CN102323842A - 一种高阶温度补偿的带隙电压基准源 - Google Patents

Abstract

本发明属于电源技术领域，公开了一种高阶温度补偿的带隙电压基准源。具体包括启动电路、一阶带隙基准电路、高阶温度补偿电路和求和输出电路。本发明带隙电压基准源通过将一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压与高阶温度补偿电路产生高阶温度补偿电流转换的电压进行求和叠加，进而得到基准电压，通过引入指数补偿改善带隙基准电压源的温度系数，所设计的电路同时采用两条反馈环路，提高了电源抑制比(PSRR)和线性调整性，同时由于满足低电压工作的要求，使得本发明的电压基准源有很广泛的应用范围。

Description

一种高阶温度补偿的带隙电压基准源

技术领域

本发明属于电源技术领域，特别涉及一种电压基准源(Voltage Reference)的设计。

背景技术

电压基准源作为集成电路必不可少的部分，为整个芯片提供偏置电流以及提供一个基准电压。偏置电流的大小决定了整个芯片的功耗情况，同时在芯片中，很多误差放大器与比较器都是以基准电压作为参考电压，电压基准源的稳定程度在很大程度上决定了芯片的功能的实现与性能的优劣。

在模拟、数模混合、甚至纯数字电路都需要高精度的电压基准源，如振荡器、锁相环、数据转换器、闪存控制电路等。电压基准源的稳定性直接决定了电路性能的优劣。描述电压基准源稳定性的指标主要有：电源抑制比、温度系数。为了满足电路在恶劣的外界温度环境下正常工作的要求，电压基准必须具有非常小的温度系数，即非常高的温度稳定性。

在恶劣的温度条件下，电压基准源的温度系数，直接影响到系统的稳定性工作。电源抑制比(PSRR，Power Supply Rejection Ratio)性能，决定了基准受电源电压干扰的严重性，具有很高PSRR的基准，在电源电压受到污染时，能够提供稳定的输出。线性调整性决定了基准输出对电源变化的抵抗能力。

传统带隙电压基准源的工作原理是利用具有正温度系数的热电压V_T与具有负温度系数的双极型晶体管基极发射极电压V_BE相互抵消，即V_REF＝V_BE+αV_T，实现基准电压，其中补偿系数α通过修调电阻得到。在双极工艺中，V_BE和V_T很容易得到。但是，由于V_BE的非线性，只进行一阶补偿，带隙基准电压的温度系数较大，并且输出基准电压的PSRR较差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的带隙电压基准源存在的问题，提出了一种高阶温度补偿的带隙电压基准源。

本发明的技术方案是：一种高阶温度补偿的带隙电压基准源，其特征在于，包括启动电路、一阶带隙基准电路、高阶温度补偿电路和求和输出电路，所述启动电路用于为一阶带隙基准电路提供启动电流；所述一阶带隙基准电路用于产生一阶带隙基准电压和PTAT电流；所述高阶温度补偿电路用于产生高阶温度补偿电流；所述求和输出电路用于将高阶温度补偿电路产生的高阶温度补偿电流转成电压，并对其与一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压进行求和，进而得到基准电压。

所述一阶带隙基准电路包括三极管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q14，Q15，Q16，Q17，Q18，Q19，Q20，Q21，电阻R1，R2，R4a，R4b，R5，R6，其中，Q16的发射极、Q17发射极、Q19的集电极共同接到外部电源；Q16的基极、Q17的基极和Q17的集电极接到一起，作为节点E；Q19的基极、Q16的基极、Q20的集电极、Q20的发射极和Q15的集电极连接在一起，作为节点C；Q18的发射极、Q5的发射极和Q6的发射极接到一起，作为节点F；Q5的基极与Q6的基极、Q5的集电极接到一起，共同接到Q3的发射极；Q3的基极与Q4的基极、Q4的集电极接到一起，共同接到Q2的集电极；Q3的集电极与Q20的基极，Q15的基极接到一起共同接到Q1的集电极，作为节点B；Q1的基极和Q2的基极连接，作为节点A，并和电阻R4a的一端连接；Q1的发射极接到R1的一端；R1的另一端与Q2的发射极接到一起，共同接到R2的一端，R2的另一端接地；Q15的发射极接到R6的一端，R6的另一端与Q21的基极和集电极接到一起；Q21的发射极接地，Q19的集电极接外部电源，Q15的发射极接R5的一端，R5的另一端接R4b的一端并作为电压基准源的输出；R4b的另一端接Q14的集电极，共同连接到R4a的另一端；Q14的发射极接地；

