CN104156025B - 一种高阶温度补偿基准源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种高阶温度补偿基准源。本发明的基准源包括正温系数电流模块、负温系数电流模块和基准电压产生模块；正温系数电流模块和负温系数电流模块的输入端接电源VIN；正温系数电流模块的输出端接基准电压产生模块的第一输入端，负温系数电流模块的输出端接基准电压产生模块的第二输入端，基准电压产生模块的输出端输出基准电压。本发明的有益效果为，输出基准源相比传统的带隙基准源具有更高的精度；且相比传统的高阶补偿带隙基准源，本发明实现的高精度基准源的电路结构更加简单，受工艺的影响更小。本发明尤其适用于带隙基准电路。

Description

一种高阶温度补偿基准源

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体的说是涉及一种基于迁移率温度特性的高阶温度补偿基准源。

背景技术

在模拟集成电路或混合信号集成电路设计领域，基准电压源是非常重要且常用的模块，常应用在ADC转换器、DCDC换器、以及功率放大器等电路系统中，它的作用是为系统提供一个不随温度及供电电压变化的电压基准。

在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中经常把基准电压源用作系统测量和校准的基准。因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性能和精度。

现有的对带隙基准电路的高阶补偿方法一般分为两种：1)通过减小PN结自身的高阶项来获得较小的基准源温度系数。2)利用正温电压的高阶项来补偿PN结的高阶项来获得较小的温度系数。但通过这两种方法来实现高精度的带隙基准源通常需要较复杂的电路结构，这会导致更大的版图面积，且输出基准源的精度容易受到工艺漂移的影响。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述传统基准源存在的问题，提出一种高阶温度补偿基准源。

本发明的技术方案是，一种高阶温度补偿基准源，包括正温系数电流模块、负温系数电流模块和基准电压产生模块；正温系数电流模块和负温系数电流模块的输入端接电源VIN；正温系数电流模块的输出端接基准电压产生模块的第一输入端，负温系数电流模块的输出端接基准电压产生模块的第二输入端，基准电压产生模块的输出端输出基准电压；其特征在于，所述正温系数电流模块由PMOS管MP1、MP2、MP3，NMOS管MN1、MN2、MN3，电阻R1，电容C2构成；其中，MP1、MP2、MP3的栅极互连；MP1的源极接电源VIN，其栅极和漏极互连，其漏极接MN1的漏极；MN1的栅极通过电容C2后接地，其源极接地；MP2的源极接电源VIN，其漏极接MN2的漏极；MP2漏极与MN2漏极的连接点接MN1栅极与电容C2的连接点；MN2的栅极接MN3的栅极，其源极接地；MN3的源极通过电阻R1后接地，其栅极与漏极互连，其漏极接MP3的漏极；MP3的源极接电源VIN；MP1漏极与MN1漏极的连接点接MP1栅极、MP2栅极、MP3栅极的连接点作为正温系数电流模块的输出端输出第一偏置电压；

所述负温系数电流模块由PMOS管MP6、MP7，三极管Q1、Q2、Q3，电阻R2构成；其中，MP6的源极接电源VIN，其栅极与漏极互连，其漏极接Q1的集电极；Q1的基极接Q2的基极，其发射极通过电阻R2接地；Q2的基极和集电极互连，其集电极接MP7的漏极，其发射极接Q3的集电极；Q3的基极和集电极互连，其发射极接地；MP7的栅极接第一偏置电压，其源极接电源VIN；MP6漏极与Q1集电极的连接点接MP6栅极后作为负温系数电流模块的输出端输出端第二偏置电压；

所述基准电压产生模块由PMOS管MP4、MP5，电阻R3构成；其中，MP4的源极接电源VIN，其栅极接第一偏置电压，其漏极通过电阻R3接地；MP5的源极接电源VIN，其栅极接第二偏置电压，其漏极通过电阻R3接地；MP4漏极、MP5漏极与电阻R3的连接点作为基准电压产生模块的输出端输出基准电压。

本发明的有益效果为，输出基准源相比传统的带隙基准源具有更高的精度；且相比传统的高阶补偿带隙基准源，本发明实现的高精度基准源的电路结构更加简单，受工艺的影响更小。

附图说明

图1为本发明的基准源的结构示意图；

图2为本发明的正温系数电流模块的电路示意图；

图3为本发明的负温系数电流模块的电路示意图；

图4为本发明的基准电压产生模块的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述

本文提出一种基于迁移率温度特性的高阶温度补偿基准源，具体电路架构如图1所示，包括与温度成n(n>1)次方关系的正温度系数电流源模块、负温度系数电流源模块以及基准电压产生模块；其中，正温度系数电流源模块产生的第一偏置电压VB1连接到基准电压产生模块的一个输入端；负温度系数电流源模块产生的第二偏置电压VB2连接到基准电压产生模块的另一个输入端；基准电压产生模块的输出端输出基准电压VREF。

