CN105974991B - 具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源，包括一阶带隙核电路和互补温度系数电流产生电路。一阶带隙核电路为基本的一阶温度补偿带隙核电路或低压电流模结构的一阶温度补偿带隙核电路，实现BJT晶体管射极‑基极电压的一阶温度补偿；互补温度系数电流产生电路从一阶带隙核电路中用于产生一阶正温度补偿项的低电流密度BJT晶体管射极抽取互补温度系数电流，从而在一阶带隙核电路中引入正的高阶温度项，补偿BJT晶体管射极‑基极电压中所含有的负高阶温度项，获得与温度无关的输出基准电压。本发明电压源输出基准电压的温度系数低至1 ppm/℃，补偿效果良好，结构简单，适合低电源电压，满足电路和工艺兼容性强、生产后修调简单的要求。

Description

具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源
技术领域
本发明涉及具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源电路，具体涉及一种基于互补温度系数电流抽取的具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源电路，属集成电路设计技术领域。
背景技术
带隙基准电压源作为模拟集成电路中最为普遍和重要的单元，主要用于提供不随温度、电源、工艺等环境变化的基准电压，它的性能直接决定着LDO、DAC以及ADC等模块的精确度。最早提出的带隙基准电压源采用一阶温度补偿方式，称为一阶带隙核电路，其电路原理如图1所示。其中，由运算放大器OP1构成的负反馈环路钳制A、B两点电压相同，从而使得流经PMOS晶体管MP1和MP2的漏极电流相等，且都为BJT晶体管Q1和Q2射极-基极电压之差与电阻R1的比值：
可以看出，该电流与温度成正比例关系(Proportional To AbsoluteTemperature,PTAT)，记为IPTAT。最终的输出基准电压为：
通过调整电阻比例R2/R1，能够使VEB的负一阶温度系数项得到有效补偿。但是需要指出的是，BJT晶体管的射极-基极电压VEB并不是简单的负一阶温度系数电压，而是与温度成互补关系(Complementary To Absolute Temperature,CTAT)，它还包括系数为负的高阶温度项-(η-m)kT/qln(T/T0)：
因此，基于图1的一阶补偿带隙基准电压源所能实现的温度系数最低仅为20ppm/℃，温度漂移仍然较大，需要进行进一步的高阶温度补偿。
为了获得更低(如低至1ppm/℃)的温度系数，现有公知的高阶温度补偿带隙基准电压源所采用的技术方案均是集中于对VEB中的负Tln(T/T0)高阶温度项进行补偿，或通过向具有更小集电极电流密度的PNP型BJT晶体管射极注入互补温度系数电流ICTAT，或者单独引入非线性温度系数电流INL，还有利用NPN型BJT晶体管的共射电流增益β与温度所呈的负指数关系来得到与温度呈高阶关系的电流，进而获得补偿。但是这些方案均存在的不足之处主要体现在：结构很复杂、需要多条支路来实现高阶补偿，同时可能对电源电压有较高的要求，且无法工作在低电源电压压情况下；或者对工艺和环境因素较为敏感，需要采用复杂的生产后修调流程；或者需要采用特殊的深N阱工艺，不适合标准CMOS工艺环境等等。
例如美国发明专利〈Bandgap voltage reference circuit and method forproducing a temperature curvature corrected voltage reference〉(US6828847B1)公开了一种具有高阶温度补偿电路的带隙基准电压源，如图2所示，该发明是通过向具有更小集电极电流密度(也即集电结面积更大)的BJT晶体管Q3注入互补温度系数电流ICTAT，从而在输出电流IOUT中引入正的Tln(T/T0)高阶温度项，以对VEB1中的负高阶温度项进行补偿。