用于具有降低的静态电流的电压参考的双温度微调

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年8月12日提交的美国临时专利申请No.63/232，311和于2021年8月13日提交的美国临时专利申请No.63/260，265的优先权，这些专利申请通过引用并入本文。

技术领域

本说明书涉及电压参考电路，并且更具体地涉及用于具有降低的静态电流的电压参考电路的双温度微调技术。

背景技术

与传统电源提供的电压相比，精密电压参考电路被设计成提供在指定温度范围内可靠准确且稳定的电压输出。这些电压参考电路可用于许多应用，包括环境感测应用和医疗应用，在这些应用中需要测量相对较小或较弱的信号，这要求更高分辨率的模数转换器(ADC)，这些模数转换器由准确且稳定的电压源操作。此外，这些应用中的许多应用是作为电池供电的便携式或远程设备实现的，因此功耗是关心的问题。因此，相对较低的静态电流通常被指定为给定电压参考电路的要求。

发明内容

在微调电压参考电路的示例方法中，该方法包括：将电路设置为第一温度；微调电路的差分放大器级的第一电阻器(R

附图说明

图1是用于电压参考的双温度微调的系统的顶层框图。

图2是图示在微调过程的每个阶段输出电压稳定性随温度的改进的曲线图。

图3是电压参考电路的示意图。

图4是在另一实施例中配置的图3的电压参考电路的详细示意图。

图5是在又一实施例中配置的图3的电压参考电路的详细示意图。

图6图示用于图4或图5的电压参考电路的双温度微调的方法。

图7图示仿真结果，其示出在双温度微调后图4的电压参考电路的输出电压随温度的稳定性。

图8图示图3、图4或图5的电压参考电路的另一示例应用。

图9图示图3、图4或图5的电压参考电路的另一示例应用。

具体实施方式

本文描述了用于具有低静态电流消耗的电压参考电路的双温度微调的技术。如上所述，许多应用需要精密电压参考电路，与传统电源提供的电压相比，精密电压参考电路能够提供在指定温度范围内可靠准确且稳定的电压输出。此外，这些应用中的许多应用是作为电池供电的便携式或远程设备实现的，这些设备需要降低功耗或以其他方式有效地降低功耗，从而降低静态电流(Iq)消耗。

因此，本文描述了低Iq电压参考电路以及用于电压参考电路的双温度微调以减少输出电压随温度的变化的方法。在一些实施例中，双温度微调过程可以作为制造过程的一部分来执行，例如在电压参考电路的最终测试阶段期间。在一些实施例中，电压参考电路被实现为集成电路(IC)，或者作为独立或专用的电压参考电路，或者作为整体更广泛电路的一部分(例如，ADC)。

电压参考电路可用于多种应用，例如传感器和ADC，尤其是在电池供电或远程设备中使用时。更一般地，描述的技术对于需要消耗相对低功率的准确且稳定的电压源的任何系统都是有用的。

在本说明书中，电压参考电路包括差分放大器级和比例放大器级。被配置为产生控制信号以控制比例放大器级的差分放大器级，包括第一电阻器(反馈退化电阻器–R

此外，在本说明书中，用于微调电压参考电路的方法包括将电路设置为第一温度；微调电路的差分放大器级的第一电阻器(R

与需要额外电路部件(尤其是额外有源部件，诸如即使在静态下也消耗电流的晶体管)来执行温度微调操作的现有电压参考相比，本文所述的技术可以提供改进的双温度微调。此外，描述的电压参考电路不需要额外的引出线来执行微调操作，从而保持了与工业标准产品的尺寸兼容性，简化了制造并降低了成本。因此，描述的电压参考电路可以提供具有降低的Iq操作的准确且温度稳定的输出电压。

概述

图1是用于电压参考的双温度微调的系统的顶层框图100。框图100示出微调系统110、电压参考(Vref)电路130和温度控制器190。在一些实施例中，Vref电路130可以被实现为IC。微调系统110被配置为向Vref电路130提供微调控制消息120，以调整Vref电路130的微调电阻器，如下文所述。微调控制部分地基于Vref电路130的输出电压(Vout)140，输出电压作为反馈提供给微调系统110。微调系统110还被配置为向温度控制器190提供温度控制180，以针对微调过程的每个阶段升高和/或降低Vref电路130的温度。