所述高阶温度补偿电路包括三极管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14，电阻R3，其中，Q7与Q8的发射极共同接到F点；Q7、Q8的基极接到一起，共同接到Q6的基极；Q9的基极和集电极接到一起，共同接到Q7的集电极和Q10的基极；Q8的集电极和Q12的基极、Q13的基极、Q11的集电极接到一起，Q12的集电极和Q13的集电极接到外部电源，Q12的发射极和Q11的基极、Q10的集电极接到一起；Q9的发射极、Q10的发射极、Q11的发射极、R3的一端共同接地；R3的另一端和Q14的基极、Q13的发射极接到一起；

所述启动电路包括三极管QS1、QS2，电阻R7，其中，电阻R7的一端连接到外部电源，另一端与三极管QS1的发射极、QS2的基极连接；QS1的基极与集电极相连，一起连接到Q21的基极和集电极；QS2的集电极接到E点，QS2的发射极接到A点；

所述电阻R4a、R4b、三极管Q14组成求和输出电路。

本发明的有益效果：本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源通过将一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压与高阶温度补偿电路产生高阶温度补偿电流转换的电压进行求和叠加，进而得到基准电压，通过引入指数补偿改善带隙基准电压源的温度系数，所设计的电路同时采用两条反馈环路，提高了基准电压的电源抑制比和线性调整性能。

附图说明

图1为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的结构框图。

图2为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源具体电路示意图。

图3为本发明的高阶温度补偿项的温度系数示意图。

图4为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的温度系数仿真结果示意图。

图5为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的温度系数实际测试结果示意图。

图6为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的线性调整性能测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的结构框图如图1所示，包括启动电路、一阶带隙基准电路、高阶温度补偿电路和求和输出电路。所述启动电路用于为一阶带隙基准电路提供启动偏置电压；所述一阶带隙基准电路用于产生一阶带隙基准电压和PTAT(Proportional To Absolute Temperature)电流I_PTAT；所述高阶温度补偿电路用于产生高阶温度补偿电流；所述求和输出电路用于将高阶温度补偿电路产生的高阶温度补偿电流转成电压，并对其和一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压进行求和，进而得到基准电压V_REF。这里的一阶带隙基准电压通过对正温度系数的热电压V_T和负温度系数的三极管基极发射极电压V_BE加权求和得到。

启动电路为整个电路提供启动偏置电压，当整个电路稳定工作之后，启动电路停止工作并与整个电路相隔离；一阶带隙基准电路，使用的电流镜采用cascode结构，有助于提高电压基准的PSRR，I_PTAT电流为一正温度系数电流，一阶带隙基准电压由V_BE和V_T加权求和得到，具有一阶温度特性；高阶补偿电路产生高阶温度补偿项，对一阶带隙基准电路产生的一阶温度特性基准进行补偿；求和电路输出电路，对一阶温度系数的基准和其高阶温度补偿项叠加求和输出。

具体电路如图2所示。一阶带隙基准电路三极管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q14，Q15，Q16，Q17，Q18，Q19，Q20，Q21，电阻R1，R2，R4a，R4b，R5，R6，Q16的发射极、Q17发射极，Q19的集电极共同接到外部电源VDD；Q16的基极、Q17的基极和Q17的集电极接到一起，作为节点E；Q19的基极、Q16的基极、Q20的集电极、Q20的发射极和Q15的集电极连接在一起，作为节点C；Q18的发射极、Q5的发射极和Q6的发射极接到一起，作为节点F；Q5的基极与Q6的基极、Q5的集电极接到一起，共同接到Q3的发射极；Q3的基极与Q4的基极、Q4的集电极接到一起，共同接到Q2的集电极；Q3的集电极与Q20的基极，Q15的基极接到一起共同接到Q1的集电极，作为节点B；Q1的基极和Q2的基极连接，作为节点A，并和电阻R4a的一端连接；Q1的发射极接到R1的一端；R1的另一端与Q2的发射极接到一起，共同接到R2的一端，R2的另一端接地；Q15的发射极接到R6的一端，R6的另一端与Q21的基极和集电极接到一起；Q21的发射极接地，Q19的集电极接外部电源，Q15的发射极接R5的一端，R5的另一端接R4b的一端并作为电压基准源的输出V_REF；R4b的另一端接Q14的集电极，共同连接到R4a的另一端；Q14的发射极接地。

