CN101183273A - 一种带隙基准源产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带隙基准源产生装置，属于模拟电路领域，该装置由带隙基准源产生电路和启动电路两部分组成，带隙基准源产生电路包括：一个单端输出OTA，两个PMOS管，两个电容器，五个电阻器和两个BJT管；启动电路由一个PMOS管和两个NMOS管组成。该装置能够产生不随温度、电源电压变化的基准源。与传统的电流模结构带隙基准源产生装置相比较，该装置避免了电路的系统失配，可以改善基准源的噪声、电源电压抑制比和温度漂移特性。同时基准源的大小可以通过调节电阻器的阻值进行调节，在一些应用环境下可以避免使用同相电压放大器，从而进一步提高基准源的精度并且降低功耗。

Description

一种带隙基准源产生装置

技术领域

本发明属于模拟电路领域，特别涉及一种CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)装置，该装置产生与电源电压、温度无关的带隙基准源。

背景技术：

输出不随电源电压和温度变化的基准源产生装置在数据转换系统和稳压系统中应用非常广泛。相比于其他基准源产生装置，带隙基准源产生装置由于具有以下优点：与标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)工艺完全兼容；可以工作于低电源电压下；温度漂移、噪声和电源电压抑制比(Power Supply RejectRatio，简称PSRR)等性能能够满足大部分系统的要求，成为设计基准源产生装置的第一选择。在数据转换系统和稳压系统中，带隙基准源的温度漂移特性、噪声和PSRR性能直接影响了整体电路的性能。由于数据转换系统和稳压系统的精度越来越高，对其中的带隙基准源的温度漂移特性、噪声和PSRR性能的要求也越来越高。由于传统的带隙基准源产生装置输出的基准源大约为1.25-V(Volt，伏特)，而实际系统中应用到的基准源并不是这个值，所以需要另外加入一个同相电压放大器进行直流电平转换。由于同相电压放大器中的运算放大器存在随温度变化的输入失调电压，进行直流电平转换后的基准源的直流电压值和温度漂移特性都会受到影响。当前的CMOS带隙基准源产生装置中，许多技术通过采用电流模结构突破了传统CMOS带隙基准源产生装置对输出基准源的限制，如H.Banba等人公开的题为“一个工作在1-V以下的CMOS带隙基准源电路”文献(美国电机电子工程师协会 固态电子线路杂志，1999，34(5)：670-674)。(“A CMOS Bandgap ReferenceCircuit with Sub-1-V Operation，”IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.34，pp.670-674，May 1999)。这类装置将两个具有相反温度系数的电压相加转化为两个具有相反温度系数的电流的相加。相加后的与电源电压、温度无关的电流在电阻器上产生与电源电压、温度无关的电压基准源。因为电阻器的阻值可调，这类装置输出的基准源也是可调的。上述装置在改进带隙基准源的同时也会引入其他的问题。

上述电流模结构装置的不足之处表现在以下几个方面：第一，没有考虑电流模结构引入的系统失配。这种系统失配会影响基准源的温度漂移特性而且不能通过后端版图设计进行消除。第二，这类电流模装置需要在传统的CMOS带隙基准源产生装置的基础上增加若干个支路，这会增加装置的功耗。第三，该装置中，输出的基准源在反馈环路以外，由于有一个支路没有反馈环的抑制作用，装置的噪声和PSRR性能将会变差。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种带隙基准源产生装置。该装置采用CMOS实现，在一些应用环境下不需要同相电压放大器进行直流电平转换，从而不会引入额外的失调电压。在此基础上同时提高了带隙基准源的温度漂移、噪声和PSRR特性。

