CN106909192B - 一种高阶温度补偿电压基准源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高阶温度补偿电压基准源，其包括正温度系数电流偏置模块、负温度系数电流偏置模块和基准输出模块，所述正温度系数电流偏置模块产生的偏置电压V1连接到基准输出模块的一个输入端；负温度系数电流偏置模块产生的偏置电压V2连接到基准输出模块的另一个输入端；基准输出模块将正温度系数电流偏置模块和负温度系数电流偏置模块分别在自身MOS管上产生的电流进行叠加并转换为电压信号，并输出基准电压REF。本发明的优点：提出一种利用MOS管沟道载流子的迁移率的负温度系数来进行高阶温度补偿的电压基准源，在不增加电路复杂度、芯片版图面积、考虑器件匹配以及工艺精度的情况下，相比传统带隙基准能实现更小的温度系数，提供更高的精度。

Description

一种高阶温度补偿电压基准源
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体的说是一种基于MOS管沟道载流子迁移率温度特性进行高阶温度补偿的电压基准源。
背景技术
在模拟以及混合信号等集成电路的设计中，带隙基准电压源是一个极其重要的模块。它为比较器，运放，偏置等其它电路模块提供一个不随温度和电源变化的参考电位。其稳定性以及输出值随温度变化的特性的优劣，会大大影响整体电路系统的性能。在模数和数模转换器、传感器、电源管理控制器等各种高精度测量仪表中，它直接决定系统的性能和精度。
传统的带隙基准电路的是通过将两个正负温度系数的电压加权相加获得的。受结构限制，传统带隙电路仅能消除三极管基极发射极电压(VBE)中与温度相关的一次项对基准输出的影响。
由于传统带隙电路仅能消除VBE中与温度相关的一次项对输出的影响，因此温度系数较大不能满足高精度应用场合的需求，为此各种对带隙基准进行高阶温度补偿的方式被研究人员相继提出。
现有的对基准电路进行高阶的方式有以下常见的三种：1、通过将具有不同温度系数的电阻进行组合以产生正温电压的高阶项进行补偿。2、通过减小PN结本身的负温高阶项进行补偿。3、通过在不同温度点向基准输出节点注入额外的正温电流来实现分段线性补偿。但这些补偿方式都存在电路结构复杂、版图面积大、对电路匹配性和工艺精度要求高的缺点。
发明内容
本发明的目的，就是针对传统带隙基准电压源温度系数高，以及现有常见高阶温度补偿电压基准源电路结构复杂、版图面积大、对电路匹配性和工艺精度要求高等缺点，提出一种高阶温度补偿电压基准源电路结构。
按照本发明提供的技术方案，一种高阶温度补偿电压基准源，包括正温度系数电流偏置模块、负温度系数电流偏置模块和基准输出模块，所述正温度系数电流偏置模块产生的第一偏置电压V1连接到基准输出模块的一个输入端；负温度系数电流偏置模块产生的第二偏置电压V2连接到基准输出模块的另一个输入端；基准输出模块将正温度系数电流偏置模块和负温度系数电流偏置模块分别在自身MOS管上产生的电流进行叠加并转换为电压信号，并输出基准电压REF。
具体的，所述正温度系数电流偏置模块包括：PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4、电阻R1；所述PMOS管MP1栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接第一偏置电压V1；PMOS管MP2栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接NMOS管MN2漏极；NMOS管MN1栅极接NMOS管MN2的栅极，源极接NMOS管MN3漏极，漏极接第一偏置电压V1；NMOS管MN2栅极接PMOS管MP2漏极，源极接NMOS管MN3栅极，漏极接PMOS管MP2漏极；NMOS管MN3栅极接NMOS管MN4漏极，源极接电阻R1的上端，漏极接NMOS管MN1源极；NMOS管MN4栅极接NMOS管MN3漏极，源极接地GND，漏极接NMOS管MN2源极；电阻R1上端接NMOS管MN3的源极，下端接地GND。
所述正温度系数电流偏置模块中，PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4、电阻R1形成自偏置结构，产生正温电流IMP1，即流过PMOS管MP1的电流；电路中所有MOS管都工作在饱和区，IMP1的温度系数会随着温度的升高而变大。
具体的，所述PMOS管MP1和PMOS管MP2选取相同的尺寸。
具体的，所述负温度系数电流偏置模块包括：PMOS管MP3、PMOS管MP4、运放A1、三极管Q1、电阻R2；所述PMOS管MP3栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接运放A1的负向端；PMOS管MP4栅极接第二偏置电压V2，源极接电源电压VIN，漏极接电阻R2上端；运放A1正向端接电阻R2上端，负向端接PMOS管MP3漏极，输出端接第二偏置电压V2；三极管Q1基极和集电极接PMOS管MP3的漏极，发射极接地GND；电阻R2上端接运放A1的正向端，下端接地GND。
具体的，所述负温度系数电流偏置模块中的PMOS管MP3尺寸与正温度系数电流偏置模块中的PMOS管MP1尺寸相同，由于其栅极接第一偏置电压V1，因此PMOS管MP3按一比一的比例镜像流过PMOS管MP1的电流IMP1，由运放的钳位作用可得负温电流IMP4，即流过PMOS管MP4的电流。
