CN101763138B - 一种高精度电压基准电路 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种高精度电压基准电路，包括第一、第二三极管、第一至第三MOS管、放大器和第一至第四电阻，还包括第四至第六MOS管和第五至第七电阻。本发明利用了PMOS和NMOS管阈值电压温度系数为负值的原理，设计了两个正温度系数微小电流，通过在不同温度段内往基准电流中分别注入和抽出微小电流，实现的精密的温度补偿，从而得到温度系数低的电压基准。本发明降低了基准的电路的温度系数，基准电压值远小于1.25V，可以工作在低压系统中。

Description

一种高精度电压基准电路

技术领域

本发明属于模拟集成电压基准电路的技术领域，是一种高精度电压基准电路，用于各类电源IC、ADC等系统中，也可作为一个独立的IP核。

背景技术

目前对于模拟IC的性能要求越来越高，希望在宽温度范围的环境下，能提供高精度的电压和电流，同时为节省功耗，对电源电压值也要求越来越低，这样就势必要求有高精度和低电压值的基准。

目前有两种电压基准，一种是电压模基准，另一种是电流模基准。电压模基准将二极管PN结导通压降V_BE(负温度系数)，与两个PN结的导通电压之差ΔV_BE(正温度系数)按特定的比例相加，消除正负温度系数，即可得到与温度近似无关的电压基准。

这种以电压求和模式得到基准电压为：

$V_{\mathrm{ref}}={\mathrm{KV}}_{t0}+V_{\mathrm{BE}}=V_{G0}+V_{t0}(\mathrm{\η}-1)+(1-\mathrm{\η})\frac{\mathrm{\κT}}{q}\ln \left(\frac{T}{T_0}\right)---\left(1\right)$

其中温度T₀为300K，J_C是三极管集电极电流密度，V_G0是温度为0K时的带隙电压，J_C0是温度在300K时集电极电流密度，κ是波尔兹曼常数，η为工艺系数。此基准电压V_ref一般情况下大约为1.25V，与温度、电源电压和工艺近似无关，但温度系数较大约为10～20ppm/℃，而这不能满足高精度产品的要求，而且其值比较大，也不能应用于低基准电压系统。

传统电流模基准如图1所示，电流模基准能有效地降低基准电压值，其基本原理为：分别将电压V_BE和ΔV_BE通过电阻转化为电流，得到负温度系数和正温度系数的电流，将这两种温度系数的电流按合适比例相加，得到温度系数接近于零的电流。再经电阻将此电流转化为电压，即可得到数值可调的低电压基准。这种结构的基准虽然可以根据需要方便的调节值的大小，从而应用于各种场合，但是其温度系统通常也是10～20ppm/℃，同样面临精度不够的问题。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种高精度电压基准电路。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种高精度电压基准电路，包括第一、第二三极管、第一至第三MOS管、放大器和第一至第四电阻，其中第一至第三MOS管的源极分别接电源，第一至第三MOS管的栅极分别接放大器的输出端，第一MOS管的漏极分别接第一电阻的一端、第二电阻一端和放大器的正输入端，第一电阻的另一端分别与第一三极管的集电极和基极、第二三极管的集电极和基极、第三电阻一端以及第四电阻一端连接接地，第二电阻另一端接第一三极管的发射极，第二MOS管的漏极分别接放大器的负输入端、第三电阻另一端和第二三极管发射极，第三MOS管的漏极接第四电阻另一端；

其特征在于还包括第四至第六MOS管和第五至第七电阻，其中第四MOS管的源极接电源，第四MOS管的栅极接放大器的输出端，第四MOS管的漏极分别接第五电阻的一端和第六MOS管的栅极，第五电阻的另一端分别接第六电阻的一端和第六MOS管的漏极，第六电阻的另一端分别接第六MOS管的源极、第七电阻的一端和第五MOS管的漏极，第七电阻的另一端分别接第五MOS管的栅极和第四电阻一端，第五MOS管的源极接第三MOS管的漏极，其中第四MOS管的漏极作为电压基准的输出端。

所述第一至第五MOS管为P型MOS管。

所述第六MOS管为N型MOS管。

本发明通过补偿电路，使基准的电路的温度系数大幅度降低，同时具有由于在电流模的基础上进行改进，因此基准电压值远小于1.25V，可以工作在低压系统中。

附图说明

图1为传统的电流模基准电路。

图2为传统电流模基准温度特性图。

图3为本发明提出的二阶曲线修正的基准电路。

图4二阶曲线修正基准的温度特性图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1中，R₃中的电流为V_BE/R₃。运放虚短特性使得A、B两点电位相等，则R₁中的电流为V_BE/R₁，R₂电流为ΔV_BE/R₂，因此流经相同宽长比的M1与M2的电流为：

