CN101976095A - 一种基于发射极电流补偿的高精度带隙基准源电路 - Google Patents

一种基于发射极电流补偿的高精度带隙基准源电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用三极管发射极电流补偿技术，实现了一款的高精度、低失调的基准电压源。其由四部分电路构成：(1)启动电路，其主要用来解除电路上电时有可能出现的电路死锁状态；(2)偏置电压产生电路，其产生基准所需的偏置电压；(3)基准电压产生电路，其利用三极管
Figure 201010555886.8_AB_0
的负温度系数和
Figure 201010555886.8_AB_1
的正温度系数互相抵消的方法，实现了趋于零温度系数的基准电压输出；(4)发射极电流补偿电路，其通过对三极管的发射极电流进行补偿，从而降低运放失调对基准输出的影响。本发明能够有效地抑制基准输出电压受温度和电源电压变化的影响，同时降低了运放失调对基准输出的影响，并且本电路完全兼容普通的CMOS工艺，同时具输出范围大且精度高，使用范围广。

Description

一种基于发射极电流补偿的高精度带隙基准源电路
技术领域
本发明主要涉及模拟集成电路的基准电压源设计领域，特指一种基于发射极电流补偿的高精度、低失调带隙基准电压源电路。
背景技术
基准电压源是当今集成电路中重要的组成部分，广泛应用于数字、模拟、以及数模混合电路中。特别是在诸如随机动态存储器、A/D、D/A转换器、各类数模混合IC中更是不可或缺。因此高电源抑制比、低温漂、CMOS工艺兼容的高性能基准电压源成为集成电路设计者们竞相追逐的焦点。
目前集成电路中基准电压源的构成种类繁多，带隙基准由于其精度高而为业内所广泛采用。利用pn结的正向电压具有负温度系数，而工作在不同电流密度下两个双极型晶体管的基极-发射极电压差具有正温度系数，两者相互补偿，实现零温度系数的基准电压。此种结构需要采用运算放大器和双极型晶体管，目前主流的CMOS工艺都能提供衬底PNP管，因此此结构与主流CMOS工艺都兼容，但是在高精度系统中，运算放大器的固有失调对基准电压的影响也是难以接受的，所以需要利用一些补偿技术，以得到更高精度的基准电压。
发明内容
本发明要解决的问题就在于：针对现有带隙基准存在的技术问题，本发明提供一种基于发射极电流补偿的且与普通CMOS工艺完全兼容的高精度、低失调基准电压源设计。
本发明提出的解决方案为：首先由基准电压产生电路（3）产生基准电流Iout，然后根据Iout，通过发射极电流补偿电路（4）产生精确的                                                
Figure 401969DEST_PATH_IMAGE001
电流对三极管的发射极电流进行补偿，从而降低运放失调对基准输出的影响。同时增加了PMOS管M6~M10分别与M1~M5一起构成了共源共栅电流镜结构，增加基准电流源的精度和其抗电源电压变化的能力。本发明能够有效抑制输出随温度和电源电压变化而变化，并能有效地降低运放输入的失调对基准输出的影响。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1、性能优异：本发明通过采用发射极电流补偿技术，使得基准输出电压温度特性要高于普通的带隙基准电路；
2、结构简单：本发明中提出的电路结构与普通的CMOS工艺完全兼容，无需额外的工艺步骤来实现对特殊器件的兼容；
3、应用范围广：本发明由于能够提供高精度、低失调的基准电压，所以应用范围更广。
附图说明
图1本发明的电路原理示意图；
图2是本发明在0.18μm工艺及3.3V电源电压条件下温度特性；
图3是本发明在0.18μm工艺及3.3V电源电压条件下去掉发射极电流补偿后温度特性；
图4是本发明在0.18μm工艺及3.3V电源电压条件下抗电源特性；
图5是本发明在0.18μm工艺及3.3V电源电压条件下去掉发射极电流补偿后抗电源特性。
具体实施方式
如图1所示，本发明电路可以分为4个部分：启动电路、偏置电路、基准电压产生电路、发射极电流补偿电路。偏置电路的作用是为基准电压产生电路和发射极电流补偿电路中的共栅管M1~M5、M12提供栅极偏置电压，使其工作在饱和区，提高共源共栅管的输出阻抗，增强其抗电源干扰的能力。基准电压产生电路由PMOS管M1~M10、运放OP、电阻R1、R2、三极管Qa1、Qa2、Qa3、Qb1和Qb2组成，增加共源共栅电流镜可以在增加基准电流源的精度的同时有效增加电流源抗电压变化的能力。但该电路存在一个问题就是有可能出现死锁态——电路在传输零电流的时候也是系统的一个稳定状态。启动电路就是就是解决此问题的，即当电路出现死锁时使电路回到正常工作状态。电路死锁时PMOS管M1~M10的栅电压很高，致使流过R1、R2、Qa1、Qa2、Qa3、Qb1和Qb2的电流都等于零。这时启动电路的会检测到Qa2的发射极为低电压，从而将图1中PMOS管M6~M10、M12的栅极拉低，电路导通从而解除死锁状态，此时流过R1、R2、Qa1、Qa2、Qa3、Qb1和Qb2的电流脱离等于零的状态，此时Qa2的发射极电压会逐渐升高，当启动电路检测到Qa2的发射极电压达到一定阈值时，启动电路会自动失效而不影响整体电路的工作。
如图1可以知道，流过R1、R2、Qa1、Qa2、Qa3、Qb1和Qb2的电流都等于
Figure 453102DEST_PATH_IMAGE002
，对于一个双极型器件，我们可以写出
Figure 378332DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 789591DEST_PATH_IMAGE004
。根据理想运放两个输入端虚短的理论，设运放输入失调为
Figure 116667DEST_PATH_IMAGE005
则有，
 
