CN104238619A - 一种参考电压的温度补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种参考电压的温度补偿电路，包括运算放大器，第一反馈电阻、第二反馈电阻，所述温度补偿电路包括一路可调电流源和一个温度比较器，其中可调电流源的一端接至第一反馈电阻和第二反馈电阻的连接点；温度比较器接于可调电流源，感知预设的触发温度点，根据所述触发温度点将电路工作温度范围分成至少两段温度区间；当温度比较器检测到工作温度分别处于这两段温度区间时，温度比较器控制可调电流源的输出电流，使得该电流和第一反馈电阻或第二反馈电阻的得到的补偿电压在至少一段温度区间内可以抵消预设输入参考电压经运算放大器和第一/第二反馈电阻调整后的电压随温度的变化。

Description

一种参考电压的温度补偿电路

技术领域

本发明涉及应用于集成电路的参考电压的温度补偿电路。

背景技术

集成电路片上的电压基准一般由带隙基准产生，通常输出参考电压约为1.2V；为了提高参考电压的稳定性，例如随温度变化的稳定性，通常都会对带隙基准做一次温度补偿，也就是通过适当比例的负温度系数的三极管基极和发射极电压差VBE和正温度系数的ΔVBE(两个三极管VBE电压之差)相加来进行温度补偿。参见图1，所示为一种常见的在先技术，用于对带隙基准Bandgap1的参考电压VBG1进行电压调整输出，其中100为电压调整器，输出电压VREF1。电压调整器100包括了接成负反馈形式的运算放大器OPA1，正输入端接Bandgap1的输出，负输入端接串联的反馈电阻R1a和R1b的联结点；做了一次温度补偿的带隙基准输出参考电压在-40-85摄氏度的常用温度范围内，一般变化2-8mV，具体视工艺水平而定。但是在某些高性能的应用中，例如用于绝对测量的ADC电路中，当ADC有效位达到12bits以上时，参考电压在全温度范围内变化需要小于1mV才能保证全温度范围测量的准确度；显然，当ADC的有效位继续提升时，对参考电压随温度的变化(温漂)就提出了更高的要求。

为了继续减小参考电压的温漂，必须进行高阶补偿。通常在一次补偿之后，参考电压的残余温漂是由于VBE的二次项带来的，因此业界提出了多种二次温度补偿方法和电路。通常是使用器件本身的二次项，或者采用线性项来分段补偿等。但通常带隙基准电压输出之后还需要接一个电压调整器，一方面是为了增加参考电压输出的驱动能力，另一方面是调整参考电压的大小。例如一个输出1.25V的带隙基准电压，经过一个两倍放大的电压调整器之后，输出一个2.5V的参考电压；设带隙基准作了二次温度补偿，全温度范围(-40℃-85℃)电压变化为1mV，则相应的电压调整器输出的参考电压在全温度范围内的变化是2mV；尽管参考电压的温漂的相对值没有变化，但参考电压随温度的绝对变化确增大了一倍；此外，如果考虑到电压调整器可能引入的额外的温漂，则参考电压随温度的绝对变化可能更大。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种参考电压的温度补偿电路，可以在调整电压的同时进行温度补偿，避免了电压经过电压调整器后，输出参考电压随温度的变化变大的缺点，进一步优化输出参考电压的温度特性。

为了实现以上的目的，本发明是这样实现的。

一种参考电压的温度补偿电路，包括运算放大器，第一反馈电阻、第二反馈电阻，其中第一反馈电阻一端接运算放大器的输出端，第一反馈电阻的另一端接第二反馈电阻的一端，并与运算放大器的负输入端连接；第二反馈电阻的第二端口接地；运算放大器的正输入端接一个预先设定的输入参考电压，运算放大器输出端得到输出参考电压；其特征在于所述温度补偿电路包括一路可调电流源和一个温度比较器，其中可调电流源的一端接至第一反馈电阻和第二反馈电阻的连接点；温度比较器接于可调电流源，可至少感知一个预设的触发温度点，所述触发温度点是温度补偿电路工作温度范围中的温度点，根据所述触发温度点将电路工作温度范围分成至少两段温度区间；当温度比较器检测到工作温度分别处于这两段温度区间时，温度比较器输出控制逻辑信号给可调电流源，温度比较器控制可调电流源的输出电流，使得该电流和第一反馈电阻或第二反馈电阻的乘积得到的补偿电压在至少一段温度区间内可以抵消预设输入参考电压经运算放大器和第一/第二反馈电阻调整后的电压随温度的变化。

