齐纳二极管电压参考电路的制作方法

本公开大体上涉及半导体装置，以及更具体地说，涉及半导体装置中的齐纳二极管电压参考电路系统。

背景技术：

当今，使稳定的参考电压产生器包括在集成电路(ic)裸片或芯片上是重要的。举例来说，提供稳定参考电压的电路用于数据转换器、模拟装置、传感器和许多其它应用中。这些电路需要经历制造工艺变化、供应电压变化和操作温度变化仍稳定的电压产生器。可在不修改常规制造工艺的情况下实施此类电压产生器。然而，电压产生器电路可能受封装应力和扩大的温度范围影响。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供一种电压参考电路，包括：

齐纳二极管，其具有耦合到第一节点的第一端和耦合到第一电压供应端的第二端；

在所述第一节点处耦合的与绝对温度成正比(ptat)电路，所述ptat电路被配置成产生ptat电流；和

在所述第一节点处耦合的ptat补偿电路，所述ptat补偿电路包括第一电流镜，所述第一电流镜具有在所述第一节点处耦合的第一分支。

在一个或多个实施例中，所述ptat补偿电路的所述第一电流镜进一步包括耦合到第一晶体管的第一电流电极的第二分支。

在一个或多个实施例中，所述ptat电路包括耦合到所述第一晶体管的控制电极的第二电流镜。

在一个或多个实施例中，所述第一晶体管和形成所述第二电流镜的晶体管被表征为双极结型晶体管。

在一个或多个实施例中，所述电压参考电路进一步包括第一电阻器，所述第一电阻器具有在所述第一节点处耦合的第一端和在第二节点处耦合的第二端，所述ptat电流跨所述第一电阻器形成ptat电压。

在一个或多个实施例中，所述电压参考电路进一步包括耦合在所述第二节点与所述第一电压供应端之间的分压器，所述分压器被配置成在输出端处提供参考电压。

在一个或多个实施例中，所述电压参考电路进一步包括耦合在所述第二节点与所述第一电压供应端之间的分压器，所述分压器包括：

第二电阻器，其具有在所述第二节点处耦合的第一端和在输出端处耦合的第二端；和

第三电阻器，其具有耦合到所述输出端的第一端和耦合到所述第一电压供应端的第二端。

在一个或多个实施例中，所述输出端耦合到模/数转换器的输入端。

在一个或多个实施例中，所述齐纳二极管的所述第一端被表征为阴极且所述齐纳二极管的所述第二端被表征为阳极。

在一个或多个实施例中，所述ptat补偿电路的所述第一电流镜包括：

第一晶体管，其具有耦合到第二电压供应端的第一电流电极和经耦合以在所述第一节点处形成第一分支的第二电流电极；和

第二晶体管，其具有耦合到所述第二电压供应端的第一电流电极以及耦合到所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制电极的第二电流电极。

在一个或多个实施例中，所述ptat补偿电路的所述第一电流镜进一步包括：

第三晶体管，其具有耦合到所述第二晶体管的所述第二电流电极的第一电流电极、耦合到所述ptat电路的控制电极和耦合到所述第一电压供应端的第二电流电极。

在一个或多个实施例中，所述参考电路进一步包括电流源，所述电流源具有耦合到所述第二电压供应端的输入和在所述第一节点处耦合的输出。

根据本发明的第二方面，提供一种产生参考电压的方法，所述方法包括：

提供耦合在第一节点与第一电压供应端之间的齐纳二极管；

借助于在所述第一节点处耦合的ptat电路产生与绝对温度成正比(ptat)电流，所述ptat电流跨在所述第一节点处耦合的第一电阻器形成ptat电压；和

借助于在所述第一节点处耦合的ptat补偿电路在所述第一节点处注入ptat补偿电流，所述ptat补偿电路包括：

第一晶体管，其具有耦合到第二电压供应端的第一电流电极和在所述第一节点处耦合的第二电流电极；和

第二晶体管，其具有耦合到所述第二电压供应端的第一电流电极以及耦合到所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制电极的第二电流电极；和

