FR2653572A1

FR2653572A1 - Voltage reference circuit

Info

Publication number: FR2653572A1
Application number: FR8913757A
Authority: FR
Inventors: Breugnot Frederic; Edme Frank
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1989-10-20
Publication date: 1991-04-26

Abstract

The invention relates to integrated circuits, and more specifically how to produce a constant reference voltage source inside the circuit. The proposed source is of the "bandgap" type, with two diodes (D1, D2) at the input of an operational amplifier (AO). The amplifier includes two differential branches (T3, T4, T'3, T'4) fed by a current source and according to the invention it is proposed, in order to stabilise the reference voltage Vref at output even more, to bias this current source by using the reference voltage at output from the amplifier. The current source consists of a transistor (T5) whose gate is biased by the output from a bias circuit with two transistors (T8, T9) one of which receives the output voltage Vref. The other has its gate connected to its drain.

Description

L'invention concerne les circuits-intégrés, et plus précisément la manière de réaliser une source de tension de référence constante à l'intérieur du circuit. The invention relates to integrated circuits, and more precisely the manner of producing a constant reference voltage source inside the circuit.

On a fréquemment besoin dans les circuits-intégrés de sources de tension de référence bien constantes, tout particulièrement de sources de tension délivrant une tension aussi indépendante que possible d'une part de la température et d'autre part de la tension d'alimentation
Vcc du circuit.There is frequently a need in integrated circuits for very constant reference voltage sources, in particular for voltage sources delivering a voltage as independent as possible on the one hand of the temperature and on the other hand of the supply voltage
Vcc of the circuit.

Un schéma de circuit largement utilisé dans la technique antérieure et fournissant une tension de référence assez stable est le schéma représenté à la figure 1. Il est connu sous le nom de "source de tension de référence à bandgap", le mot bandgap étant un mot d'origine anglaise désignant l'énergie de passage des électrons de la bande de conduction à la bande de valence dans le semiconducteur utilisé. Cette énergie dépend de manière connue de la température. Les sources de référence de ce type utilisent la dépendance de certains paramètres de circuit en fonction de cette énergie et donc de la température, pour réaliser, par des compensations appropriées, une tension de référence relativement stable. A circuit diagram widely used in the prior art and providing a fairly stable reference voltage is the diagram shown in Figure 1. It is known as a "reference voltage source to bandgap", the word bandgap being a word of English origin designating the energy of passage of electrons from the conduction band to the valence band in the semiconductor used. This energy depends in a known manner on the temperature. Reference sources of this type use the dependence of certain circuit parameters as a function of this energy and therefore of the temperature, to achieve, by appropriate compensations, a relatively stable reference voltage.

Le circuit de la figure 1 comprend essentiellement deux jonctions PN, représentées sur la figure par deux diodes D1 et D2 qui peuvent être des transistors bipolaires montés en diode (c'est-à-dire ayant chacun son collecteur relié à sa base), trois résistances R1,
R2, R3, et un amplificateur opérationnel AO (amplificateur à grand gain en boucle ouverte et grande impédance d'entrée).The circuit of FIG. 1 essentially comprises two PN junctions, represented in the figure by two diodes D1 and D2 which can be bipolar transistors mounted as a diode (that is to say each having its collector connected to its base), three resistors R1,
R2, R3, and an operational amplifier AO (high gain amplifier in open loop and high input impedance).

L'amplificateur AO comprend une entrée inverseuse reliée par la diode D2 à une masse, et une entrée non inverseuse reliée à une résistance R1 qui est elle-même reliée à travers la diode D1 à la masse. Une résistance de bouclage R2 relie la sortie de l'amplificateur à l'entrée non-inverseuse, et une résistance de bouclage
R3 relie la sortie à l'entrée inverseuse. La tension de référence stable Vref fournie par le circuit est prélevée à la sortie de l'amplificateur.The amplifier AO comprises an inverting input connected by the diode D2 to a ground, and a non-inverting input connected to a resistor R1 which is itself connected through the diode D1 to the ground. A loop resistance R2 connects the amplifier output to the non-inverting input, and a loop resistance
R3 connects the output to the inverting input. The stable reference voltage Vref supplied by the circuit is taken at the output of the amplifier.