本发明提出的一种带隙基准源产生装置，其特征在于，由带隙基准源产生电路和启动电路两部分组成，其中，带隙基准源产生电路的输出端与启动电路输入端相连；所述带隙基准源产生电路包括：一个单端输出OTA，两个PMOS管M1、M2，两个电容器C1、C2，五个电阻器R1、R2A、R2B、R3A、R3B和两个BJT管Q1、Q2；各个器件的连接关系如下：两个PMOS管M1、M2的源极和衬底都接在电源VDD上，PMOS管M1、M2的栅极连在一起，并且与单端输出OTA的输出端、电容器C1、C2的一端相连；M1管的漏极、单端输出OTA的正相输入端、电阻器R3A的一端和电容器C1的另一端在节点C点相连；M2的漏极、单端输出OTA的负相输入端、电阻器R3B的一端和电容器C2的另一端在节点D相连；电阻器R3A的另一端、电阻器R2A的一端和电阻器R1的一端在节点A相连；电阻器R3B的另一端、电阻器R2B的一端和BJT管Q2的发射极在节点B相连；电阻器R2A的另一端与电阻器R2B的另一端分别接地GND；电阻器R1的另一端与BJT管Q1的发射极相连；BJT管Q1、Q2的基极和集电极都接地GND；输出的带隙基准源V_REF在节点D引出；

所述PMOS管M1、M2的宽长比相等；电阻器R2A、R2B的阻值相等，电阻器R3A、R3B的阻值相等；

所述启动电路由一个PMOS管MS2和两个NMOS管MS1、MS3组成；其连接关系如下：NMOS管MS1和PMOS管MS2的栅极分别连接到所述带隙基准源产生电路的节点D上；NMOS管MS1的源极和衬底接地GND；PMOS管MS2的源极和衬底接到电源VDD上；NMOS管MS1的漏极、PMOS管MS2的漏极分别与NMOS管MS3的栅极连接在一起；NMOS管MS3的源极和衬底接地GND；NMOS管MS3的漏极接在所述带隙基准源产生电路中OTA的输出端上。

本发明的特点及效果：

本发明基于CMOS工艺。该装置能够产生不随温度、电源电压变化的基准电压。与传统的电流模结构带隙基准源产生装置相比较，该装置避免了电路的系统失配，可以改善基准源的噪声、PSRR和温度漂移特性。同时基准源的大小可以通过调节电阻器的阻值进行调节，在一些应用环境下可以避免使用同相电压放大器，从而进一步提高基准源的精度并且降低功耗。

附图说明：

图1为本发明的带隙基准源产生装置的电路原理图。

本发明装置如图1所示，由带隙基准源产生电路和启动电路两部分组成，其中，带隙基准源产生电路的输出端与启动电路输入端相连；带隙基准源产生电路的功能是产生与电源电压、温度无关的带隙基准源；启动电路的功能是保证装置上电后带隙基准源产生电路能够进入正常的工作状态。下面分别对带隙基准源产生电路和启动电路进行说明：

所述带隙基准源产生电路包括：一个单端输出OTA(Operational TransconductanceAmplifier，跨导运算放大器)，两个PMOS(Positive Channel Metal Oxide Semiconductor，阳极金属氧化物半导体)管M1、M2，两个电容器C1、C2，五个电阻器R1、R2A、R2B、R3A、R3B和两个BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型结型晶体管)管Q1、Q2；各个器件的连接关系如下：两个PMOS管M1、M2的源极和衬底都接在电源VDD上，它们的栅极连在一起，并且与单端输出OTA的输出端、电容器C1、C2的一端相连；M1管的漏极、单端输出OTA的正相输入端、电阻器R3A的一端和电容器C1的另一端在节点C点相连；M2的漏极、单端输出OTA的负相输入端、电阻器R3B的一端和电容器C2的另一端在节点D点相连；电阻器R3A的另一端、电阻器R2A的一端和电阻器R1的一端在节点A点相连；电阻器R3B的另一端、电阻器R2B的一端和BJT管Q2的发射极在节点B点相连；电阻器R2A的另一端与电阻器R2B的另一端分别接到地GND上；电阻器R1的另一端与BJT管Q1的发射极相连；BJT管Q1、Q2的基极和集电极都接到地GND上；输出的带隙基准源V_REF在节点D引出。

所述两个PMOS管M1、M2的宽长比相等；电阻器R2A、R2B的阻值相等，电阻器R3A、R3B的阻值相等；BJT管Q1的发射结的面积是Q2的N倍，为了实现较好的匹配，N一般取M²-1(其中M为奇数3、5、7……)。

