补偿。
6.然而，基于动态元素匹配的技术带来如下问题：电流源的不同组合也导致了流经两个二极管、例如两个双极晶体管的电流之间的不同比率。因此，这可能导致ctat电压和ptat电压中的偏差。这反过来又导致了参考电压中的电压跳变或尖峰，即所谓的“电压纹波(英：voltage ripple)”。如此，通过这样的电路只能够实现参考电压在时间平均上是正确的。然而，如果将参考电压用于非线性信号处理，例如在adc中，则参考电压的在时间上受限制的偏差可能导致交互调制干扰。因此，力求避免参考电压中的这种偏差。


技术实现要素：

7.根据用于提供带隙电压参考的设备的本发明包括：第一电路，所述第一电路用于提供与当前的温度成比例的第一温度电压，其中，该第一电路具有两个并联的电流路径，其中，在所述并联的电流路径的第一电流路径中布置有第一二极管元件并且在所述并联的电
流路径的第二电流路径中布置有第二二极管元件；第二电路，所述第二电路用于提供与当前的温度互补的第二温度电压；以及电流偏置电路，所述电流偏置电路设置用于控制穿过第一二极管元件的电流流动(stromflusses)与穿过第二二极管元件的电流流动的比率，其中，该电流偏置电路包括校准电路，该校准电路将该比率调整为目标值。
8.因此，第一电路是ptat电路。由第一电路输出的第一温度电压与当前的温度成正比。这意味着，与该第一电路在相对较高的温度下作为第一温度电压输出的电压相比，第一电路在较低的温度下作为第一温度电压输出更低的电压。缩写ptat在此代表“与绝对温度成比例(proportional to absolute temperature)”。穿过第一电流路径的电流流动和穿过第二电流路径的电流流动在此借助电流偏置电路输入因此，第一二极管元件与第二二极管元件并联连接。穿过第一二极管元件的电流流动与穿过第二二极管元件的电流流动的比率由电流偏置电路预给定。因此，第一温度电压施加在两个二极管元件的输出接触部之间。
9.二极管元件在此是具有二极管的电特性的元件、尤其是具有二极管的特征曲线的元件。
10.第二电路是ctat电路。第二电路设置用于提供第二温度电压，该第二温度电压与当前的温度互补。在此，优选地，第二电路集成到第一电路中，即优选与第一电路使用共同的部件。此外优选地，第二电路包括所属的二极管元件，引导预给定的电流穿过该二极管元件。在第二电路的二极管上的电压降对应于第二温度电压。尤其是，第二电路的二极管元件是第一电路的第二二极管元件。第二温度电压是ctat电压，其中，缩写ctat代表“与绝对温度互补”。这意味着，第二温度电压的电压值在低温下比在相对较高的温度下更大。这意味着，第二温度电压的电压值随着温度的升高而降低。
11.电流偏置电路设置用于控制穿过第一二极管元件的电流流动与穿过第二二极管元件的电流流动的比率。如此，电流偏置电路优选包括两个输入端，即两个端口或输入接触部，其中，电流偏置电路的第一输入端与第一电流路径连接，电流偏置电路的第二输入端与第二电流路径连接。
12.电流偏置电路是如下电路：所述电路包括多个源，并且所述电路通过将源配给至第一电流路径和第二电流路径来调整流经这些电流路径的电流彼此之间的比率。如此，例如，给第一电流路径配给x个源，给第二电流路径配给y个源。在这种情况下，示例性地，给出比率是x:y。
13.在此，电流偏置电路优选是动态的，也就是说，在彼此相继的周期中，将所述源以不同的组合分配给第一电流路径和第二电流路径，其中，然而，比率保持不变。以这种方式，将如下误差最小化：由于各个元件不是绝对相同，例如彼此之间具有结构上的偏差，因此产生所述误差。因此，电流偏置电路是如下电路：所述电路借助于求平均值来控制穿过第一二极管元件的电流流动与穿过第二二极管元件的电流流动的比率。如此，电流偏置电路优选包括动态元素匹配电路，也称为dem电路，其能够实现源的动态分配。
14.电流偏置电路包括校准电路，该校准电路将比率调整为目标值。这尤其是通过以下方式来实现的：将电流偏置电路的各个源相互平衡，即调整为一个共同的校准值。如果电流偏置电路的各个源是相互平衡的，则所述比率因而也调整为目标值。在此，所述比率是由分配给第一电流路径的源的数量相对于分配给第二电流路径的源的数量而产生的值。
