CN107861558A - 一种数字高阶补偿带隙基准源 - Google Patents
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Abstract
一种数字高阶补偿带隙基准源，属于模拟集成电路领域。包括启动电路、带隙核心电路、温度点检测电路和数字高阶补偿电路，启动电路用于防止基准源电路在刚上电时处在简并态，启动完成后退出工作状态；带隙核心电路包含一个一阶带隙基准源和β补偿电路，其中β补偿用于在低温区增加一个负温电压项，降低了低温区的温度系数；温度点检测电路用于检测环境温度使得在适当的环境温度下触发数字高阶补偿电路通过数字的方式调节一阶带隙基准输出的零温点。本发明提供的基准源电路通过两次移动零温点，再加上β补偿的效果，使得该基准源可以在整个温度范围内实现很低的温度系数；同时本发明的电路相比与传统高阶补偿基准源，在功耗和面积上也更小。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路领域，涉及带隙基准源的高阶补偿。
背景技术
在模拟集成电路领域里，基准源是一个非常重要的模块，被广泛应用在功率转换器，数据转换器等系统中，其作用是为系统提供一个不随温度和电源电压变化的偏置。
由于在众多的半导体工艺器件参数中，三极管的器件特性参数具有最好的重复性，随工艺的影响很小。因此，虽然当今在学术界和工业界有很多的全MOS的基准源被提出，带隙基准目前还是被应用得最广泛的基准源架构。随着便携式设备的发展，对基准源的精度也提出了越来越高的要求，其中低温漂基准源的设计是提高基准源精度的一个很重要的方面。
如图1所示，对于电流模的带隙基准源，其基准输出电压的表达式为：
其中VT是热电压，它与温度成线性正相关；N是双极型晶体管Q7和双极型晶体管Q6发射极面积的比值。VBE1是三极管的基极-发射极电压，与温度之间的关系可以表示为：
其中η是工艺因子，通常为3.5左右；α是三极管集电极电流温度的指数因子；VG是硅的带隙电压，通常为1.25V左右；TR是参考温度。因此，从表达式可以看出，带隙基准的负温度系数CTAT电压中含有高阶项传统的一阶补偿无法完全抵消负温项。所以，为了得到更好的温度特性，需要对带隙基准源的高阶温度项进行补偿。
虽然在近年来学术界提出了很多的带隙基准源的高阶补偿方案，比如对数补偿，分段线性补偿以及β补偿。然而更好的带隙基准源高阶补偿方案正在进一步研究中，所以，研究进一步降低带隙基准源温漂的方案具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是解决一阶带隙基准源中温度系数过高的问题，提出了一种新的高阶补偿方案。
本发明的技术方案为：
一种数字高阶补偿带隙基准源，包括启动电路、带隙核心电路、温度点检测电路和数字高阶补偿电路，
所述带隙核心电路包括第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一双极型晶体管Q1和第二双极型晶体管Q2，
第二PMOS管MP2的栅极连接所述启动电路的输出端，其漏极连接第一双极型晶体管Q1和第二双极型晶体管Q2的基极并通过第一电阻R1后接地；
第三PMOS管MP3的栅漏短接并连接第一双极型晶体管Q1的集电极和第四PMOS管MP4的栅极，第四PMOS管MP4的漏极连接第二双极型晶体管Q2的集电极、第二PMOS管MP2和第五PMOS管MP5的栅极；
第三电阻R3的一端连接第二双极型晶体管Q2的发射极，另一端连接第一双极型晶体管Q1的发射极并通过第二电阻R2后接地；
第一双极型晶体管Q1的基极连接第二双极型晶体管Q2的基极和第二PMOS管MP2的漏极并通过第一电阻R1后接地；
第五PMOS管MP5的漏极作为所述数字高阶补偿带隙基准源的输出端并通过第四电阻R4后接地；
第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5的源极接电源电压；
所述温度点检测电路包括第六PMOS管MP6、第三双极型晶体管Q3、第四双极型晶体管Q4、第五双极型晶体管Q5、第一反相器INV1和第四反相器INV4，
