CN107704014A - 高精度带隙基准曲率补偿方法及高精度带隙基准电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度带隙基准曲率补偿方法及高精度带隙基准电路，其利用工作在亚阈值区的两个MOSFET(金属‑氧化物‑半导体场效应管)的栅源电压差△VGS补偿传统低压BJT(双极性晶体管)带隙基准的高次曲率。所述高精度带隙基准电路由MOSFET带隙基准结合低压BJT带隙基准构成。其中，MOSFET带隙基准采用MOSFET产生PTAT(与绝对温度成正比)电压；低压BJT带隙基准采用BJT产生PTAT电压。MOSFET带隙基准的输出具有正的二次温度系数；典型低压BJT带隙基准的输出具有负的二次温度系数。所述高精度带隙基准电路将上述两种类型的带隙基准输出加权相加，完全抵消了输出的二次温度系数，部分抵消了三次温度系数，实现了高次曲率补偿，使得输出的温度系数更小，实现了高精度的目的。

Description

高精度带隙基准曲率补偿方法及高精度带隙基准电路
【技术领域】
本发明涉及集成电子电路领域中的带隙基准电路，特别涉及高精度带隙基准电路。
【背景技术】
基准电路对电路系统至关重要，为系统中的其他电路提供精确而稳定的参考电压/电流，系统中绝大部分电路的电流源均以基准电路的输出作为参考。传统基准电路主要有两种类型，MOS BGR(MOSFET带隙基准)与BJT BGR(双极性晶体管带隙基准)。
MOS BGR的测试曲线表明其输出至少包含正的二次温度系数，所以其输出曲线为开口向上的二次曲线，如附图1中(a)所示。回顾MOS BGR输出参考电压的表达式，也可以推出其二次温度系数为正，这也印证了MOS BGR的测试结果。传统低压BJT BGR电流高次温度系数是由BJT(双极性晶体管)的发射结电压VBE引起的，VBE具有负的二次温度系数，带隙基准的曲线呈开口向下的抛物线，如附图1中(b)所示。
相当一部分的电路系统的性能直接受基准电路的影响。为了能提供与电源电压、温度和工艺有最小相关度的基准电路。为了实现高精度带隙基准，已有多种带隙基准曲率补偿技术被提出。有专家提出了分段线性补偿法，通过在典型带隙基准的输出集成非线性器件，以消除 BJT发射结电压的非线性，达到高精度的目的；有人利用不同类型电阻的温度系数补偿高阶温度系数。显然，这种方法很难兼容于不同的工艺。最近有人提出了产生与绝对温度成反比(CTAT,complementary to absolute temperature)的电流的方法，利用这个电流实现高次曲率补偿。本发明采用工作在亚阈值区的MOSFET实现曲率补偿，这一高次曲率补偿方法对工艺的变化不敏感，不依赖于与工艺相关的电阻。
【发明内容】
本发明旨在解决高精度带隙基准曲率补偿的问题，提出了一种与电源电压、温度和工艺有最小相关度的的高精度带隙基准曲率补偿方法，同时利用该法发生实现了一种高精度带隙基准电路。从以上的对传统MOS BGR和 BJT BGR的分析，可以看出二者具有相反的二次温度系数。很显然，如果将二者加权相加必能得到二次温度系数为0的温度特性，同时可以部分抵消三次温度系数。补偿原理如附图1所示。本发明将MOS BGR与BJT BGR输出参考电压的和分割成三部分构成。
第一部分为两个工作在亚阈值区的MOSFET栅源电压差ΔVGS，这部分电压表达式为
其具有正的一次温度系数、正的二次温度系数与正的三次温度系数。
第二部分为BJT的发射结电压VBE，这部分电压的表达式为
其具有负的一次温度系数、负的二次温度系数。
第三部分是BJT发射结电压差ΔVBE，这部分仅有正的一次温度系数。
然后，将以上三部分加权相加，获得高精度带隙基准电路的输出
VREF＝R5(ΔVBE/R2+VBE/R3+ΔVGS/R1)。
调整R1、R2、R3的比值使得高精度带隙基准电路的输出电压的一次温度系数为0，二次温度系数为0，三次温度系数减小；一次温度系数为 0实现了带隙基准的功能，二次系数为了实现了二次曲率补偿的目的，三次温度系数减小有三次曲率补偿的部分效果，总体实现了高精度带隙基准的曲率补偿，大大降低了高精度带隙基准电路输出电压随温度的变化。
为实现上述方法与达到上述目的，本发明提供了一种采用曲率补偿的高精度带隙基准电路，包括：
第一功能模块，其进一步包括用于产生曲率补偿电流ICOMP的第一 MOSFET(金属-氧化物-硅场效应管)、第二MOSFET、第一电阻、第一等值嵌位电路，其中，第一MOSFET的栅极连接至第一等值嵌位电路的第一输入端，第二MOSFET的栅极连接在第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接至第一等值嵌位电路的第二输入端；
