CN102707760A - 实现带隙基准电路低温漂的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路领域。为利用多晶硅电阻的温度系数补偿负温度系数电压的高阶项，降低带隙基准电路的温漂，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，实现带隙基准电路低温漂的装置，由MOS管P1、P2，放大器，电阻R1、电容C1，三极管Q1、Q2，电阻Rs、Rn组成，其中，电阻Rs、Rn均为负温度系数的多晶硅电阻，阻值随温度变化量为：R＝R_o×[1+T_C1(T-T₀)+T_C2(T-T₀)²] (5)其中R₀为室温下电阻的阻值，T₀为室温27℃，T_C1与T_C2均为常数，T为当前温度。本发明主要应用于带隙基准电路中与温度无关的基准电压产生电路的设计制造。

Description

实现带隙基准电路低温漂的装置

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种带隙基准电路设计方法，具体讲涉及仅利用电阻温度系数实现带隙基准电路低温漂的方法。

背景技术

带隙基准电路中与温度无关的基准电压产生电路是由室温下为负温度系数的二极管产生电压与正温度系数的热电压根据一定的比例关系组合而成的。

图1为带隙基准电路的结构，Q2管由n个与Q1相同的管并联组成，V_BE1(三极管Q1的基极电压与发射极电压差值)具有负温度系数，ΔV_BE＝V_Tlnn，ΔV_BE为三极管Q1与三极管Q2的基极电压与发射极电压差值之差，VT为热电压，其值约为26mV，其中n为Q2管与Q1管个数的比值，具有正温度系数。不考虑高阶项时候的输出参考电压为：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{BE}1}+2{\mathrm{IR}}_S=V_{\mathrm{BE}1}+\frac{2V_T\ln n}{R_n}{R}_S---\left(1\right)$

设计R_S/R_n即得到与温度T无关的基准电压：

V_ref≈V_BE1+17.2V_T≈1.147V                                    (2)

然而式(2)只考虑了V_BE对于温度T的一阶关系。然而V_BE的精确表达式应该是：

$V_{\mathrm{BE}\left(T\right)}=V_{G_0}+(V_{{\mathrm{BE}}_0}-V_{G_0})\frac{T}{T_0}+{\mathrm{\ηV}}_T^2\ln \frac{T}{T_0}\ln \frac{T_C}{I_{C_0}}---\left(3\right)$

其中，η值是一个与工艺有关的常量，一般取为3，V_G0为硅的带隙电压值，V_BE0为在室温下(300K)三极管Q1的基极电压与发射极电压差值，T为实际温度值，T₀为室温(300K)，I_C为实际温度时三极管Q1的集电极电流，I_C0为室温(300K)时三极管Q1的集电极电流，式(3)中的第三项包含关于T的高阶项，其高阶项产生的温度系数在高精度带隙基准电路中不能忽略，其高阶项为：

$V_{\mathrm{BE}\left(T\right)}^{\′\′}={\mathrm{\ηV}}_T^2\ln \frac{T}{T_0}\ln \frac{I_C}{I_{C_0}}---\left(4\right)$

正温度系数的热电压只能补偿其一阶项，而负温度系数的高阶项会造成较大的温漂。对于由高阶项产生的温漂很多人采用不同的方法进行补偿，近年来主要采用的方法主要有VBE线性化补偿技术、利用MOS(Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体型)管亚阈值区I-V特性补偿的非线性补偿技术、对数曲率补偿、利用电阻的温度特性的曲率校正方法等等。但是上述方法都会使得电路变得更加复杂，芯片面积大幅度增加。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，利用多晶硅电阻的温度系数补偿负温度系数电压的高阶项，降低带隙基准电路的温漂，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，实现带隙基准电路低温漂的装置，由MOS管P1、P2，放大器，电阻R1、电容C1，三极管Q1、Q2，电阻Rs、Rn组成，其中，电阻Rs、Rn均为负温度系数的多晶硅电阻，阻值随温度变化量为：

R＝R_o×[1+T_C1(T-T₀)+T_C2(T-T₀)²]                                   (5)