如图2所示，正温系数电流模块由PMOS管MP1、MP2、MP3，NMOS管MN1、MN2、MN3，电阻R1，电容C2构成；其中，MP1、MP2、MP3的栅极互连；MP1的源极接电源VIN，其栅极和漏极互连，其漏极接MN1的漏极；MN1的栅极通过电容C2后接地，其源极接地；MP2的源极接电源VIN，其漏极接MN2的漏极；MP2漏极与MN2漏极的连接点接MN1栅极与电容C2的连接点；MN2的栅极接MN3的栅极，其源极接地；MN3的源极通过电阻R1后接地，其栅极与漏极互连，其漏极接MP3的漏极；MP3的源极接电源VIN；MP1漏极与MN1漏极的连接点接MP1栅极、MP2栅极、MP3栅极的连接点作为正温系数电流模块的输出端输出第一偏置电压。

如图3所示，负温系数电流模块由PMOS管MP6、MP7，三极管Q1、Q2、Q3，电阻R2构成；其中，MP6的源极接电源VIN，其栅极与漏极互连，其漏极接Q1的集电极；Q1的基极接Q2的基极，其发射极通过电阻R2接地；Q2的基极和集电极互连，其集电极接MP7的漏极，其发射极接Q3的集电极；Q3的基极和集电极互连，其发射极接地；MP7的栅极接第一偏置电压，其源极接电源VIN；MP6漏极与Q1集电极的连接点接MP6栅极后作为负温系数电流模块的输出端输出第二偏置电压。

如图4所示，基准电压产生模块由PMOS管MP4、MP5，电阻R3构成；其中，MP4的源极接电源VIN，其栅极接第一偏置电压，其漏极通过电阻R3接地；MP5的源极接电源VIN，其栅极接第二偏置电压，其漏极通过电阻R3接地；MP4漏极、MP5漏极与电阻R3的连接点作为基准电压产生模块的输出端输出基准电压。

本发明的工作原理为：

正温度系数电流源模块中，MP2、MP3、MN2、MN3、R1形成自偏置结构，产生正温电流I₁；MP1、MN1加到自偏置结构中形成负反馈环路，使MP2、MP3的漏端电压保持相等，提高电流镜的精度，C2的目的是保证该负反馈环路的稳定性。该电路中的所有MOS管均工作在饱和区，由饱和区MOS的电压电流特性知

$I_{MN2}=I_1=\frac{1}{2}{\mathrm{\μC}}_{OX}{S}_{MN2}{(V_{GSMN2}-V_{TH})}^{^2}$

$I_{MN3}=I_1=\frac{1}{2}{\mathrm{\μC}}_{OX}{S}_{MN3}{(V_{GSMN3}-V_{TH})}^{^2}$

其中，μ为沟道载流子迁移率；C_OX为单位面积的栅氧化层电容；S＝W/L为MOS宽长比，下标为所指代MOS管；V_GS为MOS管的栅源电压差，下标为所指代MOS管；VTH为NMOS管的阈值电压；设MP1管上电流为I₁，而MP1、MP2、MP3管的宽长比相同，所以流过MN2、MN3的电流也为I₁，又因V_GSMN2＝V_GSMN3+I₁R1，则可解得电阻R1上电流为

$I_1=\frac{1}{R{1}^2}{(\frac{1}{\sqrt{k_{mn2}}}-\frac{1}{\sqrt{k_{mn3}}})}^2$

其中k_mni＝u_nC_ox(W/L)_mni，则上式可化为

$I_1=\frac{1}{R{1}^2}{(\frac{1}{\sqrt{C_{ox}{(W/L)}_{mn2}}}-\frac{1}{\sqrt{C_{ox}{(W/L)}_{mn3}}})}^2\frac{1}{u_n}$

由于T₀为参考温度，T为任一温度，u_o为T₀温度时的电子迁移率。由上式可知，I₁＝ATⁿ，A为常数。所以I₁的温度系数会随着温度升高而变大。

负温度系数电流源模块中，MP7镜像电流I₁，所以Q2、Q3的集电极电流为I₁；MP7、Q2、Q3构成的支路同时给MP6、Q1、R2构成的支路提供偏置，使通过R2的电流为I₂，则三极管基极与发射极之间的电压差为

