CN101226414A - 一种动态补偿基准电压的方法以及带隙基准电压源 - Google Patents

Abstract

一种具有曲率补偿电路CMOS带隙基准电压源，包括：启动电路；基准核心电路；曲率补偿电路；以及，基准电压输出电路。本发明的具有曲率补偿电路的CMOS带隙基准电压源利用PTAT电流在电阻上形成PTAT电压用于检测温度的变化，即ms1镜像的电流在RC2上形成的电压V(P06)为与温度成正比的电压，采用BJT三极管QC2发射极与基极的电压差V_EB与BJT集电极电流的指数关系，以及集电极电流和基极电流的近似线性关系形成了将随温度线性变化的检测电压转换为指数形式的补偿电流对基准电压进行动态补偿。

Description

一种动态补偿基准电压的方法以及带隙基准电压源

技术领域

本发明涉及一种CMOS带隙基准电压源，尤其涉及一种具有曲率补偿电路的CMOS带隙基准电压源以及动态补偿基准电压的方法。

背景技术

在A/D和D/A转换器，数据采集系统以及各种测量设备中，都需要高精度、高稳定性的基准电压源，并且基准电压源的精度和稳定性决定了整个系统的工作性能。电压基准源主要有基于正向V_BE的电压基准、基于齐纳二极管反向击穿特性的电压基准、带隙电压基准等多种实现方式，其中带隙基准电压源具有低温度系数、高电压抑制比、低基准电压等优点，因而得到了广泛的应用。

一种传统的CMOS带隙基准工作源的工作原理是：利用双极性晶体管的基极-发射极电压V_BE(具有负温度系数)和它们的差值ΔV_BE(具有正温度系数)进行相互补偿，从而达到电路的温度系数为零的目的。图1显示了这种现有技术的CMOS带隙基准工作源的电路图。在图中，运算放大器OP的作用是使电路处于深度负反馈状态，从而让运算放大器OP两输入端电压相等。因此，在电路稳定输出时：

I₁R₁+V_BE1＝V_BE2    公式(1)

V_ref＝V_BE3+I₃R₂    公式(2)

由于基准电压输出电路镜像了基础电路的电流，因此该基准电压输出电路的电流I₃满足下列关系式：

I₁＝I₃             公式(3)

通常，温度对二极管的伏安特性有较大的影响，温度升高，保持二极管电流不变时所需要的正向偏压减小，即：

V_BE＝V_Tln(I/I_S)    公式(4)

其中VT表示温度的电压当量。

由上述公式(1)、(2)、(3)可以进一步地推导出：

I₁＝(V_BE2-V_BE1)/R₁＝V_T/R₁ln(I₁/I₂)     公式(5)

V_ref＝V_BE3+R₂/R₁×V_T×ln(I₁/I₂)        公式(6)

其中，I1和I2的比值也应当为三极管Q1和Q2发射区面积的比值。可见，一方面，三极管Q1和Q2的两个PN结电压差在电阻R1上产生了与绝对温度成正比(PTAT)的电流；另一方面，基准电压只与PN结的正向压降、电阻的比值以及三极管Q1和Q2的发射极面积的比值有关，所以，在实际的工艺制作中将会有很高的精度。V_BE3具有负的温度系数，在室温时大约为-2mV/℃；V_T具有正的温度系数，在室温时大约为+0.085mV/℃，所以，传统带隙基准电压源得到的基准电压温度漂移曲线为一个二阶抛物线，如图2所示。

通过设定合适的工作点，可以使两项之和在某一温度下达到零温度系数，从而得到具有较好温度特性的基准电压。适当地选取R₁、R₂，以及Q₁和Q₂发射区面积的比值即可得到具有零温度系数的基准电压。

事实上，从实际的工作环境考虑，电源电压的变化范围是1.6V～2.0V，温度变化范围是-20℃～100℃，让所输出的基准电压工作在零温度系数的状态下也是理想的目标，通常，基准电压的温度系数应尽可能地小。

然而，这种传统的带隙式基准电压源仅仅利用了PN结电压V_BE的负温度特性和不同电流密度下的两个PN结电压差ΔV_BE的正温度系数相互补偿，使输出电压达到很低的温度漂移。由于V_BE负温度系数具有非线性，ΔV_BE＝kT线性正温度特性仅能抵消一阶负温度系数，因此在实际的高温工作环境中，现有技术的带隙基准电压源是无法使基准电压得到有效的补偿。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提出一种动态补偿基准电压的方法以及一种带隙基准电压源，以解决现有技术中的带隙基准电压源的基准电压在高温的工作环境下温度漂移较大的问题，来保证基准电压随着温度升高变化最小。

本发明的一种动态补偿基准电压的方法，包括提供一个基础电流源，其中该基础电流具有正温度系数特性；形成第一支路，通过镜像该基础电流而获得第一电流，并利用一个负温度系数的元件和正温度系数的元件输出一基准电压；形成用于检测温度变化的第二支路，通过镜像该基础电流而获得一个与绝对温度成比例的电压差；将该电压差转变成指数形式的电流补偿给该基准电压。

