CN105739596B - 一种应用二次正温度系数补偿的高精度基准电压源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度的基准电压源电路，包括依次电连接的启动电路、PTAT电流产生电路和基准电压产生电路；所述启动电路用于产生电路开始的启动信号，使得整个PTAT电流产生电路和基准电压产生电路完全打开，进而自行关闭启动电路；所述PTAT电流产生电路用于产生与正温度成比例系数的参考电流；所述基准电压产生电路：用于产生与温度无关的高精度基准电压。本发明最核心的地方在于基准电压产生在传统的正温度系数相互补偿的基础上再嵌入两项正温度系数补偿项，有效地提高了基准电压调节范围，高效地补偿一次项调节带来的误差，最终有效地提高了基准电压的精度。本发明还大大简化了电路的结构，降低了功耗，提高了抗高频电源纹波干扰的能力。

Description

一种应用二次正温度系数补偿的高精度基准电压源电路

技术领域

本发明涉及基准电压源电路领域，更具体地，涉及一种高精度的基准电压源电路。

背景技术

随着集成电路和工艺的发展，一种精确的基准源在电路中变得越来越重要，模拟电路的性能在很大程度上需要性能稳定的电流和电压偏置电路来支撑，基准源的性能会在一定程度上影响到整个电路的功耗、电源抑制比、开环特性及温度特性等等。同时基准电压源广泛应用于A/D和D/A转换器、数据采集系统、电压调节器以及各种电子测量设备，其精度和稳定性直接决定了整个系统的精度，进而影响整个设备的抗干扰能力。

无论在ADC、DAC，还是在DRAM、FLASH设计中，低温度系数、低功耗的基准源设计是十分关键的。一般而言，CMOS电路的特性受温度的影响较大，因此基准电压源的温度稳定性直接决定了整体电路的性能。随着纳米集成电路技术的不断发展，工艺的不断提高，集成电路的电源电压越来越低。所以此时基准电压源设计也面临低压和温度的高稳定性的双面挑战。

传统的基准电压源电路在-20～120℃的温度范围内能产生温度系数为10^-4V/℃的基准电压，有的基准电压源甚至不能在低温场所特别是0℃以下使用，使其应用场所受到很大的限制。而且由于电路中存在运算放大器，基准源的指标在很大程度上受到运放失调电压(Offset)、电源电压抑制比(PSRR)、单电源电压等限制，要想进一步提高电路的性能需在电路结构上进行改进。采用负反馈电路取代运算放大器，利用MOS管电流镜复制获得精确的镜像电流，经三极管的基极得到了在-40℃～120℃温度范围内具有2*10^-5V/℃的温度系数的基准电压。

早期开始电压基准源就有很多种，其中带隙基准电压源的输出电压及电流几乎不受温度和电源电压变化的影响，这就使得片内集成的带隙基准电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键组成部分，并且也得到了大量的应用。

带隙基准电压源的实现是由两个具有完全互补温度特性的电压相加实现的。一般方法是在一个随温度上升而下降的具有负温度系数的电压加上一个随温度上升而上升的具有正温度系数的电压，从而实现输出电压的零温度系数。在带隙基准电压源中，是由具有正温度系数的热电压V_T和具有负温度系数的双极晶体管基极一发射极电压V_BE相加构成。在半导体工艺的各种不同器件参数中，双极晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性，并且具有能提供正温度系数和负温度系数的严格定义的量，双极电路形成了这类电路的核心。双极晶体管在标准COMS工艺中的实现是通过n阱工艺来得到的。在n阱工艺中，PNP晶体管n阱中的P+区作为发射极，n阱本身作为基区，p型衬底作为集电区，并且必然接到最负的电源(通常为地)。

传统的带隙基准电压源的原理图由图1所示，其工作原理是，晶体管Q2的发射极面积设计为Q1的m倍，Ml、M2、M3和M4四个CMOS晶体管保证了Q1和Q2的发射极电流相同，所以两个双极晶体管的电流密度比近似为m，所以产生了PTAT电流I_D5。其基准带隙电压产生的思想是将PTAT电压I_D5R₂加到基极一发射极电压上，因此输出电压等于：

