CN103383585A - 一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路技术。本发明针对现有的一阶线性补偿基准电压源温度系数较大和电源电压输入范围较窄的问题，公开了一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源。本发明的技术方案是，一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源，其特征在于，包括电源调整电路、启动电路、正温度系数电流产生电路、高阶补偿电路。电源调整电路实现输入电压的高压到低压转换，为后续电路提供低电平，正温度系数电流产生电路用于产生正温度系数电流，高阶补偿电路补偿正温度系数电流产生电路，输出具有超低温漂的带隙基准电压VREF。本发明的有益效果是，提高了带隙基准电压源的输入电压范围，降低了输出电压的温度系数，扩大了带隙基准电压源的适用范围。

Description

一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源。

背景技术

带隙基准电压源作为基本的电路单元，广泛地应用在模拟集成电路和功率转换器等电路中，其核心就是产生一个恒定电压，其温度系数和输入电压范围很大程度上决定了带隙基准电路性能的优劣和应用范围。

传统的带隙基准如图1所示，一个负温度系数V_EB3电压加上一个正温度系数的△V_EB电压，两者求和从而产生一个温度系数较低的带隙基准电压，其公式是：

其中，V_EB3是三极管T3的发射极基极电压，R1、R2是电阻，是玻尔兹曼常数，q是单位电荷电量，T是绝对温度。

传统的带隙基准电压源的缺点在于，传统的带隙基准源由于一阶线性补偿基准电压源并不能达到很好的效果，电压基准温度系数较大，并且电源电压输入范围较窄，不能广泛地应用在更广的领域。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的一阶线性补偿基准电压源温度系数较大和电源电压输入范围较窄的问题，提供一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源，其特征在于，包括电源调整电路、启动电路、正温度系数电流产生电路、高阶补偿电路；其中，

电源调整电路包括：NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M5、NMOS管M6、NMOS管M7，PMOS管M3、PMOS管M4，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，电容C1、电容C2；启动电路包括：NMOS管M8，反相器INV，电阻R8，电容C3；正温度系数电流产生电路包括：PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11，三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6，电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12及运放OP1；高阶补偿电路包括：NPN型三极管Q7，电阻R13和R14；

具体连接关系如下：

NMOS管M1漏极接输入电压VIN，电阻R1一端接输入电压VIN，电阻R1另一端接电阻R2的一端和M1管栅极，电阻R2另一端接NMOS管M2、NMOS管M5的栅极，NMOS管M2、NMOS管M5的栅极连接到三极管Q1集电极和电容C1一端，三极管Q1基极和电容C1另一端连接，NMOS管M2源极连接电阻R3和电阻R4的公共端，电阻R3另一端与电容C1和三极管Q1基极的公共端连接，电容C1和三极管Q1基极的公共端与三极管Q2集电极连接，电阻R4另一端与三极管Q3的集电极连接，三极管Q2基极和三极管Q3基极相连，同时和三极管Q3集电极连接，NMOS管M1源极和NMOS管M2漏极相连，三极管Q2发射极和电阻R5一端连接，电阻R5另一端接地。PMOS管M3、PMOS管M4源极相连输入电压VIN，PMOS管M3、PMOS管M4栅极相连，同时PMOS管M3、PMOS管M4栅极和PMOS管M3漏极相连，PMOS管M3漏极和NMOS管M5漏极相连，电阻R6一端接NMOS管M5源极，电阻R6另一端接地。NMOS管M6栅极和NMOS管M7栅极相连，NMOS管M6栅极和漏极相连，PMOS管M4漏极和NMOS管M6漏极相连，NMOS管M7漏极接输入电压VIN，电阻R7和电容C2并联后一端接NMOS管M6源极，另一端接地，NMOS管M7源极接SVIN端；

电阻R8一端接SVIN端，另一端接反相器INV输入和电容C3一端，电容C3另一端接地，反相器INV输出连接NMOS管M8栅极，NMOS管M8管漏极连接PMOS管M9的栅极，NMOS管M8管源极接地；

PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11源极连接SVIN端，PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11栅极连接，同时连接到NMOS管M8的漏极和运放OP1的输出端，电阻R9一端连接PMOS管M9漏极，电阻R9另一端连接运放OP1的负输入端和三极管Q4的发射极，三极管Q4基极和集电极接地。电阻R10一端连接PMOS管M10的漏极，另一端连接OP1的正输入端和电阻R11的一端，电阻R11另一端接三极管Q5发射极，三极管Q5基极和集电极接地，电阻R12一端连接PMOS管M11漏极和输出V_REF，电阻R12另一端连接三极管Q6的发射极，Q6基极和集电极接地；