第六PMOS管MP6的栅极连接所述带隙核心电路中第三PMOS管MP3的栅极，其源极接电源电压，其漏极连接第三双极型晶体管Q3的基极和集电极、以及第一反相器INV1和第四反相器INV4的输入端；
第四双极型晶体管Q4的基极和集电极互连并连接第三双极型晶体管Q3的发射极；第五双极型晶体管Q5的基极和集电极互连并连接第四双极型晶体管Q4的发射极，其发射极接地；
所述数字高阶补偿电路包括第二反相器INV2、第三反相器INV3、第五反相器INV5和第六反相器INV6，
第二反相器INV2的输入端连接所述温度点检测电路中第一反相器INV1的输出端，其输出端连接第三反相器INV3的输入端并输出第一数字信号Digital1；第三反相器INV3的输出端输出第三数字信号Digital3；
第五反相器INV5的输入端连接所述温度点检测电路中第四反相器INV4的输出端，其输出端连接第六反相器INV6的输入端并输出第四数字信号Digital4；第六反相器INV6的输出端输出第二数字信号Digital2；
所述第一数字信号Digital1和第四数字信号Digital4用于调节所述带隙核心电路中的第二电阻R2的阻值，所述第二数字信号Digital2和第三数字信号Digital3用于调节所述带隙核心电路中的第四电阻R4的阻值。
具体的，所述启动电路包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第一PMOS管MP1，第一PMOS管MP1的源极和漏极互连并连接电源电压，其栅极连接第一NMOS管MN1的栅极和第二NMOS管MN2的漏极；第一NMOS管MN1的漏极作为所述启动电路的输出端，其源极接地；第二NMOS管MN2的栅极连接所述数字高阶补偿带隙基准源的输出端，其源极接地。
本发明的工作过程为：
启动电路用于防止基准源电路在刚上电时处在简并态，启动完成后退出工作状态；带隙核心电路包含一个一阶带隙基准源和β补偿电路，其中β补偿用于在低温区增加一个负温电压项，降低了低温区的温度系数；温度点检测电路用于检测环境温度使得在适当的环境温度下触发数字高阶补偿电路通过数字的方式调节一阶带隙基准输出的零温点，具体做法为：利用温度点检测电路设定两个温度点T1和T2，当检测到环境温度升高达到T1时，通过使得第一反相器INV1翻转触发第二反相器INV2调高第二电阻R2的阻值和第三反相器INV3调低第四电阻R4的阻值，使基准输出零温点对应的温度升高同时满足零温点对应的电压基本保持不变；当检测到环境温度继续升高达到T2时，通过翻转第四反相器INV4触发第五反相器INV5和第六反相器INV6，第五反相器INV5进一步调高第二电阻R2的阻值，第六反相器进一步调低第四电阻R4的阻值，再一次移动了零温点，再加上β补偿提供的负温项降低了低温区的温度系数，使得本发明提供的基准源可以在整个温度范围内实现很低的温度系数。
本发明的有益效果为：本发明提供的基准源电路通过两次移动零温点，再加上β补偿的效果，使得该基准源可以在整个温度范围内实现很低的温度系数；同时，因为数字逻辑电路的功耗以及所占用的面积都非常小，因此本发明与传统的高阶补偿方案相比，在功耗和面积上也存在很大的优势。
附图说明
图1是电流模带隙基准源的电路原理图。
图2是不同零温点基准输出的温度特性曲线。
图3是本发明提供的数字高阶补偿带隙基准源的等效架构图。
图4是本发明提供的数字高阶补偿带隙基准源的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，详细说明本发明电路的工作原理。
如图2所示，在不同的正温度系数R6/R5下，可以得到不同位置的零温点，如果R6/R5越大，那么零温点所对应的温度越高。因此可以得出，在图2中基准输出VREF3对应的正温度系数最高，而基准输出VREF1对应的正温度系数最低。基于此原理，本发明的高阶补偿的思路是通过数字的方法动态调整带隙基准的零温点，当环境温度比较低时，基准的零温点对应的温度也比较低。当环境温度升高时，基准会通过数字的逻辑将零温点调高，从而使得基准在整个温度范围内得到很低的温度系数，达到高阶补偿的功能。