所述启动电路由一个PMOS(Positive Channel Metal Oxide Semiconductor，阳极金属氧化物半导体)管MS2和两个NMOS(Negative Channel Metal Oxide Semiconductor，阳极金属氧化物半导体)管MS1、MS3组成；其连接关系如下：NMOS管MS1和PMOS管MS2的栅极分别连接到带隙基准源产生电路的节点D上；NMOS管MS1的源极和衬底接到地GND上；PMOS管MS2的源极和衬底接到电源VDD上；NMOS管MS1的漏极、PMOS管MS2的漏极分别与NMOS管MS3的栅极连接在一起；NMOS管MS3的源极和衬底接到地GND上；NMOS管MS3的漏极接在带隙基准源产生电路中OTA的输出端上。

本发明的带隙基准源产生装置的工作原理如下：OTA、PMOS管M1、M2、电阻器R1、R2A、R2B、R3A、R3B以及BJT管Q1、Q2形成一个负反馈环路。在负反馈的作用下，C、D两点的电压值相等。如(1)式所示：

V_C＝V_D                                           (1)

PMOS管M1、M2的宽长比相同，形成一个理想的电流镜，使得流过M1、M2的电流相等。由于电阻器R3A、R3B阻值相等，它们的电压降也相等：

I_M1＝I_M2                                         (2)

R3A*I_M1＝R3B*I_M2                                 (3)

这使得A、B两点的电压值也相等：

V_A＝V_B                                           (4)

由于电阻器R2A、R2B的阻值相等，电阻器R2A、R2B上的电流相等。该电流与电阻器R2A、R2B的阻值成反比，与Q2的V_EB(BJT管发射极与基极之间电压)成正比。由于V_EB近似随着温度升高而线性下降，电阻器R2A、R2B上的电流也随着温度升高而线性下降。

$I_{R2A}=I_{R2B}=\frac{V_{\mathrm{EB}2}}{R2B}---\left(5\right)$

这样BJT管Q1和Q2上的集电极电流I_C也相等：

I_C1＝I_C2                                         (6)

同时BJT管Q1、Q2的V_EB的差值ΔV_EB就加载在电阻R1上。由BJT管的电流电压关系可得：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{EB}}=V_{\mathrm{EB}2}-V_{\mathrm{EB}1}=V_T\ln \frac{I_{C2}}{I_{S2}}-V_T\ln \frac{I_{C1}}{I_{S1}}=V_T\ln \frac{I_{S1}}{I_{S2}}---\left(7\right)$

式中I_S为BJT管的反向饱和电流，其值与BJT管的发射结的面积成正比。V_T是温度的电压当量，其值与温度成正比。所以ΔV_EB也与温度成正比。这个电压差在电阻器R1上产生与温度成正比的电流

$I_{R1}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{EB}}}{R1}=\frac{V_T\ln \frac{I_{S1}}{I_{S2}}}{R1}---\left(8\right)$

PMOS管M1、M2上的电流等于电阻器R1上的电流加上电阻器R2B上的电流，其值可以表达为：

$I_{M1}=I_{M2}=I_{R1}+I_{R2B}=\frac{V_T\ln \frac{I_{S1}}{I_{S2}}}{R1}+\frac{V_{\mathrm{EB}2}}{R2B}---\left(9\right)$

这个电流在电阻R3A、R3B上产生电压V_R3B。

$V_{R3B}=R3B*I_{M2}=R3B*(I_{R1}+I_{R2B})=R3B*(\frac{V_T\ln \frac{I_{S1}}{I_{S2}}}{R1}+\frac{V_{\mathrm{EB}2}}{R2B})---\left(10\right)$

输出的基准源大小等于电阻R3B上的电压V_R3B加上BJT管Q2的V_EB电压：

$V_{\mathrm{REF}}=V_{R3B}+V_{\mathrm{EB}2}=V_{\mathrm{EB}2}+R3B*(\frac{V_T\ln \frac{I_{S1}}{I_{S2}}}{R1}+\frac{V_{\mathrm{EB}2}}{R2B})=V_{\mathrm{EB}2}(1+\frac{R3B}{R2B})+V_T\frac{R3B}{R1}\ln \frac{I_{S1}}{I_{S2}}---\left(11\right)$

