CN101950191B - 一种具有高阶温度补偿电路的电压基准源 - Google Patents

Abstract

一种具有高阶温度补偿电路的电压基准源，属于电子技术领域。包括启动及正温系数电流产生电路、负温系数电流产生电路、高阶温度补偿电流产生电路以及叠加求和输出电路。通过增加的高阶温度补偿电路产生电路对三极管基极与发射极电压之间的导通电压V_BE进行线性化，得到一个与PN结电压的高阶温度量近似一致的高阶补偿量，经比例抵消后从根本上消除PN结电压的高阶温度系数，从而实现一种更低低温度系数的CMOS电压基准源。本发明采用成本较低的普通CMOS工艺制作，具有极低的温度系数、较小的功耗和面积，可用于模拟、数模混合电路需要产生低温度系数的基准电路中。

Description

一种具有高阶温度补偿电路的电压基准源

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及电压基准源，尤其涉及一种具有高阶温度补偿电流产生电路的CMOS电压基准源，主要用于模拟、数模混合电路需要产生低温度系数的基准电路中。

背景技术

在模拟、数模混合以至纯数字电路中都需要用到基准源电路。基准源电路要求在电源电压或温度变化时保持稳定的输出，同时，要求其不随工艺的变化而变化。按照输出方式的不同，基准电路可分为：电压型基准源(以输出恒定电压为目的的电路)和电流型基准源(以输出恒定电流为目的的电路)。

传统的带隙基准电压源的一般产生方式为：具有负温度系数的三极管的BE结电压V_BE叠加上一个正温度系数的电压V_C，从而得到在一定范围内温漂较小的基准电压V_REF＝V_BE+V_C，其中V_C＝K₁V_T，V_T＝kT/q为热电压，与温度成正比。已经证明，三极管的BE结电压V_BE随温度变化的表达式如下：

V_EB(T)＝V_G0-V_Tln(EG)-(η-α)V_Tln(T)                    (1)

其中V_G0为硅元素在0K温度时的带隙电压；E和G为与温度无关但与制造工艺相关的项，η为与温度无关但与三极管迁移率的温度指数相关的项；α为三极管集电极电流的温度指数项。

由于V_BE中除了含有与温度有关的线性项-V_Tln(EG)外，还含有与温度T有关的非线性项-(η-α)V_TlnT。这样使得传统的由V_BE叠加一个正温度系数电压K₁V_T得到的基准电压很难达到较高的温度特性，也因此产生了一些高阶温度补偿方法来修正基准电压，以使其达到更好的温度特性。

为进一步优化基准电压的温度系数，许多高阶温度补偿技术应运而生，其基本思想是引入高级的数学函数抵消PN结电压中的高阶温度系数，如二阶温度补偿、分段线性补偿、指数阶温度补偿和具有温度特性的电阻比例补偿技术等。然而上述方法，都仅仅是实现一定幂次的函数，以局部补偿PN结电压的高阶温度系数，并且对工艺的敏感度较高。

文献“一个1.1v电流模式分段线性曲率校正带隙基准源”中，提出了一种低温度系数参考电压源产生电路，主要包括：一用于产生正温系数电流的电路，一个用于产生负温系数电流的电路，一个电流减法器，用于产生一个非线性电流。低温度时，将正温系数电流和负温系数电流按一定比例流入一个电阻网络，产生一个一阶补偿的带隙基准电压。高温时，一个非线性电流流入这个电阻网络，用来提高正温电流所占的比例，而获得一个低温度系数的基准电压源。该技术方案原理图如图2所示。该技术方案经计算机仿真，在-15～90℃范围内，输出基准电压的变化为0.68％，即6.5ppm/℃。