Vref电路130包括测试/微调控制电路150、第一级差分放大器160和第二级比例放大器170。下面描述这些电路的操作，但是在高电平上，第一级差分放大器160和第二级比例放大器170被配置为将在输入引脚134处提供的输入电压Vdd 132转换成提供给输出引脚138的输出电压Vout 140。输出电压Vout 140应该相对接近期望的目标参考电压，并且应该在电压参考电路130的操作温度范围内相对稳定。测试/微调电路150被配置为解码通过使能引脚136作为串行比特流提供给IC的微调控制消息120，并且响应于那些消息而执行微调Vref电路130的一个或多个电阻器所需的任何动作。

在一些实施例中，测试/微调控制电路150包括处理器和/或控制逻辑和存储器。处理器或控制逻辑可以解码微调控制消息，以提取要微调的电阻器的标识符和要使用的微调值。在将电阻器微调到期望值之后，该值可以被存储在存储器中，因此如果需要，可以在将来时间刷新电阻器微调值。在一些实施例中，处理器被配置为识别激活码，该激活码发信号通知通过使能引脚传输的附加比特将被解释为电阻器微调消息。激活码可以用作密码来限制测试/微调控制电路150的使用，因此电路的终端用户不会改变微调值。

图2是图示在微调过程的每个阶段输出电压稳定性随温度的改进的曲线图200。理想(或目标)参考电压如虚线210所示，其在电压参考电路的操作温度范围内是恒定的。然而，在制造之后对设备的初始测试可以示出输出电压遵循曲线260，该曲线260偏离目标电压210并且在温度范围内呈现斜率。这可能由于许多原因而发生，例如制造过程中的缺陷、部件公差以及其他原因。采用双温度微调过程来减小偏移和斜率。双温度微调过程的第一操作240将Vref电路的温度设置为T1 220，然后微调Vref电路的第一组电阻器，以将输出电压缩放到温度T1下的目标参考电压210。该第一微调操作在此也被称为精度微调。温度T1也被称为枢轴温度或Tpivot。结果如曲线270所示，其中斜率保持不变，但偏移已被去除。接下来，在操作250，将Vref电路的温度调整到T2 230，并且微调Vref电路的第二组电阻器，以将输出电压缩放到温度T2下的目标参考电压210，而不会引起温度T1下的输出电压的任何额外偏移。效果是去除曲线270的斜率或使该曲线围绕Tpivot温度点旋转。该第二微调操作在此也被称为斜率微调。所得曲线280基本上与目标参考电压曲线210对齐。在一些实施例中，可以基于Vref电路的操作温度范围来选择温度点T1和T2。尽管为了简化说明，将曲线260、270和280示出为直线，但是实际上这些线具有一些相对较小的曲率(例如在图6中所示)。在一些实施例中，由于二阶效应，这种曲率可以通过附加技术来校正。

电路架构

图3是电压参考电路130的示意图。第一级差分放大器160包括第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PFET)P1 300、第二PFET P2 305、第一n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NFET)N1 315、第二NFET N2 320、退化电阻器R

第二级比例放大器170包括第三PFET P3 310和比例电阻器R2 330和R1365。

晶体管N1和N2是差分放大器级的输入晶体管，晶体管P1和P2是差分放大器级的负载晶体管。晶体管P3是比例放大器级的输入晶体管，由控制信号(即差分放大器的输出)驱动，如图所示，差分放大器耦合到P3的栅极。此外，比例放大器级的输出连接回N2的栅极处的差分放大器输入，从而创建反馈环路，该反馈环路将N2的栅极处的电压设置为等于N1的源极到栅极电压加上N2的栅极到源极电压加上R

在一些实施例中，晶体管P1、P2、P3和N2是标准电压阈值晶体管，电压阈值为﹢/﹣10％以内的+600毫伏(mV)，并且晶体管N1是自然电压阈值晶体管，电压阈值为﹢/﹣10％以内的-200毫伏(mV)。电压阈值间隙VTgap是N1的栅极电压与N2的栅极电压之间的差，该差可以表示为V

如下所述，R2被配置为通过调整V

如电路图所示，流过R

并且流过R1的电流I

并且电压Vout可以表示为电压V

V

因此，Vout的表达式可以重写为：

双温度微调过程中的第一个操作是微调R

在使电流均衡后(在选定的容差内)，R2 330可以通过精度微调值325进行微调，以在Tpivot温度下为Vout提供初始精度微调，因此将Vout调整到目标参考电压。然后，在T2温度下，R

下面描述双温度微调过程对Vref电路的影响示例(例如，在90℃和27℃的温度下)：

1.将温度设置为Tpivot(90℃)

