CN101630176A

CN101630176A - 低电压cmos带隙基准电压源

Info

Publication number: CN101630176A
Application number: CN200910304881A
Authority: CN
Inventors: 范涛; 袁国顺
Original assignee: BEIJING CASUE TECHNOLOGY CO LTD; Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: BEIJING CASUE TECHNOLOGY CO LTD; Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: CN101630176B

Abstract

本发明公开了一种低电压CMOS带隙基准电压源，属于电源及微电子技术领域。所述CMOS带隙基准电压源包括：低电压放大器，用于在低电源电压下实现负反馈；一阶温度补偿产生电路，与低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生能够进行一阶温度补偿的电流项；高阶温度补偿产生电路，与低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生能够进行高阶温度补偿的电流项；输出电压产生电路，用于产生输出电压。本发明提供的在低电源电压下工作CMOS带隙基准电压源，将低电压放大器分别引入基准电压源的一阶补偿项和高阶补偿项中，然后比例求和并输出参考电压，从而保证了整个电路工作在很低的电源电压下。

Description

低电压CMOS带隙基准电压源

技术领域

本发明涉及电源及微电子技术领域，特别涉及一种低电源电压下工作的CMOS带隙基准电压源。

背景技术

一般来说，从芯片外部引入的供电电压都存在一定的波动，而高精度的模拟电路对偏置电压的稳定性要求较高。因此，在模拟电路中一般会使用一个基准电压源，它可以将电源电压转化为一个具有良好电压稳定性和温度稳定性的电压，为电路的其它部分提供良好的参考电压。

基准电压源通常是指在电路中做电压基准的精确、稳定的电压源。随着集成电路规模的不断增大，尤其是系统集成技术的发展，基准电压源成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路模块。

基准电压源以其输出参考电压的精确性和稳定性，被广泛地应用于高精度模拟电路及数模混合电路中，例如高精度比较器、高精度A/D和D/A转换器、线性稳压器，以及DC/DC变换器。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。基准电压源主要有基于正向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带隙基准电压源的工作原理是：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示出了这种现有的CMOS带隙基准电压源的电路图。在图1中，运算放大器OTA的作用是使电路处于深度负反馈状态，从而让运算放大器OTA两输入端电压相等。因此，在电路稳定输出时：

I₁R₁+V_BE1＝V_BE2 (1)

V_ref＝V_BE3+I₃R₂ (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 (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＝VTln(I/Is) (4)

其中，VT表示温度的电压当量，Is为三极管的反向饱和电流。

由公式(1)、(2)和(3)可以进一步地推导出：

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

V_ref＝V_BE3+R₂/R₁×VT×ln(I₁/I₂) (6)

其中，I₁和I₂的比值为三极管Q1和Q2的发射区面积的比值。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的电流I_PTAT；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/℃；VT具有正的温度系数，在室温时大约为+0.085mV/℃。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和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。

但是，这种传统的带隙基准电压源，其放大器的输入电压为三级型晶体管Q2的V_BE电压，由于V_BE电压一般小于相关工艺中NMOS输入管放大器的所需的最小输入电压，因此通常使用PMOS管作为放大器的输入级，而PMOS管作为输入级，为保证放大器正常工作，其输入端与电源之间需要有一点的余量V_OTA。因此，基准电压正常工作的最小电压为V_BE和V_OTA之和，这个值通常比较大，无法满足低电压工作的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低电压CMOS带隙基准电压源，用于解决带隙基准电压源的基准电压无法在低电压下工作的问题。

本发明的实施例提供了一种低电压CMOS带隙基准电压源，包括：

低电压放大器，用于在低电源电压下实现负反馈；

一阶温度补偿产生电路，与所述低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生进行一阶温度补偿的电流项；

高阶温度补偿产生电路，与所述低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生进行高阶温度补偿的电流项；

输出电压产生电路，与所述一阶温度补偿产生电路和高阶温度补偿产生电路相连，用于产生输出电压。

本发明提供的低电源电压下工作CMOS带隙基准电压源结构，可以在很低的电源电压下工作，满足便携式设备低电压应用的要求；采用一阶补偿和高阶补偿相结合，进而能够提高输出参考电压的温度稳定性。