该发明虽然能够获得低至1ppm/℃的温度系数，但是它的缺点也非常明显：为了维持负反馈环路的正常工作，由R1和低集电极电流密度BJT晶体管构成的负反馈支路的等效电阻必须足够大，以使负反馈增益大于正反馈环路增益。但向相应的低集电极电流密度BJT射极注入电流后，其对应的射极—地等效电阻相应变小，从而降低了负反馈增益，负反馈环路具有失效的风险。因此不能直接向Q4注入ICTAT，而是需要另外再取一条低集电极电流密度的支路，即向Q3注入ICTAT，为了保持对称，还必须再引入由Q1构成的支路，如此电路变的极为复杂；另外，运放的输入端为两个VEB的叠加(VEB1+VEB2)，而如图1所示的一阶温度补偿方式运放的输入电压仅为一个VEB，因此，该发明对电源电压有了更高的要求，电路无法工作在低电源电压情况下。
中国发明专利《一种带有非线性温度补偿的多路输出带隙基准电路》(CN102591398A)公开了一种基于非线性温度系数电流检测单元的带隙基准电压源，如图3所示。由PMB、PMA、NMB、NMA和NM2构成的温度检测单元对正温度系数电流产生单元中三极管基极与发射极之间的电压进行温度检测，将检测信号转化为正的非线性温度系数电流INL，INL再经由OP2、MN1和R3、R4构成的负反馈环路与VEB中的负非线性温度系数电流进行互补，得到非线性电流补偿的一阶负温度系数电流，该电流再与正温度系数电流相结合，以实现整个温度系数的补偿。专利文献中并未给出该种温度补偿方式的效果，但是由图3可以明显地看出：首先该种高阶温度补偿方式电路较为复杂，需要同时使用温度检测单元和负温度系数产生单元；其次，用于产生正非线性温度系数电流INL的温度检测单元全部由MOS晶体管构成，而现实中MOS晶体管极易受工艺和环境因素的影响，实际生产后的性能会严重偏移设计值，因此，该种补偿方式还需要进行复杂的生产后修调，从而大大增加了电路成本。
中国发明专利《一种指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源》(CN102495659A)公开了利用NPN管的共射电流增益β与温度呈负指数关系而得到与温度呈高阶关系的电流用以补偿VEB中的高阶温度项，如图4所示。通过从一阶带隙核电路中的IPTAT吸取负指数温度关系的基极电流，能够引入正的指数温度系数，以对VEB中的负高阶温度项进行有效补偿。该种高阶温度补偿方式能够获得1.32ppm/℃的温度系数，但是其缺点也非常明显：首先其必须采用NPN型BJT晶体管，而在标准或者Logic CMOS工艺中，要获得NPN型BJT晶体管，必须采用深N阱工艺，会额外增加成本，甚至有些工艺并不支持深N阱工艺，从而限制了其通用性；其次，该种补偿方式只靠BJT进行高阶温度补偿，而BJT晶体管在实际生产过程中也会存在较大的偏移，因此只能通过对BJT进行生产后修调来达到高阶温度补偿的目的，但实际上BJT很难进行相关参数的修调，因此该种补偿方式无法有效进行生产后修调。
综上，现有高阶温度补偿方式结构复杂，需要多条支路来实现高阶补偿，同时对电源电压、生产后修调和工艺有特殊的要求，因此，一种同时实现结构简单、低电源电压、工艺兼容性强、且生产成本低的带隙基准电压源成为必需。
发明内容
本发明针对背景技术所述问题，提出了一种基于对一阶带隙核电路中低电流密度BJT晶体管的射极进行互补温度系数电流抽取的高阶温度补偿方式，所述方案包括新增的运算放大器、电阻和CMOS电流镜，结构简单，不需要采用NPN型BJT晶体管，能够同时适用于基本一阶带隙核电路和低压电流结构一阶带隙核电路，适合低电源电压，工艺和电路兼容性强；实际生产过程中只需对电阻进行修调，生产成本低，输出基准电压的温度系数低至1ppm/℃，补偿效果良好。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源，是一种基于互补温度系数电流抽取的具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源电路，包括：一阶带隙核电路和互补温度系数电流产生电路；所述一阶带隙核电路用于实现BJT晶体管射极—基极电压的一阶温度补偿；其特征在于：