2.调整R

3.在Tpivot(90℃)下，通过使用精度微调调整R2，将Vout移动到目标Vref

4.将温度变为T2(27℃)

5.通过ΔR调整R

V

然而，这也将移动V

6.为了避免V

图4是在另一实施例中配置的图3的电压参考电路130的详细示意图。在该示例中，额外电阻器R2

在与图3相关的Vref电路130的上述描述中，电阻器R1和R2被微调两次，第一次在温度Tpivot下，然后再次在温度T2下。进行第一次调整以均衡电流，并在Tpivot温度下执行精度微调，而进行第二次调整以确保在T2温度下微调R

然而，基于图4所示的附加细节，在温度Tpivot下，R1和R2各自仅调整一次(以均衡电流并执行精度微调)。可以通过在温度T2下微调电阻器R1

更详细的示意图图4还图示Vref电路130被配置为允许通过监测Vout 140确定均衡电流(分别通过差分放大器级和比例放大器级的I

图5是在又一实施例中配置的图3的电压参考电路130的详细示意图。图3和图4的上述实施例在放大器级中具有场效应晶体管(FET)。图5的替代实施例图示了可以使用双极结型晶体管(BJT)来代替FET。第一级差分放大器包括以Brokaw带隙单元配置布置的BJT Q1505、Q2 510、Q3 515和Q4520，其中Q1和Q2的基极端口通过电阻器Rb 540耦合。此外，第二级比例放大器采用BJT Q5 530作为FET的替代。

在该实施例中，Vout可以表示为：

其中Vbandgap在电路上示出为550。电压参考电路的微调部分(微调电阻器和开关)保持不变，微调过程也是如此。

方法

图6图示用于图4或图5的电压参考电路的双温度微调的方法600。如图所示，示例性方法600包括多个阶段和子过程，这些阶段和子过程的顺序可以从一个实施例到另一个实施例变化。然而，当总体考虑时，在此描述的某些实施例中，例如如上所述的图1-图4所示，这些阶段和子过程形成用于双温度微调的过程。然而，在其他实施例中可以使用其他系统架构。因此，图6中所示的各种功能与附图中所示的特定部件的相关性并不暗示任何结构和/或使用限制。相反，其他实施例可以包括不同程度的集成，其中多个功能由一个系统有效地执行。

在一个实施例中，该过程开始于操作610，将Vref电路的温度设置为Tpivot。在操作620，开关SW 450闭合，并且输出电压140被测量为Vout(通)。在操作630，开关SW 450断开，并且输出电压140被测量为Vout(断)。

在操作640，将Vout(断)与Vout(通)进行比较。如果它们不同(在选定的容差内)，则方法600确定流过R

否则，当Vout(断)和Vout(通)基本相等时，方法600确定电流也基本相等，并且I

接下来，在操作670，将Vref电路的温度设置为T2。在操作680，通过调整R

仿真结果

图7图示了仿真结果700，其示出在双温度微调后图3的电压参考电路的输出电压随温度的稳定性。Vref电路仿真结果710的每条曲线示出输出电压140与目标参考电压210的差异，在该示例中目标参考电压210为2.5伏。如图所示，在两个温度设置Tpivot 220(90℃)和T2 230(25℃)处，差异达到最小值。在该温度范围内(25°至90°)，差异小于2mV。在该温度范围之外(大于90°或小于25°)，差异在124°时增加到4mV，在-40°时增加到15mV。

示例应用

图8图示了图3、图4或图5的电压参考电路的一个示例应用800。所示的示例是便携式设备，例如电池供电的手持式测量设备。电池810被配置为向Vref电路130(作为Vdd132)、传感器820、处理器840和显示设备850供电。Vref电路130被配置为提供精确且稳定的参考电压Vout 140以供传感器820和ADC 830使用，这可能是小信号测量所需要的。因为该设备是手持式且由电池供电，所以由描述的Vref 130提供的相对低的Iq在该应用中也是有益的。传感器820被配置为产生模拟测量信号825，该模拟测量信号825由ADC 830转换成数字信号以提供给处理器840。然后，处理器可以通过执行任何合适的信号处理功能(例如平均、滤波等)来操纵信号，然后提供可视化显示的结果。

