CN107608441A - 一种高性能基准电压源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能基准电压源及其实现方法，基准电压源包括：正温度系数PTAT电流产生电路，用于产生一正温度系数的电流I₀；偏置电路，用于将镜像恒流源的各PMOS管的栅极电压稳定在设计值；镜像恒流源，用于为正温度系数PTAT电流产生电路提供电流I₀并将电流向电流电压转换电路输出；电流电压转换电路，用于将正温度系数的电流I₀转换为正温度系数的电压；负温度系数CTAT电压产生电路，用于将正温度系数PTAT电流产生电路的三极管的基极发射极电压按比例产生一负温度系数电压并输出，以使所述正温度系数的电压的基准抬高从而在所述电流电压转换电路的上端获得所述正温度系数的电压与负温度系数电压之和的基准电压。

Description

一种高性能基准电压源

技术领域

本发明涉及一种基准电压源，特别是涉及一种高性能基准电压源。

背景技术

基准电压源是模拟集成电路中的重要模块之一，被广泛应用于电源管理芯片、数模转换器和锁相环等电路中，为电路提供稳定的基准电压。理想的电压基准是一个与电源电压、工艺、温度无关的量。随着集成电路工艺的发展以及便携式电子设备的发展，电路的低功耗、低电压设计越来越受重视。在这一背景下，低功耗、低电压、高输出精度、小面积的基准电压源成为当今的研究热点。

传统的带隙基准一般是基于CMOS BJT器件的基极-发射极电压(V_be)而实现的，这类基准电路具有良好的温度特性和工艺一致性，但是存在功耗过大(电路工作电流几十微安甚至上百微安)，工作电压较高(通常大于1.5V)的问题，不能满足现代集成电路系统要求。于是人们开始研究基于MOS管阈值电压的基准电路，这类基准电路具有能在较低的电压下工作(通常工作电压小于1V)且功耗较低(电路工作电流小于1微安)，但是存在输出电压随工艺变化较大的问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种高性能基准电压源，以实现一种超低功耗(工作电压小于1V，电路电流小于1微安)、小面积、工艺变化较小(输出电压220mV，工艺变化小于2mV)的基准电压源。

为达上述及其它目的，本发明提出一种高性能基准电压源，包括：

正温度系数PTAT电流产生电路，用于产生一正温度系数的电流I₀；

偏置电路，用于将镜像恒流源的各PMOS管的栅极电压稳定在设计值；

镜像恒流源，用于为所述正温度系数PTAT电流产生电路提供电流I₀并将该电流向电流电压转换电路输出；

电流电压转换电路，用于将所述正温度系数的电流I₀转换为正温度系数的电压；

负温度系数CTAT电压产生电路，用于将所述正温度系数PTAT电流产生电路的一三极管的基极发射极电压按比例产生一负温度系数电压并输出，以使所述电流电压转换电路产生的正温度系数PTAT的电压的基准抬高从而在所述电流电压转换电路的上端获得所述正温度系数的电压与负温度系数电压之和的基准电压。

进一步地，所述正温度系数PTAT电流产生电路包括第一PNP三极管、第二PNP三极管和第一电阻，所述第一PNP管和第二PNP管的集电极和基极接地，所述第一PNP管的发射极连接至第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述偏置电路与所述镜像恒流源，所述第二PNP管的发射极连接至所述偏置电路、所述镜像恒流源与所述负温度系数CTAT电压产生电路。

进一步地，所述偏置电路包括第一运放，所述第一运放的反相输入端连接所述第一电阻与所述镜像恒流源，所述第一运放的同相输入端连接所述第二PNP管的发射极、所述镜像恒流源与所述负温度系数CTAT电压产生电路。