其中R₀为室温下电阻的阻值，T₀为室温27℃，T_C1与T_C2均为常数，T为当前温度。

放大器内部结构为：三极管N1、N2、P3、P4、Rt构成，三极管N1、N2发射极相连并在连接点与地之间连接电阻Rt，元件取值如下：

表1

名称

W

L

M

名称

W

L

M

P1

20u

0.4u

4

Q1

1u

1u

1

P2

20u

0.4u

4

Q2

1u

1u

8

P3

10u

1u

3

N1

5u

0.35u

2

P4

10u

1u

3

N2

5u

0.35u

2

表2

名称	阻值(单位：欧姆)
		R1	3713
Rs	14565
		Rn	3713
Rt	600000

表3

名称	容值(单位：fF)
		C1	682

本发明的技术特点及效果：

能够实现低温度系数的带隙基准电路，电路结构简单，版图面积较小，不会为了补偿温度系数的高阶项而额外增加电路结构，整体结构功耗较小。

附图说明

图1.带隙基准电路结构。

图2.放大器的内部结构。

图3.利用电阻的温度系数补偿后电路的温度特性曲线。

具体实施方式

将图1中的电阻器R_S和R_n均采用负温度系数的多晶硅电阻来实现。此种多晶硅电阻的阻值随温度变化量为：

R＝R_o×[1+T_C1(T-T₀)+T_C2(T-T₀)²]                                        (5)

其中R₀为室温下电阻的阻值，T₀为室温27℃，T_C1与T_C2均为常数，T_C1＝-0.003，T_C2＝0.000011。由上式可以看出，当R_S/R_n在常温下比值一定的时候，在不同温度下的比值也会相同。在温度固定在某一值T＝T₀+ΔT的时候，在图1所示结构中，根据式(1)的第二项，在温度不变时，若R_S/R_n的比值固定，则B点的电压会保持恒定不变，此时由于电阻的温度特性而产生的阻值偏差而带来通过R_S的电流的变化为：

$I^{\′}=\frac{V_A}{R_S}=\frac{I}{1+T_{C1}\×\mathrm{\ΔT}+T_{C2}\×{\mathrm{\ΔT}}^2}---\left(6\right)$

其中，V_A为A电处的电压值，这样通过Q1的电流也就是：

$I_1^{\′}=\frac{I^{\′}}{2}=\frac{I_1}{1+T_{C1}\×\mathrm{\ΔT}+T_{C2}\×{\mathrm{\ΔT}}^2}---\left(7\right)$

我们还知道Q1的正向导通电流为：

$I_1^{\′}=I_s[\exp \left(\frac{V_{\mathrm{BE}}}{V_T}\right)-1]\≈I_s\exp \left(\frac{V_{\mathrm{BE}}}{V_T}\right)---\left(8\right)$

其中I_S为二极管的反向饱和电流，整理可得到在某一温度下V_BE(R)与电流的关系：

$V_{\mathrm{BE}\left(R\right)}^{\′}=V_T\ln \frac{I_1^{\′}}{I_s}=V_{\mathrm{BE}\left(R\right)}-V_T\ln (1+T_{C1}\×\mathrm{\ΔT}+T_{C2}\×{\mathrm{\ΔT}}^2)---\left(9\right)$

其中V_BE(R)指的是仅考虑电阻值变化使V_BE发生的变化量。所以可以得到由于电阻随温度变化造成V_BE的变化量ΔV_BE(R)为：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}\left(R\right)}=V_{\mathrm{BE}\left(R\right)}^{\′}-V_{\mathrm{BE}\left(R\right)}=-V_{T_0}(1+\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_0})\ln (1+T_{C1}\×\mathrm{\ΔT}+T_{C2}\×{\mathrm{\ΔT}}^2)---\left(10\right)$

由式(10)会产生一个一定幅度的随温度增加单调递增的曲线。

在图1所示电路中，集电极电流为：

$I_C=\frac{{2V}_T\ln n}{R_n}---\left(11\right)$

由式(4)，V_BE的高阶项随温度变化的变化量为：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}\left(T\right)}^{\′\′}=\mathrm{\η}{V}_T^2\ln \frac{T}{T_0}\ln \frac{I_C}{I_{C_0}}=\mathrm{\η}{\left(V_T\right)}^2\ln \left(\frac{T}{T_0}\right)\ln (\frac{2V_T\ln n}{R_n}/\frac{2V_{T_0}\ln n}{R_{n_0}})=$