所述互补温度系数电流产生电路包括：一个运算放大器、一个电阻和两条CMOS电流镜；所述运算放大器和CMOS电流镜构成负反馈环路；
所述互补温度系数电流产生电路从一阶带隙核电路中用于产生一阶正温度补偿项的低电流密度BJT晶体管射极抽取互补温度系数电流，从而在一阶带隙核电路中引入正的高阶温度项，所述正的高阶温度项用于补偿BJT晶体管射极-基极电压中所含有的负高阶温度项，获得与温度无关的输出基准电压。
如上所述具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源，其特征在于：所述一阶带隙核电路为基本一阶温度补偿带隙核电路，或者是低压电流模结构的一阶温度补偿带隙核电路，所述基本一阶温度补偿带隙核电路或低压电流模结构的一阶温度补偿带隙核电路，均是基于采用负反馈环路获得具有不同电流密度的两个BJT晶体管射极-基极之间的电压差值的电路，所述电压差值具有一阶线性正温度系数，电压差值用于对BJT晶体管的射极-基极电压的一阶负温度项进行补偿。
如上所述具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源，其特征在于：所述负反馈环路完整地或者部分地检测一阶带隙核电路中BJT晶体管的射极-基极电压，并将该BJT晶体管的射极-基极电压完整地或者部分地施加在电阻两端，形成通过所述电阻的互补温度系数电流。
本发明具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源的原理是：一阶带隙核电路对基于采用负反馈环路获得具有不同电流密度的两个BJT晶体管射极—基极之间的电压差值进行采集；所述电压差值具有一阶线性正温度系数，电压差值用于对BJT晶体管射极—基极电压的一阶负温度项进行补偿；互补温度系数电流产生电路采集一阶带隙核电路中的BJT晶体管的射极—基极电压，并将其施加在电阻上，由于BJT晶体管的射极—基极电压为互补温度系数电压，因此通过该电阻的电流也将为互补温度系数电流，由MOS管构成的电流镜将复制该互补温度系数电流并从一阶带隙核电路中用于产生一阶正温度补偿项的低电流密度BJT晶体管的射极抽取该互补温度系数电流，从而在该BJT晶体管的射极电流中引入正高阶温度项。
本发明的有益效果是：
本发明具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源，提出了一种基于对一阶带隙核电路中低电流密度BJT晶体管的射极进行互补温度系数电流抽取的高阶温度补偿方式，输出基准电压的温度系数低至1ppm/℃，补偿效果良好；只额外增加一个运算放大器、一个电阻和两条CMOS电流镜，结构非常简单；不需要采用NPN型BJT晶体管，能够同时适用于基本一阶带隙核电路或低压电流结构一阶带隙核电路，工艺和电路兼容性强；不会造成一阶带隙核电路中主反馈环路失效的问题，适合低电源电压；实际生产过程中只需对电阻进行修调，生产成本低。从而能够同时满足现有方法无法同时实现的补偿效果良好、结构简单、适合低电源电压、电路和工艺兼容性强、生产后修调简单等要求。
附图说明
图1是现有基本一阶带隙核电路示意图；
图2是专利US6828847B1公开的高阶温度补偿带隙基准电压源示意图；
图3是专利CN102591398A公开的高阶温度补偿带隙基准电压源示意图；
图4是专利CN102495659A公开的高阶温度补偿带隙基准电压源示意图；
图5是本发明适用于基本一阶带隙核电路的高阶温度补偿原理示意图；
图6是本发明适用于基本一阶带隙核电路的高阶温度补偿仿真结果图；
图7是本发明适用于低压电流模结构一阶带隙核电路的高阶温度补偿原理示意图；
图8是本发明适用于低压电流模结构一阶带隙核电路的高阶温度补偿仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。附图5和附图7是本发明分别适用于基本一阶带隙核电路和低压电流模结构一阶带隙核电路的两个实施例。