高阶温度补偿电路包括三极管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14，电阻R3。其中，Q7与Q8的发射极共同接到F点；Q7、Q8的基极接到一起，共同接到Q6的基极；Q9的基极和集电极接到一起，共同接到Q7的集电极和Q10的基极；Q8的集电极和Q12的基极、Q13的基极、Q11的集电极接到一起，Q12的集电极和Q13的集电极接到外部电源，Q12的发射极和Q11的基极、Q10的集电极接到一起；Q9的发射极、Q10的发射极、Q11的发射极、R3的一端共同接地；R3的另一端和Q14的基极、Q13的发射极接到一起；

启动电路包括三极管QS1、QS2，电阻R7。其中，电阻R7的一端连接到外部电源VDD，另一端与三极管QS1的发射极、QS2的基极连接；QS1的基极与集电极相连，一起连接到Q21的基极和集电极；QS2的集电极接到E点，QS2的发射极接到A点。

这里一阶带隙基准电路和高阶温度补偿电路共用三极管Q14，而一阶带隙基准电路中的电阻R4a、R4b、三极管Q14又组成了求和输出电路。

图2中A点电压具有V_A＝V_BE2+(I₁+I₂)*R₂的特征，其中由于电流镜的关系，I₁＝I₂，这样V_A的表达式就为：V_A＝V_BE2+2*lnN(kT/q)(R₂/R₁)，是具有一阶温度特性的基准。这里V_BE2表示三极管Q2的基极发射极电压，R_j表示电阻Rj的阻值，k表示波尔兹曼常数，T表示环境温度(单位：开尔文)，q表示单个电子电荷量，N为Q1与Q2的发射极面积之比。同时Q1、Q2的基极电流之和I₈也对基准进行了补偿，I₈＝2*lnN(kT/q)(R₁*β(T))，这里β(T)表示三极管在温度为T时的集电极电流和基极电流之比。

晶体管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14以及电阻R3构成高阶温度补偿电路，用以产生高阶补偿电流I₇，三极管Q14的基极发射极电压V_BE14的表达式为：V_BE14＝V_BE11+V_BE12-V_BE13，这里V_BE11、V_BE12、V_BE13分别表示Q11、Q12、Q13的基极发射极电压。假设I₃＝α×I₂，I₄＝b×I₂，I₅＝c×I₃，其中I₃、I₄为图1中一阶带隙基准电路输出的正温度系数电流I_PTAT。那么I₇的表达式为

其中a、b、c分别代表Q7与Q6，Q8与Q6，Q10与Q9的电流镜像关系。

是一个和温度无关的常数，只与晶体管发射极面积之比有关，这里I_S11，I_S12，I_S13，I_S14分别表示三极管Q11、Q12、Q13、Q14的基极发射极反向饱和电流。

假设I₆＝V_BE14/R₃，R₃表示电阻R3的阻值，那么I₇的表达式为

其中e＝abcd(klnN/q)²是与温度无关的常数。Q11，Q12，Q13，Q14的基极电流和集电极电流相比可以忽略，所以在考虑I₇时忽略基极电流的影响。另外R_4a远大于R_4b，所以I₈不能被忽视，根据柯西霍夫定律，V_REF为：

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}2}+\frac{R_2}{R_1}{V}_T\ln N+2\frac{(R_{4a}+R_{4b})\ln N}{R_1}\frac{V_T}{\mathrm{\β}\left(T\right)}+e\frac{R_3{R}_{4b}}{{R_1}^2}\frac{T^2}{V_{\mathrm{BE}14}}$