第三晶体管，其具有耦合到所述第二晶体管的所述第二电流电极的第一电流电极、耦合到所述ptat电路的控制电极和耦合到所述第一电压供应端的第二电流电极。

在一个或多个实施例中，所述ptat补偿电流是基于通过所述第三晶体管的镜像电流。

在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括在耦合到所述ptat电路的分压器电路的输出处产生所述参考电压。

本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。

附图说明

本发明借助于例子示出且不受附图的限制，在附图中类似标记指示类似元件。图式中的元件为简单和清楚起见被示出且未必按比例绘制。

图1以框图形式示出根据本发明的实施例的示例性模/数转换器(adc)系统。

图2以示意图形式示出根据本发明的实施例的示例性电压参考电路。

图3以示意图形式示出根据本发明的替代实施例的示例性电压参考电路。

图4以曲线图形式示出根据本发明的实施例的示例性参考电压对温度。

具体实施方式

大体上，提供实施在半导体集成电路上的齐纳二极管电压参考电路系统，所述齐纳二极管电压参考电路系统产生在扩大的温度范围内(例如，-40到150℃)基本恒定的参考电压。耦合到与绝对温度成正比(ptat)电路的齐纳二极管基于偏置电流产生参考电压。ptat电流补偿电路基于来自ptat电路的镜像电流注入电流。所注入电流用以稳定齐纳二极管偏置电流，从而允许显著改进在扩大的温度范围内的参考电压的线性。

图1以框图形式示出根据本公开的实施例的示例性模/数转换器(adc)系统100。adc系统100包括电压参考电路102和adc电路104。电压参考电路102大体上被耦合以向adc电路104中的数/模转换电路系统(未示出)提供参考电压(vref)。

电压参考电路102包括用于提供标注为vref的参考电压信号的输出。adc电路104包括：第一输入，其被耦合以接收模拟输入电压；第二输入，其被耦合以接收vref电压信号；和输出，其用于提供可例如由处理器使用的数字值。adc电路104可为任何类型的adc，例如逐次逼近寄存器(sar)、∑-δ和闪存。电压参考电路102可被耦合以向需要稳定参考电压的任何合适的电路系统提供vref电压信号。

图2以示意图形式示出根据本公开的实施例的示例性电压参考电路102。电压参考电路102包括齐纳二极管202、与绝对温度成正比(ptat)电路、输出分压器、偏置电流源220和ptat电流补偿电路。电压参考电路102耦合到标注为vdd的第一电压供应端和标注为gnd的第二电压供应端，且在标注为vref的输出端处提供参考电压vref。可在第一电压供应端处提供标称工作电压(通常被称作vdd)。第一电压供应端还可被称为vdd供应端。可在第二电压供应端处提供0伏或接地电压。第二电压供应端还可被称为gnd供应端或接地供应端。

ptat电路包括p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)204和206、npn双极结型晶体管(bjt)208和210(q2和q1)和电阻器212。晶体管204和206被配置成形成第一电流镜。晶体管204和206中的每一个的第一电流电极在标注为v2的节点处耦合。晶体管206的第二电流电极耦合到晶体管204和206的控制电极。晶体管208和210被配置成与ptat电流补偿电路的npnbjt226(q3)形成第二电流镜。晶体管204的第二电流电极耦合到晶体管208的第一电流电极(例如，集电极)以及晶体管208和210的控制电极(例如，基极)。晶体管208的第二电流电极(例如，发射极)耦合到gnd供应端。晶体管210的第二电流电极耦合到电阻器212的第一端，且电阻器212的第二端耦合到gnd供应端。

输出分压器在节点v2处耦合到ptat电路。输出分压器包括电阻器214到216，所述电阻器214到216被配置成在vref输出端处提供大约1.25伏的参考电压。在一些实施例中，输出分压器可被配置成提供除1.25伏外的参考电压。电阻器214的第一端在节点v2处耦合且电阻器214的第二端在vref输出端处耦合到电阻器216的第一端。电阻器216的第二端耦合到gnd供应端。电阻器218耦合在节点v1与节点v2处的ptat电路之间。电阻器218的第一端在标注为v1的节点处耦合且电阻器218的第二端在节点v2处耦合。

