CN105204564A - 一种低温度系数基准源电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温度系数基准源电路，其特征在于：包括可变换阻值的电阻R0、R1、R2、R3、R4，场效应管M1、M2、M3，运算放大器，二极管，所述基准源电路利用ΔVBE的正温度系数作为温度传感器。所述的带隙电路设置可根据温度分段改变电阻阻值的分段模块，当环境温度发生变化时,ΔVBE发生改变，然后分段判断模块中的比较器将ΔVBE和参考电压进行比较，确定将环境温度划分的区间数，最后根据比较器的输出结果调整相对应的比例电阻的阻值。本发明与现有技术相比，其通过将电路的工作温度进行分段，同时改变阻值的大小以去除电压偏离，令温度系数对输出电压的影响降至最低。

Description

一种低温度系数基准源电路

技术领域

本发明涉及一种通用CMOS芯片中基准源电路的设计，具体为低温度系数的基准源电路。

背景技术

电压基准,电流基准和时间基准等在模拟电路和混合电路芯片中被广泛的应用,多数的模拟电路都需要电压基准,例如模数转换器,温度传感器,电源管理电路等等.绝大多数的模拟电路所采用的电压基准都是利用带隙基准电路加以实现，由于这种结构中VBE的温度系数并不是个常数，具有一定的曲率，因此最后输出的电压通常具有一定的温度系数，未经特殊技术改进的输出电压往往有>10ppm/℃的温度系数。为了在某些特定的场合得到更低的温度系数，近几十年来不断的有各种研究和方法来改善这个温度系数，例如例用电阻的温度特性改善温度系数，或者在某些节点施加额外的电流或者电压来改善低温段和高温段的温度系数，目前所能打到的温度系数大都>1ppm/℃，依然不能满足需要。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种电路结构，令输出电压的温度系数能够达到1ppm/℃以下。

技术方案：本发明采用如下技术方案实现：

一种低温度系数基准源电路，其特征在于：包括可变换阻值的电阻R0、R1、R2、R3、R4，场效应管M1、M2、M3，运算放大器，二极管，场效应管M1、M2、M3的源极相互连接、漏极相互连接，M1的源极连接R1的一端，M2的源极连接R2的一端，M3的源极连接R3的一端，R1、R2的另一端接地，R3的另一端上串联R4后接地，运算放大器的两个输入端分别连接两个二极管的正端，运算放大器的输出端连接于M1与M2的漏极之间，两个二极管的负端接地。

所述基准源电路利用ΔVBE的正温度系数作为温度传感器。

所述的带隙电路设置可根据温度分段改变电阻阻值的分段模块，当环境温度发生变化时,ΔVBE发生改变，然后分段判断模块中的比较器将ΔVBE和参考电压进行比较，确定将环境温度划分的区间数，最后根据比较器的输出结果调整相对应的比例电阻的阻值。

有益效果：本发明与现有技术相比，其通过将电路的工作温度进行分段，同时改变阻值的大小以去除电压偏离，令温度系数对输出电压的影响降至最低。

附图说明

图1为基准源电路结构示意图；

图2为本发明电压输出示意图；

图3为本发明逻辑框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：

本发明涉及了一种基准源电路，更加具体的来说，是一种低温度系数的带隙基准源电路，其包括电阻R0、R1、R2、R3、R4，场效应管M1、M2、M3，二极管，功放，场效应管M1、M2、M3的源极相互连接、漏极相互连接，M1的源极连接R1的一端，M2的源极连接R2的一端，M3的源极连接R3的一端，R1、R2的另一端接地，R3的另一端上串联R4后接地，运算放大器的两个输入端分别连接两个二极管的正端，运算放大器的输出端连接于M1与M2的漏极之间，两个二极管的负端接地。

为了保证温度系数对输出电压的影响达到最小，本发明中所述输出电压为分段输出，更具体的说，是将具体的工作温度的进行分段，尤其是在低温段和高温段这两个对输出电压影响明显的温度段，对这两个温度段，采取拼接的方式，即在每个温度段的电压输出曲线中截取受温度影响小的一段，这样在全温度范围内均可获得较优质的输出电压。

具体来说，原理如下：

正向偏置的二极管的电流电压公式可以写成如下形式

$Ic=\frac{{\mathrm{\σAT}}^{\mathrm{\σ}}\exp \left(q\right(Vbe-VG\left)\right)}{kT}$

这里T是绝对温度，A是结面积，γ和σ都是与温度无关的常数。这样

$Vref=\frac{R4}{R0}\frac{kT}{q}\ln \frac{A2}{A1}+\frac{R4}{R1}\[\frac{kT}{q}\ln \left(\frac{k\ln (A2/A1)}{qR0\mathrm{\σ}A1T^{\mathrm{\γ}-1}}\right)+VG\]$

其中A1和A2是两个二极管的结面积，将上面的公式写为以温度为变量的形式得到

Vref(T)＝CO+C1T+C2TlnT

其中

C0＝VGR4/R1

$C1=\frac{R4}{R0}\frac{k}{q}\ln \frac{A2}{A1}+\frac{R4}{R1}\frac{k}{q}ln\left(\frac{k\ln (A2/A1)}{qR0\mathrm{\σ}A1}\right)$

$C2=-(\mathrm{\γ}-1)\frac{R4}{R1}\frac{k}{q},$

从上面的公式可以得到当温度系数为零时，即电压曲线为拐点时的温度为

T＝exp(-C1/C2-1)，

可以从上面的公式看到Vref在高温段和低温段都有一定的电压偏离，这里我们将采用多段拼接的方法在全温度范围内达到较小的温度系数，为了实现多段的拼接，需要在不同段调节电路的参数，这里R0-R4会根据不同的温度段进行调整，在不同温度段中R0-R4的取值可以根据仿真得到。具有R0-R4可调节的带隙基准电路需要配上自动调整逻辑才能实现不同温度段内的自动切换，这里，需要利用ΔVBE的正温度系数作为温度传感器，做多段的电压比较来实现.例如通常带隙基准源需要工作在-40℃～125℃的工作范围内,而在全温度范围内大概产生2％的电压偏差，即约125ppm/℃.电压偏离的较大点通常分布在温度的两端。我们知道ΔVBE和环境温度成正比为KTlnN/q。其中N为两个二极管面积的比例，当N＝25时在常温下此值约为80mV。

Claims (3)

1.一种低温度系数基准源电路，其特征在于：包括可变换阻值的电阻R0、R1、R2、R3、R4，场效应管M1、M2、M3，运算放大器，二极管，场效应管M1、M2、M3的源极相互连接、漏极相互连接，M1的源极连接R1的一端，M2的源极连接R2的一端，M3的源极连接R3的一端，R1、R2的另一端接地，R3的另一端上串联R4后接地，运算放大器的两个输入端分别连接两个二极管的正端，运算放大器的输出端连接于M1与M2的漏极之间，两个二极管的负端接地。

2.根据权利要求1所述的基准源电路，其特征在于：所述基准源电路利用ΔVBE的正温度系数作为温度传感器。

3.根据权利要求1所述的基准源电路，其特征在于：所述的带隙电路设置可根据温度分段改变电阻阻值的分段模块，当环境温度发生变化时,ΔVBE发生改变，然后分段判断模块中的比较器将ΔVBE和参考电压进行比较，确定将环境温度划分的区间数，最后根据比较器的输出结果调整相对应的比例电阻的阻值。