CN102176188A

CN102176188A - 带隙基准电压产生电路

Info

Publication number: CN102176188A
Application number: CN2011100793847A
Authority: CN
Inventors: 陈建广; 贾毅; 王浩; 程玉华
Original assignee: Shanghai Research Institute of Microelectronics of Peking University
Current assignee: Shanghai Research Institute of Microelectronics of Peking University
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明提供了一种新型高精度全周期输出开关电容带隙基准电压产生电路，以满足高精度增量ADC对参考电压精度的要求。本电路结构采用了双转单开关电容运算放大器结构，不仅消除了运放输入失调电压的影响，而且也减小了运放有限增益误差。此外还包括两个同样的开关电容带隙基准产生电路，但是其时钟周期互补，同时在各自的输出端串联一个选通开关，从而实现全周期带隙基准电压输出。

Description

带隙基准电压产生电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及到胎压监测系统中的带隙基准领域。

背景技术

随着物联网的兴起，多传感器综合以及传感信号智能处理已经成为一种趋势，迫切需要在传感器的模拟信号和微处理器数字接口之间实现一种高精度的数模转换接口，而且这种接口应该包括芯片内部集成的高精度的带隙基准电压产生电路。

一般而言，由于传感器的信号带宽不是很大(如压阻传感器、温度传感器、磁力传感器等)，且信号灵敏度小，因此一般采用增量ADC来对传感器信号进行量化。由于系统中存在两相非交叠时钟，因此利用开关电容电路来产生带隙基准电压成为一个比较好的选择，因为其在低功耗方面存在优势。但是对于高阶增量ADC，其积分需要在全周期都用到参考电压，因此对开关电容带隙基准电压不仅仅存在精度要求，而且还存在时序要求。本发明设计的带隙基准电路便可满足这两方面的要求。

另外，带隙基准电压产生电路存在很多误差来源，如工艺偏差、运放输入失调电压，运放有限增益误差、晶体管失配、电阻比例失配等，这些都会给ADC参考电压引入各种误差。虽然已经存在各种技术来消除或者减小各种误差来源，但是对于高精度传感器应用要求来讲还是存在一些局限性。

如常规的斩波调制运放技术，虽然可以消除运放输入失调和电荷注入效应，但是在增量ADC，尤其是对与两阶以及两阶以上的增量ADC，却不能起到很好的抑制作用，原因是由于高阶增量ADC的数字滤波器对量化输出的权重是不一样的，造成斩波调制的失调电压消除技术达不到预计的性能。本发明提供了一种新型高精度全周期输出开关电容带隙基准电路，可以有效的消除输入失调电压的影响。

同时对于运放增益有限增益误差，由于一般结构的有限增益误差与增益的一次方成反比，为了达到14bits以上的转换精度，则需要运放提供100dB以上的直流增益。为了维持增量ADC环路绝对稳定，一般常用单级运放，为了达到所需要的精度，则需要采用增益提升技术。而本发明采用的结构，其限增益误差与增益的二次方成反比，减小了运放增益需求。并且由于本结构参考电压输出在稳定不会发生大的跳变，因此对转换斜率也降低了要求，这些优势不仅可以减小电路的复杂性，而且可以降低电路的功耗。

发明内容

本发明提供了用于胎压监测系统中的新型高精度开关电容带隙基准电压产生电路。

本发明提供的用于胎压监测系统中的新型高精度开关电容带隙基准电压产生电路，包括与温度成正比的电压信号产生电路，还包括负温度系数电压产生电路、开关电容带隙基准电压产生电路、工艺偏差校准模块以及两相非交叠时钟产生电路。

可选的，开关电容带隙基准电压产生采用了双转单开关电容运算放大器结构，不仅消除了运放输入失调电压的影响，而且也减小了运放有限增益误差。另外，这种结构也减轻了对运放转换速率的要求，因此该结构的输出在稳定以后不会发生大幅度的跳变。

可选的，如果系统需要全周期输出高精度的带隙基准电压，可以用两个同样的开关电容带隙基准产生电路，但是其时钟周期互补，同时在各自的输出端串联一个选通开关，从而实现全周期带隙基准电压输出。

可选的，正温度系数电压产生电路采用同样的偏置电流偏置8倍比例的BJT，产生于温度成正比的电压信号，如图1。同时，为了抑制电流镜匹配不良引入误差，两路偏置电流设计了翻转时序，这样减小PMOS电流镜工艺偏差或者尺寸不匹配对正温度系数电压的影响。

可选的，负温度系数电压产生电路直接利用了BJT的基极射极电压，如图2，同时为了对BJT基极射极电压随工艺漂移引起的误差，电路采用了工艺漂移粗调和细调功能。其中粗调对偏置电流进行切换，细调则是在VBE电压串联一个电阻，其上通过的电流为正温度系数。

可选的，两相非交叠时钟产生电路生成两相非交叠时钟，控制开关电容带隙基准电路开关选通。

附图说明

图1为本发明设计的半周期输出开关电容带隙基准电路

图2为本发明设计的全周期输出开关电容带隙基准电路

图3为本发明设计的正温度系数电压产生电路

图4为本发明设计的负温度系数电压产生电路

具体实施方式

开关电容带隙基准电压产主体电路采用双转单开关电容放大电路，如图1，在F1周期时，即采样周期，开关电容C₁运放接着反馈采样模式，反馈电容C₃连接到运放输入和输出之间，采样电容C₁对输入电压V_ptat进行采样，而放大电容C₂一端接在运放输入端，另一端接在模拟地上，对输入失调电压进行采样；在F2周期，即放大周期，电路接成放大模式，反馈电容从输入端断开，连接到模拟地上，对输出电压进行采样，采样电容C₁上采样的电荷全部转移到放大电容C₂上，产生输出。其中在放大周期，连接在运放正输入端的放大电容C₂和反馈电容C₃的另一侧都连接到V_BE电压上，不仅完成正温度系数电压和负温度系数电压的相加，而且也完成差分输入单端输出的功能。