调节电阻R1、R2的值和m的大小使得约等于17.2，这样就得到了低温度系数的基准电压，大约为1.25V。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高精度的基准电压源电路，有效地提高了基准电压的精度，大大简化了电路的结构，降低了功耗，提高了抗高频电源纹波干扰的能力。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种高精度的基准电压源电路，所述的基准电压源电路包括依次电连接的启动电路、PTAT(正温度系数)电流产生电路和基准电压产生电路；

所述启动电路用于产生电路开始的启动信号，使得整个PTAT电流产生电路和基准电压产生电路完全打开，进而自行关闭启动电路；

所述PTAT电流产生电路用于产生与温度成正比例系数的参考电流；

所述基准电压产生电路：用于产生与温度无关的高精度基准电压。

在一种优选的方案中，所述的PTAT电流产生电路包括由两对共源共栅结构

的PMOS管P1、P2和P3、P4组成的电流镜，以及由NMOS管N1、NMOS

管N2、PMOS管P5、PMOS管P6、电阻R1构成的KVL环；

两对共源共栅结构电流镜P1、P2和P3、P4都工作在饱和区，第一组是P1和P2，其中P1和P2的源级接电源，栅极相互连接，并且PMOS管P2采用二极管连接的方式，即栅极和漏极短接；第二组是P3和P4，其中P3和P4的栅极互相连接，P3的源级连接P1的漏极，P4管采用二极管的连接方式，即栅极和漏极短接，同时P4管的源级和P2管的漏极相连；

所述KVL环包括N1和P5构成的左支路和N2、R1和P6构成的右支路，其中N1和N2的栅极相连接得到A节点，A节点为PTAT电流产生电路的输入端，NMOS管N1采用二极管连接方式，即N1的栅极和漏极连接，N1的漏极还和P3的漏极相连接，N2的漏极和P4的漏极相连接，P5和P6的栅极相连接得到节点B，节点B接地，PMOS管P5、P6采用二极管连接方式，即P5、P6的栅极和漏极连接，P5的源级和N1源级相连接，R1为正温度系数电流产生电阻，其两端分别与N2和P6的源级相连接。

在一种优选的方案中，所述的基准电压产生电路包括两组共源共栅结构的

PMOS管、ΔV_GS产生电路、基准电压生成电路；

两组共源共栅结构的PMOS管包括PMOS管P7、P8、P9和P10，第一组是P7和P9，其中P7的源级和电源连接，P7的漏极和P9源级连接，P7的栅极与P2的栅极相连接，P9的栅极与P4的栅极相连接；第二组是P8和P10，其中P8的源级和电源连接，P8的漏极和P10的源级相连接，P8的栅极和P2的栅极相连接，P10的栅极和P4的栅极相连接；

所述的ΔV_GS产生电路由NMOS管N3和N4组成，其中N3和N4的栅极都连接在N3的漏极，N3的漏极还与P9的漏极连接，N3的源级和N4的漏极相连接，N4的源级接地；

所述的基准电压生成电路由电阻R2和NMOS管N5构成，其中N5采用二极管的连接方式，即N5的栅极和漏极短接后还与P10的漏极连接，N5的漏极引出基准电压输出端，电阻R2的两端分别和N5与N3的源级相连接。

在一种优选的方案中，所述的启动电路包括由PMOS管PS1和电容CS构成的充电支路、PMOS开关管PS2。

充电支路由PMOS管PS1和电容CS构成，其中PS1的源级和电源连接，栅极与地相连接，电容CS的两端分别与地和PMOS管PS1的漏极相连接；

所述的PMOS管PS2的源级和电源连接，PS2栅极与PS1的漏极连接，应用于关断启动电路，PS2的漏极为启动电路的输出端，其与PTAT电流产生电路的输入端连接，即与A节点连接。在电源上电后，充电支路开始充电，同时PS2导通，打开了基准源电路，使之工作，待电容充电达到一定时间端电压达到一定值，关闭PS2管，启动电路关闭。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明主要采用两次正温度系数补偿，由于一般的温度系数补偿，通过一个正温度系数和一个负温度系数调节达到相互补偿的目的，但由于一次系数变量调节范围小、调节可控性差，所以导致精度低。本发明通过一个基尔霍夫(KVL)环产生一个更精确正温度系数的参考电流，该电流由四个CMOS管来调节，取代了以往基准源电路两个管子调节带来的精度差、范围窄的缺点，同时在架构公式中，通过增加两个正温度系数补偿项，嵌入的二个正温度补偿系数更有效地提高了基准电压的精度。另外在电流镜结构中，采用共源共栅的结构有效地提高了基准电压的PSRR，从而很好提高基准源的抗干扰能力。