15.从属权利要求示出了本发明的优选扩展方案。
16.该电流偏置电路包括多个内部电流路径，并且设置用于，在彼此相继的周期中，分别通过内部电流路径中的数量x个内部电流路径提供穿过第一电路的第一二极管元件的电流流动，并通过内部电流路径中的数量y个内部电流路径提供穿过第一电路的第二二极管元件的电流流动，其中，在所述彼此相继的周期中分别将内部电流路径的不同组合分配给数量x和数量y，并且，其中，电流流动的比率对应于一个值，所述值对应于数量x与数量y的比率。因此，电流偏置电路的源中的每个源优选地是一个内部电流路径。在此，内部电流路径中的每个内部电流路径设置用于确保相同量值的电流流动，其中，然而，在各个内部电流路径的电流之间可能出现由结构限定的、由温度限定的或由老化限定的差异。这些差异借助校准电路进行校正。
17.为了将比率调整为目标值，将内部电流路径中的数量x个内部电流路径分配给第一电流路径。同时，将内部电流路径中的数量y个内部电流路径分配给第二电流路径。由于内部电流路径中的每个内部电流路径设置用于确保相同的电流流动，因此在第一电流路径中的电流和第二电流路径中的电流之间产生x:y的比率。这个比率在彼此相继的周期中的每个周期中保持不变。然而，在此，在每个周期中，将内部电流路径中的不同内部电流路径分配给数量x和分配给数量y。这意味着，并不总是相同的内部电流路径与第一电流路径或第二电流路径耦合。以这种方式，电流流动的目标比率中的误差在其时间平均中得到补偿。然而，如果考虑离散的时间点，则当没有进行校准时，在该时间点的比率可能是错误的。因此，通过校准电路使内部电流路径相互协调一致，例如，其方式是，使穿过各个电流路径的电流流动相互协调一致，即将其相互匹配，优选使其相等。
18.优选的是，电流偏置电路的内部电流路径的数量大于数量x加上数量y，并且校准电路设置用于，在一个周期中分别将内部电流路径中的一个内部电流路径校准为一个校准值，所述一个内部电流路径在这个周期中既不分配给数量x也不分配给数量y。这意味着，校准电路设置用于，在一个周期中校准至少一个内部电流路径，所述至少一个内部电流路径既不与第一电流路径耦合、也不与第二电流路径耦合。由于内部电流路径随着每个周期重新被选择并被分配给电流路径，因此使得在每个周期中内部电流路径中的至少一个内部电流路径能够得到校准。因此，在各个周期之间不需要暂停来实现校准。因此，能够在设备的运行中实施校准。
19.在此，优选地，校准值对应于由参考电流源提供的参考电流。内部电流路径中的每个内部电流路径设置用于确保将确定的电流引导穿过内部电流路径。在校准中，将被引导穿过内部电流路径的电流如此地进行调整，使得该电流对应于参考电流。
20.优选地，内部电流路径中的每个内部电流路径在此包括一个所属的内部电流源。在校准中，优选地，以这样的方式调整内部电流源中的每个内部电流源，使得该内部电流源提供对应于参考电流的电流。优选地，电流偏置电路因此包括多个电流源，其中，优选地，分别地，电流源中的数量x个电流源分配给第一电流路径并提供穿过第一二极管元件的电流，并且电流源中的数量y个电流源分配给第二二极管元件，以便提供穿过第二二极管元件的电流。因此，穿过第一二极管元件的电流与穿过第二二极管元件的电流之间的比率为x:y，这由分别分配的电流源的数量得出。此外，电流偏置电路包括在一个另外的内部电流路径中的至少一个另外的电流源，对该至少一个另外的电流源进行校准，尤其地其方式为，利用
参考电流源使该至少一个另外的电流源平衡，而其他电流源以x:y的比率提供一个电流或多个电流。在所述周期的每个周期中，对内部电流源中的不同内部电流源进行校准。在确定数量的周期之后，重复校准各个内部电流源。如果已将所述内部电流源中的每个内部电流源校准为参考电流，即调整为参考电流，则电流偏置电路的各个内部电流源彼此是如下地相同的：这些内部电流源提供相同的电流、即参考电流。由于电流源至第一电流路径和至第二电流路径的分配优选可以通过电路矩阵来固定地调整，因此该比率也被调整为所期望的目标值。