图9图示了图3、图4或图5的电压参考电路的另一示例应用900。所示示例是工业工厂过程监控应用，其中由工厂或现场960中的传感器910监控处理条件，并且测量结果920被传输回控制室970。使用电流回路950传输测量结果。其中消息被编码在范围从4毫安(mA)到20mA的电流信号中。电源940被配置为向电压调节器905供电，电压调节器905被配置为向Vref电路130和传感器910提供电压(Vdd 132)。Vref电路130被配置为提供精确且稳定的参考电压Vout 140以供传感器910和4-20mA信号发射器930使用。电源940被配置为提供驱动4-20mA电流回路950的粗略电压，而4-20mA发射器930被配置为以相对高的精度调制流过回路950的电流。

在控制室侧970，4-20mA接收器980被配置为从电流回路950中接收到的电流中解码消息。然后将代表传感器测量结果920的解码消息传递到显示器或过程控制器990，以用于工业过程的进一步控制。

其他示例实施例

示例1是一种集成电路(IC)，包括：被配置为产生控制信号的差分放大器级，该差分放大器级包括第一电阻器(R

示例2包括示例1所述的主题。比例放大器级包括串联耦合到R1的第三电阻器(R1

示例3包括示例2所述的主题。R1

示例4包括示例1至3中任一项所述的主题。示例4包括开关(SW)，其被配置为响应于将开关从断开状态切换到闭合状态，在差分放大器级与比例放大器级之间提供连接，其中输出端口处的电压响应于开关的切换而变化，以指示流过差分放大器级的电流不同于流过比例放大器级的电流。

示例5包括示例1至4中任一项所述的主题。差分放大器级包括：第一晶体管(N1)；第二晶体管(N2)；以及第三电阻器(R

示例6包括示例1至5中任一项所述的主题。比例放大器级包括：晶体管(P3)；和第五电阻器(R

示例7包括示例6所述的主题，其中N1是具有在-220毫伏到-180毫伏范围内的栅极-源极电压阈值的NFET，P3是具有在+540毫伏到+660毫伏范围内的栅极-源极电压阈值的PFET。

示例8包括示例1至7中任一项所述的主题，其中R

示例9是一种用于微调电压参考电路的方法。该方法包括：将电压参考电路设置为第一温度；微调电压参考电路的差分放大器级的第一电阻器(R

示例10包括示例9所述的主题，并且该方法还包括：通过R

示例11包括示例9或10所述的主题，并且该方法还包括：在断开状态与闭合状态之间切换开关，其中闭合状态提供差分放大器级与比例放大器级之间的连接；和基于对响应于切换的输出电压变化的检测，确定流过差分放大器级的电流不同于流过比例放大器级的电流。

示例12包括示例9至11中任一项所述的主题，并且该方法还包括：微调R

示例13包括示例9至12中任一项所述的主题，并且该方法还包括基于电压参考电路的操作温度范围选择第一温度和第二温度。

示例14包括示例9至13中任一项所述的主题，其中第一温度高于第二温度。

示例15是一种测量系统，包括：电压参考电路，其被配置为基于输入电压提供参考电压；耦合到电压参考电路的传感器，该传感器被配置为响应于参考电压提供模拟测量信号；以及模数转换器(ADC)，其被配置为响应于参考电压将模拟测量信号转换成数字信号。电压参考电路包括被配置为产生控制信号的差分放大器级。差分放大器级包括第一电阻器(R

示例16包括示例15所述的主题，其中输入电压是电池电压。

示例17包括示例15或16所述的主题，其中比例放大器级包括串联耦合到R1的第三电阻器(R1

示例18包括示例17所述的主题，其中R1

示例19包括示例15至18中任一项所述的主题，其中电压参考电路包括开关(SW)，该开关(SW)被配置为响应于将开关从断开状态切换到闭合状态，在差分放大器级与比例放大器级之间提供连接，并且输出端口处的电压响应于开关的切换而变化，以指示流过差分放大器级的电流不同于流过比例放大器级的电流。

示例20包括示例15至19中任一项所述的主题，其中差分放大器级包括：第一晶体管(N1)；第二晶体管(N2)；以及第三电阻器(R

示例21包括示例20所述的主题，其中比例放大器级包括：晶体管(P3)；和第五电阻器(R

示例22包括示例21所述的主题，其中N1是具有在-220毫伏到-180毫伏范围内的栅极-源极电压阈值的NFET，P3是具有在+540毫伏到+660毫伏范围内的栅极-源极电压阈值的PFET。

示例23包括示例15至22中任一项所述的主题，其中R

在权利要求的范围内，可以对所述实施例进行修改，也可以对其他实施例进行修改。