进一步地，所述镜像恒流源包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管，所述第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极相连，所述第一PMOS管的源极、第二PMOS管的源极和第三PMOS管的源极接电源电压，所述第一PMOS管漏极连接所述第一电阻以及所述第一运放的反相输入端，所述第二PMOS管的漏极连接所述第二PNP管的发射极、第一运放的同相输入端以及负温度系数CTAT电压产生电路，所述第三PMOS管的漏极与所述电流电压转换电路连接输出所述基准电压。

进一步地，所述负温度系数CTAT电压产生电路包括第二运放、第三运放以及M个串联且二极管连接的PMOS管，所述第二运放的输出端与其反相输入端与二极管连接的PMOS管BPM(1)的源极相连，二极管连接的PMOS管BPM(1)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(2)的源极，……以此类推，二极管连接的PMOS管BPM(M-2)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的源极，二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(M)的源极，二极管连接的PMOS管BPM(M)的栅极和漏极接地，二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的栅极和漏极还连接至所述第三运放的同相输入端，所述第三运放的输出端与其反相输入端和所述电流电压转换电路相连。

进一步地，所述电流电压转换电路包括一个或多个串联的电阻，连接于所述第三PMOS管的漏极与所述第三运放的输出端之间。

进一步地，所述基准电压Vref为：

其中，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述电流电压转换电路的电阻值，V_be2为所述第二PNP三极管的基极发射极电压，M为所述负温度系数CTAT电压产生电路中串联的PMOS管的个数，N为所述第一PNP三极管与所述第二PNP三极管的尺寸比值，K为波耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷，通过调节参数M、N及R2/R1的值实现对温度的一阶补偿，从而实现一个与电源电压以及温度近似无关的基准电压。

进一步地，所述第一至第三PMOS管的尺寸比值为1：1：1。

为达到上述目的，本发明还提供一种高性能基准电压源的实现方法，包括如下步骤：

步骤一，利用负温度系数CTAT电压产生电路将正温度系数PTAT电流产生电路的第二PNP三极管的基极发射极电压按比例产生一负温度系数电压输出。

步骤二，利用正温度系数PTAT电流产生电路产生一正温度系数的电流I₀，并通过镜像恒流源将该电流I₀输出至电流电压转换电路，以通过所述电流电压转换电路将正温度系数的电流I₀转换为正温度系数的电压。

步骤三，所述负温度系数电压使所述电流电压转换电路产生的正温度系数的电压的基准抬高从而在所述电流电压转换电路的上端获得正温度系数电压与负温度系数电压之和的基准电压。

进一步地，所述基准电压Vref为：

其中，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述电流电压转换电路的电阻值，V_be2为所述第二PNP三极管的基极发射极电压，M为所述负温度系数CTAT电压产生电路中串联的PMOS管的个数，N为所述第一PNP三极管与所述第二PNP三极管的尺寸比值，K为波耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷，通过调节参数M、N及R2/R1的值实现对温度的一阶补偿，从而实现一个与电源电压以及温度近似无关的基准电压。。

与现有技术相比，本发明一种高性能基准电压源及其实现方法通过利用负温度系数CTAT电压产生电路产生一负温度系数CTAT电压，并利用正温度系数PTAT电流产生电路产生一正温度系数PTAT的电流，通过镜像恒流源将该电流输出至电流电压转换电路，以通过所述电流电压转换电路将正温度系数PTAT的电流转换为正温度系数PTAT的电压，从而在所述电流电压转换电路的上端获得正温度系数PTAT电压与负温度系数CTAT电压之和的基准电压，实现了一个与电源电压以及温度近似无关的基准电压，本发明实现了一种超低功耗(工作电压小于1V，电路电流小于1微安)、小面积、工艺变化较小(输出电压220mV，工艺变化小于2mV)的基准电压电路。

附图说明

图1为本发明一种高性能基准电压源的电路结构图；

图2为本发明一种高性能基准电压源的实现方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种高性能基准电压源的电路结构图。如图1所示，本发明一种高性能基准电压源，包括：正温度系数PTAT电流产生电路10、偏置电路20、镜像恒流源30、电流电压转换电路40和负温度系数CTAT电压产生电路50。

