CN105159381B - 一种具有指数补偿特性的带隙基准电压源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子电路技术领域，具体的说涉及一种具有指数补偿特性的带隙基准电压源。本发明的主要技术方案，提供了一种简单高效的指数补偿方式，第一电阻的电流为PTAT电流，所以第一电阻上的压降会随着温度的升高而增加。第六、七三极管的电流随着温度的升高而增加，从而使得第二电阻的电流也随着温度的升高而增加，而且低的第二电阻的电流为第一电阻的电流和第六、七三极管的电流之和，这就等价于第二电阻的阻值随着温度的升高而增加，即通过这种补偿方式补偿了VBE的高阶项，这种补偿方式只用了两个电阻，调节阻值时比较方便，可以得到更加适合自己用途的带隙基准电压，结构简单，节约成本。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体的说涉及一种具有指数补偿特性的带隙基准电压源。
背景技术
高精度的电压源在集成电路中的应用相当广泛，是大部分模拟及混合电路中不可缺少的部分，如模数转换器(ADC)、开关电源技术(DC-DC)、低压差线性稳压器(LDO)。在这些电路中电压源作为比较器的基准，其精度直接影响到整个电路的精度和性能。
在诸多产生基准电压的电路中，带隙基准具有温度系数小，电源抑制比高，精度高，与CMOS工艺兼容等优点，具体原理是通过具有正的温度系数电压与具有负的温度系数电压相加得到温度系数很小的输出电压。传统的带隙基准源如图1所示，其基本原理如下：两个三极管Q1和Q2的面积比为1比N，并且由于电流镜M1和M2的存在，Q1、Q2中流过相同的电流，这个电流正比于温度，称为PTAT(proportional to absolute temperature)电流，具有正的温度系数，这样就在电阻R1上形成了和温度成正比的电压：
其中，K为玻尔兹曼常数，T为温度，q是电子电荷量。这个电压经过M5以一定的比例转化到电阻R2之上。
而三极管Q3的发射结电压和温度的关系虽然很复杂，但经过合理的近似之后大致呈现和温度成反比关系。这样：
其中，VBE3为三极管的基极-发射极电压。从而输出电压就是一个与温度成正比的电压和一个与温度成反比的电压之和。通过调整R2和R1的比例就可以使VREF表现出零温系数。当然，这是在忽略了VBE中的高阶项得到的结果。
实际上VBE不仅存在负的一次项，还存在负的高次项，而图1的基准源只考虑了其一次项，所以随着温度的上升，最终输出的温度系数是由正变负的。
目前所提出的二次或高次补偿结构的电压源，虽然能取得一定的效果，但是这些结构通常为通过在传统的带隙基准电路上添加很多电阻、晶体管等原件，而且还要对图1所示的基本框架做改变来实现，因此存在电路结构复杂以及成本较高的问题。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种具有指数补偿特性的带隙基准电压源。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有指数补偿特性的带隙基准电压源，如图2所示，包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7、第八三极管Q8、第九三极管Q9、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；第一PMOS管M1的源极接电源，其栅极接第二PMOS管M2的栅极，其漏极接第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的发射极、第三三极管Q3的发射极和第九三极管Q9的基极；第一三极管Q1的基极接第二三极管Q2的集电极和第四三极管Q4的集电极，其集电极接第一NMOS管M3的漏极；第一NMOS管M3的栅极和漏极互连，其源极接地；第二三极管Q2的基极接第三三极管Q3的基极；第三三极管Q3的基极和集电极互连，其集电极接第五三极管Q5的集电极；第五三极管Q5的基