Cette stabilité de la tension de sortie repose sur un choix approprié des surfaces de jonction des deux diodes et des courants circulant dans ces diodes. La tension de référence Vref obtenue en sortie de l'amplificateur est la somme de la tension de coude Vbe2 de la diode D2 et d'un terme qui est Vf.R2/R1 où Vf est une tension qui est le produit d'une tension de "bandgap" classique Vt (avec Vt=kT/q) et d'un terme qui est le logarithme népérien du rapport R2.S1/R3.S2, S1 et
S2 étant les surfaces de jonction des deux diodes D1 et
D2.This stability of the output voltage is based on an appropriate choice of the junction surfaces of the two diodes and of the currents flowing in these diodes. The reference voltage Vref obtained at the output of the amplifier is the sum of the elbow voltage Vbe2 of the diode D2 and of a term which is Vf.R2 / R1 where Vf is a voltage which is the product of a voltage of classic "bandgap" Vt (with Vt = kT / q) and of a term which is the natural logarithm of the ratio R2.S1 / R3.S2, S1 and
S2 being the junction surfaces of the two diodes D1 and
D2.

Le principe de réalisation est simple : on sait calculer ou mesurer en pratique comment varie Vbe2 avec la température (environ -2,2 mV/OC). On va choisir les valeurs Rlr R2, R3 et S1/S2 de sorte que le terme
Vf.R2/Rl varie exactement en sens contraire (de +2,2 mv/ C par exemple) dans la plage de température désirée.The principle of realization is simple: we know how to calculate or measure in practice how Vbe2 varies with temperature (around -2.2 mV / OC). We will choose the values Rlr R2, R3 and S1 / S2 so that the term
Vf.R2 / Rl varies exactly in the opposite direction (+2.2 mv / C for example) in the desired temperature range.

On peut réaliser par exemple une tension de référence de 1,255 volt. It is possible, for example, to produce a reference voltage of 1.255 volts.

Toutefois, la stabilité obtenue ntest pas aussi parfaite qu'on le désirerait et on s'est aperçu qu'elle repose partiellement sur les caractéristiques de l'amplificateur opérationnel qui n'a pas, dans la réalité, un gain infini et une impédance d'entrée infinie. However, the stability obtained is not as perfect as we would like and we have noticed that it is partially based on the characteristics of the operational amplifier which does not, in reality, have infinite gain and impedance d 'infinite entry.

L'amplificateur sera en effet réalisé en pratique par un montage simple à quelques transistors, tel que celui qui est représenté à la figure 2. The amplifier will in fact be produced in practice by simple mounting with a few transistors, such as that which is represented in FIG. 2.

Dans cet exemple, réalisé en technologie CMOS, l'amplificateur opérationnel comprend un montage à deux branches différentielles (T3, T4, T'3, T'4) alimentées par une source de courant constant (transistor T5 dont la grille est polarisée par une tension de polarisation
Vbias), et enfin un étage de sortie T6, T7.In this example, produced in CMOS technology, the operational amplifier comprises an assembly with two differential branches (T3, T4, T'3, T'4) supplied by a constant current source (transistor T5 whose gate is polarized by a bias voltage
Vbias), and finally an output stage T6, T7.

L'invention a pour but d'améliorer la stabilité des sources de tension de référence qui fonctionnent sur des principes similaires à ceux de la source ainsi décrite en référence aux figures 1 et 2. The object of the invention is to improve the stability of the reference voltage sources which operate on principles similar to those of the source thus described with reference to FIGS. 1 and 2.