其中，正温度系数PTAT电流产生电路10由第一PNP三极管PNP1、第二PNP三极管PNP2和第一电阻R1组成，用于产生一正温度系数PTAT的电流I₀；偏置电路20由第一运放OPA1组成，用于将镜像恒流源30的第一至第三PMOS管PM1－PM3的栅极电压稳定在设计值；镜像恒流源30由第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3组成，用于为第一PNP三极管PNP1、第二PNP三极管PNP2提供相等的电流I₀并将该电流向电流电压转换电路40输出；电流电压转换电路40由一个或多个电阻组成，图示为一个电阻即第二电阻R2，用于将正温度系数PTAT的电流I₀转换为正温度系数PTAT的电压I₀×R2；负温度系数CTAT电压产生电路50由第二运放OPA2、第三运放OPA3和M个二极管连接的PMOS管BPM1－BPM(M)组成，用于将第二PNP三极管PNP2的基极发射极电压V_be2按比例产生一负温度系数CTAT电压并从第三运放OPA3的输出端输出，以使电流电压转换电路40产生的正温度系数PTAT的电压I₀×R2的基准抬高从而在第二电阻R2的上端获得正温度系数PTAT的电压I₀×R2与负温度系数CTAT电压V_be2/M之和的基准电压Vref＝I₀×R2+V_be2/M，通过调节参数M、N及R2/R1的值即可实现对温度的一阶补偿，从而实现一个与电源电压以及温度近似无关的基准电压Vref。

具体地，第一PNP管PNP1和第二PNP管PNP2的集电极和基极接地，第一PNP管PNP1的发射极连接至第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接至第一运放OPA1的反相输入端和第一PMOS管PM1的漏极，第二PNP管PNP2的发射极连接至第一运放OPA1的同相输入端、第二PMOS管PM2的漏极和第二运放OPA2的同相输入端，第一PMOS管PM1的栅极与第二PMOS管PM2的栅极和第三PMOS管PM3的栅极相连，第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极和第三PMOS管PM3的源极接电源VDD，第二运放OPA2的输出端与其反相输入端和二极管连接的PMOS管BPM(1)的源极相连，二极管连接的PMOS管BPM(1)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(2)的源极，……以此类推，二极管连接的PMOS管BPM(M-2)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的源极，二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(M)的源极，二极管连接的PMOS管BPM(M)的栅极和漏极接地，二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的栅极和漏极还连接至第三运放OPA3的同相输入端，第三运放OPA3的输出端与其反相输入端和第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与第三PMOS管PM3的漏极相连组成参考电压输出节点Vref。

在本发明具体实施例中，PM1：PM2：PM3尺寸可以为1：1：P，M个二极管连接的PMOS管的输出节点可以是倒数第K个二极管连接的PMOS管即从BMP(M+1-K)的源极输出，K＝1,2,……,(M-1)。

以下说明本发明的工作原理：

若流过第一PNP三极管PNP1的电流为I₀，第二PNP三极管PNP2的饱和电流为I_S，由于第一PNP三极PNP1与第二PNP三极管PNP2的尺寸比为N：1，则根据微电子理论知道第一PNP三极管PNP1的饱和电流为N*I_S，根据三极管知识有第二PNP三极管PNP2之基极发射极电压V_be2与第一PNP三极PNP1之基极发射极电压V_be1：

电压差为：

这个电压差即第一电阻R1的压降，故流过PNP1的电流为I₀＝ΔV_be/R1，第一PMOS管PM1与第一PNP三极管PNP1串联，则流过第一PMOS管PM1的电流为I₀＝ΔV_be/R1，另一方面第三PMOS管PM3与第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2的栅源电压一致且尺寸相同，故流过第三PMOS管PM3的电流与流过第一PMOS管PM1的电流一致，均为I₀＝ΔV_be/R1，该电流在第二电阻R2上的压降为(ΔV_be/R1)×R2，已知VT＝KT/q，其中k为波耳兹曼常数(1.38×10^-23J/K)，T为热力学温度，即绝对温度(300K)，q为电子电荷(q＝1.6×10^-19C)，换算得到R2压降为