所述可调电流源输出电流至运算放大器的负输入端，补偿电压和输入参考电压在至少一个温度区间具有相同极性的温度系数。

所述可调电流源从运算放大器的负输入端拉电流，补偿电压和输入参考电压在至少一个温度区间具有相反极性的温度系数。

所述可调电流源输出电流由一PTAT类型的电流和一CTAT类型的电流相加而成，且根据温度比较器输出的逻辑信号调整上述两种电流的比例。

所述PTAT类型的电流由一带隙电压偏置一个电阻产生，该电阻和第一反馈电阻是相同类型；所述CTAT类型的电流由三极管VBE电压偏置一个电阻产生，该电阻和第一反馈电阻是相同类型。

第一反馈电阻和/或第二反馈电阻采用PPOLY电阻；

所述温度比较器至少包括一个预设的触发温度点，该温度点在该温度补偿电路工作温度范围的中间点，将工作温度范围分成两段，且控制所述补偿电压在上述触发温度点两侧对称。

上述触发温度点位于20－30°之间。

由此，当所述可调电流源灌电流至负反馈端时，补偿电压是一个开口方向和输入参考电压开口方向相同的分段线性曲线；当所述可调电流源从负反馈端拉电流时，补偿电压是一个开口方向和输入参考电压开口方向相反的分段线性曲线。

所述参考电压的温度补偿电路还包括另外两个温度比较器，预设不同的两个触发温度点；三个触发温度点一起可将工作温度范围分为等分的四段温度区间。

或者，所述参考电压的温度补偿电路还设置有另外四个温度比较器，预设不同的四个触发温度点；五个触发温度点一起可将工作温度范围分为等分的六段温度区间。通过温度比较器将工作温度范围等分成多个温度区间，有利于进行电压调整和温度补偿，是等分的温度区间越多，补偿的效果就越明显。

所述温度比较器包含一个PTAT类型的拉/灌电流和一个CTAT类型的灌/拉电流，且接成一个支路；电流相接处接一个缓冲器输出逻辑信号；调整上述两种类型电流的大小比例使得其在工作温度范围内至少有一个大小相等的交点，则该交点所处的温度点就是触发温度点。

本发明所述的参考电压的温度补偿电路，可在对输入的预设参考电压进行调整后再做温度补偿，且可以进行二次温度补偿，进一步减小了输出参考电压随温度的变化，提高了调整后输出参考电压的精度。

附图说明

图1是现有技术所实施的电路图。

图2是本发明所实施第一种温度补偿电路的电路图。

图3是本发明所实施第一种温度补偿电路中可调电流源电路的电路图。

图4是本发明所实施第一种温度补偿电路中温度比较器的电路图。

图5是图4所示温度比较器的波形图。

图6是本发明所实施实现参考电压温度补偿的波形图。

图7是本发明所实施实现参考电压温度补偿前后对比的波形图。

图8是本发明所实施第二种温度补偿电路中可调电流源电路的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

对照图1所示，由电路知识可知，

VREF1＝VBG1·(1+R1a/R1b)

设R1a＝R1b，则

VREF1＝2·VBG1

当VBG1随温度变化变化时，例如-40℃～85℃变化5mV，则VREF1在相同区间变化将达10mV。即使带隙基准Bandgap1做了二次温度补偿，例如-40℃～85℃变化1mV，VREF1在相同区间的变化也会达到2mV；但是如果直接在电压调整器上做温度补偿，特别是二次温度补偿，则可将全温度区间的电压变化控制在1mV以内，从而将温漂减小了一半。