齐纳二极管202在节点v1处耦合。齐纳二极管202包括在节点v1处耦合的第一端(例如，阴极)和耦合到gnd供应端的第二端(例如，阳极)。电流源220还在节点v1处耦合且被配置成向齐纳二极管202提供偏置电流。电流源220包括耦合到vdd供应端的第一端(例如，输入)和在节点v1处耦合的第二端(例如，输出)。

ptat电流补偿电路包括p沟道mosfet222和224以及npnbjt226(q3)。晶体管222和224被布置成形成电流镜，所述电流镜具有在节点v1处耦合的第一分支(例如，镜像电流分支)和耦合到晶体管226的第二分支。晶体管222的第一电流电极耦合到vdd供应端且晶体管222的第二电流电极耦合到晶体管222和224的控制电极且耦合到晶体管226的第一电流电极(例如，集电极)。晶体管224的第一电流电极耦合到vdd供应端且晶体管224的第二电流电极在节点v1处耦合。晶体管226的第二电流电极(例如，发射极)耦合到gnd供应端。晶体管226的控制电极(例如，基极)耦合到形成电流镜的晶体管208的控制电极和第一电流电极，由此第二分支电流i2是电流i4的镜像电流。ptat电流补偿电路被配置成借助于电流源流过的晶体管224向ptat电路提供电流。

在示例性电压参考电路102中，ptat电路的bjtq2配置有比bjtq1大八倍的发射极面积。举例来说，q2可形成为并联连接的q1大小的七个晶体管，因此形成8∶1的电流密度q1∶q2。在一些实施例中，q2可被配置成与q1形成其它电流密度比。ptat电流补偿电路的bjtq3被配置成与q1具有相同大小。ptat电流补偿电路的晶体管224被配置成具有两倍于晶体管222的宽度尺寸。举例来说，晶体管224可形成为并联连接的两个晶体管(晶体管222大小)。在一些实施例中，q3以及晶体管222和224可被配置成具有其它大小关系。

在操作中，电流源220向齐纳二极管202提供偏置电流i1且向输出分压器电阻器214到216提供偏置电流i5，而ptat电流补偿电路系统向ptat电路提供电流(2*i4)。因为ptat电流补偿电路系统向ptat电路系统提供电流，且因为节点v2处的电压随温度保持恒定，所以齐纳二极管偏置电流稳定化，从而允许显著改进随温度的线性。齐纳电压在节点v1处产生且参考电压vref在输出端处提供。在此实施例中，节点v1处的齐纳电压大约是5.0伏且vref电压大约是1.25伏。在一些实施例中，可产生其它齐纳和vref电压。ptat电路借助于q1和q2的电流密度之间的差产生ptat电流i4(例如，δvbe/电阻器212)。ptat电流i4跨电阻器218形成ptat电压，从而补偿齐纳电压随温度的变化且在节点v2处产生稳定电压。因为q3被配置成与q1和q2成电流镜布置，所以q1分支电流i4成镜像以形成ptat电流补偿电路的q3分支电流i2。继而，通过晶体管224形成的电流充当用于使ptat电路系统偏置的电流源。

图3以示意图形式示出根据本公开的替代实施例的示例性电压参考电路102。电压参考电路102包括齐纳二极管302、与绝对温度成正比(ptat)电路、输出分压器、偏置电流源320和ptat电流补偿电路。电压参考电路102耦合到标注为vdd的第一电压供应端和标注为gnd的第二电压供应端，且在标注为vref的输出端处提供参考电压vref。可在第一电压供应端处提供标称工作电压(通常被称作vdd)。第一电压供应端还可被称为vdd供应端。可在第二电压供应端处提供0伏或接地电压。第二电压供应端还可被称为gnd供应端或接地供应端。

ptat电路包括n沟道mosfet304和306、pnpbjt308和310(q2和q1)和电阻器312。晶体管304和306被配置成与ptat电流补偿电路的n沟道mosfet326形成第一电流镜。晶体管304和306中的每一个的第一电流电极耦合到gnd供应端。晶体管306的第二电流电极耦合到晶体管304和306的控制电极。晶体管308和310被配置成形成第二电流镜。晶体管304的第二电流电极耦合到晶体管308的第一电流电极(例如，集电极)以及晶体管308和310的控制电极(例如，基极)。晶体管308的第二电流电极(例如，发射极)在节点v2处耦合。晶体管310的第二电流电极耦合到电阻器312的第一端且电阻器312的第二端在节点v2处耦合。