输出电压V_ref：

第一项是一个与温度成负线性相关的参数(负温度系数CTAT，Complementary-To-Absolute-Temperature)，第二项是一个与温度成正线性相关的参数(正温度系数PTAT，Proportional-To-Absolute-Temperature)，通过调节参数M、N及R2/R1的值即可实现对温度的一阶补偿，从而实现一个与电源电压以及温度近视无关的基准电压。该结构中利用OPA2、OPA3以及PMOS晶体管实现对V_be2的提取，在确保良好的温度特性以及工艺一致性的条件下达到降低电源电压的目的。

图2为本发明一种高性能基准电压源的实现方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种高性能基准电压源的实现方法，包括如下步骤：

步骤201，利用负温度系数CTAT电压产生电路将正温度系数PTAT电流产生电路的第二PNP三极管的基极发射极电压V_be2按比例产生一负温度系数CTAT电压输出。

步骤202，利用正温度系数PTAT电流产生电路产生一正温度系数PTAT的电流I₀，并通过镜像恒流源将该电流I₀输出至电流电压转换电路，以通过所述电流电压转换电路将正温度系数PTAT的电流I₀转换为正温度系数PTAT的电压。

步骤203，所述负温度系数CTAT电压使所述电流电压转换电路产生的正温度系数PTAT的电压的基准抬高从而在所述电流电压转换电路的上端获得正温度系数PTAT电压与负温度系数CTAT电压的和，从而实现一个与电源电压以及温度近似无关的基准电压Vref。

综上所述，本发明一种高性能基准电压源及其实现方法通过利用负温度系数CTAT电压产生电路产生一负温度系数CTAT电压，并利用正温度系数PTAT电流产生电路产生一正温度系数PTAT的电流，通过镜像恒流源将该电流输出至电流电压转换电路，以通过所述电流电压转换电路将正温度系数PTAT的电流转换为正温度系数PTAT的电压，从而在所述电流电压转换电路的上端获得正温度系数PTAT电压与负温度系数CTAT电压之和的基准电压，实现了一个与电源电压以及温度近似无关的基准电压，本发明实现了一种超低功耗(工作电压小于1V，电路电流小于1微安)、小面积、工艺变化较小(输出电压220mV，工艺变化小于2mV)的基准电压电路。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种高性能基准电压源，包括：

正温度系数PTAT电流产生电路，用于产生一正温度系数的电流I₀；

偏置电路，用于将镜像恒流源的各PMOS管的栅极电压稳定在设计值；

镜像恒流源，用于为所述正温度系数PTAT电流产生电路提供电流I₀并将该电流向电流电压转换电路输出；

电流电压转换电路，用于将所述正温度系数的电流I₀转换为正温度系数的电压；

负温度系数CTAT电压产生电路，用于将所述正温度系数PTAT电流产生电路的一三极管的基极发射极电压按比例产生一负温度系数电压并输出，以使所述电流电压转换电路产生的正温度系数PTAT的电压的基准抬高从而在所述电流电压转换电路的上端获得所述正温度系数的电压与负温度系数电压之和的基准电压。

2.如权利要求1所述的一种高性能基准电压源，其特征在于：所述正温度系数PTAT电流产生电路包括第一PNP三极管、第二PNP三极管和第一电阻，所述第一PNP管和第二PNP管的集电极和基极接地，所述第一PNP管的发射极连接至第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述偏置电路与所述镜像恒流源，所述第二PNP管的发射极连接至所述偏置电路、所述镜像恒流源与所述负温度系数CTAT电压产生电路。

