CN108107963A - 一种低温度系数的可编程带隙基准电压源 - Google Patents

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    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，适用于电子电路领域。基准电压源由温度补偿电路、曲率补偿电路、可编程带隙基准源电路、两级运放电路、温度感应电路核心电路组成。电路输出电压稳定在1V左右，最大电压偏差为0.93mV,温度感应电路在‑20℃～120℃之间，最大输出电压范围可以达到973.OmV～4.1O5V，电路具有良好的实时性、稳定性和可靠性，系统更加灵活、性能更加强大。

Description

一种低温度系数的可编程带隙基准电压源
技术领域
本发明涉及一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，适用于电子电路领域。
背景技术
1964年，Hilbibe:和Widlar等人提出带隙基准源的思想，利用该项技术可得到一种不随电源电压之变而变、几乎与温度无关的基准电压源，因此，带隙基准源自从诞生至今一直是研究热点，由于基准源是模拟和混合信号集成电路的重要组成部分，它广泛的用于电源管理芯片、温度传感器、模数转换器〔Analog to Digital Converter, ADC )、数模转换器(Digital to Analog Converter. DAC )、低压差线性稳压器(< Low Drop Out. LDO)、电压调节器、电压检测器等模拟和数模混合集成电路中，是必不可少的基本单元，其性能好坏直接影响系统的性能稳定。基准电压也是众多系统级芯片(System On a Chip. SOC)中必不可少的部分，它影响着整个电路系统的工作，这就要求我们务必要设计出一个高性能的带隙基准源。基准电压源被用在模数或数模转换器中以提供一个基准电压，以便将模拟电压和数字电压进行转换。
随着集成电路设计技术的不断进步和制造工艺的不断发展，问题不断的产生，原有的电路已经不再适用于当今的电路之中，因此人们不断更新换代，从而基准电压源的性能得到了较大幅度的提升和改善，而带隙基准源的温度系数为衡量带隙基准源性能优劣的重要指标，对其的关注度也日益提高。随着为了提高带隙基准源的性能，人们分别从基准的工作电压、温度系数、电源抑制比和功耗等方面入手，本文主要着手于温度系数这个参数来优化带隙基准源电路，同时，单一输出电压值的带隙基准源己经不能够满足人们的要求。
发明内容
本发明提供一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，电路输出电压稳定在1V左右，最大电压偏差为0.93mV, 温度感应电路在-20℃～120℃之间，最大输出电压范围可以达到973.OmV～4.1O5V，电路具有良好的实时性、稳定性和可靠性，系统更加灵活、性能更加强大。
本发明所采用的技术方案是：
低温度系数的可编程带隙基准电压源由温度补偿电路、曲率补偿电路、可编程带隙基准源电路、两级运放电路、温度感应电路核心电路组成。
所述温度补偿电路是利用MOS管亚阈值区I-V特性实现二阶曲率补偿的电路结构。MOS管M3, M4和电阻R3一起构成了补偿电路，M4管一直工作在亚阈值状态。随着温度T的升高，R3上流过的电流I3断增加，所以M4管的栅源电压不断增大，通过M4管的漏电流IM3也不断地增加中的第不断消除VBE3中的温度高次项，弥补了由于VBE3随温度的非线性降低给输出电压带来的偏差，有效地降低了输出Vref耐温度的依赖性。
所述曲率补偿电路的输出电压是由具有负温度系数的电压VBE和具有正温度系数的码按照一定比例相加构成。其中，含有Vr的项与绝对温度成正比，而VBE并不是与温度成理想的线性关系，温度高阶项基本上被消除，从而得到一个近似与温度变化无关的基准电压。此外，为了保证电流镜中各个晶体管之间漏电流的精确复制，抑制沟道长度调制效应，一般我们需要调节R3/R2，使得Vref与VBE大致相等，这样使电路具有良好的匹配性能，增加输出基准电压的稳定性。
所述可编程带隙基准源电路中，R2两端的电压是等于Q1的基极一发射极电压VBE，那么流过R2的电流为一个具有负温度系数的电流，而流过R0的电流具有正的温度系数。因此，通过两个电阻的电流具有相反的温度系数，两个电流按一定比例相加，那么M2支路上的电流就可以得到一个一阶温度系数为零的电流。然后根据电流镜原理通过M3管将M2支路的电流镜像到M3支路上，那么流经R3电阻上的电流为一个较低温度系数的电流，因此，最终的输出电压Vref具有较低的温度系数。而Vref的电压大小可以通过改变R3电阻相对比例来实现。
所述两级运放电路由M1～M8构成，M10～M13构成了电流镜电路，电路通过M8管将电流镜像过去。电流镜电路中的电阻起主要控制电流大小的作用，选用温度系数最小的多晶硅电阻制作。