On propose selon l'invention de réaliser une source de tension de référence utilisant un amplificateur opérationnel alimenté par une source de courant, caractérisée par le fait que la source de courant est réalisée à partir d'un transistor à effet de champ du type MOS dont la grille est polarisée par un circuit de polarisation recevant la tension de référence produite à la sortie de la source de référence elle-même. It is proposed according to the invention to produce a reference voltage source using an operational amplifier powered by a current source, characterized in that the current source is produced from a field effect transistor of the MOS type, the grid is biased by a bias circuit receiving the reference voltage produced at the output of the reference source itself.

On aurait pu s'attendre à une certaine instabilité de fonctionnement du circuit puisqu'il utilise sa propre tension de sortie pour fonctionner. On constate cependant expérimentalement que ce montage est tout-à-fait stable (bien qu'il nécessite un temps d'établissement) et que la tension qu'il fournit à sa sortie est finalement plus stable en fonction de la température que les circuits de l'art antérieur. We could have expected a certain instability in the operation of the circuit since it uses its own output voltage to operate. It can however be observed experimentally that this circuit is completely stable (although it requires an establishment time) and that the voltage which it supplies at its output is ultimately more stable as a function of temperature than the circuits of prior art.

Le circuit de polarisation comprend de préférence un ensemble de deux transistors en série dont l'un, connecté à une source d'alimentation Vcc, reçoit la tension de référence, et dont l'autre, connecté par sa source à la masse, a sa grille reliée à son drain et fournit sur son drain une tension de polarisation pour la source de courant de l'amplificateur opérationnel. The bias circuit preferably comprises a set of two transistors in series, one of which, connected to a power source Vcc, receives the reference voltage, and the other of which, connected by its source to ground, has its grid connected to its drain and provides on its drain a bias voltage for the current source of the operational amplifier.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 déjà décrite représente un schéma de principe d'une source de tension de référence du type "à bandgap";
- la figure 2 déjà décrite représente un amplificateur opérationnel utilisé dans le circuit de la figure 1;
- la figure 3 représente un exemple de réalisation de l'invention.Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows and which is given with reference to the accompanying drawings in which
- Figure 1 already described shows a block diagram of a reference voltage source of the "bandgap"type;
- Figure 2 already described shows an operational amplifier used in the circuit of Figure 1;
- Figure 3 shows an embodiment of the invention.

Le circuit de la figure 3 comporte un amplificateur opérationnel AO similaire à celui de la figure 2 sauf en ce qui concerne la source de courant qui alimente ses deux branches différentielles. The circuit of FIG. 3 includes an operational amplifier AO similar to that of FIG. 2 except as regards the current source which supplies its two differential branches.

L'amplificateur AO est par ailleurs connecté dans un circuit identique dans cet exemple à celui de la figure 1 : une entrée non-inverseuse El de l'amplificateur est reliée par une résistance R1 et une diode D1 à la masse. Une entrée inverseuse E2 est reliée par une diode D2 à la masse. L'entrée non inverseuse est reliée à la sortie de l'amplificateur par une résistance de bouclage R2; l'entrée inverseuse est reliée à la sortie par une résistance de bouclage R3. La sortie du circuit est la sortie S de l'amplificateur opérationnel et c'est sur cette sortie qu'est fournie une tension de référence Vref stable en fonction de la température et de la tension d'alimentation Vcc du circuit. The amplifier AO is also connected in a circuit identical in this example to that of FIG. 1: a non-inverting input El of the amplifier is connected by a resistor R1 and a diode D1 to ground. An inverting input E2 is connected by a diode D2 to ground. The non-inverting input is connected to the output of the amplifier by a loop resistance R2; the inverting input is connected to the output by a loop resistance R3. The output of the circuit is the output S of the operational amplifier and it is on this output that a stable reference voltage Vref is supplied as a function of the temperature and the supply voltage Vcc of the circuit.