本发明的一种带隙基准电压源，包括：一个基础核心电路，用于提供一个具有正温度系数特性的基础电流；一个基准电压输出电路，通过镜像该基础电流而获得第一镜像电流，并利用一个负温度系数的元件和正温度系数的元件输出一基准电压；一个曲率补偿电路，用于检测温度变化，包括一CMOS管MS1，与该镜像电路并联，用于获得第二镜像电流，其中该CMOS管MS1的源极回路接入一个电阻元件R_C，用于获得一个与绝对温度成比例的电压差；一个与该电阻元件R_C并联的三极管Q_C，用于将该电压差转变成指数形式的电流，补偿给该基准电压。

本发明的CMOS带隙基准电压源可以动态跟踪温度变化，并且同时对随温度升高而降低的基准电压进行高阶曲率补偿，从而实现基准电压随着温度升高变化更小。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明实施例的描述将使得本发明的技术方安和其它优点显而易见。

图1是一种现有技术的带隙基准电压源的电路图；

图2示出了现有技术的CMOS带隙基准电压源的基准电压温度漂移曲线；

图3显示了本发明对基准电压进行高阶曲率补偿的流程图；

图4示出了本发明的具有曲率补偿电路的CMOS带隙基准电压源的电路图；

图5显示了本发明的所获得的与温度成正比的电压差的示意图；以及

图6示出了本发明的带隙基准电压源的基准电压温度漂移曲线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图4所示，本发明提出的CMOS带隙基准电压源100包括：一基准核心电路110，用于产生一个作为基准电流的恒定电流；一基准电压输出电路120，利用一个正温度系数元件R₂，和一个负温度系数元件Q₃输出一个基准电压V_ref；一曲率补偿电路130，和一启动电路140，用于保证电压源100可靠地工作，避免其陷入零状态。

本发明的动态补偿该基准电压V_ref的方法，如图3所示，首先，在步骤S10，提供一个基础电流源I₁，其中该基础电流I₁具有正温度系数特性。参阅图4，基准核心电路110是利用两个相互匹配的CMOS管MP1和MP2组成镜像电路，一确保产生一个恒定的电流I₁，I₂被称为是I₁的镜像电流，因此，两者相等。同时，本发明利用一个误差放大器E/A1跨接在该镜像电路之间，在深度负反馈的情形下，其正、负端的电压是相等的，即节点P01和P02两点电势相等。与现有技术相同地，在其中一个节点(P01)中接入一个电阻元件R₁和一个三极管Q₁，和在另一个节点P02中接入一个三极管Q₂。那么，该基准核心电路110中所得到的基准电流I₁具有正温度系数。此外，本发明的核心电路110还包括一第三支路，即利用CMOS管MP5镜像基础电流I₁，其源极反馈镜像电流，供给该误差放大器E/A1，以使该误差放大器E/A1处于深度负反馈状态下。分别在镜像电路中获得两个具有相同电势的节点P01和P02。

其次，在步骤S12，形成第一支路120，即准电压输出电路120，通过镜像该基准电流I₁而获得了电流I₃。在该准电压输出电路120中接入一个电阻R₂和一个三极管Q₃，这样，所输出的基准电压V_ref由具有负温度系数特性的V_BE3和具有正温度系数的I₃R₂相关。

接下来，在步骤S14，形成用于检测温度变化的第二支路，即曲率补偿电路130，镜像该基础电流I₁以获得一个与绝对温度成比例的电压差V_P06。

最后，在步骤S16，将该电压差转变成指数形式的电流补偿给该基准电压。

特别的是，本发明的曲率补偿电路130利用一个CMOS管MS1镜像该基础电流I₁，其源极回路中首先接入一个电阻R_C，用于确保节点P06的电压差是随温度的升高而升高的PTAT电压，因此，节点P06的电压差可以用于检测温度的变化。然后，在该电阻R_C的两端并联一个三极管Q_C，重要地，该三极管Q_C的栅极与基准电压输出端P04节点相接，这样，三极管Q_C的栅极-发射极就接入基准电压输出电路120的电阻R2和三极管Q3形成了回路。因此，从该曲率补偿电路130得到关系式：

V_P06＝I_CR_C＝V_BEC    公式(7)

Q_C发射极到栅极的电压差V_EB是一个随温度升高而升高的电压，其变化量ΔV_P06＞＞ΔV_vref，因此，温度升高使V_EBC增大，使Q_C导通产生的补偿电流也跟随增大。Q_C的栅极电流将会随着Q_C集电极电流的增加而增加，增加的电流再注入到V_ref，在电阻R₂上形成压降，缓解了在高温阶段V_ref随温度增加而减小的趋势，达到了高温补偿的目的。较佳的是，通过增大三极管Q_C与Q₁的宽长比而容易地获得倍增于基础电流I₁的镜像电流，这样可以给基准电压更多的补偿。