其中，

为Q1、Q2的基极电流在R_4a、R_4b上的压降，这一项同时起到了非线性补偿的作用。β(T)的温度系数是温度的指数函数，表达式为：

式中ΔE_G为正比于发射极掺杂浓度的带隙变窄因子，β_∞是三极管共发射极电流增益的最大值，且与温度无关。

为了简化推导过程，使用一阶近似表达V_BE14，V_BE14(T)＝V_G0-m₁V_T，其中，m₁是和温度无关的常数，V_G0为接近绝对零度时的硅带隙电压，V_T为热电压。则曲率补偿后的基准电压V_REF可以表达为：

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}2}+\frac{R_2}{R_1}{V}_T\ln N+2\frac{(R_{4a}+R_{4b})\ln N}{R_1}\frac{V_T}{{\mathrm{\β}}_{\∞}}\exp \left(\frac{\mathrm{\Δ}{E}_G}{\mathrm{kT}}\right)+e\frac{R_3{R}_{4b}}{{R_1}^2}\frac{T^2}{V_{G0}-m_1{V}_T}$

第三项

起着高阶曲率补偿的作用，在T_r处的泰勒展开式为：

其中α₀，α₁，α₂，和α₃是和温度无关的常数。

另一个高阶项

在T_r处的泰勒展开式为：

其中b₀，b₁，b₂，b₃和b₄是和温度无关的常数。高阶补偿项是为了去抵消V_BE2自身的高阶项。通过合理设置

中的电阻比例和N，e，带隙基准温度系数可以得到很好补偿。补偿项的温度系数的示意图如图3所示，V_{Compensation1}表示补偿项

的温度系数，在低温时起主要作用。V_{Compensation2}表示补偿项

的温度系数，在高温时起主要作用。最终带隙基准的温度系数如图3所示。之前的分析都是建立在V_BE14的一阶近似值基础之上，由于V_BE的温度系数存在非线性，V_BE的负温度系数会随着温度的升高而上升。所以V_{Compensation2}的温度系数将会和图3中的曲线一致，但是在高温段负温度系数变大，可以通过调整下式的参数可以实现在全温度范围内的低温度系数。

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}2}+\frac{R_2}{R_1}{V}_T\ln N+2\frac{(R_{4a}+R_{4b})\ln N}{R_1}\frac{V_T}{\mathrm{\β}\left(T\right)}+e\frac{R_3{R}_{4b}}{{R_1}^2}\frac{T^2}{V_{\mathrm{BE}14}}$

由于基准源需要在电源变化时有很好的稳定性，电源电压的变化对基准的影响越小，基准源的性能越好。本发明通过两个反馈环路改善电源抑制比和线性调整性。晶体管Q15、Q16、Q19和电阻R4a、R4b、R5组成负反馈环，假设V_REF由于V_DD的改变而上升，A点电压上升，然后B点电压上升，导致C点和D点电压下降，然后V_REF电压下降，反之亦然，三极管Q20的基极发射极结和基极集电极结的电容C₀决定环路的主极点，保证环路的稳定性，环路的传输函数和主极点可以表示为：

$T_0\≈(\frac{g_{m2}}{1+2g_{m2}{R}_2}-\frac{g_{m1}}{1+g_{m1}(2R_2+R_1)})\×{\mathrm{\β}}_{15}\left(r_{o15}\right|\left|r_{o16}\right),$ $P_{\mathrm{do}\min \mathrm{ant}0}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\β}}_{15}\left(r_{o15}\right|\left|r_{o16}\right)C_0}.$

g_mj，ro_j，和β_j分别表示三极管Qj的跨导、输出阻抗和共射电流增益。

另一个负反馈环由晶体管Q15、Q16、Q18产生，假设B点电压上升，环路的调节作用和之前的分析一致，C点电压下降，导致F点下降，B点电压下降，这样带隙基准的调节能力得到改善，能使PSRR和线性调整性得到改善。环路传输函数和主极点分别为：T₁≈g_m15(r_o15||r_o16)，