本发明公开的基准源电路是用于开关开源、LDO、ADC/DAC转化器等各种电子设备中，与传统的基准电压源电路相比较，首先是结构上的简单，避免了传统结构中电压钳位放大器的使用，所以有效避免结构烦琐，同时亚阈值工作区间的CMOS管很好地降低了系统的功耗；其次在于应用了基尔霍夫环，使得产生的PTAT电流更精确，有效地摆脱钳位放大器的使用；本发明最大优点在于使用了正温度系数补偿，通过两个正温度系数补偿项，提高了温度调节的范围，最终有效提高了基准电压的精度。

附图说明

图1为现有技术中用带隙基准原理产生的基准电压源电路图。

图2为本发明高精度的基准电压源电路的电路原理图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图2所示，一种高精度的基准电压源电路，所述的基准电压源电路包括依次电连接的启动电路、PTAT电流产生电路和基准电压产生电路；

所述启动电路用于产生电路开始的启动信号，使得整个PTAT电流产生电路和基准电压产生电路完全打开，进而自行关闭启动电路；

所述PTAT电流产生电路用于产生与温度成正比例系数的参考电流；

所述基准电压产生电路：用于产生与温度无关的高精度基准电压。

在具体实施过程中，所述的PTAT电流产生电路包括由两对共源共栅结构的PMOS管P1、P2和P3、P4组成的电流镜，以及由NMOS管N1、NMOS管N2、PMOS管P5、PMOS管P6、电阻R1构成的KVL环；

两对共源共栅结构电流镜P1、P2和P3、P4都工作在饱和区，第一组是P1和P2，其中P1和P2的源级接电源，栅极相互连接，并且PMOS管P2采用二极管连接的方式，即栅极和漏极短接；第二组是P3和P4，其中P3和P4的栅极互相连接，P3的源级连接P1的漏极，P4管采用二极管的连接方式，即栅极和漏极短接，同时P4管的源级和P2管的漏极相连；

所述KVL环包括N1和P5构成的左支路和N2、R1和P6构成的右支路，其中N1和N2的栅极相连接得到A节点，A节点为PTAT电流产生电路的输入端，NMOS管N1采用二极管连接方式，即N1的栅极和漏极连接，N1的漏极还和P3的漏极相连接，N2的漏极和P4的漏极相连接，P5和P6的栅极相连接得到节点B，节点B接地，PMOS管P5、P6采用二极管连接方式，即P5、P6的栅极和漏极连接，P5的源级和N1源级相连接，R1为正温度系数电流产生电阻，其两端分别与N2和P6的源级相连接。

在具体实施过程中，所述的基准电压产生电路包括两组共源共栅结构的

PMOS管、ΔV_GS产生电路、基准电压生成电路；

两组共源共栅结构的PMOS管包括PMOS管P7、P8、P9和P10，第一组是P7和P9，其中P7的源级和电源连接，P7的漏极和P9源级连接，P7的栅极与P2的栅极相连接，P9的栅极与P4的栅极相连接；第二组是P8和P10，其中P8的源级和电源连接，P8的漏极和P10的源级相连接，P8的栅极和P2的栅极相连接，P10的栅极和P4的栅极相连接；

所述的ΔV_GS产生电路由NMOS管N3和N4组成，其中N3和N4的栅极都连接在N3的漏极，N3的漏极还与P9的漏极连接，N3的源级和N4的漏极相连接，N4的源级接地；