21.优选地，在彼此相继的周期中分别将内部电流路径的不同组合分配至数量x和数量y时，根据旋转原则或随机原则或其他序列将内部电流路径分配给数量x或数量y。这意味着，将内部电流路径尤其是以预给定的顺序或以随机的顺序分配给第一电流路径或第二电流路径。旋转原理在此是有利的，因为使用所规定的顺序。由此可以确保：内部电流路径中的每个内部电流路径并且因而还有优选的内部电流源中的每个优选的内部电流源，在固定的周期数量之后得到校准。在随机原则下可能发生：与在旋转原则下相比，直到内部电流路径中的每个内部电流路径经过校准的时间段更大。然而，借助随机原则避免了在确定的频率范围内的干扰。
22.如果该设备包括一个调节电路，该调节电路设置用于调节第一电路的并联电流路径之间的电压差，其中，该调节电路将电压差优选调节为0伏的目标值，则是有利的。因此，在第一电流路径中和第二电流路径中的两个预先定义的点之间进行电压平衡。以此定义了，在哪个部位上可以在电流路径之一中量取(abgegriffen)第一温度电压。当调节电路将电压差调节为0伏的目标值时，选择用于第一电路的最佳工作点。
23.如果调节电路包括控制元件和放大器，其中，放大器以这样的方式与第一电路耦合，使得电压差施加在放大器的输入接触部上，并且，其中，控制元件设置用于，基于放大器的输出电压控制流经电流偏置电路的电流的量值或电流偏置电路的输出电阻，则也是有利的。因此，通过放大器调整了参数，该参数对存在于第一电流路径中和第二电流路径中的电压具有直接影响。以这种方式，可以选择和操控用于第一电路的确定工作点。控制元件在此优选由电流偏置电路的多个或全部内部电流源形成，其中，内部电流源是可控电流源。
24.优选的是，在此，在并联的电流路径中的一个电流路径中、尤其是在第二电流路径中布置有电阻。该电流路径还优选包括第二电路。如此，电阻优选布置在第二电流路径中，从而通过第二二极管元件同时提供第二温度电压，该第二温度电压在第二二极管元件上下降。如此，尤其是，第一电流路径仅包括第一二极管元件，第二电流路径优选包括第二二极管元件和与第二二极管元件串联连接的电阻。由调节电路调节的电压差在此优选是施加在电流偏置电路的输入接触部之间的电压差。同样优选的是，由调节电路调节的电压差是施加在第一二极管元件的输出接触部和电阻的远离第二二极管元件的接触部之间的电压差。
25.此外优选的是，第一二极管元件和/或第二二极管元件是二极管电路中的二极管或晶体管，其中，在二极管电路中，通过晶体管模拟二极管。如此，第一二极管元件和/或第二二极管元件尤其是通过运行二极管电路中的相关晶体管的方式来提供。该晶体管在此优选为双极晶体管。
附图说明
26.在下文中，参照所附的附图对本发明的实施例进行详细描述。在附图中：
27.图1是根据本发明的一个实施方式的用于提供带隙电压参考的设备的电路图；以及
28.图2是电流偏置电路的运行方式的示意图。
具体实施方式
29.图1示出了一个用于提供带隙电压参考的设备10的电路图。在此，在图1中，尤其是示出了电路的一部分，通过所述部分提供了第一温度电压ptat和第二温度电压ctat。该设备10可选地包括另外的部件，通过所述另外的部件将第一温度电压ptat和第二温度电压ctat组合成参考电压，所述参考电压形成电压参考。
30.该设备10包括第一电路20、第二电路30、调节电路40和电流偏置电路50。
31.第一电路20设置用于产生和提供第一温度电压ptat。第一温度电压ptat是与当前的温度成比例的电压。这意味着，随着当前的温度的升高，由第一电路20输出较高的第一温度电压ptat。
32.第一电路20包括两个并联的电流路径21、22。在并联的电流路径21、22的第一电流路径21中布置有第一二极管元件23。在并联的电流路径21、22的第二电流路径22中布置有第二二极管元件24和电阻25。第一二极管元件23和第二二极管元件24在此分别由双极晶体管提供，该双极晶体管在二极管运行中互连。在此，第一二极管元件23和第二二极管元件24分别以第一侧与供电电压vdd耦合。如此，尤其是形成二极管元件23、24的晶体管的基极和集电极分别与供电电压vdd耦合。在第一电流路径21中，第一二极管元件23的第二侧、即第一二极管元件23的晶体管的发射极与电流偏置电路50的第一输入端耦合。在第二电流路径22中，第二二极管元件24的第二侧、即第二二极管元件24的晶体管的发射极经由电阻25与电流偏置电路50的第二输入端耦合。