由于在放大周期反馈电容C₃对输出电压进行采样，而在采样周期连接到运放的输入端，连接成反馈的形式，这样使得输出端的电压跳变幅度比其他结构小很多，输出电压在各个周期不需要变化很多，因此可以减小对运放大信号转换速率的要求，从而减小整体电路的功耗。

另外，对于运放的有限增益误差，由电荷守恒的原理可以知道其传输函数为：

H (z) = \frac{V_{out} (z)}{V_{in} (z)} \frac{\frac{C_{1}}{C_{2}} \frac{1}{[\frac{C_{1} + C_{2}}{A_{0} C_{2}} + 1]} [1 - \frac{C_{1} + C_{2}}{A_{0} (C_{3} + \frac{C_{1} + C_{2} + C_{3}}{A_{0}})}] z^{- \frac{1}{2}}}{1 - [\frac{\frac{C_{1} + C_{2}}{A_{0}} [\frac{C_{1} + C_{2}}{A_{0}} + C_{2} + C_{3}]}{([\frac{C_{1} + C_{2}}{A_{0}} + C_{2}]) (C_{3} + \frac{C_{1} + C_{2} + C_{3}}{A_{0}})}] z^{- 1}}

对于低频的传感信号而言，上式可以简化为

H (z) = \frac{V_{O} (z)}{V_{in} (z)} = \frac{C_{1}}{C_{2}} (1 - \frac{C_{1} + C_{2}}{A^{2} C_{2}})

从上面公式可以知道，运放有限增益误差与运放直流增益的二次方成反比，相对于同样精度要求的带隙基准电压来说，该结构所要求的运放直流增益小很多，这样可以避免使用增益调高技术，减少电路复杂度和功耗。

另外，在采样周期结束以后，时钟F1A比F1稍微提前一点断开，这样可以避免C₃电容上的电荷变化对输出信号造成干扰。

由于图1的开关电容带隙基准电路仅仅在F2周期时输出才是精准有效的，而高阶增量ADC需要全周期的参考电压输入，因此采用两个一样的开关电容带隙基准电路，如图2，但是适用互补的时钟时序控制其开关选通，使得一个在F1周期输出精准的带隙基准电压，另一个在F2周期输出精准的带隙基准电压，各自的输出串联一个时钟选通开关，从而实现全周期高精度带隙基准电压输出。另外，由于两个半周期输出带隙基准电路的正温度系数电压和负温度系数的电压均来此同一个带隙内核，因此可以避免两个半周期的带隙基准电压之间存在偏差。

如图3，正温度系数电压产生电路，电路适用两路同样大小的偏置电流偏置1∶8倍的BJT，其输出电压为

为了减少由于为了抑制电流镜匹配不良引入误差，两路偏置电流设计了翻转时序，这样减小PMOS电流镜工艺偏差或者尺寸不匹配对正温度系数电压的影响。不过其翻转的时序选择不是简单的周期性翻转，而需要结合增量ADC的时序进行设计。

如图4，负温度系数电压产生电路，电路利用串联电阻和选通偏置电流的方式对V_BE进行工艺偏差校准，其输出为V_BE(T)＝V_BE(T)(I_C)+I_PTAT*R_Trim。改变BJT的偏置电流，对工艺偏移进行粗调，而后在利用5bits开关选通电阻，对工艺偏差进行细调，从而实现高精度带隙基准电压输出。

由于正负温度系数电压的温度系数不一样，为了实现零温度系数的带隙基准电压，需要对正温度系数电压实现一个倍数放大然后和V_BE相加。在本发明中，正温度系数电压的倍数放大通过开关电容放大器来实现，如图1，放大倍数即为电容C₁/C₂比例。同时，还可以通过调整负温度系数电压电路中BJT的偏置点，如图4，从而微调负温度系数电压的温度系数，得到高精度零温度系数的带隙基准电压。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.新型高精度全周期输出开关电容带隙基准电压产生电路，包括与温度成正比的电压信号产生电路，还包括负温度系数电压产生电路、开关电容带隙基准电压产生电路、工艺偏差校准模块以及两相非交叠时钟产生电路。

2.如权利要求1所述的发生电路，开关电容带隙基准电压产生采用了双转单开关电容运算放大器结构，不仅消除了运放输入失调电压的影响，而且也减小了运放有限增益误差。另外，这种结构也减轻了对运放转换速率的要求，因为该结构的输出在稳定以后不会发生大幅度的跳变。

3.如权利要求1所述的发生电路，系统采用两个同样的开关电容带隙基准产生电路，但是其时钟周期互补，同时在各自的输出端串联一个时钟选通开关，从而实现全周期带隙基准电压输出。

4.如权利要求1所述的发生电路，正温度系数电压产生电路采用相同的偏置电流偏置8倍比例的BJT，产生于温度成正比的电压信号。同时，为了抑制电流镜匹配不良引入误差，两路偏置电流设计了翻转时序，这样减小PMOS电流镜工艺偏差或者尺寸不匹配对正温度系数电压的影响。

5.如权利要求1所述的发生电路，负温度系数电压产生电路直接利用了BJT的基极射极电压，同时为了对BJT基极射极电压随工艺漂移引起的误差进行校准，电路采用了工艺漂移粗调和细调功能。其中粗调对偏置电流进行切换，细调则是在VBE电压串联一个电阻，其上通过的电流为正温度系数。

6.如权利要求1所述的发生电路，两相非交叠时钟产生电路生成两相非交叠时钟，控制开关电容带隙基准电路开关选通。