参见附图2，考虑到这一点，本发明所实施的第一种参考电压的温度补偿电路200，兼有电压调整器的功能，输入参考电压VBG2由带隙基准Bandgap2提供。VBG2已作了一次温度补偿，在温度坐标下，VBG2电压图形是一个开口向下的拱形，顶点在20℃～25℃之间，顶点电压约为1.2V，如附图6中所示。该参考电压的温度补偿电路200包括了接成负反馈形式的运算放大器OPA2，正输入端INP2接Bandgap2输出，负输入端FB2接串联的反馈电阻R2a和R2b的联结点FB2；运算放大器的输出端OUT2输出参考电压VREF2；在电源VDD和FB2点之间还接有一个受控的可调电流源It2，输出可调电流It2；同时还包括一个温度比较器阵列TCOMP2，内含三个温度比较器TCOMP21、TCOMP22、TCOMP23，该三个温度比较器分别对应三个触发温度点Ttrig1、Ttrig2、Ttrig3，这三个触发温度点将电路的工作温度范围Tlow～Thigh分为等分的四段温度区间，如图6横坐标所示；进一步，温度比较器TCOMP2阵列根据当前温度所处的温度区间输出不同的逻辑信号控制可调电流源It2，使其在不同的温度区间输出大小和/或温度系数不同的电流。

VREF2＝VBG2·(1+R2a/R2b)-It2·R2a

设补偿电压

VADJ2＝It2·R2a

VREF2＝VBG2·(1+R2a/R2b)-VADJ2

则在不同温度区间调整It2的大小和温度系数即调整了VADJ2的大小和温度系数，从而可以补偿VBG2X＝VBG2(1+R2a/R2b)随温度的变化。

参见图3，所示为可调电流源It2的具体电路，其中IPTAT0是一个PTAT(Proportion To Absolute Temperature，和绝对温度成正比)类型的电流源，输出一个PTAT类型的电流IPTAT0，具有一个正的温度系数；ICTAT0是一个CTAT(Complement To Absolute Temperature和绝对温度成反比)类型的电流源，输出一个CTAT类型的电流ICTAT0，具有一个负的温度系数。MA1～MA3为一组PMOS管电流镜，MB1～MB3为一组PMOS管电流镜，可分别将IPTAT0和ICTAT0映射复制到不同的电流支路；MA2/MA1和MA3/MA1具有不同的比例，且MA2/MA1>MA3/MA1；MB2/MB1和MB3/MB1也具有不同的比例，且MB2/MB1<MB3/MB1；因此电流镜MA2和MA3具有不同大小的PTAT电流，而MB2和MB3则具有不同大小的CTAT电流。电流镜MA2、MA3、MB2、MB3分别通过开关SWA22、SWA23、SWB22、SWB23连接至FB2点。温度比较器阵列TCOMP2根据当前温度输出逻辑信号，控制上述四个开关在不同温度区间的开关组合，从而在不同温度区间组合出不同温度系数的电流。

PTAT电流IREFA具体可通过带隙电压偏置一个电阻产生，该电阻和第一或第二反馈电阻具有同一类型，例如使用PPOLY电阻，该电阻具有非常小的一阶温度系数；带隙电压表达式中，k为波尔兹曼常数，q为电子电荷量，N为一可预先设定的比例系数；CTAT电流可通过三极管的基极-发射极电压VBE电压偏置一个电阻产生，该电阻亦使用和第一第二反馈电阻同类型的电阻。通常上述两种电流可以在带隙基准电路中获得，因此获得这两种电流不会显著增加额外的芯片面积。PTAT和CTAT电流的具体产生电路为本专业领域人员所熟悉，不再赘述。

参见图4，所示为温度比较器整列TCOMP2中的温度比较器之一TCOMP22，其包括两个电流源(一般为MOS电流镜充当)，一个灌电流源IPTAT22，灌一个PTAT电流IPTAT22，另一个拉电流源ICTAT22，拉一个CTAT电流ICTAT22；两个电流源输出连接在节点VT22D，其后接一个缓冲级BUF1，输出逻辑信号VT22。