极接第四三极管Q4的基极，其发射极依次通过第一电阻R1和第二电阻R2后接地；第四三极管Q4的发射极通过第二电阻R2后接地；第六三极管Q6的集电极接电源，其基极和发射极互连，其发射极接第七三极管Q7的基极；第七三极管Q7的集电极接电源，其发射极通过第二电阻R2后接地；第九三极管Q9的集电极接电源，其发射极接第八三极管Q8的基极；第九三极管Q9的发射极通过第四电阻R4后接第二NMOS管M4的漏极；第二NMOS管M4的栅极和漏极互连，其源极接地；第二PMOS管M2的源极接电源，其栅极和漏极互连，其漏极接第八三极管Q8的集电极；第八三极管Q8的发射极通过第三电阻R3后接地；第四三极管Q4基极、第五三极管Q5基极、第八三极管Q8基极、第九三极管Q9发射极与第四电阻R4的连接点为基准电压源的输出端。
发明的有益效果为，提供了一种简单高效的指数补偿方式，第一电阻的电流为PTAT电流，所以第一电阻上的压降会随着温度的升高而增加。第六、七三极管的电流随着温度的升高而增加，从而使得第二电阻的电流也随着温度的升高而增加，而且低的第二电阻的电流为第一电阻的电流和第六、七三极管的电流之和，这就等价于第二电阻的阻值随着温度的升高而增加，即通过这种补偿方式补偿了VBE的高阶项，这种补偿方式只用了两个电阻，调节阻值时比较方便，可以得到更加适合自己用途的带隙基准电压，结构简单，节约成本。
附图说明
图1为传统带隙基准示意图；
图2为本发明带隙基准电压的示意图。
具体实施方式
本发明呈现的带隙基准电压源用非常简单的方式实现了指数补偿，并且只需对传统带隙基准结构稍微改动，实现简单，可以得到较好的补偿效果。为了使本发明的目的、技术方案和相对于其他的基准电压的特点更加清晰，下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明的一种具有指数补偿特性的带隙基准电压源，如图2所示，包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7、第八三极管Q8、第九三极管Q9、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；第一PMOS管M1的源极接电源，其栅极接第二PMOS管M2的栅极，其漏极接第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的发射极、第三三极管Q3的发射极和第九三极管Q9的基极；第一三极管Q1的基极接第二三极管Q2的集电极和第四三极管Q4的集电极，其集电极接第一NMOS管M3的漏极；第一NMOS管M3的栅极和漏极互连，其源极接地；第二三极管Q2的基极接第三三极管Q3的基极；第三三极管Q3的基极和集电极互连，其集电极接第五三极管Q5的集电极；第五三极管Q5的基极接第四三极管Q4的基极，其发射极依次通过第一电阻R1和第二电阻R2后接地；第四三极管Q4的发射极通过第二电阻R2后接地；第六三极管Q6的集电极接电源，其基极和发射极互连，其发射极接第七三极管Q7的基极；第七三极管Q7的集电极接电源，其发射极通过第二电阻R2后接地；第九三极管Q9的集电极接电源，其发射极接第八三极管Q8的基极；第九三极管Q9的发射极通过第四电阻R4后接第二NMOS管M4的漏极；第二NMOS管M4的栅极和漏极互连，其源极接地；第二PMOS管M2的源极接电源，其栅极和漏极互连，其漏极接第八三极管Q8的集电极；第八三极管Q8的发射极通过第三电阻R3后接地；第四三极管Q4基极、第五三极管Q5基极、第八三极管Q8基极、第九三极管Q9发射极与第四电阻R4的连接点为基准电压源的输出端。