输出分压器在节点v2处耦合到ptat电路。输出分压器包括电阻器314到316，所述电阻器314到316被配置成在vref输出端处提供大约1.25伏的参考电压。在一些实施例中，输出分压器可被配置成提供除1.25伏外的参考电压。电阻器314的第一端在节点v2处耦合且电阻器314的第二端在vref输出端处耦合到电阻器316的第一端。电阻器316的第二端耦合到gnd供应端。电阻器318耦合在节点v1与节点v2处的ptat电路之间。电阻器318的第一端在节点v1处耦合且电阻器318的第二端在节点v2处耦合。

齐纳二极管302在节点v1处耦合。齐纳二极管302包括在节点v1处耦合的第一端(例如，阴极)和耦合到gnd供应端的第二端(例如，阳极)。电流源320还在节点v1处耦合且被配置成向齐纳二极管302提供偏置电流。电流源320包括耦合到vdd供应端的第一端(例如，输入)和在节点v1处耦合的第二端(例如，输出)。

ptat电流补偿电路包括p沟道mosfet322和324以及n沟道mosfet326。晶体管322和324被布置成形成电流镜，所述电流镜具有在节点v1处耦合的第一分支(例如，镜像电流分支)和耦合到晶体管326的第二分支。晶体管322的第一电流电极耦合到vdd供应端且晶体管322的第二电流电极耦合到晶体管322和324的控制电极且耦合到晶体管326的第一电流电极。晶体管324的第一电流电极耦合到vdd供应端且晶体管324的第二电流电极在节点v1处耦合。晶体管326的第二电流电极耦合到gnd供应端。晶体管326的控制电极耦合到形成电流镜的晶体管306的控制电极和第二电流电极，由此第二分支电流i2是电流i4的镜像电流。ptat电流补偿电路被配置成借助于电流源流过的晶体管324向ptat提供电流。

在示例性电压参考电路102中，ptat电路的bjtq2配置有比bjtq1大八倍的发射极面积。举例来说，q2可形成为并联连接的具有q1大小的七个晶体管，因此形成8∶1比的电流密度q1∶q2。在一些实施例中，q2可被配置成与q1形成其它电流密度比。ptat电流补偿电路的晶体管326被配置成与晶体管306具有相同大小。ptat电流补偿电路的晶体管324被配置成具有两倍于晶体管322的宽度尺寸。举例来说，晶体管324可形成为并联连接的两个晶体管(具有晶体管322大小)。在一些实施例中，晶体管322到326可被配置成具有其它大小关系。

在操作中，电流源320向齐纳二极管302提供偏置电流且向输出分压器电阻器314到316提供偏置电流i5，而ptat电流补偿电路系统向ptat电路提供电流。因为ptat电流补偿电路系统向ptat电路系统提供电流，且因为节点v2处的电压随温度保持恒定，所以齐纳二极管偏置电流稳定化，从而允许显著改进随温度的线性。齐纳电压在节点v1处产生且参考电压vref在输出端处提供。在此实施例中，节点v1处的齐纳电压大约是5.0伏且vref电压大约是1.25伏。在一些实施例中，可产生其它齐纳和vref电压。ptat电路借助于q1和q2的电流密度之间的差产生ptat电流i4(例如，δvbe/电阻器312)。ptat电流i4跨电阻器318形成ptat电压，从而补偿齐纳电压随温度的变化且在节点v2处产生稳定电压。因为晶体管326被配置成与晶体管304和306成电流镜布置，所以q2分支电流i4成镜像以形成ptat电流补偿电路的分支电流i2。继而，通过晶体管324形成的电流充当用于使ptat电路系统偏置的电流源。