参见图5，所示为温度比较器的工作波形图，其横坐标为温度，坐纵坐标为电压，右纵坐标为电流；点划线所示为ICTAT22电流随温度的变化曲线，虚线所示为IPTAT22电流随温度的变化曲线，实线为VT22随温度变化曲线。IPTAT22和ICTAT22有一个交点，对应温度点则为Ttrig2；当温度小于Ttrig2时，由于ICTAT22大于IPTAT22，则VT22D是一个小于VDD/2的电平，所以VT22输出逻辑低电平；当温度大于Ttrig2时，由于ICTAT22小于IPTAT22，则VT22D是一个大于VDD/2的电平，所以VT22输出逻辑高电平。

参见图6，所示为实现参考电压温度补偿的波形图，其中横坐标为温度，纵坐标为电压；带隙基准Bandgap2的输出电压VBG2放大后VBG2X的随温度变化的波形是一个开口向下的抛物线，顶点在Ttrig2位置；补偿电压VADJ2随温度变化是一个开口向下的分段线性的曲线，顶点在Ttrig2位置；整个工作温度范围Tlow～Thigh之间通过三个触发温度点分为4个温度区间，VADJ2在各个温度区间的温度系数各不相同，且基本在Ttrig2两侧成对称分布。VADJ2在Tlow～Ttrig1和Ttrig3～Thigh区间随温度的变化为VD1，约为7mV；VADJ2在Ttrig1～Ttrig2和Ttrig2～Ttrig3区间随温度的变化为VD2，约为3mV；VBG2X在Tlow～Ttrig1和Ttrig3～Thigh区间随温度的变化为VD3；VBG2X在Ttrig1～Ttrig2和Ttrig2～Ttrig3区间随温度的变化为VD4；虚线VADJ2D是将VADJ2平移使得VADJ2的顶点和VBG2X顶点重合得到的曲线，由图可见，VD1＝VD3，VD2＝VD4，因此VBG2X减VADJ2之后得到一个随温度变化大大减小的输出VREF2。图6中每段温度区间中，VBG2X和VADJ2D之间的最大差值为VD5。上述各温度点设置一般为Tlow＝-40℃，Thigh＝85℃，Ttrig1＝-8.75℃，Ttrig2＝22.5℃，Ttrig2＝53.75℃。实际电路做出来由于工艺离散性等问题，真实的温度点会和上述理想值存在一定偏差。

参见图7，对比了温度补偿前后VBG2X和VREF2的波形图，其中横坐标为温度，纵坐标为电压，虚线为VBG2X电压波形，实线为VREF2电压波形，可见经过补偿之后，VREF2随温度变化被大大减小至VD5，约为0.5mV。

图6中分段线性且在Ttrig2两边成对称分布的VADJ2是这样产生的：当温度处于区间Tlow～Ttrig1中时，温度比较器阵列TCOMP2输出逻辑信号控制可调电流源It2中SWA22、SWA23闭合，而SWB22、SWB23断开；当温度处于Ttrig1～Ttrig2中时，控制SWA22、SWB22闭合，而SWA23、SWB23断开；当温度处于Ttrig2～Ttrig3中时，控制SWA23、SWB23闭合，而SWA22、SWB22断开；温度处于Ttrig3～Thigh中时，控制SWB22、SWB23闭合，而SWA22、SWA23断开。

参见图8，所示为本发明所述的第二种参考电压的温度补偿电路300，兼有电压调整器的功能，输入参考电压VBG3由带隙基准Bandgap3提供。VBG3和VBG2具有相似的温度特性。参考电压的温度补偿电路300包括了接成负反馈形式的运算放大器OPA3，正输入端INP3接Bandgap3输出，负输入端FB3接串联的反馈电阻R3a和R3b的联结点FB3；运算放大器的输出端OUT3输出参考电压VREF3；在FB2点和地之间还接有一个受控的可调电流源It3，输出可调电流It3；同时还包括一个温度比较器整列TCOMP3，内含三个温度比较器TCOMP31、TCOMP32、TCOMP33，和TCOMP2类似，可将电路的工作温度范围分为四个等分的温度区间。