所述的基准电压生成电路由电阻R2和NMOS管N5构成，其中N5采用二极管的连接方式，即N5的栅极和漏极短接后还与P10的漏极连接，N5的漏极引出基准电压输出端V_REF，电阻R2的两端分别和N5与N3的源级相连接。

在具体实施过程中，所述的启动电路包括由PMOS管PS1和电容CS构成的充电支路、PMOS开关管PS2。

充电支路由PMOS管PS1和电容CS构成，其中PS1的源级和电源连接，栅极与地相连接，电容CS的两端分别与地和PMOS管PS1的漏极相连接；

所述的PMOS管PS2的源级和电源连接，PS2栅极与PS1的漏极连接，应用于关断启动电路，PS2的漏极为启动电路的输出端，其与PTAT电流产生电路的输入端连接，即与A节点连接。

本发明高精度的基准电压源电路的工作原理为：

上电后，启动电路开始工作，首先从电源到PS1再到电容CS组成的支路工作，CS开始充电，电压逐渐增加，所以PS2的栅极电压逐渐升高，此时右边的PTAT电流产生电路工作，当电容充电到一定时间后，PS2栅极电压达到使PS2管关闭，从而关闭启动电路。

进一步，本发明所述的PTAT电流产生电路，所述的电流镜电路包括P1、P2、P3和P4，设置P1、P2、P3和P4的宽长比为：从而流过两条支路的电路相等，设为I_D。

所述的一个KVL环通过由N1、P5、N2、R1和P6组成用于产生正温度系数的参考电流，调节四个CMOS管的宽长比等参数使得都工作在亚阈值饱和区，对于KVL环，A点到B点从左边支路看，从右边支路看所以

对于工作在亚阈值区的CMOS管，流过管子的漏极电流为：

其中V_T为CMOS管的热电压，ζ为亚阈值斜率因子。

设置P1、P2、P3和P4的宽长比为：将(2)代入(1)从而得到公式：

化简可得：

进一步所述的基准电压产生电路，包括两组共源共栅结构的PMOS管、ΔV_GS产生电路、基准电压生成电路。

所述的两组共源共栅结构PMOS管P7、P8、P9和P10用于和同类型结构P2、P4组成电流镜，设置这六个PMOS管的宽长比为：

可得流过P8、P9两条支路的电流为：I_DN3＝mI_D；I_DN5＝nI_D。

所以

I_DN4＝I_DN3+I_DN5＝(m+n)I_D (4)

所述的ΔV_GS产生电路由图2所示的架构连接，调节各MOS管的比例是的N4和N5都工作在亚阈值区间，可以看出：

对于工作在亚阈值区的CMOS管，其栅源级电压等于：

把(6)式代入(5)式可得：

化简得到：

所述的基准电压生成电路，由N4管的漏源级压降、电阻R2的压降和N5的栅源级电压累加，其中NMOS管N5采用了二极管的连接方式，故工作在饱和区，所以可得基准电压的表达式为：

把(3)、(6)、(7)式代入到(8)式中得：

在CMOS的SMIC0.18um工艺中，可知热电压为：

其中k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；q为电子电荷。

对于工作在绝对温度T下的CMOS管阈值电压为：

V_TH＝V_TH0-α(T-T₀) (11)

V_TH是一个与负温度成比例的阈值电压，其中V_TH0为常温下的基准阈值电压，T₀为常温的基准温度，α为阈值电压的温度系数，是一个常数，大小在1.5～2mV/℃之间。

对于对于沟道器件的表面迁移率关于温度的表达式为：其中u₀为常温下的基准表面迁移率，k为流动性指数，大小受工艺技术的影响不同，其大小一般在0.5到1.6之间，利用长沟道调制效应调节使得k＝1，即

把(10)(11)(12)代入到(9)式中可得：

其中：

在工艺确定的情况下，通过调节CMOS管N1、N2、N3、N4、P5、P6的宽长比和电阻R1、R2的大小使得：α＝β

最终可得与温度无关的高精度基准电压为：

V_REF＝V_TH0+αT₀ (14)