第二功能模块，其进一步包括用于产生与绝对温度正相关的第一电流的第一BJT(双极性晶体管)、第二BJT、第二电阻，以及用于产生与绝对温度负相关的第二电流的第三电阻、第四电阻，其中第一BJT 的偏置电流是第二BJT的偏置电流的m倍，第二BJT的发射结面积A 是第一BJT发射结面积的n倍，第三电阻的阻值等第四电阻的阻值；
以及
第三功能模块，其进一步包括第二运算放大器、第五MOSFET、第六 MOSFET、第七MOSFET，第二运算放大器使得第一BJT发射结上的电压等于第二电阻上的电压加上第二BJT发射结上的电压，第二运算放大器同时使得第三电阻、第四电阻上的电压等于第一BJT发射结上电压，产生具有负的一阶温度系数与负的二阶温度系数的第二电流，第五 MOSFET、第六MOSFET、第七MOSFET构成第一电流镜，所述第一电流镜也可以用BJT、MOSFET与BJT的组合实现，第一电流镜将曲率补偿电流、第一电流、第二电流加权叠加在一起流过第五电阻产生采用曲率补偿的高精度带隙基准电路的输出电压。
第一MOSFET的偏置电流是第二MOSFET的偏置电流的m倍，第二 MOSFET的沟道宽长比(W/L)是第一MOSFET的沟道宽长比的k倍，所述曲率补偿电流ICOMP具有正的一阶温度系数与正的二阶温度系数。所述的采用曲率补偿的高精度带隙基准电路，其特征在于，所述第一等值嵌位电路进一步包括第一运算放大器、第三MOSFET、第四MOSFET，第三MOSFET输出端与第四MOSFET的输出端分别输出曲率补偿电流 ICOMP。
本发明采用工作在亚阈值区的MOS实现对典型低压带隙基准的高次曲率补偿，这一曲率补偿方法不依赖于与工艺相关的电阻、器件，对工艺的变化不敏感。因此，本发明提出的采用曲率补偿的高精度带隙基准电路具有温度系数小且与工艺相关度低的特点，其具有很强的实用性。
【附图说明】
图1为本发明曲率补偿原理
图2为本发明的一个实施例
图3为本发明的另一个实施例
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
实施例1
如附图2所示，高精度带隙基准电路包括第一功能模块、第二功能块与第三功能块。
第一功能块用于产生曲率补偿电流ICOMP，曲率补偿电流具有正的一次温度系数(即与绝对温度成正比的电流)与正的二次温度系数。第一功能块进一步包括第一MOSFETM1、第二MOSFET M2、第一电阻R1、第一等值嵌位电路。其中，第一MOSFET M1的栅极连接至第一等值嵌位电路的第一输入端A，第二MOSFET M2的栅极连接在第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端连接至第一等值嵌位电路的第二输入端B；第二MOSFET M2的宽长比(W/L)是第一MOSFET M1的k倍。第一等值嵌位电路使得加在第一电阻 R1两端的电压为M1与M2栅源电压差△VGS，因此曲率补偿电流ICOMP＝△VGS/R1。第一等值嵌位电路进一步包括第一运算放大器OP1与第三MOSFET M3以及第四MOSFET M4。
第二功能模块包括第一BJT Q1、第二BJT Q2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4。其中，第一BJT Q1、第二BJT Q2结合第二电阻R2用于产生与绝对温度正相关的第一电流IPTAT，IPTAT＝(VBE1-VBE2)/R2＝△VBE/R2；节点C的电压等于节点D的电压，第三电阻R3、第四电阻R4用于产生与绝对温度负相关的第二电流INEG，第三电阻R3的阻值等第四电阻R4的阻值，INEG＝VBE/R3。第二功能块中第一BJT的偏置电流是第二BJT的偏置电流的m 倍，第二BJT的发射结面积A是第一BJT发射结面积的n倍。
第三功能模块，一方面使得的节点C的电压等于节点D的电压，另一方面将曲率补偿电流ICOMP、第一电流IPTAT与第二电流INEG加权叠加在一起通过第七MOSFET M7输出。第三功能块进一步包括第二运算放大器OP2、第五 MOSFET M5、第六MOSFET M6、第七MOSFET M7，第二运算放大器OP2使得第一BJT Q1发射结上的电压等于第二电阻R2上的电压加上第二BJTQ2发射结上的电压，第二运算放大器OP2同时使得第三电阻R3、第四电阻R4上的电压等于第一BJT Q1发射结上电压，产生具有负的一次温度系数与负的二次温度系数的第二电流INEG，第五MOSFET M5、第六MOSFET M6、第七MOSFET M7构成电流镜，该电流镜将曲率补偿电流ICOMP、第一电流IPTAT、第二电流 IENG加权叠加在一起通过第七MOSFET M7输出，流过第五电阻R5产生高精度带隙基准电路的输出电压VREF，
VREF＝R5(ΔVBE/R2+VBE/R3+ΔVGS/R1)。
实施例2
如附图3所示，为高精度带隙基准电路的另一个实施例。