本发明提供的基准电压源结构，采用标准CMOS工艺即可实现带隙基准电压，有效地降低了对工艺的要求，容易在各种CMOS集成电路(如参考电压芯片、电能计量芯片、电压调整芯片、数据转换芯片)中使用，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是现有技术中的一阶温度补偿带隙基准电压源的电路原理图；

图2是本发明实施例中带隙低电压CMOS基准电压源的结构图；

图3是本发明实施例中低电压运算放大器的电路原理图；

图4是本发明实施例中一种高阶温度补偿产生电路的电路原理图；

图5是本发明实施例中一种CTAT补偿电流产生电路的电路原理图；

图6是本发明实施例中一种CL补偿电流产生电路的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本实施例提供的在低电源电压下工作CMOS带隙基准电压源，将低电压放大器分别引入基准电压源的一阶补偿项和高阶补偿项中，然后比例求和并输出参考电压，从而保证了整个电路工作在很低的电源电压下。

图2是本发明实施例提供的带隙低电压CMOS基准电压源，具体包括：

低电压放大器，是在低电压下工作的运算放大器，用于在低电源电压下实现负反馈。运算放大器是常用基准电压源的所需的单元，常规运算放大器无法在低电源电压下工作，而低电源电压运算放大器可以在很低的电源电压下工作，本实施例将低电源电压运算放大器引入基准电路，使整个电路能够在低电源电压下工作。

一阶温度补偿产生电路，此电路结合低电压放大器可以在很低电源电压下工作，用于产生可以进行一阶温度补偿的电流项。通过对一阶补偿电路的分析可以看出，电路的最小工作电源取决于V_BE和V_OTA之和，而V_BE是取决于工艺的，因此通过将如图1中的放大器改为低电源电压的放大器，就可以实现整个一阶温度补偿电路低电源电压下工作。

高阶温度补偿产生电路，此电路结合低电压放大器可以在很低电源电压下工作，用于产生可以进行高阶温度补偿的电流项。高阶补偿电路有很多种，本实施例采用放大器实现高阶补偿电路，通过将运算放大器改为低电源电压的放大器，可以实现整个高阶温度补偿电路低电源电压下工作。

输出电压产生电路，用于产生输出电压。

其中，低电压放大器的实现可以采用电平移位电路、衬底驱动电路或利用CMOS管的亚阈值区电路来生成低电压下工作的运算放大器，也可以采用低阈值CMOS工艺来实现低电压下工作的运算放大器。

一种采用衬底驱动电路的低电压放大器的实现原理如图3所示，包括：

第一级放大器，用于在低电压下实现电路负反馈，包括PMOS晶体管M1、M2及M3和NMOS晶体管M5及M6，构成衬底输出的第一级放大器。M2和M3的源极分别与M1的漏极相连，M2和M3的源极相连，栅极也相连；M5的漏极与M2的漏极相连，M6的漏极与M3的漏极相连，M6的栅极与M5的栅极及漏极相连。其中，VB为偏置电压，PMOS晶体管M1为电流源，PMOS晶体管M2和M3的栅极采用固定偏置，偏置电压为V_B2，独立衬底作为差分信号输入端。M1管为输入差分对M2和M3提供偏置电流，M2和M3的偏置电压V_B2设为比较低的值(V_B2＝V_DD-V_SAT1-V_GS2)，其中V_DD为电源电压，V_SAT1为晶体管M1的过饱和电压，V_GS2为晶体管M2的栅源电压)，从公式中可以看出，电源电压V_DD在很低的情况下，V_B2相应的取比较小的值，M2和M3仍然可以工作在饱和区，同时，M2和M3的衬底作为信号输入端，M5和M6为电流源负载，信号经过放大器从M6管的漏端输出。

PMOS晶体管M0和NMOS晶体管M4为第二级放大器，M0和M4的漏极相连，M0管提供偏置电流，M4管实现放大，第一级放大器和第二级放大器级联。由于第一级放大器为信号从衬底输入，其跨导比较小，因此第一级放大器的放大倍数不够大，因此级联第二级放大器进一步提高放大倍数。

电容C1为米勒补偿电容，用于提高整体放大器的稳定性(米勒补偿电容为常用的放大器的频率补偿方法，基本原理是通过极点分裂，提高相位裕度，从而提供放大器的稳定性)，最终输出VO。