发明内容

本发明提供一种具有高阶温度补偿电路的电压基准源，采用成本较低的普通CMOS工艺，通过增加的高阶温度补偿电路产生电路对三极管基极与发射极电压之间的导通电压V_BE进行线性化，得到一个与PN结电压的高阶温度量近似一致的高阶补偿量，经比例抵消后从根本上消除PN结电压的高阶温度系数，从而实现一种更低低温度系数的CMOS电压基准源。本发明通过电阻温度系数的合理抵消，降低了电阻温度系数及工艺漂移对基准源输出量的影响，具有优异的温度稳定性，可用于恶劣的外界温度环境中。

本发明在传统的带隙基准源的基础上，增加了一个与V_TlnT成正比的电压项来修正基准电压非线性量的影响。如图3所示，具体原理如下：

分别将与V_BE相关的负温系数电压、与热电压V_T相关的正温系数电压和与V_TlnT相关的补偿电压叠加：

V_REf＝V_BE+C₁V_T+C₂V_TlnT

将(1)代入上式，得：

V_ERF＝V_G0+[K₁-ln(EG)]V_T+[K₂-(η-α)]V_TlnT

若设置C₁＝ln(EG)，C₂＝(η-α)，则可以得到一个与温度无关的基准电压V_REF＝V_G0。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有高阶温度补偿电路的电压基准源，如图1所示，包括启动及正温系数电流产生电路、负温系数电流产生电路、高阶温度补偿电流产生电路以及叠加求和输出电路。

所述启动及电路正温系数电流产生电路如图4所示，由PMOS管PS1、PA1和PA2，NMOS管NS1、NS2、NA1和NA2，三极管Q1和Q2，以及电阻R1组成。PS1、PA1和PA2管的源极和衬底端接直流电源VIN，PS1管的漏极接NS1管的栅极和NS2管的漏极；PS1管和NS2管的栅极互连并接NA1、NA2管的栅极和PA2、NA2管的漏极；PA1管的漏极接NA1管的漏极，NA1管的源极通过电阻R1接三极管Q1的发射极，NA2管的源极接三极管Q2的发射极；NS1、NS2管的源极和衬底端接地，三极管Q1、Q2的基极和集电极接地。

所述负温系数电流产生电路如图6所示，由PMOS管PA3、PA4和PA5，第一电压-电流转换模块V-I，以及三极管Q3组成。PA3、PA4和PA5管的源极和衬底端接直流电源VIN，PA3、PA4管的栅极互连并接启动及电路正温系数电流产生电路中PA1管的栅极，PA3管的漏极接第一电压-电流转换模块V-I的端口1，PA4管的漏极接第一电压-电流转换模块V-I的端口2，PA5管的栅极和漏极互连并接第一电压-电流转换模块V-I的端口3，第一电压-电流转换模块V-I的端口4接三极管Q3的发射极，三极管Q3的基极、集电极和第一电压-电流转换模块V-I的端口5接地。

所述高阶温度补偿电流产生电路如图7所示，由12个PMOS管PA6～PA17，4个NMOS管NA3～NA6，第二、三电压-电流转换模块V-I，以及2个三极管Q5、Q6组成。12个PMOS管PA6～PA17的源极和衬底端接直流电源VIN；PA6管的栅极PA5管的栅极，PA7、PA12和PA13管的栅极互连并接启动及电路正温系数电流产生电路中PA1管的栅极；PA6、PA7管的漏极互连并接NA3管的栅极和漏极以及NA4管的栅极；PA8管和PA9管的栅极互连并接PA8管和NA4管的漏极以及PA10管的栅极；PA9管的漏极接第二电压-电流转换模块V-I的端口1，PA10管的漏极接第二电压-电流转换模块V-I的端口2，PA11管的栅极和漏极互连并接第二电压-电流转换模块V-I的端口3和PA16管的栅极，第二电压-电流转换模块V-I的端口4接三极管Q4的发射极；PA12管的漏极接第三电压-电流转换模块V-I的端口1，PA13管的漏极接第三电压-电流转换模块V-I的端口2，P14管的栅极和漏极互连并接P15管的栅极和第三电压-电流转换模块V-I的端口3，第三电压-电流转换模块V-I的端口4接三极管Q5的发射极；NA5管的栅极和漏极互连并接PA15管的漏极和NA6管的栅极；PA17管的栅极和漏极互连并接PA16管和NA6管的漏极；4个NMOS管NA3～NA6的源极和衬底端，三极管Q5、Q6的基极和集电极，以及第三电压-电流转换模块V-I的端口5接地。