本发明的带隙电压基准源的温度系数仿真结果如图4所示，可以看到当输入电压为15V时，可以在-55℃到125℃的温度范围内把温度系数降低到3.2ppm/℃。实际测试结果如图5所示，从图5可以看出基准输出随温度的变化很小。

本发明的带隙电压基准源的线性调整性测试结果如图6所示，当电源电压在3.5V-30V的范围内变化时，获得0.083mV/V的线性调整率。当电源电压为15V，在室温下测得本电压基准源的PSRR结果为：-60dB10Hz，-60dB1KHz，-38dB100KHz。

本发明可应用于Bipolar以及BiCMOS工艺的芯片中，为整个芯片提偏置电流与基准电压。本发明通过引入指数补偿改善带隙基准电压源的温度系数，所设计的电路同时采用两条反馈环路，提高了基准电压的电源抑制比和线性调整性，同时由于满足低电压工作的要求，使得本发明的电压基准源有很广泛的应用范围。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高阶温度补偿的带隙电压基准源，其特征在于，包括启动电路、一阶带隙基准电路、高阶温度补偿电路和求和输出电路，所述启动电路用于为一阶带隙基准电路提供启动电流；所述一阶带隙基准电路用于产生一阶带隙基准电压和PTAT电流；所述高阶温度补偿电路用于产生高阶温度补偿电流；所述求和输出电路用于将高阶温度补偿电路产生的高阶温度补偿电流转成电压，并对其与一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压进行求和，进而得到基准电压。

2.根据权利要求1所述的高阶温度补偿的带隙电压基准源，其特征在于，所述一阶带隙基准电路包括三极管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q14，Q15，Q16，Q17，Q18，Q19，Q20，Q21，电阻R1，R2，R4a，R4b，R5，R6，其中，Q16的发射极、Q17发射极、Q19的集电极共同接到外部电源；Q16的基极、Q17的基极和Q17的集电极接到一起，作为节点E；Q19的基极、Q16的基极、Q20的集电极、Q20的发射极和Q15的集电极连接在一起，作为节点C；Q18的发射极、Q5的发射极和Q6的发射极接到一起，作为节点F；Q5的基极与Q6的基极、Q5的集电极接到一起，共同接到Q3的发射极；Q3的基极与Q4的基极、Q4的集电极接到一起，共同接到Q2的集电极；Q3的集电极与Q20的基极，Q15的基极接到一起共同接到Q1的集电极，作为节点B；Q1的基极和Q2的基极连接，作为节点A，并和电阻R4a的一端连接；Q1的发射极接到R1的一端；R1的另一端与Q2的发射极接到一起，共同接到R2的一端，R2的另一端接地；Q15的发射极接到R6的一端，R6的另一端与Q21的基极和集电极接到一起；Q21的发射极接地，Q19的集电极接外部电源，Q15的发射极接R5的一端，R5的另一端接R4b的一端并作为电压基准源的输出；R4b的另一端接Q14的集电极，共同连接到R4a的另一端；Q14的发射极接地；

所述高阶温度补偿电路包括三极管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14，电阻R3，其中，Q7与Q8的发射极共同接到F点；Q7、Q8的基极接到一起，共同接到Q6的基极；Q9的基极和集电极接到一起，共同接到Q7的集电极和Q10的基极；Q8的集电极和Q12的基极、Q13的基极、Q11的集电极接到一起，Q12的集电极和Q13的集电极接到外部电源，Q12的发射极和Q11的基极、Q10的集电极接到一起；Q9的发射极、Q10的发射极、Q11的发射极、R3的一端共同接地；R3的另一端和Q14的基极、Q13的发射极接到一起；

所述启动电路包括三极管QS1、QS2，电阻R7，其中，电阻R7的一端连接到外部电源，另一端与三极管QS1的发射极、QS2的基极连接；QS1的基极与集电极相连，一起连接到Q21的基极和集电极；QS2的集电极接到E点，QS2的发射极接到A点；

所述电阻R4a、R4b、三极管Q14组成求和输出电路。

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