Dans l'exemple représenté, l'amplificateur opérationnel comporte deux branches différentielles alimentées par une source de courant commune, et un étage de sortie. In the example shown, the operational amplifier comprises two differential branches supplied by a common current source, and an output stage.

La source de courant comprend le transistor à canal
N T5, et un circuit de polarisation de ce transistor T5.Current source includes channel transistor
N T5, and a bias circuit of this transistor T5.

La première branche différentielle, connectée entre le drain du transistor T5 et la tension d'alimentation générale Vcc du circuit, comprend un ensemble de deux transistors en série T3 et T4. T3 est un transistor à canal P connecté par sa source à Vcc et ayant son drain relié à sa grille. T4 est un transistor à canal N ayant sa source connectée à la source de courant T5. The first differential branch, connected between the drain of transistor T5 and the general supply voltage Vcc of the circuit, comprises a set of two transistors in series T3 and T4. T3 is a P channel transistor connected by its source to Vcc and having its drain connected to its gate. T4 is an N-channel transistor having its source connected to the current source T5.

La deuxième branche différentielle, connectée en parallèle avec la première, comprend un ensemble de deux transistors en série T'3 et T'4. T'3 est un transistor à canal P connecté par sa source à Vcc. T'4 est un transistor à canal N ayant sa source connectée à T5. The second differential branch, connected in parallel with the first, comprises a set of two transistors in series T'3 and T'4. T'3 is a P channel transistor connected by its source to Vcc. T'4 is an N channel transistor having its source connected to T5.

L'entrée El est constituée par la grille de T'4; l'entrée E2 est constituée par la grille de T4. The entrance El consists of the gate of T'4; the input E2 is constituted by the grid of T4.

L'étage de sortie comprend en série entre Vcc et la masse un transistor à canal P T6 et un transistor à canal N T7. T6 a sa grille reliée à la jonction des drains de T'3 et T'4; il a aussi sa grille reliée par une capacité C a son drain (pour des raisons classiques de stabilisation). T7 a son drain relié à celui de T6 et sa grille reçoit une tension de polarisation qui est de préférence la même que la tension de polarisation utilisée pour la grille de T5. La sortie S de l'amplificateur AO est le drain commun des transistors
T6 et T7 de l'étage de sortie.The output stage comprises in series between Vcc and the ground a P channel transistor T6 and an N channel transistor T7. T6 has its grid connected to the junction of the drains of T'3 and T'4; it also has its gate connected by a capacitor C to its drain (for conventional reasons of stabilization). T7 has its drain connected to that of T6 and its gate receives a bias voltage which is preferably the same as the bias voltage used for the gate of T5. The output S of the amplifier AO is the common drain of the transistors
T6 and T7 of the output stage.

Selon l'invention on prévoit que la source de courant alimentant les branches différentielles de l'amplificateur est polarisée par un circuit de polarisation qui utilise la tension de sortie Vref de l'amplificateur. According to the invention, it is provided that the current source supplying the differential branches of the amplifier is biased by a bias circuit which uses the output voltage Vref of the amplifier.

Dans l'exemple préférentiel représenté, le circuit de polarisation comprend deux transistors à canal N T8 et T9 en série entre la tension d'alimentation Vcc et la masse. T8 a son drain relié à Vcc, sa source reliée au drain de T9, et sa grille reliée à la sortie S de l'amplificateur opérationnel. T9 a sa source reliée à la masse et sa grille reliée à son drain. La tension de polarisation Vbias appliquée à la grille du transistor
T5 est prélevée sur le point de jonction des transistors
T8 et T9.In the preferred example shown, the bias circuit includes two N-channel transistors T8 and T9 in series between the supply voltage Vcc and ground. T8 has its drain connected to Vcc, its source connected to the drain of T9, and its gate connected to the output S of the operational amplifier. T9 has its source connected to ground and its grid connected to its drain. The bias voltage Vbias applied to the gate of the transistor
T5 is taken from the junction point of the transistors
T8 and T9.