VREF3＝VBG3·(1+R3a/R3b)+It3·R3a

设补偿电压

VADJ3＝It3·R3a

VREF3＝VBG3·(1+R3a/R3b)+VADJ3

则在不同温度区间调整It3的大小和温度系数即调整了VADJ3的大小和温度系数，从而可以补偿VBG3X＝VBG3(1+R3a/R3b)随温度的变化。

可调电流源It3的结构类似于It2，所不同的是It3是从FB3点拉电流。温度补偿电路300和图2所示的温度补偿电路200的基本原理类似，通过温度比较器阵列输出的逻辑信号控制It3在不同的温度区间输出大小和温度系数不同的电流，从而产生大小和温度系统不同的补偿电压VADJ3，所不同的是，由于参考电压的温度补偿电路300中VBG3X和VADJ3是相加关系，所以VADJ3是一个分段线性开口向上的曲线。根据以上描述，本专业领域人员可容易地得到实现VADJ3补偿VBG3X的细节，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种参考电压的温度补偿电路，包括运算放大器，第一反馈电阻、第二反馈电阻，其中第一反馈电阻一端接运算放大器的输出端，第一反馈电阻的另一端接第二反馈电阻的一端，并与运算放大器的负输入端连接；第二反馈电阻的第二端口接地；运算放大器的正输入端接一个预先设定的输入参考电压，运算放大器输出端得到输出参考电压；其特征在于所述温度补偿电路包括一路可调电流源和一个温度比较器，其中可调电流源的一端接至第一反馈电阻和第二反馈电阻的连接点；温度比较器接于可调电流源，可至少感知一个预设的触发温度点，所述触发温度点是温度补偿电路工作温度范围中的温度点，根据所述触发温度点将电路工作温度范围分成至少两段温度区间；当温度比较器检测到工作温度分别处于这两段温度区间时，温度比较器输出控制逻辑信号给可调电流源，温度比较器控制可调电流源的输出电流，使得该电流和第一反馈电阻或第二反馈电阻的乘积得到的补偿电压在至少一段温度区间内可以抵消预设输入参考电压经运算放大器和第一/第二反馈电阻调整后的电压随温度的变化。 

2.如权利要求1所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于所述可调电流源输出电流至运算放大器的负输入端，补偿电压和输入参考电压在至少一个温度区间具有相同极性的温度系数。 

3.如权利要求1所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于所述可调电流源从运算放大器的负输入端拉电流，补偿电压和输入参考电压在至少一个温度区间具有相反极性的温度系数。 

4.如权利要求1所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于所述可调电流源输出电流由一PTAT类型的电流和一CTAT类型的电流相加而成，且根据温度比较器输出的逻辑信号调整上述两种电流的比例。 

5.如权利要求4所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于所述PTAT类型的电流由一带隙电压偏置一个电阻产生，该电阻和第一反馈电阻是相同类型；所述CTAT类型的电流由三极管VBE电压偏置一个电阻产生，该电阻和第一 反馈电阻是相同类型。 

6.如权利要求1所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于第一反馈电阻和/或第二反馈电阻采用PPOLY电阻。 

7.如权利要求1所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于所述温度比较器至少包括一个预设的触发温度点，该温度点在该温度补偿电路工作温度范围的中间点，将工作温度范围分成两段，且控制所述补偿电压在上述触发温度点两侧对称。 

8.如权利要求7所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于上述触发温度点位于20－30°之间。 

9.如权利要求1所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于所述参考电压的温度补偿电路还包括另外两个温度比较器，预设不同的两个触发温度点；三个触发温度点一起可将工作温度范围分为等分的四段温度区间；所述参考电压的温度补偿电路还设置有另外四个温度比较器，预设不同的四个触发温度点；五个触发温度点一起可将工作温度范围分为等分的六段温度区间。 

10.如权利要求1所述的参考电压的温度补偿电路，其特征在于所述温度比较器包含一个PTAT类型的拉/灌电流和一个CTAT类型的灌/拉电流，且接成一个支路；电流相接处接一个缓冲器输出逻辑信号；调整上述两种类型电流的大小比例使得其在工作温度范围内至少有一个大小相等的交点，则该交点所处的温度点就是触发温度点。