33.为了第一电路20能够提供第一温度设置ptat，有必要的是，流经第一电流路径21的电流与流经第二电流路径22的电流之间的比率是已知的。这是通过电流偏置电路50实现的，该电流偏置电路设置用于控制穿过第一二极管元件23的电流流动与穿过第二二极管元件24的电流流动的比率。如此，例如，与穿过第二电流路径22并且因而穿过第二二极管元件24相比，引导n倍的电流穿过第一电流路径21。因此，该比率为例如n:1。
34.电流偏置电路50包括多个内部电流路径51-59。在此，电流偏置电路50设置用于，在彼此相继的周期中，分别将所述内部电流路径51-59中的数量为x的内部电流路径分配给第一电流路径21并将所述内部电流路径51-59中的数量为y的内部电流路径分配给第二电流路径22。电流偏置电路50的内部电流路径51-59中的每个内部电流路径在此包括内部电流源。在此，值得期望的是，内部电流源中的每个内部电流源并且因此内部电流路径51-59中的每个内部电流路径提供相同的电流。然而，在此，可能出现结构上的或由老化限定的偏差。通过分配给第一电流路径21的内部电流路径51-59的数量与分配给第二电流路径22的内部电流路径51-59的数量的比率，得到穿过第一二极管元件23的电流流动与穿过第二二极管元件24的电流流动的比率。如此，在本实施方式中，数量x等于数量n，数量y等于1。因而适用x/y＝n/1。
35.在此，电流偏置电路50包括电路矩阵70，所述电路矩阵经由内部电流路径51-59中的x个、尤其是n个内部电流路径将第一电流路径21与电路接地连接，并经由内部电流路径51-59中的y个、尤其是一个内部电流路径将第二电流路径22与电路接地连接。在此，内部电流源41布置在电路矩阵70的输出侧上，其中，内部电流源41的数量对应于电流偏置电路50的内部电流路径51-59的数量。
36.如果将比率选择为例如7:1，则分别地将内部电流路径51-59中的数量为7的内部电流路径分配给第一电流路径21并将内部电流路径51-59中的一个内部电流路径分配给第二电流路径22。因此，相对于流动穿过第二电流路径22并且流动穿过第二二极管元件24的电流，7倍的电流流动穿过第一电流路径21并且因而流动穿过第一二极管元件23。
37.在彼此相继的周期中，分别将内部电流路径51-59的不同组合分配给数量x和数量y。因此，通过电流偏置电路50分别将内部电流源中的x个内部电流源分配给第一电流路径21，其中，并不总是将相同的内部电流路径51-59分配给第一电流路径21。这以相应的方式适用于第二电流路径22，所述第二电流路径并不总是分配有内部电流路径51-59中的同一内部电流路径。随着每个周期，将其他的内部电流路径51-59分配给第一电流路径21或第二电流路径22。在此，优选根据旋转原则(rotationsprinzip)或随机原则地将内部电流路径51-59分配给数量x或数量y并且因而分配给第一电流路径21或第二电流路径22。
38.图2示例性地示出了电流偏置电路50的多个内部电流路径51-59。如此，在图2中示出了第一电流路径51、第二电流路径52、第三电流路径53、第四电流路径54、第五电流路径55、第六电流路径56、第七电流路径57、第八电流路径58和第九电流路径59。所述电流路径51-59中的每个电流路径在此包括内部电流源41中的恰好一个内部电流源。
39.图2示出了示例性的周期。在此，第一至第七内部电流路径51-57分配给数量x并且因而分配给第一电流路径21。此外，第八电流路径58分配给数量y并且因而分配给第二电流路径22。属于数量x的内部电流路径在此是并联地连接的。因此，在图2中所示的周期中，与穿过第二电流路径22相比，7倍的电流流动穿过第一电流路径21。在之后跟随的周期中，将内部电流路径51-59中的其他电流路径分配给数量x。如此，例如，将第二至第八电流路径52-58分配给数量x并且因而分配给第一电流路径21，将第九内部电流路径59分配给数量y并且因而分配给第二电流路径22。