本发明的系统架构图如图3所示，包括启动电路，带隙核心电路，温度点检测电路，数字高阶补偿电路。启动电路的作用是为了防止在刚上电时基准源电路处在简并态，启动完成后启动电路退出工作状态；带隙核心电路为电流模形式，包含一个一阶带隙基准源和β补偿电路，其中β补偿是对基准极低温区的温度特性进行补偿；温度点检测电路用于检测环境温度使得在适当的环境温度下触发后面的逻辑进行高阶补偿，检测需要动态调整基准的零温点时的环境温度，当环境温度达到该温度点时，用于调整基准零温点的数字逻辑会被触发；数字高阶补偿模块通过数字的方式调节一阶带隙基准输出的零温点来实现高阶补偿的功能，具体来说是用于调整正温系数R6/R5以及基准输出电压系数R7/R6的逻辑，因为当正温系数提高时，基准输出零温点对应的电压也会有略微的升高，所以为了保证动态调整前和动态调整后的零温点对应的电压相同，需要适当地调低基准输出电压系数R7/R6。
图4给出了这种带隙基准高阶补偿方案的电路原理图，本实施例中的启动电路包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第一PMOS管MP1，第一PMOS管MP1的源极和漏极互连并连接电源电压，其基极连接第一NMOS管MN1的基极和第二NMOS管MN2的漏极；第一NMOS管MN1的漏极作为所述启动电路的输出端，其源极接地；第二NMOS管MN2的栅极连接所述数字高阶补偿带隙基准源的输出端，其源极接地。
第一双极型三极管Q1和第二双极型三极管Q2的基极VREF_AUX是一阶基准电压的输出，因此可以得出第二PMOS管MP2的电流表达式为：
IMP2＝VREF_AUX/R1+2VT lnN/R3β(T) (3)
又因为三极管的电流增益与温度之间的关系可以表示为：
其中N为第二双极型晶体管Q2和第一双极型晶体管Q1的发射极面积比，β(T)是双极型晶体管的电流增益，β0是双极型晶体管的最大电流增益，是一个与温度无关的常数，ΔEg是带隙宽度减小因子，与发射极参杂浓度成正比而与温度无关；k是与热电压有关而与温度无关的常数。
将(4)式代入(3)式，看出β补偿就是在一阶补偿的基础上增加了一个负温项，同时可以看出这个负温项在高温区的影响是很小的，因此β补偿可以看成对带隙基准源低温区温度特性的补偿。因为带隙基准源在低温区呈现正温特性，从而在低温区增加一个负温电压项可以降低低温区的温度系数。最后，经过了β补偿的基准电流IMP2通过电流镜镜像给第四电阻R4从而得到基准电压输出。
在温度点检测模块中，第三双极型晶体管Q3，第四双极型晶体管Q4和第五双极型晶体管Q5三个串联的三极管是用于产生在整个温度范围内的负温度系数CTAT电压，而第一反相器INV1和第四反相器INV4可以通过调节反相器中N管和P管的尺寸比来调节反相器的翻转电压VM。从而第一反相器INV1和第四反相器INV4两个不同的翻转电压分别对应两个不同的温度点，其中两个温度点根据实际情况自行设定，因此该模块实现了两个温度点的检测，当环境温度分别到达这两个温度点时，第一反相器INV1和第四反相器INV4分别会在相应的温度点上发生翻转。从而触发后面的逻辑移动基准的零温点，实现高阶补偿。
具体来说，可以令第一反相器INV1和第四反相器INV4发生翻转时的环境温度分别是T1和T2(T1＜T2)，当环境温度从低温区逐渐升高到T1时，第一反相器INV1发生翻转，即第一反相器INV1输出从低电平变为高电平，从而触发后面的第二反相器INV2和第三反相器INV3，第二反相器INV2输出的第一数字信号Digital_1从高电平变为低电平从而调高第二电阻R2，第三反相器INV3输出的第三数字信号Digital_3从低电平变为高电平从而调低第四电阻R4，从而使得基准输出零温点对应的温度升高同时满足零温点对应的电压基本保持不变。当环境温度逐渐升高到T2时，第四反相器INV4发生翻转，即第四反相器INV4的输出从低电平变为高电平，从而触发后面的第五反相器INV5和第六反相器INV6，第五反相器INV5输出的第四数字信号Digital_4从高电平变为低电平，从而进一步调高第二电阻R2，第六反相器INV6输出的第二数字信号Digital_2从低电平变为高电平，从而进一步调低第四电阻R4，因此该高阶补偿方案两次移动了零温点，再加上β补偿的效果，该基准可以在整个温度范围内实现很低的温度系数。同时，因为数字逻辑电路的功耗以及所占用的面积都非常小，因此本发明与传统的高阶补偿方案相比，在功耗和面积上也存在很大的优势。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种数字高阶补偿带隙基准源，其特征在于，包括启动电路、带隙核心电路、温度点检测电路和数字高阶补偿电路，