第一MOSFET MW1、第二MOSFET MW2、第一电阻R1、第一运算放大器 OP1、以及MOSFET MP1、MP2、MP3、MP4用于产生补偿电流ICOMP，ICOMP＝△VGS/R1具有正的一次温度系数、正的二次温度系数与正的三次温度系数。MP1、MP2、 MP3、MP4与OP1构成的反馈回路使得节点C与D的电压相等。MW2的宽长比(W/L)是MW2的k倍，加在R1两端的电压即为MW1、MW2两个MOSFET 的栅源电压差△VGS。电阻R6为了使MW1的漏源电压与MW2的漏源电压相等， R6的阻值等于R2的阻值。
第一BJT Q1、第二BJT Q2、第二电阻R2、第二运算放大器OP2以及 MOSFET MP5、MP6、MP7、MP8用于产生与绝对温度成正比的第一电流IPTAT， IPTAT＝△VBE/R2具有一次正的温度系数。MP5、MP6、MP7、MP8与OP2构成的反馈回路使得Q2的发射极面积为Q1的n倍，加在R2两端的电压等于Q1 与Q2两个BJT发射结电压差△VBE。第一BJT Q1、第二BJT Q2、第三电阻 R3、第四电阻R4、第二运算放大器OP2以及MOSFET MP5、MP6、MP7、MP8 用于产生与绝对温度成反比的电流INEG，INEG＝VBE/R3具有负的一次温度系数与负的二次温度系数。其中R3对的阻值等于R4的阻值，节点A与B的电压相等，加在R4两端的电压为Q1的发射结电压VBE。。
MP9、MP10与MP1、MP2、MP3、MP4结合，构成第一电流镜，用于把补偿电流ICOMP的镜像电流I1输出至第五电阻R5的第一端；MP11、MP12与MP5、 MP6、MP7、MP8结合，构成第二电流镜，用于把IPTAT与INEG的和的镜像电流 I2输出至R5的第一端，R5的第二端接地。I1与I2共同流过R5产生高精度带隙基准的输出电压VREF，
VREF＝R5(ΔVBE/R2+VBE/R3+ΔVGS/R1)。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。

Claims (4)

1.一种高精度带隙基准曲率补偿方法及高精度带隙基准电路，其特征在于，利用工作在亚阈值区的两个MOSFET的栅源电压差△VGS补偿传统低压BJT带隙基准的高次曲率，△VGS电压具有正的二次温度系数与正的三次温度系数，而典型低压BJT带隙基准的主要曲率是由BJT发射结电压VBE的负的二次温度系数与负的三次温度系数引起的，将△VGS乘以一定系数叠加到VBE上，完全抵消了典型低压BJT带隙基准的二次曲率，同时部分抵消三次曲率，达到高精度带隙基准曲率补偿的目的。
2.如权利要求1所述的高精度带隙基准曲率补偿方法及高精度带隙基准电路，其特征在于，其包括：
第一功能模块，其进一步包括用于产生曲率补偿电流的第一MOSFET(金属-氧化物-硅场效应管)、第二MOSFET、第一电阻、第一等值嵌位电路，第一MOSFET的栅极连接至第一等值嵌位电路的第一输入端，第二MOSFET的栅极连接在第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接至第一等值嵌位电路的第二输入端；
第二功能模块，其进一步包括用于产生与绝对温度成正比的第一电流的第一BJT(双极性晶体管)、第二BJT、第二电阻，以及用于产生与绝对温度反比的第二电流的第三电阻、第四电阻，其中第一BJT的偏置电流是第二BJT的偏置电流的m倍，第二BJT的发射结面积A是第一BJT发射结面积的n倍，第三电阻的阻值等第四电阻的阻值；
以及
第三功能模块，其进一步包括第二运算放大器、第五MOSFET、第六MOSFET、第七MOSFET，第二运算放大器使得第一BJT发射结上的电压等于第二电阻上的电压加上第二BJT发射结上的电压，第二运算放大器同时使得第三电阻、第四电阻上的电压等于第一BJT发射结上电压，产生具有负的一次温度系数与负的二次温度系数的第二电流，第五MOSFET、第六MOSFET、第七MOSFET构成第一电流镜，所述第一电流镜也可以用BJT、MOSFET与BJT的组合实现，第一电流镜将曲率补偿电流、第一电流、第二电流加权叠加在一起流过第五电阻产生所述高精度带隙基准电路的输出电压。
3.如权利要求2所述的高精度带隙基准曲率补偿方法及高精度带隙基准电路，其特征在于，第一MOSFET的偏置电流是第二MOSFET的偏置电流的m倍，第二MOSFET的沟道宽长比(W/L)是第一MOSFET的沟道宽长比的k倍，所述曲率补偿电流具有正的一次温度系数与正的二次温度系数。
4.如权利要求3所述的高精度带隙基准曲率补偿方法及高精度带隙基准电路，其特征在于，所述第一等值嵌位电路进一步包括第一运算放大器、第三MOSFET、第四MOSFET，第三MOSFET输出端与第四MOSFET的输出端均输出曲率补偿电流。
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