40.然而，在此，在彼此相继的周期中，分配给数量x的内部电流路径与分配给数量y的电流路径的数量的比率保持不变。
41.如果内部电流路径51-59中的电流源将是如此地相同的，使得这些电流源将提供完全相同的电流，则比率x:y并且因而穿过第一电流路径21的电流与第二电流路径22中的电流的比率将恰好是7:1。然而，由于电流偏置电路50的老化或由于由温度限定的波动，可能出现由内部电流路径51-59中各个电流源提供的电流之间的差异。因此，电流偏置电路50包括校准电路60，该校准电路将所述比率调整为目标值。这是通过以下方式来实现的：电流偏置电路50的内部电流路径51-59的数量大于数量x加数量y，并且校准电路设置用于在一个周期中分别将内部电流路径51-59中的一个内部电流路径校准为目标值，其中，待校准的内部电流路径在该周期中既不分配给数量x也不分配给数量y。如此，例如从图2可以看出，在所示的周期中，第九内部电流路径59既没有分配给数量x也没有分配给数量y。第九内部电流路径59——其包括所属的内部电流源——在这个周期中被校准。在此，以这样的方式
调整第九内部电流路径59的内部电流源，使得由该电流源所提供的电流对应于由参考电流源61所提供的参考电流i
ref
。在彼此相继的周期中，如此调整各个内部电流路径51-59的内部电流源中的每个内部电流源，使得由相应的内部电流源所提供的电流对应于参考电流i
ref
。因此实现了：通过内部电流路径51-59中的每个内部电流路径提供相同的电流。因此实现了：由电流偏置电路50为第一电流路径21和第二电流路径22提供的电流的比率也对应于电流偏置电路50的分配给并联电流路径21、22的内部电流路径的数量的比率。
42.以相应的方式，从图1可以看出，内部电流路径51-59中的一个内部电流路径分别与校准电路60耦合，所述校准电路提供参考电流i
ref
，内部电流路径51-59中的n个内部电流路径与第一电流路径21耦合，并且内部电流路径51-59中的一个内部电流路径与第二电流路径22耦合。因此，在图1中所示的电路具有n 2个内部电流路径，其中，内部电流源41的恰好一个内部电流源属于内部电流路径中的每个内部电流路径。在此，优选地，通过电路矩阵70分别将内部电流路径51-59中的n个内部电流路径分配给第一电流路径21，将内部电流路径51-59中的一个内部电流路径分配给第一电流路径22，并且将内部电流路径51-59中的一个内部电流路径分配用于校准电路60的校准。
43.调节电路40包括运算放大器42和控制元件41。在所描述的实施方式中，控制元件41是由内部电流源43形成的，所述内部电流源是可控的电流源。运算放大器42以非反相输入端与电流偏置电路50的第二输入端连接，并且因而也与第二电流路径22连接。运算放大器42的反相输入端与电流偏置电路50的第一输入端连接，并且因而与第一电流路径21连接。通过调节电路40，内部电流源43以同样的方式被操控，并且调整多大的总电流流动穿过电流偏置电路50。调节电路40不改变穿过第一电流路径21的电流流动与第二电流路径22中的电流流动之间的比率，因为该比率是由通过电路矩阵70分配给第一电流路径21和第二电流路径22的内部电流路径51-59的数量方面的比率来定义的。由于不同的电流流动穿过第一电流路径21和第二电流路径22，因此通过调节电路40平衡第一电流路径21和第二电流路径22之间的电压差，因为这取决于在总体上多大的电流流动穿过电流偏置电路50。该电压差在此被调节为目标值0v。在此，将第一电路20调准到预给定的工作点中，在所述工作点中，第一电路提供第一温度电压ptat。
44.用于提供第二温度电压ctat的第二电路30由第二二极管元件24形成。第二温度电压ctat与当前的温度互补。这意味着，第二温度电压ctat随着温度电压的升高而下降。
45.因此，第一温度电压ptat可以经由电阻25来量取，或者可以在第一电流路径21和第二电流路径22之间量取。第二温度电压可以经由第二二极管元件24进行量取。
46.除上述公开内容外，还明确参考了图1和图2的公开内容。