V_BE(T)＝V_G0-V_Tln(E)-(ε-a)V_TlnT

其中E是一个与温度无关的常数(E>1)，V_G0是温度为0K时硅的带隙电压，ε是与掺杂浓度有关的常数(典型值为3.5)，a为双极性晶体管的集电极电流温度函数中温度T的幂次方数。从上式可知，由于通过双极性晶体管钱Q3的集电极电流I₁＝ATⁿ,即a＝n,n(n＞1)，所以Q3基极与发射极之间的电压差为

V_BE3(T)＝V_G0-V_Tln(E)-(ε-n)V_TlnT

从上式可知，电流I₁流过Q3对VBE3进行了一次高阶补偿，减小了VBE中固有的高阶项对基准电压精度的影响。从而得到经过补偿的负温电流为

$I_2=\frac{V_{BE3}\left(T\right)}{R2}$

基准电压产生模块是将产生的正温度系数电流和负温度系数电流转化成电压信号并进行叠加，从而产生与温度无关的基准输出电压。V1为来自正温电流模块的偏置，V2为来自负温电流模块的偏置，两股电流通过R3转化电压并叠加输出为基准电压。由图可得最终的输出基准电压为

$\begin{array}{c}VREF=(I_1{K}_1+I_2{K}_2)R3=({\mathrm{AK}}_1{T}^n+K_2\frac{V_{BE3}\left(T\right)}{R2})R3\\ =\[\frac{K_2}{R2}{V}_{G0}-\frac{K_2}{R2}\ln \left(E\right)V_T+{\mathrm{AK}}_1{T}^n-(\mathrm{\ϵ}-n)\frac{K_2}{R2}{V}_T\ln T\]R3\end{array}$

其中 由上式可知，由于通过双极性晶体管Q3的正温电流I₁为温度的n(n>1)次方，所以由VBE3引入的高阶项被进行了部分补偿，减小了高阶项的影响；且由电流I₁产生的正温电压的温度系数，也随着温度的升高而增大，在高温时可以对VBE3的高阶项进行再一次的补偿。所以通过合理的调节参数K_1、K_2、A、R2的大小可以得到因此得到随温度无关的基准输出电压。

Claims (1)

1.一种高阶温度补偿基准源，包括正温系数电流模块、负温系数电流模块和基准电压产生模块；正温系数电流模块和负温系数电流模块的输入端接电源VIN；正温系数电流模块的输出端接基准电压产生模块的第一输入端，负温系数电流模块的输出端接基准电压产生模块的第二输入端，基准电压产生模块的输出端输出基准电压；其特征在于，所述正温系数电流模块由PMOS管MP1、MP2、MP3，NMOS管MN1、MN2、MN3，电阻R1，电容C2构成；其中，MP1、MP2、MP3的栅极互连；MP1的源极接电源VIN，其栅极和漏极互连，其漏极接MN1的漏极；MN1的栅极通过电容C2后接地，其源极接地；MP2的源极接电源VIN，其漏极接MN2的漏极；MP2漏极与MN2漏极的连接点接MN1栅极与电容C2的连接点；MN2的栅极接MN3的栅极，其源极接地；MN3的源极通过电阻R1后接地，其栅极与漏极互连，其漏极接MP3的漏极；MP3的源极接电源VIN；MP1漏极与MN1漏极的连接点接MP1栅极、MP2栅极、MP3栅极的连接点作为正温系数电流模块的输出端输出第一偏置电压；

所述负温系数电流模块由PMOS管MP6、MP7，三极管Q1、Q2、Q3，电阻R2构成；其中，MP6的源极接电源VIN，其栅极与漏极互连，其漏极接Q1的集电极；Q1的基极接Q2的基极，其发射极通过电阻R2接地；Q2的基极和集电极互连，其集电极接MP7的漏极，其发射极接Q3的集电极；Q3的基极和集电极互连，其发射极接地；MP7的栅极接第一偏置电压，其源极接电源VIN；MP6漏极与Q1集电极的连接点接MP6栅极后作为负温系数电流模块的输出端输出第二偏置电压；

所述基准电压产生模块由PMOS管MP4、MP5，电阻R3构成；其中，MP4的源极接电源VIN，其栅极接第一偏置电压，其漏极通过电阻R3接地；MP5的源极接电源VIN，其栅极接第二偏置电压，其漏极通过电阻R3接地；MP4漏极、MP5漏极与电阻R3的连接点作为基准电压产生模块的输出端输出基准电压。