第一级放大器采用衬底驱动实现了低电压工作，而第二级放大器可以进一步提高放大增益，因此整体电压可以在很低电压工作。

此放大器采用衬底作为输入，因此可以大幅降低工作电压。同时也可以采用电平移位，亚阈值工作区电路或低阈值电路的方法来实现低电压工作的放大器，用于低电压基准源。

一阶温度补偿产生电路可以参照常规的如图1的方法，将其中的放大器改为低电源电压的运算放大器，从而可以实现低电源电压工作的一阶温度补偿产生电路。

一种高阶温度补偿产生电路的实施例如图4，图中CTAT补偿电流产生电路与低电源电压放大器相结合，整体电路可工作于低电源电压下，产生一种高阶补偿电流I_CTAT；CL补偿电流产生电路与低电源电压放大器相结合，整体电路可工作于低电源电压下，产生一种高阶补偿电流I_CL，最后将CTAT补偿电流和CL补偿电流比例求和从而将关于温度的高阶项抵消掉。比例求和电路可以采用常规的电流镜比例复制然后求和的方法实现。CTAT补偿电流产生电路和CL补偿电流产生电路如图5和图6给出一种实施例。

如图5为一种CTAT补偿电流产生电路的实施例，图中两个放大器为低电压放大器。PMOS晶体管M1和M2，M1和M2的栅极相连，接一放大器的输出端；三极型晶体管Q1和Q2，电阻R1，Q1的发射极与R1串联，接M1的漏极和一放大器的正输入端，Q2的发射极接M2的漏极和一放大器的负输入端，Q1和Q2的基极及集电极接地，结合低电压放大器，这部分工作原理如图1相似，产生与温度成正比例的PTAT电流。PMOS晶体管M3和M4，M3的栅极接另一放大器的输出端，漏极与R2串联，并接所述另一放大器的正输入端，M4的栅极接所述一放大器的输出端，漏极与所述另一放大器的负输入端和三极型晶体管Q3的发射极相连，Q3的基极和集电极接地。M4将PTAT电流复制过来，三极型晶体管Q3、电阻R2和低电压放大器产生CTAT电流，低电压放大器作为负反馈放大器，使得两个输入端的电压相等，流过电阻R2的电流即为CTAT电流。

如图6为一种CL补偿电流产生电路的实施例，图中两个放大器为低电压放大器。包括：PMOS晶体管M0、M1及M2，两个低电压放大器，电阻R0和R1，以及三极型晶体管Q0，其中，M0的栅极接一放大器的输出端，漏极与R0串联，并接所述一放大器的正输入端，M1的栅极接另一放大器的输出端，漏极接Q0的发射极，并接所述一放大器的负输入端，M2的栅极接所述另一放大器的输出端，漏极与R1串联，并接所述另一放大器的正输入端。第二个放大器的一个输入端接整个基准电压的输出端Vout，通过电阻R1，将输出电压转换为电流，PMOS晶体管M1将电流复制过来，三极型晶体管Q0、电阻R0和低电压放大器产生CL电流，低电压放大器作为负反馈放大器，使得两个输入端的电压相等，流过电阻R0的电流即为CL电流。

由于温度的一阶项和高阶项都抵消掉以后，就可以产生不随温度变化的输出电压，最后根据需要可以采用低电压放大器作为缓冲器直接输出。

图4所示的高阶温度补偿产生电路作为一种实施例，在具体的应用中并不限于这一种实施方式，原则上只要采用放大器来实现的高阶温度补偿的方法，都可以采用本发明的方法改造为低电源电压的高阶温度补偿电路。

本发明提供的在低电源电压下工作CMOS带隙基准电压源结构，可以在很低的电源电压下工作，满足便携式设备低电压应用的要求。采用一阶补偿和高阶补偿相结合，进而提高输出参考电压的温度稳定性；并可以采用标准CMOS工艺即可实现带隙基准电压，有效地降低了对工艺的要求，容易在各种CMOS集成电路(如参考电压芯片、电能计量芯片、电压调整芯片、数据转换芯片)中使用，具有很高的实用价值。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1.一种低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，包括：