所述叠加求和输出电路如图8所示，由3个PMOS管PA18～PA20和1个电阻R2组成。3个PMOS管PA18～PA20的源极和衬底端接直流电源VIN；PA18管的栅极接高阶温度补偿电流产生电路中PA17管的栅极，PA18、PA19和PA20管的漏极共接并通过电阻R2接地；PA19管的栅极接启动及电路正温系数电流产生电路中PA1管的栅极，PA20管的栅极接负温系数电流产生电路中PA5管的栅极。

所述第一、二、三电压-电流转换模块V-I具有相同的电路结构，如图5(a)所示，由三个NMOS管NB1、NB2和NB3以及两个电阻R3、R4组成。NB1管的栅极、漏极和NB2管的栅极共接并作为电压-电流转换模块V-I的端口1，NB2管的漏极和NB3管的栅极相连并作为电压-电流转换模块V-I的端口2，NB3管的漏极作为电压-电流转换模块V-I的端口3，NB2管的源极通过电阻R4与电压-电流转换模块V-I的端口4相连，NB1管和NB3的源极相连并通过电阻R3与电压-电流转换模块V-I的端口5相连。

本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源，其工作过程如下：

由MOS管PS1、NS1和NS2组成的启动电路率先工作：当接通电源电压VIN后，由于NS2和PS1的栅电位为地电位，PS1管导通，所以NS1的栅电位经PS1管被拉到高电位使得NS1管导通，从而将正温系数电流产生电路的栅电位拉低，使正温系数电流产生电路启动。正温系数电流产生电路启动后，MOS管NA2的栅电位升高，将NS2管导通、PS1管关断，从而将NS1的栅电位拉低，关断NS1，从而启动电路与其他电路分离，电路进入正常工作状态。

PA1、PA2、NA1、NA2、Q1、Q2和电阻R1组成正温系数电流产生电路，其主要作用是产生一个与绝对温度成正比的电流。PA1，PA2组成电流镜，使得流过PA1和PA2的电流相等，从而使得流过Q1，Q2的电流相等。NA1、NA2的栅极连在一起，两者的宽长比相等，从而流过NA1、NA2的电流相等，使得NA1、NA2的源极电位相等，则电阻R1两端的电压为Q1和Q2导通电压之差，不考虑电阻R1的温度系数(在基准输出电压中，电阻的温度系数会相互抵消)，因此流过电阻R1的电流

为正温系数电流，其大小为：

$I_{R_1}=I_{\mathrm{PA}1}=\frac{V_T\ln N}{R_1}---\left(2\right)$

其中N为三极管Q1和Q2发射极面积之比。忽略电阻R1的温度系数，则电流I_PA1为一个与温度成正比的电流。

PA3、PA4、PA5管和三极管Q3以及第一个电压-电流转换模块V-I组成一个负温系数电流产生电路，如图6所示。负温系数电流产生电路中，第一个电压-电流转换模块V-I如图5所示，该模块用来将电压信号转为相关的电流信号。流过NB1和NB2管的电流均为I_BIAS，流过左边电阻R3的电流为I_BIAS与I_OUT之和，流过右边电阻R4的电流为I_BIAS。设置NB1、NB2管的宽长比相等，并均工作在饱和区，则NB1和NB2管的源端电压相等；同时设置电阻R3和R4的阻值均为r₃，根据基尔霍夫电压定律，可得到以下方程，

V_DC＝(I_BIAS+I_NB3)×R₃-I_BIAS×R₄

                                  (3)