V_EB电压与温度是线性关系，同时V_EB和Q_C集电极电流是指数关系，Q_C栅极电流与其集电极电流是线性关系(假设放大倍数β是一个常数)。所以注入到P04结点的电流与温度近似成指数关系，可以形成高阶温度补偿，如图5所示。温度升高，基准电压下降越多，则补偿电流也将越大，促使基准电压在高温时不会降低。

较佳的是，为避免本发明的电压源陷入零状态，本发明还增加了一个启动电路140，返回图4。带隙基准电压源存在两个电路平衡点，即零点和正常工作点。当电路处在零点时，整个电路中没有电流流过，电路不能正常工作。启动电路140用于确保总是由电路流流过参考源中的晶体管，使得零状态处的环路增益大于1，避免陷入零状态，同时还确保电路启动后，该启动电路本身不干扰参考源的正常工作。

电路刚刚上电时，P03也跟着随着电源电压上升，启动管MS3开启，电流注入到Q₁的发射极，使其电位升高，同时也使P01和P02脱离零电位工作点。当P03电压上升到一定数值时，启动管MS3关断，系统进入正常工作模式。完成了电路正常启动后，启动模块自动与主体电路脱离开，并不影响主体电路工作。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的普通技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种动态补偿基准电压的方法，

提供一个基础电流源，其中该基础电流具有正温度系数特性；

形成第一支路，通过镜像该基础电流而获得第一电流，以利用一个负温度系数的元件和正温度系数的元件输出一基准电压；

形成用于检测温度变化的第二支路，镜像该基础电流以获得一个与绝对温度成比例的电压差；

将该电压差转变成指数形式的电流补偿给该基准电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成用于检测温度变化的第二镜像支路，以获得一个与绝对温度成比例的电压差的步骤包括

在该第二镜像支路中串联第一电阻元件(R_C)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将该电压差转变成指数形式的电流补偿给该基准电压的步骤包括

提供一个作为补偿元件的三极管(Q_C)，其中该三极管(Q_C)并联在该电阻元件的两端，基极和集电极与该基准电压形成回路。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括

在第二镜像支路中获得一个倍增的第二镜像电流。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一个基础电流源的步骤包括

利用两个性能匹配的CMOS管(MP1和MP2)形成一个镜像电路；

利用一个跨接在该镜像电路之间的误差放大器，分别在镜像电路中获得两个具有相同电势的节点(P01和P02)；

在其中一个节点(P01)中接入一个电阻元件(R₁)和一个三极管(Q₁)，和

在另一个节点(P02)中接入一个三极管(Q₂)。

6.根据权利要求5所述的方法，  其特征在于，还包括

提供第三支路，用于镜像该基准电流并将其反馈给该误差放大器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一镜像支路中，负温度系数的元件为一三极管(Q₃)，以及该正温度系数的元件为一电阻元件(R₂)。

8.一种带隙基准电压源，包括：

一个基础核心电路，用于提供一个具有正温度系数特性的基础电流；

一个基准电压输出电路，通过镜像该基础电流而获得第一镜像电流，并利用一个负温度系数的元件和正温度系数的元件输出一基准电压；

一个曲率补偿电路，用于检测温度变化，包括一CMOS管(MS1)，与该镜像电路并联，用于获得第二镜像电流，其中该CMOS管(MS1)的源极回路接入

一个电阻元件(R_C)，用于获得一个与绝对温度成比例的电压差；

一个与该电阻元件(R_C)并联的三极管(Q_C)，用于将该电压差转变成指数形式的电流，补偿给该基准电压。

9.根据权利要求8所述的电压源，其特征在于，该三极管(Q_C)的发射极和集电极并联在该电阻元件(R_C)的两端，基极和集电极与该基准电压形成回路。

10.根据权利要求9所述的电压源，其特征在于，该基础核心电路包括

一个镜像电路，包括两个性能匹配的CMOS管(MP1和MP2)；

一个误差放大器，用于在两个CMOS管(MP1和MP2)的源极所在回路获得具有相同电势的节点(P01和P02)，输入端跨接在该CMOS管(MP1和MP2)的源极所在回路，输出端与CMOS管(MP1和MP2)的栅极联接；

一个电阻(R₁)和一个三极管(Q₁)，联接在其中一个节点(P01)，和

一个三极管(Q₂)，联接在另一个节点(P02)。

11.根据权利要求9所述的电压源，其特征在于，该三极管(Q_C)具有多倍于该三极管(Q₂)的宽长比。

12.根据权利要求8所述的电压源，其特征在于，还包括一第三镜像支路，具有一CMOS管(MP5)，与该镜像电路的CMOS管(MP2)并联，其源极反馈镜像电流，供给该误差放大器。

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