低电压放大器，用于在低电源电压下实现负反馈；

2.根据权利要求1所述的低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述低电压放大器采用电平移位电路、衬底驱动电路、利用CMOS管的亚阈值区电路或低阈值CMOS工艺来实现。

3.根据权利要求2所述的低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，当采用衬底驱动电路实现所述低电压放大器时，该放大器包括：

第一级放大器，用于在低电压下实现电路负反馈；

第二级放大器，与所述第一级放大器级联，用于提高放大增益；

电容，用于通过极点分裂，提高相位裕度及放大器的稳定性。

4.根据权利要求3所述的低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述第一级放大器具体包括：

PMOS晶体管(M1)、(M2)和(M3)，所述晶体管(M2)和(M3)的源极分别与所述晶体管(M1)的漏极相连，所述晶体管(M2)和(M3)的栅极相连；

NMOS晶体管(M5)和(M6)，所述晶体管(M5)的漏极与所述晶体管(M2)的漏极相连，所述晶体管(M6)的漏极与所述晶体管(M3)的漏极相连，所述晶体管(M6)的栅极与所述晶体管(M5)的栅极及漏极相连；

其中，所述PMOS晶体管(M1)为电流源，所述PMOS晶体管(M2)和(M3)的栅极采用固定偏置，偏置电压为(VB2)，所述PMOS晶体管(M2)和(M3)的衬底作为差分信号输入端；所述PMOS晶体管(M1)为所述晶体管(M2)和(M3)提供偏置电流；所述NMOS晶体管(M5)和(M6)为电流源负载。

5.根据权利要求3或4所述的低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述第二级放大器具体包括：

PMOS晶体管(M0)和NMOS晶体管(M4)，所述晶体管(M0)和(M4)的漏极相连，所述PMOS晶体管(M0)提供偏置电流，所述NMOS晶体管(M4)实现放大。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述高阶温度补偿产生电路具体包括：

CTAT补偿电流产生电路，与所述低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生高阶补偿电流(ICTAT)；

CL补偿电流产生电路，与所述低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生高阶补偿电流(ICL)；

比例求和电路，与所述CTAT补偿电流产生电路和CL补偿电流产生电路相连，用于将所述高阶补偿电流(ICTAT)和(ICL)比例求和。

7.根据权利要求6所述的低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述CTAT补偿电流产生电路具体包括：

PMOS晶体管(M1)和(M2)，所述晶体管(M1)和(M2)的栅极相连，接一放大器的输出端，三极型晶体管(Q1)和(Q2)，电阻(R1)，用于产生与温度成正比例的PTAT电流，其中，(Q1)的发射极与(R1)串联，并接所述晶体管(M1)的漏极和所述一放大器的正输入端，(Q2)的发射极接所述晶体管(M2)的漏极和所述一放大器的负输入端，(Q1)和(Q2)的基极及集电极接地；

PMOS晶体管(M3)和(M4)，所述晶体管(M3)的栅极接另一放大器的输出端，漏极与电阻(R2)串联，并接所述另一放大器的正输入端，所述晶体管(M4)的栅极接所述一放大器的输出端，漏极与所述另一放大器的负输入端和三极型晶体管(Q3)的发射极相连，(Q3)的基极和集电极接地，所述晶体管(M4)将所述PTAT电流复制，所述三极型晶体管(Q3)和电阻(R2)产生CTAT电流。

8.根据权利要求6所述的低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述CL补偿电流产生电路具体包括：

PMOS晶体管(M0)、(M1)及(M2)，两个放大器，电阻(R0)和(R1)，以及三极型晶体管(Q0)，其中，所述晶体管(MO)的栅极接一放大器的输出端，漏极与电阻(R0)串联，并接所述一放大器的正输入端，所述晶体管(M1)的栅极接另一放大器的输出端，漏极接(Q0)的发射极，并接所述一放大器的负输入端，所述晶体管(M2)的栅极接所述另一放大器的输出端，漏极与电阻(R1)串联，并接所述另一放大器的正输入端；

电阻(R1)，将输出电压转换为电流，所述PMOS晶体管(M1)将所述电流复制；所述三极型晶体管(Q0)和电阻(R0)产生CL电流。

9.根据权利要求6所述的低电压CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述比例求和电路采用电流镜比例复制并求和的方式实现比例求和。