＝I_OUT×r₃

流过PA5管的电流为

$I_{\mathrm{PA}5}=\frac{V_{\mathrm{EB}3}}{r_3}---\left(4\right)$

将(1)代入上式得，

$I_{\mathrm{PA}5}=\frac{V_{G0}-V_T\ln \left(\mathrm{EG}\right)-(\mathrm{\η}-\mathrm{\α})V_T\ln \left(T\right)}{r_3}---\left(5\right)$

当流过PMOS管PA3和PA4的电流为一阶温度电流时，

$I_{\mathrm{PA}5}=\frac{V_{G0}-V_T\ln \left(\mathrm{EG}\right)-(\mathrm{\η}-1)V_T\ln \left(T\right)}{r_3}---\left(6\right)$

不考虑电阻R3或R4的温度特性，则I_PA5为与V_BE3成正比的负温系数电压。

高阶温度补偿电流产生电路如图7所示，由12个PMOS管PA6～PA17，4个NMOS管NA3～NA6，第二、三电压-电流转换模块V-I，以及2个三极管Q5、Q6组成。该电路首先由5个晶体管PA6～PA8，NA3、NA4共同组成一个近似零温系数电流源，产生一个近似零温系数电流I_NA3。其中，流入晶体管PA6的电流I_PA6由流过PA5管的电流I_PA5镜像而来，且I_PA6＝B·I_PA5，其中B为PA6管的宽长比与PA5管的宽长比的比值；而流过PA7的电流I_PA7是由流过PA1管的电流镜像而来，该电流为正温系数电流

则流过NA3、NA4和PA8的电流为I_PA6+I_PA7，经过调整B和K₁的值，满足

即可以得到近似零温度系数的电流，此零温度系数电流可表示为

$I_{\mathrm{NA}3}=B\frac{V_{G0}-V_T\ln \left(\mathrm{EG}\right)-(\mathrm{\η}-1)V_T\ln \left(T\right)}{r_3}+K_1\frac{V_T\ln N}{R_1}\≈I_{\mathrm{CONSTANT}}---\left(7\right)$

将这股零温度系数电流I_NA3流入由晶体管Q4和第二电压-电流转换模块V-I组成的负温系数电流产生电路中可以得到一个负温系数电流：

$I_{\mathrm{PA}11}=\frac{V_T}{r_4}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{CONSTANT}}}{I_{S4}}\right)---\left(8\right)$

其中r₄为第二电压-电流转换模块V-I内电阻R3或R4的阻值，I_S4为三极管Q4的反向饱和电流。

晶体管Q5和第三电压-电流转换模块V-I组成另一个负温系数电流产生电路，因为流入三极管Q5的电流为K₂T，则流出晶体管PA14的电流为

$I_{\mathrm{PA}14}=\frac{V_T\ln \left(\frac{K_{2}T}{I_{S5}}\right)}{r_5}---\left(9\right)$

其中r₅为第三电压-电流转换模块V-I内电阻R3或R4的阻值，I_S5为三极管Q5的反向饱和电流。

经过由PA15、PA16、PA17、NA5和NA6管组成的电流减法器，得到流入晶体管PA17的电流为

$I_{\mathrm{PA}17}={\mathrm{EI}}_{\mathrm{PA}14}-{\mathrm{FI}}_{\mathrm{PA}11}=E\frac{V_T}{r_5}\ln \left(\frac{K_{2}T}{I_{S5}}\right)-F\frac{V_T}{r_4}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{CONSTANT}}}{I_{S4}}\right)---\left(10\right)$

其中E为PA15管的宽长比和PA14管的宽长比的比值，F为PA16管的宽长比和PA11管的宽长比的比值，

设置E＝F＝S₁，r₄＝r₅，I_S4＝I_S5则

$I_{\mathrm{PA}17}=\frac{S_1}{r_4}{V}_T\×\ln \left(\frac{K_{2}T}{I_{\mathrm{CONSTANT}}}\right)=\frac{S_1}{r_4}{V}_T\ln T-\frac{S_1}{r_4}{V}_T\ln \left(\frac{I_{\mathrm{CONSTANT}}}{K_2}\right)---\left(11\right)$