$\mathrm{\η}{\left[\frac{k(T_0+\mathrm{\ΔT})}{q}\right]}^2\ln \left(\frac{T_0+\mathrm{\ΔT}}{T_0}\right)\ln \left[\frac{T_0+\mathrm{\ΔT}}{T_0(1+T_{C1}\×\mathrm{\ΔT}+T_{C2}\×{\mathrm{\ΔT}}^2)}\right]---\left(12\right)$

其中k为玻尔兹曼常数，k＝0.0000863J/K，J为焦耳，因而式(3)中V_BE随温度变化的变化量为：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}\left(T\right)}=V_{\mathrm{BE}\left(T\right)}-V_{B{E}_0}=(V_{B{E}_0}-V_{G_0})\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_0}+{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}\left(T\right)}^{\′\′}=(V_{{\mathrm{BE}}_0}-V_{G_0})\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_0}+$

$\mathrm{\η}{\left[\frac{k(T_0+\mathrm{\ΔT})}{q}\right]}^2\ln \left(\frac{T_0+\mathrm{\ΔT}}{T_0}\right)\ln \left[\frac{T_0+\mathrm{\ΔT}}{T_0(1+T_{C1}\×\mathrm{\ΔT}+T_{C2}\×{\mathrm{\ΔT}}^2)}\right]---\left(13\right)$

由式(13)会产生一个一定幅度的随温度增加单调递减的曲线。

根据式(1)、(10)、(13)，可以得到最终V_ref随温度变化的变化量：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}\left(T\right)}+{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}\left(R\right)}+\frac{2k{R}_S\mathrm{\ΔT}}{q{R}_n}\ln n---\left(14\right)$

根据式(5)的电阻函数及其系数，选择表1-表3的器件尺寸，其中电阻为工作在300K温度下的阻值，能够使得最终V_ref随温度变化的变化如图3所示，其最大值为5.627ppm/℃，变化量很小，实现了对温度系数电压的高阶补偿，从而降低了电路的温度系数。

表1

名称

W

L

M

名称

W

L

M

P1

20u

0.4u

4

Q1

1u

1u

1

P2

20u

0.4u

4

Q2

1u

1u

8

P3

10u

1u

3

N1

5u

0.35u

2

P4

10u

1u

3

N2

5u

0.35u

2

表2

名称	阻值(单位：欧姆)
		R1	3713
Rs	14565
		Rn	3713
Rt	600000

表3

名称	容值(单位：fF)
		C1	682

图1、图2为最佳实施方式的电路结构图，各管尺寸如表1、表2、表3所示。

表1给出的是电路结构中各晶体管的尺寸。其中P1、P2、P3、P4为普通的PMOS管(P沟道金属氧化物半导体型晶体管)，N1、N2为普通的NMOS管(N沟道金属氧化物半导体型晶体管)。Q1、Q2为三极管。

表2给出的是电路结构中各电阻的阻值，其中电阻均为多晶硅电阻，其阻值为工作在室温下(300K)时的阻值。

表3给出的是电路结构中电容的容值，其中C1选择的是poly1_poly2电容(第一层多晶硅与第二层多晶硅之间的电容)。

图3为利用电阻的温度系数补偿后电路的温度特性曲线。可以看出，补偿后电路的温度系数最大值为5.627ppm/℃。

当电源电压为1.8V时，电路稳定后Rt支路电流值为1.043uA，Rs支路电流值为27.95uA。

Claims (2)

1.一种实现带隙基准电路低温漂的装置，其特征是，由mos管P1、P2，放大器，电阻R1、电容C1，三极管Q1、Q2，电阻Rs、Rn组成，其中，电阻Rs、Rn均为负温度系数的多晶硅电阻，阻值随温度变化量为：

R＝R_o×[1+T_C1(T-T₀)+T_C2(T-T₀)²]    。                                     (5)

2.如权利要求1所述的放大器内部结构为：三极管N1、N2、P3、P4、Rt构成，三极管N1、N2发射极相连并在连接点与地之间连接电阻Rt，元件取值如下：

表1

  名称   W   L   M   名称   W   L   M   P1   20u   0.4u   4   Q1   1u   1u   1   P2   20u   0.4u   4   Q2   1u   1u   8   P3   10u   1u   3   N1   5u   0.35u   2   P4   10u   1u   3   N2   5u   0.35u   2

表2

  名称   阻值(单位：欧姆)   R1   3713   Rs   14565   Rn   3713   Rt   600000

表3

  名称   容值(单位：fF)   C1   682

。

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