电阻R14一端连接SVIN端，电阻R14另一端连接到输出电压V_REF，电阻R13一端连接SVIN端，电阻R13另一端连接到NPN型三极管Q7的基极和集电极，NPN型三极管Q7的发射极连接到输出电压V_REF。

所述电源调整电路中的NMOS管和PMOS管耐压高于输入电压VIN。

本发明的有益效果是，提高了带隙基准电压源的输入电压范围，降低了输出电压的温度系数，扩大了带隙基准电压源的适用范围。

附图说明：

图1为传统的带隙基准电压源结构示意图；

图2为本发明电路结构示意图；

图3为本发明中三极管Q7基极发射极两端电压温度特性示意图；

图4为传统的带隙基准电压源输出电压V_REF温度特性示意图；

图5为本发明的带隙基准电压源输出电压V_REF温度特性示意图。

其中，M1、M2、M5、M6、M7、M8为NMOS管；M3、M4、M9、M10、M11为PMOS管；Q1～Q7为双极型三极管（简称三极管），其中Q1～Q3、Q7为NPN型三极管，Q4～Q6为PNP型三极管；INV为反相器；OP1为运放；R1～R14为电阻；C1～C3为电容。

具体实施方案

下面结合附图和具体的实施方案对本发明作进一步的阐述。

如图2所示，本发明的带隙基准电压源包括电源调整电路，启动电路，正温度系数电流产生电路（PTAT电流产生电路）和高阶补偿电路。电源调整电路实现输入电压的高压到低压转换，为后续电路提供低电平，正温度系数电流产生电路用于产生正温度系数电流，高阶补偿电路补偿正温度系数电流产生电路，输出具有超低温漂的带隙基准电压VREF。

具体电路如图2所示，其中，电源调整电路包括：NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M5、NMOS管M6、NMOS管M7，PMOS管M3、PMOS管M4，三极管Q1、NPN型三极管Q2、NPN型三极管Q3，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，电容C1、电容C2；启动电路包括：NMOS管M8，反相器INV，电阻R8，电容C3；正温度系数电流产生电路包括：PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11，三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6，电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12及运放OP1；高阶补偿电路包括：三极管Q7，电阻R13、电阻R14。

具体连接关系如下：

对于电源调整电路，NMOS管M1漏极接输入电压VIN，电阻R1一端接输入电压VIN，电阻R1另一端接电阻R2的一端和M1管栅极，电阻R2另一端接NMOS管M2、NMOS管M5的栅极，NMOS管M2、NMOS管M5的栅极连接到三极管Q1集电极和电容C1一端，三极管Q1基极和电容C1另一端连接，NMOS管M2源极连接电阻R3和电阻R4的公共端，电阻R3另一端与电容C1和三极管Q1基极的公共端连接，电容C1和三极管Q1基极的公共端与三极管Q2集电极连接，电阻R4另一端与三极管Q3的集电极连接，三极管Q2基极和三极管Q3基极相连，同时和三极管Q3集电极连接，NMOS管M1源极和NMOS管M2漏极相连，三极管Q2发射极和电阻R5一端连接，电阻R5另一端接地。PMOS管M3、PMOS管M4源极相连输入电压VIN，PMOS管M3、PMOS管M4栅极相连，同时PMOS管M3、PMOS管M4栅极和PMOS管M3漏极相连，PMOS管M3漏极和NMOS管M5漏极相连，电阻R6一端接NMOS管M5源极，电阻R6另一端接地。NMOS管M6栅极和NMOS管M7栅极相连，NMOS管M6栅极和漏极相连，PMOS管M4漏极和NMOS管M6漏极相连，NMOS管M7漏极接输入电压VIN，电阻R7和电容C2并联后一端接NMOS管M6源极，另一端接地，NMOS管M7源极接SVIN端。

对于启动电路，电阻R8一端接SVIN端，另一端接反相器INV输入和电容C3一端，电容C3另一端接地，反相器INV输出连接NMOS管M8栅极，NMOS管M8管漏极连接PMOS管M9的栅极，NMOS管M8管源极接地。

对于正温度系数电流产生电路，PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11源极连接SVIN端，PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11栅极连接，同时连接到NMOS管M8的漏极和运放OP1的输出端，电阻R9一端连接PMOS管M9漏极，电阻R9另一端连接运放OP1的负输入端和三极管Q4的发射极，三极管Q4基极和集电极接地。电阻R10一端连接PMOS管M10的漏极，另一端连接OP1的正输入端和电阻R11的一端，电阻R11另一端接三极管Q5发射极，三极管Q5基极和集电极接地，电阻R12一端连接PMOS管M11漏极和输出VREF，电阻R12另一端连接三极管Q6的发射极，Q6基极和集电极接地。

对于高阶补偿电路，电阻R14一端连接SVIN端，电阻R14另一端连接到输出电压VREF，电阻R13一端连接SVIN端，电阻R13另一端连接到NPN型三极管Q7的基极和集电极，三极管Q7的发射极连接到输出电压V_REF。