需要特别强调的是：本发明通过对一阶带隙核电路中用于产生一阶正温度补偿项的低电流密度BJT晶体管射极进行互补温度系数电流的抽取，实现了BJT晶体管射极-基极电压的高阶温度补偿，相比于现有的从低电流密度BJT晶体管射极注入互补温度系数电流的补偿方式，本发明的补偿效果更好，且结构简单，工艺和电路兼容性强，不会造成主反馈环路失效问题，适合低电源电压，生产成本低。
实施例一：
适用于基本一阶带隙核电路的高阶温度补偿原理如图5所示。该电路由互补温度系数电流产生电路和基本一阶带隙核电路构成，其中基本一阶带隙核电路由运算放大器OP1、PNP型BJT晶体管Q1～Q3、电阻R1～R2以及PMOS晶体管MP1-MP3构成；互补温度系数电流产生电路由运算放大器OP2、电阻R3、PMOS晶体管MP4～MP5以及NMOS晶体管MN1～MN2构成。在互补温度系数电流产生电路中，首先由运算放大器OP2和PMOS晶体管MP5构成的负反馈环路钳制C、B两点电压相同，从而将Q1的射极-基极电压VEB1施加在电阻R3上，因此通过电阻R3的电流将为VEB1/R3，由于VEB1为互补温度系数电压，因此该电流也与温度呈互补系数关系，记ICTAT＝VEB1/R3；然后，由MN1和MN2构成的电流镜将从具有低电流密度的BJT晶体管Q2射极中抽取互补温度系数电流ICTAT，从而在输出电流IOUT中引入正的高阶温度项，以对BJT晶体管Q3射极-基极电压VEB3中的负高阶温度项进行补偿。接下来将其补偿原理进行详细的理论分析。
首先，对分析过程中公式上用到的一些参数定义如下：R1表示基本一阶带隙核电路中第一电阻的阻值；R2表示基本一阶带隙核电路中第2电阻的阻值；R3表示互补温度系数电流产生电路中的电阻阻值；Q1为基本一阶带隙核电路中高电流密度PNP型BJT晶体管，Q2为基本一阶带隙核电路中低电流密度PNP型BJT晶体管，N表示Q2与Q1的集电极面积之比，Q3为基本一阶带隙核电路中输出PNP型BJT晶体管；VEB表示PNP型BJT晶体管的射极与基极电压之差。K表示波尔兹曼常数；q表示一个电子的电荷量；VG0是0K温度时硅的带隙电压；η是与硅迁移率与温度相关性的参数；T0为室温，一般为27℃；ICTAT是互补温度系数电流产生电路产生的互补温度系数电流；ICQ2为Q2的集电极电流(由于忽略基极电流，因此集电极电流＝射极电流)；IOUT为一阶带隙核电路产生的输出电流。
在图5中，输出电流IOUT为：
输出基准电压为：
VREF＝VEB3+IOUT(T)R3 (2)
由式(2)可以看出，要获得高阶温度补偿的输出基准电压，IOUT中必须同时含有一阶正PTAT项和正的高阶温度项。因此，接下来对IOUT进行分析，由于BJT晶体管的射极-基极电压为：
因此，式(1)可以写成：
其中：
在式(4)中，kT/qR1(lnN1)用于对VEB3中的一阶负温度项进行补偿，而kT/qR1{ln[IOUT(T)/ICQ2(T)]}正是通过从Q2射极抽取ICTAT所引入的，它将带来正的高阶温度系数项。首先：
ICQ2(T)＝IOUT(T)-ICTAT(T) (6)
其中ICTAT由互补温度系数电流产生电路产生：运算放大器OP2钳制B点和C点电压相等，因此R3两端的电压也为Q1的射极-基极电压，因此有：
结合(4)～(7)式，可以分别得到IOUT(T)的一阶温度系数和二阶温度系数为：
其中：
当满足以下关系时，IOUT(T)的二阶温度系数β将为正，可以对VEB3的负高阶温度系数进行补偿：
T[α-dICTAT(T)/dT]-2[ICQ1(T)-ICTAT(T)]＞0 (11)
也即：
在实际设计过程中，通过调整R2/R1和R3/R1的值，就可以实现良好的温度补偿：仿真验证结果如图6所示，当温度从-40℃到125℃变化时，输出基准电压约为1.033V，本发明高阶温度补偿方式能够获得1ppm/℃的温度系数，具有良好的温度补偿效果；同时，与基本一阶带隙核电路相比，该高阶温度补偿方式仅额外增加了一个运放、一个电阻和两条电流镜支路，结构非常简单；此外，运放OP1和OP2的输入电压仅为一个BJT的射极-基极电压，不会额外增加对电源电压的要求；最后，不需要采用NPN型BJT晶体管，工艺兼容性强，且在芯片生产后，只需对电阻R2和R3进行修调，无需对MOS晶体管和BJT晶体管进行修调，生产成本大大降低。