因此I_PA17为一个含有与V_TlnT成正比电流项的电流，具体为一个与V_TlnT成正比电流和一个正温系数电流之差。

叠加求和电路如图8所示，由PA18、PA19和PA20管以及电阻R2组成。整个电压基准源的输出电压为流过PA18、PA19和PA20管的电流之和在电阻R2上产生的压降，可表示为

V_REF＝R₂(I_PA18+I_PA19+I_PA20)

                                        (12)

＝R₂(a₁I_PA17+a₂I_PA1+a₃I_PA5)

其中a₁为PA18管的宽长比和PA17管的宽长比的比值，a₂为PA19管的宽长比和PA1管的宽长比的比值，a₃为PA20管的宽长比和PA5管的宽长比的比值，

将式(2)、(6)、(11)代入(12)式，得

$V_{\mathrm{REF}}=\frac{R_2}{r_3}{a}_3{V}_{G0}+V_T(a_2\frac{R_2}{R_1}\ln N-a_3\frac{R_2}{r_3}\ln \left(\mathrm{EG}\right)-a_1\frac{S_1{R}_2}{r_4}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{CONSTANT}}}{K_2}\right))$

(13)

$+V_T\ln T(\frac{S_1{R}_2}{r_4}{a}_1-\frac{R_2}{r_3}(\mathrm{\η}-1)a_3)$

从式(13)可以看出，通过合理设置参数，可以得到一个经过高阶温度补偿的、性能优异的电压基准源。并且由于合理的使电阻的温度系数之间相互抵消，所以可以有效的减少电阻特性对V_REF的影响，由于没有采用运放结构，因此也可以有效的避免由运放失调带来的影响，并且可以减小功耗和面积。

本发明的有益效果是：

1、本发明实现一个与PN结电压的高阶温度量近似一致的高阶补偿量，从本质上消除PN结电压的高阶温度系数，从而减小了基准源的温漂。

2、本发明采用电压型基准源，通过电阻间温度系数的合理抵消，降低了电阻温度系数对输出量的影响，从而具有较好的温度的稳定性。

3、基于本发明中提出的电压-电流转换模块V-I，使得本发明即使采用成本较低的普通CMOS工艺制作，也能实现高阶温度补偿。

4、本发明和现有的基准源电路相比，没有采用运放结构，可以有效避免运放的失调电压对输出电压的影响，同时可以相应的减小芯片的功耗和面积。

附图说明：

图1为本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源的电路框图。

图2为现有技术中分段线性温度校正带隙基准源电路原理图。其中(a)为电路图，(b)为分段线性温度校正原理图。

图3为本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源的温度补偿原理图。

图4为本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源中启动及电路正温系数电流产生电路图。

图5为本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源中电压-电流转换模块V-I示意图。其中(a)为电路结构图，(b)为电压-电流转换原理图。

图6本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源中负温系数电流产生电路图。

图7本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源中高阶温度补偿电流产生电路图。

图8本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源中叠加求和输出电路图。

图9本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源整体电路结构图。

图10本发明提供的具有高阶温度补偿电路的电压基准源在不同直流电源电压VIN下输出电压的温度特性。

具体实施方案

图8为本发明所述具有高阶温度补偿电路的电压基准源在不同直流电源电压VIN下的输出电压温度特性曲线。经Hspice仿真，当温度在-33～167℃范围内，电路的温度系数典型情况可达2.5ppm/℃，并且最大的温漂在5ppm/℃以内。

Claims (1)