下面对本发明的工作原理进行说明：

电源调整电路，图2所示，电源调整电路中的NMOS管和PMOS管均采用耐压高于输入电压VIN的器件。可以将10V至25V高电压转换为4.0V的低电压，供给后续电路使用。

启动阶段分析：输入VIN电压逐渐升高，会开启M1与M2管，使得电流流入电阻R3与R4从而开启三极管Q2与Q3，Q2的集电极电压升高，从而开启Q1管，并控制M5管，使SVIN电压正确建立。

工作原理：电路启动后，VIN为高电平，通过耐高压NMOS管M1、M2降压，产生低电平V_LB1，Q1为VIN模块提供负反馈，使环路稳定。电容C1提供补偿，增加环路稳定性，负反馈回路使Q2集电极和Q3的集电极电流相等，使V_LB1电压恒定，通过调节M2、M5，使M2栅源电压V_GSM2和M5栅源电压V_GSM5相等，则M5源极电压恒定为V_LB1，通过电阻R6产生恒定电流，恒定电流经过电流镜，在M6源极产生恒定电压，通过调节M6、M7，使使M6栅源电压V_GSM6和M7栅源电压V_GSM7相等，则M6源极电压就是为后续电路提供电平的SVIN电压。

如图2所示，对于一个双极型三极管，可以得到：

V_BEQ2＝V_Tln(I_C2/I_S2)        (1)

V_BEQ3＝V_Tln(I_C3/I_S3)        (2)

由于Q2管并联数为8，Q3管并联数为1，即有I_C2=8I_C3，则可以得到R5上电压降为：

ΔV_BE＝V_BEQ3-V_BEQ2＝

所以R5上电流为：

$I_{R5}=\frac{V_{\mathrm{BEQ}3}-V_{\mathrm{BEQ}2}}{R_5}=\frac{V_T\ln 8}{R_5}---\left(4\right)$

则LB1电压为：

$V_{\mathrm{LB}1}=V_{\mathrm{BEQ}3}+\frac{R_4}{R_5}{V}_T\ln 8---\left(5\right)$

通过上述工作原理分析，可以得到SVIN电压为：

$V_{\mathrm{SVIN}}=\frac{R_7}{R_6}{V}_{\mathrm{LB}1}=\frac{R_7}{R_6}(\frac{R_4}{R_5}{V}_T\ln 8+V_{\mathrm{BEQ}3})---\left(6\right)$

通过调节电阻R6和R7，即可以调节电压SVIN。

启动电路的作用在于使带隙基准电路脱离简并点，让基准电路正常上电工作。如图2所示，电路开始上电时，SVIN电压首先对电容C3充电，R8为限流电阻，此时，反相器INV输入为低电平，NMOS管M8栅极为高电平，此时M8管导通，将PMOS管M9，M10，M11电位拉低，正温度系数电流产生电路逐渐启动，随着电容C3电压升高，反相器INV输入为高电平，M8栅极为低电平，此时M8管截止，基准启动完成。

由于晶体二极管正向导通电压具有负温度特性，随着温度提高，晶体二极管Q7导通电压下降，通过二极管Q7电流发生变化，与PTPA电流相叠加，达到高阶补偿的目的。

下面分析电阻R13、R14及Q7对电路的补偿作用。由于运放OP1模块箝位栅极电压，镜像到电阻R12的正温度系数电流即为I_R11。不妨设Q7基极发射极两端电压为V_D1，则流过电阻R14电流是：

$I_{R14}=\frac{\mathrm{SVIN}-V_{\mathrm{REF}}}{R_{14}}---\left(7\right)$

流过电阻R13电流是：

$I_{R13}=\frac{\mathrm{SVIN}-V_{\mathrm{REF}}-V_{D1}}{R_{13}}---\left(8\right)$

又由于：

I_M10＝I_M11＝I_R11        (9)

可以得到：

V_REF＝(I_R11+I_R13+I_R14)R₁₂+V_BEQ6        (10)

由（6）、（7）、（8）、（9）、（10）式可得到：

$V_{\mathrm{REF}}=\frac{\frac{R_{12}}{R_{11}}{V}_T\ln 8+V_{\mathrm{BEQ}6}+(\frac{R_{12}}{R_{13}}+\frac{R_{12}}{R_{14}})\mathrm{SVIN}-\frac{R_{12}}{R_{13}}{V}_{D1}}{1+\frac{R_{12}}{R_{13}}+\frac{R_{12}}{R_{14}}}---\left(11\right)$