Figure 338701DEST_PATH_IMAGE006
                   （1）
则有，
Figure 485648DEST_PATH_IMAGE007
                          （2）
另外可知，则有，
Figure 882181DEST_PATH_IMAGE009
                      （3）
如图1可得，
Figure 275116DEST_PATH_IMAGE010
                            （4）
将式（3）带入式（4）中可得，
Figure 361889DEST_PATH_IMAGE011
                （5）
由式（5）中第二项可知，由于用了两个相级联的三极管，括号中第一项系数比用单个三极管扩大了两倍，从而大大减小了运放失调对基准输出的影响，同时，我们可以通过调节m和(R2/R1)的值，将此影响降到最低。
需要注意一点的是，上面的公式推导必须存在一个前提，即流过Qa1、Qa2、Qa3、Qb1和Qb2的电流必须相同。假设现在不存在发射极电流补偿电路，则Qa2必然向Qa1抽取一个基极电流
Figure 964089DEST_PATH_IMAGE012
，同理Qb2必然向Qb1抽取一个基极电流
Figure 527926DEST_PATH_IMAGE012
，此时Qa1、Qb1的发射极电流为
Figure 649465DEST_PATH_IMAGE002
，设三极管的电流放大系数为，则有
Figure 362392DEST_PATH_IMAGE014
。由于Qa2、Qb2由于分别向Qa1、Qb1抽取了一个基极电流
Figure 97130DEST_PATH_IMAGE012
，则其发射极电流为
Figure 705966DEST_PATH_IMAGE015
，流过Qa3的电流也为
Figure 800830DEST_PATH_IMAGE002
，可见流过Qa1、Qa2、Qa3、Qb1和Qb2的电流不相同，所以必须向Qa1、Qb1和Qa3的发射极补偿一个基极电流
Figure 811511DEST_PATH_IMAGE012
，即
Figure 717150DEST_PATH_IMAGE001
，才能保证上述推导的公式成立。发射极电流补偿电路就是向Qa1、Qb1和Qa3的发射极补偿一个基极电流
Figure 813282DEST_PATH_IMAGE012
。
发射极电流补偿电路由MOS管M11、M12以及一个精确补偿电流产生器组成。首先通过M11、M12对基准电压产生电路（3）产生基准电流
Figure 711837DEST_PATH_IMAGE002
镜像，使得进入精确补偿电流产生器的电流为
Figure 842604DEST_PATH_IMAGE002
，然后分别产生三路
Figure 981461DEST_PATH_IMAGE001
的电流，分别对基准电压产生电路（3）中Qa1、Qb1和Qa3的发射极电流的进行精确补偿，据此满足了上述公式成立的前提条件，即流过Qa1、Qa2、Qa3、Qb1和Qb2电流都相同，即都为
Figure 236993DEST_PATH_IMAGE015
，从而实现了高精度、低失调的基准电压输出。
如图2、3、4、5所示，是本发明在0.18μm CMOS工艺、电源电压3.3V条件下的模拟结果。可以看到,本发明的基准输出电压为1.2721V。当温度由-25度到125度变化时，没有进行发射极电流补偿前基准电压输出变化808V，可计算出温度系数为4.23PPM，补偿后基准电压输出变化377uV，可计算出温度系数为1.97PPM；当电源电压由2.5V变化到4V时，没有进行发射极电流补偿前输出基准变化202uV，可以计算得到输出线性度为0.0106％，补偿后输出基准变化179uV，可以计算得到输出线性度为0.009％。