综上所述，本发明利用基尔霍夫环得到更为精确的关于正温度系数的参考电流，此参考电流也由传统的两个CMOS管调节变为四个CMOS管调节，有效的提高了调节的效率和准度，同时此结构避免使用了用于钳位电压的放大器，大大简化了电路的结构；本发明由于部分CMOS管工作在亚阈值区所以有效地降低了电路的功耗，共源共栅电流镜的采用提高了基准电压的PSRR，有效地提高了抗高频电源纹波干扰的能力，本发明最核心的地方在于基准电压产生在传统的正温度系数相互补偿的基础上再嵌入两项正温度系数补偿项，有效地提高了基准电压调节范围，高效地补偿一次项调节带来的误差，最终有效地提高了基准电压的精度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用二次正温度系数补偿的高精度基准电压源电路，其特征在于，所述的基准电压源电路包括依次电连接的启动电路、PTAT电流产生电路和基准电压产生电路；

所述启动电路用于产生电路开始的启动信号，使得整个PTAT电流产生电路和基准电压产生电路完全打开，进而自行关闭启动电路；

所述PTAT电流产生电路用于产生与温度成正比例系数的参考电流；

所述基准电压产生电路：用于产生与温度无关的高精度基准电压；

所述的PTAT电流产生电路包括由两对共源共栅结构的PMOS管P1、P2和P3、P4组成的电流镜，以及由NMOS管N1、NMOS管N2、PMOS管P5、PMOS管P6、电阻R1构成的KVL环；

两对共源共栅结构电流镜P1、P2和P3、P4都工作在饱和区，第一组是P1和P2，其中P1和P2的源级接电源，栅极相互连接，并且PMOS管P2采用二极管连接的方式，即栅极和漏极短接；第二组是P3和P4，其中P3和P4的栅极互相连接，P3的源级连接P1的漏极，P4管采用二极管的连接方式，即栅极和漏极短接，同时P4管的源级和P2管的漏极相连；

所述KVL环包括N1和P5构成的左支路和N2、R1和P6构成的右支路，其中N1和N2的栅极相连接得到A节点，A节点为PTAT电流产生电路的输入端，NMOS管N1采用二极管连接方式，即N1的栅极和漏极连接，N1的漏极还和P3的漏极相连接，N2的漏极和P4的漏极相连接，P5和P6的栅极相连接得到节点B，节点B接地，PMOS管P5、P6采用二极管连接方式，即P5、P6的栅极和漏极连接，P5的源级和N1源级相连接，R1为正温度系数电流产生电阻，其两端分别与N2和P6的源级相连接；所述的基准电压产生电路包括两组共源共栅结构的PMOS管、ΔV_GS产生电路、基准电压生成电路；

两组共源共栅结构的PMOS管包括PMOS管P7、P8、P9和P10，第一组是P7和P9，其中P7的源级和电源连接，P7的漏极和P9源级连接，P7的栅极与P2的栅极相连接，P9的栅极与P4的栅极相连接；第二组是P8和P10，其中P8的源级和电源连接，P8的漏极和P10的源级相连接，P8的栅极和P2的栅极相连接，P10的栅极和P4的栅极相连接；

所述的ΔV_GS产生电路由NMOS管N3和N4组成，其中N3和N4的栅极都连接在N3的漏极，N3的漏极还与P9的漏极连接，N3的源级和N4的漏极相连接，N4的源级接地；

所述的基准电压生成电路由电阻R2和NMOS管N5构成，其中N5采用二极管的连接方式，即N5的栅极和漏极短接后还与P10的漏极连接，N5的漏极引出基准电压输出端，电阻R2的两端分别和N5与N3的源级相连接。

2.根据权利要求1所述的高精度基准电压源电路，其特征在于，所述的启动电路包括由PMOS管PS1和电容CS构成的充电支路、PMOS开关管PS2；

充电支路由PMOS管PS1和电容CS构成，其中PS1的源级和电源连接，栅极与地相连接，电容CS的两端分别与地和PMOS管PS1的漏极相连接；

所述的PMOS管PS2的源级和电源连接，PS2栅极与PS1的漏极连接，应用于关断启动电路，PS2的漏极为启动电路的输出端，其与PTAT电流产生电路的输入端连接，即与A节点连接。