显然，（11）式等式分子后两项即为本带隙基准高阶曲率补偿部分，下面将结合仿真曲线对其进行具体分析。

如图3所示为三极管Q7基极发射极两端电压V_D1随温度变化曲线。考虑到温度升高时，二极管的正向压降将减小，且每增加1℃，正向压降大约减小2mV，即二极管正向导通压降具有负温度系数。参考仿真曲线，在0℃～80℃温度范围内，可以得到关系式：

V_D1＝-2.15T+0.68        (12)

将(6)、（12）式代入（11）式可得到：

$V_{\mathrm{REF}}=\frac{\frac{R_7}{R_6}(\frac{R_{12}}{R_{13}}+\frac{R_{12}}{R_{14}})(\frac{R_4}{R_5}{V}_T\ln 8+V_{\mathrm{BEQ}2})+V_{\mathrm{BEQ}6}+\frac{R_{12}}{R_{11}}{V}_T\ln 8-\frac{R_{12}}{R_{13}}(-2.15T+0.68)}{1+\frac{R_{12}}{R_{13}}+\frac{R_{12}}{R_{14}}}---\left(13\right)$

通过仿真验证了本发明的带隙基准电压源的特性，该电路使用H-spice仿真表明，如图4所示，在0～80℃温度范围内，没有进行高阶补偿的温度系数为13.95ppm/℃；如图5所示，补偿后的温度系数仅为0.501ppm/℃，大大提高了基准的温度特性。

Claims (2)

1.一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源，其特征在于，包括电源调整电路、启动电路、正温度系数电流产生电路、高阶补偿电路；其中，

电源调整电路包括：NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M5、NMOS管M6、NMOS管M7，PMOS管M3、PMOS管M4，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，电容C1、电容C2；启动电路包括：NMOS管M8，反相器INV，电阻R8，电容C3；正温度系数电流产生电路包括：PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11，三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6，电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12及运放OP1；高阶补偿电路包括：NPN型三极管Q7，电阻R13和R14；

具体连接关系如下：

NMOS管M1漏极接输入电压VIN，电阻R1一端接输入电压VIN，电阻R1另一端接电阻R2的一端和M1管栅极，电阻R2另一端接NMOS管M2、NMOS管M5的栅极，NMOS管M2、NMOS管M5的栅极连接到三极管Q1集电极和电容C1一端，三极管Q1基极和电容C1另一端连接，NMOS管M2源极连接电阻R3和电阻R4的公共端，电阻R3另一端与电容C1和三极管Q1基极的公共端连接，电容C1和三极管Q1基极的公共端与三极管Q2集电极连接，电阻R4另一端与三极管Q3的集电极连接，三极管Q2基极和三极管Q3基极相连，同时和三极管Q3集电极连接，NMOS管M1源极和NMOS管M2漏极相连，三极管Q2发射极和电阻R5一端连接，电阻R5另一端接地。PMOS管M3、PMOS管M4源极相连输入电压VIN，PMOS管M3、PMOS管M4栅极相连，同时PMOS管M3、PMOS管M4栅极和PMOS管M3漏极相连，PMOS管M3漏极和NMOS管M5漏极相连，电阻R6一端接NMOS管M5源极，电阻R6另一端接地。NMOS管M6栅极和NMOS管M7栅极相连，NMOS管M6栅极和漏极相连，PMOS管M4漏极和NMOS管M6漏极相连，NMOS管M7漏极接输入电压VIN，电阻R7和电容C2并联后一端接NMOS管M6源极，另一端接地，NMOS管M7源极接SVIN端；

电阻R8一端接SVIN端，另一端接反相器INV输入和电容C3一端，电容C3另一端接地，反相器INV输出连接NMOS管M8栅极，NMOS管M8管漏极连接PMOS管M9的栅极，NMOS管M8管源极接地；

PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11源极连接SVIN端，PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11栅极连接，同时连接到NMOS管M8的漏极和运放OP1的输出端，电阻R9一端连接PMOS管M9漏极，电阻R9另一端连接运放OP1的负输入端和三极管Q4的发射极，三极管Q4基极和集电极接地。电阻R10一端连接PMOS管M10的漏极，另一端连接OP1的正输入端和电阻R11的一端，电阻R11另一端接三极管Q5发射极，三极管Q5基极和集电极接地，电阻R12一端连接PMOS管M11漏极和输出V_REF，电阻R12另一端连接三极管Q6的发射极，Q6基极和集电极接地；

电阻R14一端连接SVIN端，电阻R14另一端连接到输出电压V_REF，电阻R13一端连接SVIN端，电阻R13另一端连接到NPN型三极管Q7的基极和集电极，NPN型三极管Q7的发射极连接到输出电压V_REF。

2.根据权利要求1所述的一种宽输入范围超低温漂带隙基准电压源，其特征在于，所述电源调整电路中的NMOS管和PMOS管耐压高于输入电压VIN。

Images