$I=I_1+I_2=\frac{V_{\mathrm{BE}}}{R_1}+\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{R_2}---\left(2\right)$

在忽略电阻温度系数的条件下，为保证电流I是零温度系数，因此必须满足：

$\frac{\∂I}{\∂T}=\frac{1}{T}\frac{{\∂V}_{\mathrm{BE}}}{\∂T}+\frac{1}{R_2}\frac{{\∂\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{\∂T}=0---\left(3\right)$

可得：

$\frac{R_1}{R_2}=-\frac{{\∂V}_{\mathrm{BE}}/\∂T}{{\∂\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}/\∂T}---\left(4\right)$

显然R₁/R₂约束关系与电压模基准补偿所需求电阻比例关系完全相同，将以上电流通过电流镜复制到M3，并经过电阻R₄将电流转化为电压，因此基准电压为：

$V_{\mathrm{ref}}=R_{4}I=\frac{R_4}{R_1}(V_{\mathrm{BE}}+\frac{R_1}{R_2}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}})---\left(5\right)$

将式(4)代入式(5)可得：

$V_{\mathrm{ref}}=R_{4}I=\frac{R_4}{R_1}(V_{\mathrm{BE}}-\frac{{\∂V}_{\mathrm{BE}}/\∂T}{{\∂\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}/\∂T}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}})---\left(6\right)$

因此只要选择恰当的电阻R₄与R₁的比值，就能得到所需要的电压基准电压。同时也可对电阻R₄分压取样以得到多路输出基准。此外，当上式中各类电阻均采用同类型电阻时，由于电阻温度系数相互抵消，因此即使电阻温度系数存在，也与以上基于零温度系数电阻下获得的结论大致相当。电流模基准电压仿真结果如图2所示。

如图2所示，从-50℃开始的低温段，基准电压随温度升高而下降；而在50℃以上的高温段，电压开始随温度升高而上升。因此可以设想在-50℃时，给电阻R₄注入附加的正温度系数电流，减少基准电压在低温段的负温度系数。从图2可知在50℃时，基准电压随温度升高而上升，又由于注入了正温度系数电流，在高温阶段基准电压势必随温度升高而升高得更加显著，因此有必要在高温段从电阻R4中抽出部分正温度系数电流，使基准电压恒定。

基于一阶补偿的基准电路，在-50℃到150℃的范围内V_ref温度系数TC大于10ppm/℃。为了得到温度系数更低的基准的电压，需要在此基础上进行改进。

为了对电流模基准进行二阶补偿，需要两个合适的正温度系数电流。MOS管的开启电压V_TH为负温度系数，因此可以通过合理的偏置，实现MOS管电流随温度升高而上升的温度特性。二阶修正的基准电压电路如图3所示。

如图3所示，本发明一种高精度电压基准电路，包括第一、第二三极管Q1、Q2、第一至第三MOS管M1～M3、放大器amp和第一至第四电阻R1～R4，其中第一至第三MOS管M1～M3的源极分别接电源V_dd，第一至第三MOS管M1～M3的栅极分别接放大器amp的输出端，第一MOS管M1的漏极分别接第一电阻R1的一端、第二电阻R2一端和放大器amp的正输入端，第一电阻R1的另一端分别与第一三极管Q1的集电极和基极、第二三极管Q2的集电极和基极、第三电阻R3一端以及第四电阻R4一端连接接地，第二电阻R2另一端接第一三极管Q1的发射极，第二MOS管M2的漏极分别接放大器amp的负输入端、第三电阻R3另一端和第二三极管Q2发射极，第三MOS管M3的漏极接第四电阻R4另一端；

还包括第四至第六MOS管M4～M6和第五至第七电阻R5～R7，其中第四MOS管M4的源极接电源V_dd，第四MOS管M4的栅极接放大器amp的输出端，第四MOS管M4的漏极分别接第五电阻R5的一端和第六MOS管M6的栅极，第五电阻R5的另一端分别接第六电阻R6的一端和第六MOS管M6的漏极，第六电阻R6的另一端分别接第六MOS管M6的源极、第七电阻R7的一端和第五MOS管M5的漏极，第七电阻R7的另一端分别接第五MOS管M5的栅极和第四电阻R4一端，第五MOS管M5的源极接第三MOS管M3的漏极，其中第四MOS管M4的漏极作为电压基准V_ref的输出端。