上式中I_S1/I_S2等于BJT管Q1、Q2发射结面积的比值。因为V_EB是随温度升高而线性下降的，而V_T是与温度成正比的。只要电阻R1、R2B和R3B之间的比值满足(12)式时，就可以得到一个与电源电压和温度无关的基准源。

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{EB}2}}{\mathrm{dT}}/\frac{d{V}_T}{\mathrm{dT}}=\frac{R3B}{R1}\ln \frac{I_{S1}}{I_{S2}}/(1+\frac{R3B}{R2B})=\frac{R3B*R2B}{R1*(R2B+R3B)}\ln \frac{I_{S1}}{I_{S2}}---\left(12\right)$

所述两个电容器C1、C2的作用是对反馈环路进行相位补偿，避免装置上电后发生振荡现象。

所述带隙基准源产生电路存在两个静态工作点，一个是正常工作点；另一个是零工作点，当带隙基准源产生电路处于零工作点时的输出为零。为了上电之后带隙基准源产生电路能够进入正确的工作点，带隙基准源产生装置需要一个启动电路。该启动电路工作原理如下：当带隙基准源产生电路进入零工作点时，节点D电平为零，CMOS管MS1、MS2的漏极电压接近电源电压，将NMOS管MS3打开。NMOS管MS3的电流将单端输出OTA的输出端电平拉低，直到带隙基准源产生电路进入正常工作点。当带隙基准源产生电路进入正常工作点，通过调整CMOS管MS1、MS2的宽长比，可以使CMOS管MS1、MS2的漏极电压低于NMOS管MS3的阈值电压，将NMOS管MS3关闭，从而不会对带隙基准源产生电路造成影响。

为了进一步提高所述带隙基准源产生装置的温度漂移特性，需要尽量减小其中OTA的输入失调。为此其中的OTA最好采用对称结构OTA，这种OTA是所有差转单OTA中对称性最好的，它的系统失调最小。同时将OTA的输入管的尺寸设计得较大，这样可以减小OTA的随机输入失调。

Claims (3)

1.一种带隙基准源产生装置，其特征在于，由带隙基准源产生电路和启动电路两部分组成，其中，带隙基准源产生电路的输出端与启动电路输入端相连；所述带隙基准源产生电路包括：一个单端输出OTA，两个PMOS管M1、M2，两个电容器C1、C2，五个电阻器R1、R2A、R2B、R3A、R3B和两个BJT管Q1、Q2；各个器件的连接关系如下：两个PMOS管M1、M2的源极和衬底都接在电源VDD上，PMOS管M1、M2的栅极连在一起，并且与单端输出OTA的输出端、电容器C1、C2的一端相连；M1管的漏极、单端输出OTA的正相输入端、电阻器R3A的一端和电容器C1的另一端在节点(C)相连；M2的漏极、单端输出OTA的负相输入端、电阻器R3B的一端和电容器C2的另一端在节点(D)相连；电阻器R3A的另一端、电阻器R2A的一端和电阻器R1的一端在节点(A)相连；电阻器R3B的另一端、电阻器R2B的一端和BJT管Q2的发射极在节点(B)相连；电阻器R2A的另一端与电阻器R2B的另一端分别接地GND；电阻器R1的另一端与BJT管Q1的发射极相连；BJT管Q1、Q2的基极和集电极都接地GND；输出的带隙基准源V_REF在节点(D)引出；所述PMOS管M1、M2的宽长比相等；电阻器R2A、R2B的阻值相等，电阻器R3A、R3B的阻值相等；

所述启动电路由一个PMOS管MS2和两个NMOS管MS1、MS3组成；其连接关系如下：NMOS管MS1和PMOS管MS2的栅极分别连接到所述带隙基准源产生电路的节点(D)上；NMOS管MS1的源极和衬底接地GND；PMOS管MS2的源极和衬底接到电源VDD上；NMOS管MS1的漏极、PMOS管MS2的漏极分别与NMOS管MS3的栅极连接在一起；NMOS管MS3的源极和衬底接地GND；NMOS管MS3的漏极接在所述带隙基准源产生电路中单端输出OTA的输出端上。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带隙基准源产生电路中BJT管Q1的发射结的面积是Q2的N倍，N取M²-1，其中M为奇数。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带隙基准源产生电路中的OTA采用对称结构OTA。