具体的，所述基准输出模块包括：PMOS管MP5、PMOS管MP6、电阻R3；所述PMOS管MP5栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接电阻R3上端；PMOS管MP6栅极接第二偏置电压V2，其源极接电源电压VIN，漏极接基准电压输出端口；电阻R3上端接基准电压输出端口，下端接地GND。
所述基准输出模块中，第一偏置电压V1在PMOS管MP5上产生电流，第二偏置电压V2在PMOS管MP6上产生电流，两股电流在电阻R3上进行叠加，并通过电阻R3转化为基准电压后在基准电压输出端口输出。
本发明的有益效果为：本发明提出一种利用MOS管沟道载流子的迁移率(μ)的负温度系数来进行高阶温度补偿的电压基准源，在不增加电路复杂度、芯片版图面积、考虑器件匹配以及工艺精度的情况下，相比传统带隙基准能实现更小的温度系数，提供更高的精度。
附图说明
图1为本发明带隙基准电压源的拓扑图。
图2为正温度系数的电流偏置模块。
图3为负温度系数的电流偏置模块。
图4为基准输出模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提出一种利用MOS管沟道载流子的迁移率(μ)的负温度系数来进行高阶温度补偿的电压基准源，具体结构如图1所示，包括正温度系数电流偏置模块1、负温度系数电流偏置模块2、基准输出模块3；其中，正温度系数电流偏置模块1产生的第一偏置电压V1连接到基准输出模块3的一个输入端；负温度系数的电流偏置模块2产生的第二偏置电压V2连接到基准输出模块3的另一个输入端；基准输出模块3将正温度系数电流偏置模块1和负温度系数电流偏置模块2分别在自身MOS管上产生的电流进行叠加并转换为电压信号，基准输出模块3的输出端输出基准电压REF。
如图2所示，所述正温度系数的电流偏置模块1包括：PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4、电阻R1；所述PMOS管MP1栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接第一偏置电压V1；PMOS管MP2栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接NMOS管MN2漏极；NMOS管MN1栅极接NMOS管MN2的栅极，源极接NMOS管MN3漏极，漏极接第一偏置电压V1；NMOS管MN2栅极接PMOS管MP2漏极，源极接NMOS管MN3栅极，漏极接PMOS管MP2漏极；NMOS管MN3栅极接NMOS管MN4漏极，源极接电阻R1的上端，漏极接NMOS管MN1源极；NMOS管MN4栅极接NMOS管MN3漏极，源极接地GND，漏极接NMOS管MN2源极；电阻R1上端接NMOS管MN3的源极，下端接地GND。
如图3所示，所述负温度系数的电流偏置模块2包括：PMOS管MP3、PMOS管MP4、运放A1、三极管Q1、电阻R2；所述PMOS管MP3栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接运放A1的负向端；PMOS管MP4栅极接第二偏置电压V2，源极接电源电压VIN，漏极接电阻R2上端；运放A1正向端接电阻R2上端，负向端接PMOS管MP3漏极，输出端接第二偏置电压V2；三极管Q1基极和集电极接PMOS管MP3的漏极，发射极接地GND；电阻R2上端接运放A1的正向端，下端接地GND。
如图4所示，所述基准输出模块3包括：PMOS管MP5、PMOS管MP6、电阻R3；所述PMOS管MP5栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接电阻R3上端；PMOS管MP6栅极接第二偏置电压V2，其源极接电源电压VIN，漏极接基准电压输出端口；电阻R3上端接基准电压输出端口，下端接地GND。
本发明的工作原理详细描述如下。
图2所示的正温度系数的电流偏置模块中，MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4、R1形成自偏置结构，产生正温电流IMP1。电路中所有MOS管都工作在饱和区，由饱和区MOS管电压与电流的关系特性可知：
其中，I表示流过下标所示器件的电流，μ为MOS管沟道载流子迁移率；COX为MOS管单位面积栅氧化层电容；W/L为MOS管宽长比，下标为所指代MOS管；VGS为MOS管的栅源电压差，下标括号中为所指代MOS管；VTH为所有NMOS管的阈值电压；
IMP1R1+VGS(MN3)+VGS(MN2)＝VGS(MN1)+VGS(MN4) (5)
对PMOS管MP1和MP2选取相同的尺寸，则有：
IMP1＝IMP2 (6)
设:
则有：
由于(n>1，与工艺相关)，T0为参考温度，T为任一温度，μ0为T0温度时MOS管的沟道电子迁移率。所以由(9)式可知IMP1正比于Tn，所以IMP1的温度系数会随着温度的升高而变大。
图3所示的负温度系数电流偏置模块中，PMOS管MP3尺寸与MP1尺寸相同，且其栅极接端口V1，因此MP3按一比一的比例镜像流过MP1的电流IMP1。由运放的钳位作用可得负温电流：
其中VBE(Q1)为三极管Q1的基极与发射极之间的电压差。