所述第一至第五MOS管M1～M5为P型MOS管。

所述第六MOS管M6为N型MOS管。

图3中M5偏置在亚阈值区，其电流为：

$I_{D5}=\frac{W}{L}{I}_{D0}\exp \left(\frac{V_{\left|\mathrm{GS}5\right|}}{n\left|V_{\mathrm{TP}}\right|}\right)---\left(7\right)$

式(7)中n是亚阈值斜率因子，I_D0是一个与工艺相关的参数。

而阈值电压|V_TP|对时间T求导为：

$\frac{{\mathrm{dV}}_T}{\mathrm{dT}}=-\frac{1}{T}(\frac{E_g}{2q}-{\mathrm{\φ}}_f)(2+\frac{\mathrm{\γ}}{\sqrt{2{\mathrm{\φ}}_f}})---\left(8\right)$

式(8)中Eg为是温度T＝0K下硅元素的能带间隙，φ_f为费米电势，γ为MOS管的体效应系数。可以发现当温度上升，V_TH减少，这样图4.3中M5电流上升，使电阻R7的电压增加，可以补偿在-50℃～50℃基准电压随温度升高而下降。由于M3管电流恒定，当M5的电流增加后，A点电压应略有下降。也就是M5的源极电压略有下降。这就对电路来说是有利的，因为它可以使M5电流随温度的增加而上升得不至过大。

M6也偏置在亚阈值区，用来减缓原电流模基准在50℃时电压逐渐上升以及由M5在高温时带来的电压上升。当温度升高，M6管电流增加，对电阻R₆分流，使得R₆的压降减少，从而有效抑制了基准电压随温度升高而上升。由于电流模基准电压在全温区范围内偏差电压约1.2mV，因此高阶补偿电压值调整范围应在1mV左右，设R₆和R₇为40KΩ，则M5和M6电流应在几十纳安的数量级。

图3的二阶曲线修正基准的仿真结果如图4所示。从图4可以看出温度系数为2.57ppm/℃，最大的偏差电压ΔV_MAX约为160μV。该基准电路的温度特性完全可以满足系统应用需要。

Claims (3)

1.一种高精度电压基准电路，包括第一、第二三极管(Q1、Q2)、第一至第三MOS管(M1～M3)、放大器(amp)和第一至第四电阻(R1～R4)，其中第一至第三MOS管(M1～M3)的源极分别接电源(V_dd)，第一至第三MOS管(M1～M3)的栅极分别接放大器(amp)的输出端，第一MOS管(M1)的漏极分别接第一电阻(R1)的一端、第二电阻(R2)一端和放大器(amp)的正输入端，第一电阻(R1)的另一端分别与第一三极管(Q1)的集电极和基极、第二三极管(Q2)的集电极和基极、第三电阻(R3)一端以及第四电阻(R4)一端连接接地，第二电阻(R2)另一端接第一三极管(Q1)的发射极，第二MOS管(M2)的漏极分别接放大器(amp)的负输入端、第三电阻(R3)另一端和第二三极管(Q2)发射极，第三MOS管(M3)的漏极接第四电阻(R4)另一端；

其特征在于还包括第四至第六MOS管(M4～M6)和第五至第七电阻(R5～R7)，其中第四MOS管(M4)的源极接电源(V_dd)，第四MOS管(M4)的栅极接放大器(amp)的输出端，第四MOS管(M4)的漏极分别接第五电阻(R5)的一端和第六MOS管(M6)的栅极，第五电阻(R5)的另一端分别接第六电阻(R6)的一端和第六MOS管(M6)的漏极，第六电阻(R6)的另一端分别接第六MOS管(M6)的源极、第七电阻(R7)的一端和第五MOS管(M5)的漏极，第七电阻(R7)的另一端分别接第五MOS管(M5)的栅极和第四电阻(R4)一端，第五MOS管(M5)的源极接第三MOS管(M3)的漏极，其中第四MOS管(M4)的漏极作为电压基准(V_ref)的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种高精度电压基准电路，其特征在于所述第一至第五MOS管(M1～M5)为P型MOS管。

3.根据权利要求1所述的一种高精度电压基准电路，其特征在于所述第六MOS管(M6)为N型MOS管。

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