图4以曲线图形式示出根据本发明的实施例的示例性参考电压vref对温度。温度值在x轴上以摄氏度(℃)示出，且vref电压值在y轴上示出。图4的曲线图包括描绘vref产生的电压对温度的模拟结果的曲线图402和404。在此例子中，曲线图402示出来自已知齐纳二极管参考电压产生器的vref电压输出，其中ptat电流补偿不会随温度变化多于2毫伏(mv)。相比之下，曲线图404示出来自示例性电压参考电路102的vref电压输出，所述vref电压输出随温度变化小于0.1mv。因为电压参考电路102包括ptat电流补偿电路系统以向ptat电路提供偏置电流，所以齐纳二极管偏置电流保持稳定，从而允许vref电压输出与温度具有基本上平坦的恒定关系。

大体上，提供一种电压参考电路，其包括：齐纳二极管，所述齐纳二极管具有耦合到第一节点的第一端和耦合到第一电压供应端的第二端；在第一节点处耦合的与绝对温度成正比(ptat)电路，所述ptat电路被配置成产生ptat电流；和在第一节点处耦合的ptat补偿电路，所述ptat补偿电路包括第一电流镜，所述第一电流镜具有在第一节点处耦合的第一分支。ptat补偿电路的第一电流镜可进一步包括耦合到第一晶体管的第一电流电极的第二分支。ptat电路可包括耦合到第一晶体管的控制电极的第二电流镜。第一晶体管和形成第二电流镜的晶体管可表征为双极结型晶体管(bjt)。参考电路可进一步包括电流源，所述电流源具有耦合到第二电压供应端的输入和在第一节点处耦合的输出。ptat补偿电路的第一电流镜可包括：第一晶体管，其具有耦合到第二电压供应端的第一电流电极和经耦合以在第一节点处形成第一分支的第二电流电极；和第二晶体管，其具有耦合到第二电压供应端的第一电流电极以及耦合到第一晶体管和第二晶体管的控制电极的第二电流电极。参考电路可进一步包括第一电阻器，所述第一电阻器具有在第一节点处耦合的第一端和在第二节点处耦合的第二端，所述ptat电流跨第一电阻器形成ptat电压。参考电路可进一步包括耦合在第二节点与第一电压供应端之间的分压器，所述分压器被配置成在输出端处提供参考电压。齐纳二极管的第一端可表征为阴极且齐纳二极管的第二端可表征为阳极。

在另一实施例中，提供一种电压参考电路，其包括：齐纳二极管，所述齐纳二极管具有耦合到第一节点的第一端和耦合到第一电压供应端的第二端；在第一节点处耦合的与绝对温度成正比(ptat)电路，所述ptat电路被配置成产生ptat电流；和在第一节点处耦合的ptat补偿电路，所述ptat补偿电路包括：第一晶体管，其具有耦合到第二电压供应端的第一电流电极和在第一节点处耦合的第二电流电极；和第二晶体管，其具有耦合到第二电压供应端的第一电流电极以及耦合到第一晶体管和第二晶体管的控制电极的第二电流电极；和第三晶体管，其具有耦合到第二晶体管的第二电流电极的第一电流电极、耦合到ptat电路的控制电极和耦合到第一电压供应端的第二电流电极。ptat电路可包括耦合到第三晶体管的控制电极的第一电流镜，所述第一电流镜和所述第三晶体管被布置成使镜像电流流动通过第三晶体管。参考电路可进一步包括电流源，所述电流源具有耦合到第二电压供应端的输入和在第一节点处耦合的输出。齐纳二极管的第一端可表征为阴极且齐纳二极管的第二端可表征为阳极。参考电路可进一步包括第一电阻器，所述第一电阻器具有在第一节点处耦合的第一端和在第二节点处耦合的第二端，所述ptat电流跨第一电阻器形成ptat电压。参考电路可进一步包括耦合在第二节点与第一电压供应端之间的分压器，所述分压器包括：第二电阻器，其具有在第二节点处耦合的第一端和在输出端处耦合的第二端；和第三电阻器，其具有耦合到输出端的第一端和耦合到第一电压供应端的第二端。输出端可耦合到模/数转换器的输入端。参考电路可被配置成在输出端处提供1.25伏参考电压。