Claims (1)

1.基于发射极电流补偿的高精度、低失调带隙基准电压源，其特征在于：由启动电路（1），偏置电路（2），基准电压产生电路（3），发射极电流补偿电路（4）构成；其中启动电路（1）的输入端IN与基准电压产生电路（3）中（Qa2）的发射极以及PMOS管（M6）的漏极相连，输出端OUT与基准电压产生电路（3）中的PMOS管（M1/ M2/ M3/ M4/M5）的栅极相连；偏置电路（2）与基准电压产生电路（3）中的PMOS管（M1/ M2/ M3/ M4/M5）的栅极相连；基准电压产生电路（3）包括了PMOS管（M1/ M2/ M3/ M4/M5/ M6/ M7/ M8/ M9/M10）、运放（OP）、电阻（R1/R2）、三极管（Qa1/Qa2/Qa3/Qb1/Qb2），其中（M1/ M2/ M3/ M4/M5）的源极连接到电源，栅极都连接到运放（OP）的输出端，其漏极分别与（M6/ M7/ M8/ M9/M10）的源极相连，且（M6/ M7/ M8/ M9/M10）的栅极都与偏置电压产生电路（2）相连，运放（OP）的正输入端与（M7）的漏极相连，负输入端与（M8）的漏极相连，（R1）连接了（OP）的正输入端和三极管（Qb1）的发射极，（Qa1/Qb1）的集电极以及（Qa2/Qb2/ Qa3）的集电极、基极都接地，（Qa2）的发射极与（M6）的漏极以及（Qa1）的基极相连，（Qb2）的发射极与（M9）的漏极以及（Qb1）的基极相连，（R2）分别与（M10）的漏极和（Qa3）的发射极连接在一起，（M10）的漏极即基准电压输出；发射极电流补偿电路（4）由PMOS管（M11/M12）以及一个精确补偿电流产生器组成，其中PMOS管（M11）的源极接电源，栅极与基准电压产生电路（3）中的PMOS管（M1/ M2/ M3/ M4/M5）的栅极相连，其漏极与（M12）的源极相连，（M12）的栅极与基准电压产生电路（3）中的PMOS管（M6/ M7/ M8/ M9/M10）的栅极相连，漏极与精确补偿电流产生器的IN端相连，精确补偿电流产生器的C1、C2和C3分别与基准电压产生电路（3）中（Qa1/Qb1/Qa3）的发射极相连，进行发射极电流补偿。
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