对VBE与温度的具体关系可以见(11)式：
VBE(T)＝VG0-VTln(E)-(ε-a)VTlnT (11)
其中E是与温度无关的常数(E>1)，VG0是温度为0K时的硅的带隙电压，ε是与掺杂浓度有关的常数(典型值为3.5)，VT为热电压，a为三极管的集电极电流温度函数中温度T的幂次方数。由于MP3镜像MP1的电流且IMP1正比与Tn，因此有：
VBE(Q1)＝VG0-VTln(E)-(ε-n)VTlnT (12)
由(12)式可知IMP3对Q1的基极发射极电压VBE(Q1)进行了一次高阶补偿，减小了基极发射极电压中固有高阶项对基准输出的影响。从而可知由(10)式获得的负温电流已经过一定程度的补偿。
图4所示的基准输出模块的工作原理是将正温度系数电流偏置模块和负温度系数电流偏置模块产生的电流进行叠加并转换为电压信号。PMOS管MP5的栅端接正温度系数电流偏置模块的输出V1，PMOS管MP6的栅端接负温度系数电流偏置模块的输出V2。两股电流在电阻R3上进行叠加，并通过电阻R3转化为基准电压后在REF端口输出。
最终输出的基准电压为：
其中
由(13)式可知，由于通过三级管Q1的电流具有高阶正温特性，因此VBE(Q1)的高阶项被进行了部分补偿。又由于正温电流IMP1所具有的温度系数随着温度的升高而增大，因此在高温时可以对VBE(Q1)中的高阶项在进行一次补偿。所以最终通过合理选取，k1、k2、k3、R2的大小可以得到
综上所述，本发明提出的高阶温度补偿带隙基准电压源可以使得基准的输出电压不随温度的变化而变化。

Claims (3)

1.一种高阶温度补偿电压基准源，其特征是，包括正温度系数电流偏置模块（1）、负温度系数电流偏置模块（2）和基准输出模块（3），所述正温度系数电流偏置模块（1）产生的第一偏置电压V1连接到基准输出模块（3）的一个输入端；负温度系数电流偏置模块（2）产生的第二偏置电压V2连接到基准输出模块（3）的另一个输入端；基准输出模块（3）将正温度系数电流偏置模块（1）和负温度系数电流偏置模块（2）分别在自身MOS管上产生的电流进行叠加并转换为电压信号，并输出基准电压REF；
所述正温度系数电流偏置模块（1）包括：PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4、电阻R1；所述PMOS管MP1栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接第一偏置电压V1；PMOS管MP2栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接NMOS管MN2漏极；NMOS管MN1栅极接NMOS管MN2的栅极，源极接NMOS管MN3漏极，漏极接第一偏置电压V1；NMOS管MN2栅极接PMOS管MP2漏极，源极接NMOS管MN3栅极，漏极接PMOS管MP2漏极；NMOS管MN3栅极接NMOS管MN4漏极，源极接电阻R1的上端，漏极接NMOS管MN1源极；NMOS管MN4栅极接NMOS管MN3漏极，源极接地GND，漏极接NMOS管MN2源极；电阻R1上端接NMOS管MN3的源极，下端接地GND；
所述正温度系数电流偏置模块（1）中，PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4、电阻R1形成自偏置结构，产生正温电流IMP1，即流过PMOS管MP1的电流；电路中所有MOS管都工作在饱和区，的温度系数会随着温度的升高而变大；
所述PMOS管MP1和PMOS管MP2选取相同的尺寸；所述负温度系数电流偏置模块（2）包括：PMOS管MP3、PMOS管MP4、运放A1、三极管Q1、电阻R2；所述PMOS管MP3栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接运放A1的负向端；PMOS管MP4栅极接第二偏置电压V2，源极接电源电压VIN，漏极接电阻R2上端；运放A1正向端接电阻R2上端，负向端接PMOS管MP3漏极，输出端接第二偏置电压V2；三极管Q1基极和集电极接PMOS管MP3的漏极，发射极接地GND；电阻R2上端接运放A1的正向端，下端接地GND；
所述负温度系数电流偏置模块（2）中的PMOS管MP3尺寸与正温度系数电流偏置模块（1）中的PMOS管MP1尺寸相同，由于其栅极接第一偏置电压V1，因此PMOS管MP3按一比一的比例镜像流过PMOS管MP1的电流IMP1，由运放的钳位作用可得负温电流IMP4，即流过PMOS管MP4的电流。
2.如权利要求1所述的高阶温度补偿电压基准源，其特征是，所述基准输出模块（3）包括：PMOS管MP5、PMOS管MP6、电阻R3；所述PMOS管MP5栅极接第一偏置电压V1，源极接电源电压VIN，漏极接电阻R3上端；PMOS管MP6栅极接第二偏置电压V2，其源极接电源电压VIN，漏极接基准电压输出端口；电阻R3上端接基准电压输出端口，下端接地GND。
3.如权利要求2所述的高阶温度补偿电压基准源，其特征是，所述基准输出模块（3）中，第一偏置电压V1在PMOS管MP5上产生电流，第二偏置电压V2在PMOS管MP6上产生电流，两股电流在电阻R3上进行叠加，并通过电阻R3转化为基准电压后在基准电压输出端口输出。
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