1.一种具有高阶温度补偿电路的电压基准源，包括启动及正温系数电流产生电路、负温系数电流产生电路、高阶温度补偿电流产生电路以及叠加求和输出电路；

所述启动及正温系数电流产生电路由PMOS管PS1、PA1和PA2，NMOS管NS1、NS2、NA1和NA2，三极管Q1和Q2，以及电阻R1组成；PS1、PA1和PA2管的源极和衬底端接直流电源VIN，PS1管的漏极接NS1管的栅极和NS2管的漏极；PS1管和NS2管的栅极互连并接NA1、NA2管的栅极和PA2、NA2管的漏极；PA1管的漏极接NA1管的漏极，NA1管的源极通过电阻R1接三极管Q1的发射极，NA2管的源极接三极管Q2的发射极；NS1、NS2管的源极和衬底端接地，三极管Q1、Q2的基极和集电极接地；

所述负温系数电流产生电路由PMOS管PA3、PA4和PA5，第一电压-电流转换模块V-I，以及三极管Q3组成；PA3、PA4和PA5管的源极和衬底端接直流电源VIN，PA3、PA4管的栅极互连并接启动及电路正温系数电流产生电路中PA1管的栅极，PA3管的漏极接第一电压-电流转换模块V-I的端口1，PA4管的漏极接第一电压-电流转换模块V-I的端口2，PA5管的栅极和漏极互连并接第一电压-电流转换模块V-I的端口3，第一电压-电流转换模块V-I的端口4接三极管Q3的发射极，三极管Q3的基极、集电极和第一电压-电流转换模块V-I的端口5接地；

所述高阶温度补偿电流产生电路由12个PMOS管PA6～PA17，4个NMOS管NA3～NA6，第二、三电压-电流转换模块V-I，以及2个三极管Q5、Q6组成；12个PMOS管PA6～PA17的源极和衬底端接直流电源VIN；PA6管的栅极接PA5管的栅极，PA7、PA12和PA13管的栅极互连并接启动及电路正温系数电流产生电路中PA1管的栅极；PA6、PA7管的漏极互连并接NA3管的栅极和漏极以及NA4管的栅极；PA8管和PA9管的栅极互连并接PA8管和NA4管的漏极以及PA10管的栅极；PA9管的漏极接第二电压-电流转换模块V-I的端口1，PA10管的漏极接第二电压-电流转换模块V-I的端口2，PA11管的栅极和漏极互连并接第二电压-电流转换模块V-I的端口3和PA16管的栅极，第二电压-电流转换模块V-I的端口4接三极管Q4的发射极；PA12管的漏极接第三电压-电流转换模块V-I的端口1，PA13管的漏极接第三电压-电流转换模块V-I的端口2，P14管的栅极和漏极互连并接P15管的栅极和第三电压-电流转换模块V-I的端口3，第三电压-电流转换模块V-I的端口4接三极管Q5的发射极；NA5管的栅极和漏极互连并接PA15管的漏极和NA6管的栅极；PA17管的栅极和漏极互连并接PA16管和NA6管的漏极；4个NMOS管NA3～NA6的源极和衬底端，三极管Q5、Q6的基极和集电极，以及第三电压-电流转换模块V-I的端口5接地；

所述叠加求和输出电路由3个PMOS管PA18～PA20和1个电阻R2组成；3个PMOS管PA18～PA20的源极和衬底端接直流电源VIN；PA18管的栅极接高阶温度补偿电流产生电路中PA17管的栅极，PA18、PA19和PA20管的漏极共接并通过电阻R2接地；PA19管的栅极接启动及正温系数电流产生电路中PA1管的栅极，PA20管的栅极接负温系数电流产生电路中PA5管的栅极；

所述第一、二、三电压-电流转换模块V-I具有相同的电路结构，由三个NMOS管NB1、NB2和NB3以及两个电阻R3、R4组成；NB1管的栅极、漏极和NB2管的栅极共接并作为电压-电流转换模块V-I的端口1，NB2管的漏极和NB3管的栅极相连并作为电压-电流转换模块V-I的端口2，NB3管的漏极作为电压-电流转换模块V-I的端口3，NB2管的源极通过电阻R4与电压-电流转换模块V-I的端口4相连，NB1管和NB3的源极相连并通过电阻R3与电压-电流转换模块V-I的端口5相连。

Images