Le transistor T8 est de préférence un transistor dont la longueur de canal L est bien supérieure à sa largeur ("transistor long"), par exemple dans un rapport 100 à 3, pour qu'il reste obligatoirement en saturation (petite variation de son courant drain même pour une forte variation de sa tension drain-source). Le transistor T9 est au contraire un transistor "court" ayant un rapport largeur sur longueur beaucoup plus grand (par exemple de l'ordre de l'unité), avec une largeur de canal du même ordre que celle de T8. The transistor T8 is preferably a transistor whose channel length L is much greater than its width ("long transistor"), for example in a ratio 100 to 3, so that it necessarily remains in saturation (small variation in its current drain even for a large variation in its drain-source voltage). Transistor T9 is, on the contrary, a "short" transistor having a much greater width-to-length ratio (for example of the order of unity), with a channel width of the same order as that of T8.

On peut résumer ci-dessous les performances de la source de tension selon l'invention, dans un exemple pratique : le tableau ci-dessous représente la variation de tension de référence en fonction de la température et de la tension d'alimentation Vcc pour le montage selon l'invention tel que décrit ci-dessus (tableau à double entrée). La tension de référence nominale pour 250C et
Vcc = 5 volts est de 1,256 volt dans cet exemple. The performances of the voltage source according to the invention can be summarized below, in a practical example: the table below represents the variation of reference voltage as a function of the temperature and of the supply voltage Vcc for the assembly according to the invention as described above (double entry table). The nominal reference voltage for 250C and
Vcc = 5 volts is 1.256 volts in this example.

TOC: -400C 250C 1250C
Vcc: 4 volts 1,252 v 1,256 v 1,256 v 5 volts 1,252 v 1,256 v 1,256 v 6 volts 1,2-52 v 1,256 v 1,257 v
On voit donc que la tension de référence obtenue est d'une très grande stabilité en fonction de la température et de la tension Vcc. TOC: -400C 250C 1250C
Vdc: 4 volts 1,252 v 1,256 v 1,256 v 5 volts 1,252 v 1,256 v 1,256 v 6 volts 1.2-52 v 1,256 v 1,257 v
It can therefore be seen that the reference voltage obtained is very stable as a function of the temperature and of the voltage Vcc.

Claims

1. Integrated circuit for establishing a reference voltage (Vref), comprising an operational amplifier (AO), diodes (D1, D2) and resistors (R1, R2, R3), the operational amplifier comprising two branches differentials (T3, T4; T'3,

T'4) supplied by a current source (T5), this current source comprising a transistor and a bias circuit of this transistor, the operational amplifier supplying a voltage at its output (S)

Vref stable as a function of the temperature and the supply voltage (Vcc) of the integrated circuit, characterized in that to produce a bias voltage of the gate of the transistor (T5) of the current source, the bias circuit uses the stable reference voltage from the output of the operational amplifier.

2. Integrated circuit according to claim 1, characterized in that the bias circuit comprises two transistors in series, the gate of one of the transistors (T8) receiving the stable reference voltage Vref, the gate of the other transistor ( T9) being connected to its drain, and the junction point of the two transistors being connected to the gate of the transistor of the current source.

3. Integrated circuit according to claim 2, characterized in that the two transistors of the bias circuit are N-channel, the transistor (T8) which receives the reference voltage on its gate having its drain connected to the supply voltage Vcc of the circuit and the other (T9) having its source to ground.

4. Integrated circuit according to claim 3, characterized in that the transistor (T8) which receives the reference voltage on its gate is a long transistor and the other transistor (T9) of the bias circuit is a short transistor.

5. Integrated circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the amplifier comprises a non-inverting input (El) and an inverting input (E2), the inverting input being connected by a diode to a ground , the non-inverting input being connected by a resistor and a diode in series to ground, and the output being looped through a respective resistor (R2, R3) on each of the inputs.