本发明的电路体包括带隙基准部分、补偿部分，其中，带隙基准部分包括第一PMOS管M1，第二PMOS管M2，第一NMOS管M3，第二NMOS管M4，第一三极管Q1，第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5，第八三极管Q8，第九三极管Q9，第一电阻R1，第二电阻R2,第三电阻R3，第四电阻R4。M1的源极、Q9的集电极接电源VDD，栅极接M2的栅极、漏极和Q8的集电极，漏极接Q1、Q2、Q3的发射极、Q9的基极，Q2、Q3的基极与Q3的集电极、Q5的集电极相连，Q2、Q4的集电极与Q1的基极相连，Q1的发射极接M3的栅极和漏极，M3的源极接地，Q4、Q5、Q8的基极、Q9的发射极与R4的一端相连到输出，R4另一端与M4的栅极、漏极相连，M4源极接地，Q5的发射极与R1的一端相连，Q4的发射极、R2的一端与R1的另一端相连，R2的另一端接地，Q8的发射极与R3的一端相连，R3的另一端与地相连。
补偿部分包含第一三极管Q1，第六三极管Q6，第七三极管Q7，第三NMOS M3。Q6、Q7的集电极接电源VDD，Q6基极、发射极接Q7基极，Q7发射极接Q4发射极，Q1发射极接Q2发射极，Q1基极接Q2基极，Q1集电极接M3栅极和漏极，M3源极接地。
具体补偿原理为：流过R2的电流随着温度的升高而线性增加，即是PTAT电流，那么R2上的电压也会随着电流的增加而增加。Q1的作用是避免流过Q4和Q5的电流不匹配。随着温度的升高，Q7的电流也增加，流过R2的电流也会随着温度的增加而增加，等价于R2的阻值随着温度上升而增加。可以看出通过这种方式，补偿了VBE中负的高阶项，即实现指数补偿。
流过R2的电流为：
IR2＝IQ7+2IPTAT
其中IQ7的电流为：
其中，C为一常数，η是一与温度无关的工艺决定的常数，β是与温度无关的常量，ΔEG是三极管发射区带隙能量的衰减因子，Vg0是温度为0K时三极管的基极-发射极电压。
IQ7增加使得IR2增加，输出电压为：
VREF＝VBE+2PTAT*R2+IQ7*R2
通过增加IQ7来补偿随着VBE中负的高阶项，从而仅仅使用两个三极管就实现了高阶补偿，同时避免了使用消耗大面积的电阻，相对于其他的补偿方式，本高阶方案完全使用有源器件，在集成电路中易于实现、精度、面积小。
这里的带隙基准源也包括启动电路，启动电路的启动输出端与基准电压源的输出端相连，启动电路在基准电压建立之前为整个电路提供电流，到基准电压建立之后，启动电路关断，由基准产生的电流为其他电路提供偏置，其余不再赘述。
Claims (1)
1.一种具有指数补偿特性的带隙基准电压源，包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7、第八三极管Q8、第九三极管Q9、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；第一PMOS管M1的源极接电源，其栅极接第二PMOS管M2的栅极，其漏极接第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的发射极、第三三极管Q3的发射极和第九三极管Q9的基极；第一三极管Q1的基极接第二三极管Q2的集电极和第四三极管Q4的集电极，其集电极接第一NMOS管M3的漏极；第一NMOS管M3的栅极和漏极互连，其源极接地；第二三极管Q2的基极接第三三极管Q3的基极；第三三极管Q3的基极和集电极互连，其集电极接第五三极管Q5的集电极；第五三极管Q5的基极接第四三极管Q4的基极，其发射极依次通过第一电阻R1和第二电阻R2后接地；第四三极管Q4的发射极通过第二电阻R2后接地；第六三极管Q6的集电极接电源，其基极和发射极互连，其发射极接第七三极管Q7的基极；第七三极管Q7的集电极接电源，其发射极通过第二电阻R2后接地；第九三极管Q9的集电极接电源，其发射极接第八三极管Q8的基极；第九三极管Q9的发射极通过第四电阻R4后接第二NMOS管M4的漏极；第二NMOS管M4的栅极和漏极互连，其源极接地；第二PMOS管M2的源极接电源，其栅极和漏极互连，其漏极接第八三极管Q8的集电极；第八三极管Q8的发射极通过第三电阻R3后接地；第四三极管Q4基极、第五三极管Q5基极、第八三极管Q8基极、第九三极管Q9发射极与第四电阻R4的连接点为基准电压源的输出端。
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