实施例二：
除了能够对如图5所示的基本一阶带隙核进行高阶温度补偿之外，本发明提出的高阶温度补偿方式还可以对基于低压电流模结构的一阶带隙核进行非线性补偿。如图7所示为本发明除基于基本一阶带隙核电路之外另一种适用于低压电流模结构一阶带隙核的实例。其中，低压电流模结构一阶带隙核由电阻R2A1、R2A2、R2B1、R2B2、R3，运放OP1，BJT晶体管Q1～Q2，PMOS晶体管MP1～MP3构成：运算放大器OP1钳制B2、A2两点电压相等，由于R2B1+R2B2＝R2B1+R2B2＝R2，因此B1、A1两点电压也相等，进而有IOUT＝VEB1/R2+(VEB1-VEB2)/R1，其将同时包含PTAT和CTAT项；而互补温度系数电流产生电路仍由运算放大器OP2、电阻R4、PMOS晶体管MP4～MP5以及NMOS晶体管MN1～MN2构成：运算放大器OP2和PMOS晶体管MP5构成的负反馈环路钳制C、B2两点电压相等，电阻R4两端电压为VEB1×R2B2/(R2B1+R2B2)，其产生的互补温度系数电流为ICTAT＝VEB1×R2B2/(R2B1+R2B2)/R4。
与基于基本型一阶带隙核补偿的原理相似，互补温度系数电流产生电路同样从具有低集电极电流密度的BJT晶体管Q2射极抽取互补温度系数电流ICTAT，从而在输出电流中引入正的高阶温度项，以对BJT晶体管Q1射极-基极电压VEB1中的负高阶温度项进行补偿。通过调整(R2A1+R2A2)/R1和R4/R1的值，就可以实现良好的温度补偿：该种实例的仿真验证结果如图8所示，该发明高阶温度补偿方式同样能够获得1ppm/℃的温度系数，具有良好的温度补偿效果；同时，与低压电流模结构一阶带隙核电路相比，该高阶温度补偿方式仅额外增加了一个运放、一个电阻和两条电流镜支路，结构非常简单；此外，运放OP1和OP2的输入端电压为VEB1×R2B2/(R2B1+R2B2)，能够工作在更低的电源电压下，其实际仿真最低工作电源电压仅为0.9V；最后，不需要采用NPN型BJT晶体管，工艺兼容性强，且在芯片生产后，仍只需对电阻R2和R4进行修调，无需对MOS晶体管和BJT晶体管进行修调，生产成本大大降低。
以上仅为本发明的实施例，但并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源，包括：一阶带隙核电路和互补温度系数电流产生电路；所述一阶带隙核电路用于实现BJT晶体管射极—基极电压的一阶温度补偿；其特征在于：
所述互补温度系数电流产生电路包括：一个运算放大器、一个电阻和两条CMOS电流镜；所述运算放大器和CMOS电流镜构成负反馈环路；
所述互补温度系数电流产生电路从一阶带隙核电路中用于产生一阶正温度补偿项的低电流密度BJT晶体管射极抽取互补温度系数电流，从而在一阶带隙核电路中引入正的高阶温度项，所述正的高阶温度项用于补偿BJT晶体管射极-基极电压中所含有的负高阶温度项，获得与温度无关的输出基准电压。
2.如权利要求1所述具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源，其特征在于：所述一阶带隙核电路为基本一阶温度补偿带隙核电路，或者是低压电流模结构的一阶温度补偿带隙核电路，所述基本一阶温度补偿带隙核电路或低压电流模结构的一阶温度补偿带隙核电路，均是基于采用负反馈环路获得具有不同电流密度的两个BJT晶体管射极-基极之间的电压差值的电路，所述电压差值具有一阶线性正温度系数，电压差值用于对BJT晶体管的射极-基极电压的一阶负温度项进行补偿。
3.如权利要求1所述具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源，其特征在于：所述负反馈环路完整地或者部分地检测一阶带隙核电路中BJT晶体管的射极-基极电压，并将该BJT晶体管的射极-基极电压完整地或者部分地施加在电阻两端，形成通过所述电阻的互补温度系数电流。
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