所述带隙核心电路包括第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一双极型晶体管(Q1)和第二双极型晶体管(Q2)，
第二PMOS管(MP2)的栅极连接所述启动电路的输出端，其漏极连接第一双极型晶体管(Q1)和第二双极型晶体管(Q2)的基极并通过第一电阻(R1)后接地；
第三PMOS管(MP3)的栅漏短接并连接第一双极型晶体管(Q1)的集电极和第四PMOS管(MP4)的栅极，第四PMOS管(MP4)的漏极连接第二双极型晶体管(Q2)的集电极、第二PMOS管(MP2)和第五PMOS管(MP5)的栅极；
第三电阻(R3)的一端连接第二双极型晶体管(Q2)的发射极，另一端连接第一双极型晶体管(Q1)的发射极并通过第二电阻(R2)后接地；
第一双极型晶体管(Q1)的基极连接第二双极型晶体管(Q2)的基极和第二PMOS管(MP2)的漏极并通过第一电阻(R1)后接地；
第五PMOS管(MP5)的漏极作为所述数字高阶补偿带隙基准源的输出端并通过第四电阻(R4)后接地；
第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)和第五PMOS管(MP5)的源极接电源电压；
所述温度点检测电路包括第六PMOS管(MP6)、第三双极型晶体管(Q3)、第四双极型晶体管(Q4)、第五双极型晶体管(Q5)、第一反相器(INV1)和第四反相器(INV4)，
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第四双极型晶体管(Q4)的基极和集电极互连并连接第三双极型晶体管(Q3)的发射极；第五双极型晶体管(Q5)的基极和集电极互连并连接第四双极型晶体管(Q4)的发射极，其发射极接地；
所述数字高阶补偿电路包括第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第五反相器(INV5)和第六反相器(INV6)，
第二反相器(INV2)的输入端连接所述温度点检测电路中第一反相器(INV1)的输出端，其输出端连接第三反相器(INV3)的输入端并输出第一数字信号(Digital1)；第三反相器(INV3)的输出端输出第三数字信号(Digital3)；
第五反相器(INV5)的输入端连接所述温度点检测电路中第四反相器(INV4)的输出端，其输出端连接第六反相器(INV6)的输入端并输出第四数字信号(Digital4)；第六反相器(INV6)的输出端输出第二数字信号(Digital2)；
所述第一数字信号(Digital1)和第四数字信号(Digital4)用于调节所述带隙核心电路中的第二电阻(R2)的阻值，所述第二数字信号(Digital2)和第三数字信号(Digital3)用于调节所述带隙核心电路中的第四电阻(R4)的阻值。
2.根据权利要求1所述的数字高阶补偿带隙基准源，其特征在于，所述启动电路包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)和第一PMOS管(MP1)，第一PMOS管(MP1)的源极和漏极互连并连接电源电压，其栅极连接第一NMOS管(MN1)的栅极和第二NMOS管(MN2)的漏极；第一NMOS管(MN1)的漏极作为所述启动电路的输出端，其源极接地；第二NMOS管(MN2)的栅极连接所述数字高阶补偿带隙基准源的输出端，其源极接地。
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