在又一实施例中，提供一种产生参考电压的方法，包括：提供耦合在第一节点与第一电压供应端之间的齐纳二极管；借助于在第一节点处耦合的ptat电路产生与绝对温度成正比(ptat)电流，所述ptat电流跨在第一节点处耦合的第一电阻器形成ptat电压；和借助于在第一节点处耦合的ptat补偿电路在第一节点处注入ptat补偿电流，所述ptat补偿电路包括：第一晶体管，其具有耦合到第二电压供应端的第一电流电极和在第一节点处耦合的第二电流电极；和第二晶体管，其具有耦合到第二电压供应端的第一电流电极以及耦合到第一晶体管和第二晶体管的控制电极的第二电流电极；和第三晶体管，其具有耦合到第二晶体管的第二电流电极的第一电流电极、耦合到ptat电路的控制电极和耦合到第一电压供应端的第二电流电极。ptat补偿电流可基于通过第三晶体管的镜像电流。所述方法可进一步包括在耦合到ptat电路的分压器电路的输出处产生参考电压。

到目前为止，应了解，已经提供实施于半导体集成电路上的齐纳二极管电压参考电路系统，所述齐纳二极管电压参考电路产生在扩大的温度范围(例如，-40到150℃)内的基本恒定的参考电压。耦合到与绝对温度成正比(ptat)电路的齐纳二极管基于偏置电流产生参考电压。ptat电流补偿电路基于来自ptat电路的镜像电流注入电流。所注入电流用以稳定齐纳二极管偏置电流，从而允许显著改进在扩大的温度范围内的参考电压的线性。

由于实施本发明的设备大部分由本领域的技术人员已知的电子组件和电路组成，因此为了理解和了解本发明的基本概念且为了不混淆或偏离本发明的教示，将不会以比上文所示出的认为必要的任何更大程度阐述电路细节。

尽管本发明已关于具体导电型或电势的极性进行描述，但本领域的技术人员会了解到，可颠倒导电型或电势的极性。

本文中所描绘的架构仅仅是示例性的，且实际上可实施实现相同功能的许多其它架构。从抽象角度但仍具有明确意义来说，实现相同功能的任何组件布置实际上“相关联”，使得所希望的功能得以实现。因此，本文中经组合以实现特定功能的任何两个组件都可被视为彼此“相关联”，使得所希望的功能得以实现，而不管架构或中间组件如何。同样地，如此相关联的任何两个组件还可被视为彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以实现所要功能。

此外，本领域的技术人员应认识到，上文所描述的操作的功能之间的界限仅为说明性的。多个操作的功能可组合成单一操作，和/或单一操作的功能可分布在额外操作中。此外，替代实施例可包括特定操作的多个实例，且操作的次序可在各种其它实施例中进行更改。

尽管本文中参考具体实施例描述了本发明，但可在不脱离如所附权利要求书中所阐述的本发明的范围的情况下进行各种修改和改变。因此，说明书和图式应视为说明性而不是限制性意义，且预期所有此类修改都包括在本发明的范围内。并不意图将本文中相对于具体实施例所描述的任何优势、优点或针对问题的解决方案理解为任何或所有权利要求的关键、必需或必不可少的特征或元件。

此外，如本文中所使用，术语“一”被定义为一个或多于一个。而且，权利要求书中例如“至少一个”和“一个或多个”等介绍性短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词“一”导入的另一权利要求要素将含有此导入的权利要求要素的任何特定权利要求书限于仅含有一个此类要素的发明，甚至是在同一权利要求书包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和例如“一”等不定冠词时。定冠词的使用也是如此。

除非另有陈述，否则例如“第一”和“第二”等术语用于任意地区别此类术语所描述的元件。因此，这些术语未必意图指示此些元件的时间上的优先级或其它优先级。