3.如权利要求2所述的一种高性能基准电压源，其特征在于：所述偏置电路包括第一运放，所述第一运放的反相输入端连接所述第一电阻与所述镜像恒流源，所述第一运放的同相输入端连接所述第二PNP管的发射极、所述镜像恒流源与所述负温度系数CTAT电压产生电路。

4.如权利要求3所述的一种高性能基准电压源，其特征在于：所述镜像恒流源包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管，所述第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极相连，所述第一PMOS管的源极、第二PMOS管的源极和第三PMOS管的源极接电源电压，所述第一PMOS管漏极连接所述第一电阻以及所述第一运放的反相输入端，所述第二PMOS管的漏极连接所述第二PNP管的发射极、第一运放的同相输入端以及负温度系数CTAT电压产生电路，所述第三PMOS管的漏极与所述电流电压转换电路连接输出所述基准电压。

5.如权利要求4所述的一种高性能基准电压源，其特征在于：所述负温度系数CTAT电压产生电路包括第二运放、第三运放以及M个串联且二极管连接的PMOS管，所述第二运放的输出端与其反相输入端与二极管连接的PMOS管BPM(1)的源极相连，二极管连接的PMOS管BPM(1)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(2)的源极，……以此类推，二极管连接的PMOS管BPM(M-2)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的源极，二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的栅极和漏极连接至二极管连接的PMOS管BPM(M)的源极，二极管连接的PMOS管BPM(M)的栅极和漏极接地，二极管连接的PMOS管BPM(M-1)的栅极和漏极还连接至所述第三运放的同相输入端，所述第三运放的输出端与其反相输入端和所述电流电压转换电路相连。

6.如权利要求5所述的一种高性能基准电压源，其特征在于：所述电流电压转换电路包括一个或多个串联的电阻，连接于所述第三PMOS管的漏极与所述第三运放的输出端之间。

7.如权利要求6所述的一种高性能基准电压源，其特征在于，所述基准电压Vref为：

<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>M</mi> </mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>e</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>K</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mi>q</mi> </mfrac> <mi>ln</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述电流电压转换电路的电阻值，V_be2为所述第二PNP三极管的基极发射极电压，M为所述负温度系数CTAT电压产生电路中串联的PMOS管的个数，N为所述第一PNP三极管与所述第二PNP三极管的尺寸比值，K为波耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷，通过调节参数M、N及R2/R1的值实现对温度的一阶补偿，从而实现一个与电源电压以及温度近似无关的基准电压。

8.如权利要求7所述的一种高性能基准电压源，其特征在于：所述第一至第三PMOS管的尺寸比值为1：1：1。

9.一种高性能基准电压源的实现方法，包括如下步骤：

步骤一，利用负温度系数CTAT电压产生电路将正温度系数PTAT电流产生电路的第二PNP三极管的基极发射极电压按比例产生一负温度系数电压输出。

步骤二，利用正温度系数PTAT电流产生电路产生一正温度系数的电流I₀，并通过镜像恒流源将该电流I₀输出至电流电压转换电路，以通过所述电流电压转换电路将正温度系数的电流I₀转换为正温度系数的电压。

步骤三，所述负温度系数电压使所述电流电压转换电路产生的正温度系数的电压的基准抬高从而在所述电流电压转换电路的上端获得正温度系数电压与负温度系数电压之和的基准电压。

10.如权利要求9所述的一种高性能基准电压源的实现方法，其特征在于：所述基准电压Vref为：

<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>M</mi> </mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>e</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>K</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mi>q</mi> </mfrac> <mi>ln</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述电流电压转换电路的电阻值，V_be2为所述第二PNP三极管的基极发射极电压，M为所述负温度系数CTAT电压产生电路中串联的PMOS管的个数，N为所述第一PNP三极管与所述第二PNP三极管的尺寸比值，K为波耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷，通过调节参数M、N及R2/R1的值实现对温度的一阶补偿，从而实现一个与电源电压以及温度近似无关的基准电压。