所述温度感应电路核心电路为了获得更高的PSRR，使用了10个共源共栅电流镜的PMOS管(M1-M10)，并且它们的尺寸相同，为了降低“失调”的影响，将二极管串联，将一个二极管变成射极跟随器，同时，Q2和Q3的发射极面积，Q1和Q3的发射极面积分别相等，且前两者是后两者的8倍。
本发明的有益效果是：电路能达到运动追踪效果，具有良好的实时性、稳定性和可靠性，与基于嵌入式系统和基于计算机的运动追踪系统相比，系统更加灵活、性能更加强大、追踪效果也有所提高，且具有良好的抗干扰性和可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的温度补偿电路。
图2是本发明的曲率补偿电路。
图3是本发明的可编程带隙基准源电路。
图4是本发明的两级运放电路。
图5是本发明的温度感应电路核心电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，温度补偿电路是利用MOS管亚阈值区I-V特性实现二阶曲率补偿的电路结构。MOS管M3, M4和电阻R3一起构成了补偿电路，M4管一直工作在亚阈值状态。随着温度T的升高，R3上流过的电流I3断增加，所以M4管的栅源电压不断增大，通过M4管的漏电流IM3也不断地增加中的第不断消除VBE3中的温度高次项，弥补了由于VBE3随温度的非线性降低给输出电压带来的偏差，有效地降低了输出Vref耐温度的依赖性。
如图2, 曲率补偿电路的输出电压是由具有负温度系数的电压VBE和具有正温度系数的码按照一定比例相加构成。其中，含有Vr的项与绝对温度成正比，而VBE并不是与温度成理想的线性关系，温度高阶项基本上被消除，从而得到一个近似与温度变化无关的基准电压。此外，为了保证电流镜中各个晶体管之间漏电流的精确复制，抑制沟道长度调制效应，一般我们需要调节R3/R2，使得Vref与VBE大致相等，这样使电路具有良好的匹配性能，增加输出基准电压的稳定性。
如图3，可编程带隙基准源电路中，R2两端的电压是等于Q1的基极一发射极电压VBE，那么流过R2的电流为一个具有负温度系数的电流，而流过R0的电流具有正的温度系数。因此，通过两个电阻的电流具有相反的温度系数，两个电流按一定比例相加，那么M2支路上的电流就可以得到一个一阶温度系数为零的电流。然后根据电流镜原理通过M3管将M2支路的电流镜像到M3支路上，那么流经R3电阻上的电流为一个较低温度系数的电流，因此，最终的输出电压Vref具有较低的温度系数。而Vref的电压大小可以通过改变R3电阻相对比例来实现。
如图4，两级运放电路由M1～M8构成，M10～M13构成了电流镜电路，电路通过M8管将电流镜像过去。电流镜电路中的电阻起主要控制电流大小的作用，选用温度系数最小的多晶硅电阻制作。
如图5，温度感应电路核心电路为了获得更高的PSRR，使用了10个共源共栅电流镜的PMOS管(M1-M10)，并且它们的尺寸相同，为了降低“失调”的影响，将二极管串联，将一个二极管变成射极跟随器，同时，Q2和Q3的发射极面积，Q1和Q3的发射极面积分别相等，且前两者是后两者的8倍。

Claims (8)

1.一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，其特征是：所述的低温度系数的可编程带隙基准电压源主要由温度补偿电路、曲率补偿电路、可编程带隙基准源电路、两级运放电路、温度感应电路核心电路组成。
2.根据权利要求1所述的一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，其特征是：所述温度补偿电路是利用MOS管亚阈值区I-V特性实现二阶曲率补偿的电路结构。
3. 根据权利要求1所述的一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，其特征是：所述的温度补偿电路中，MOS管M3, M4和电阻R3一起构成了补偿电路，M4管一直工作在亚阈值状态。
4.根据权利要求1所述的一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，其特征是：所述的曲率补偿电路的输出电压是由具有负温度系数的电压VBE和具有正温度系数的码按照一定比例相加构成。
5.根据权利要求1所述的一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，其特征是：所述可编程带隙基准源电路中，R2两端的电压是等于Q1的基极一发射极电压VBE，那么流过R2的电流为一个具有负温度系数的电流，而流过R0的电流具有正的温度系数。
6.根据权利要求1所述的一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，其特征是：所述两级运放电路由M1～M8构成，M10～M13构成了电流镜电路，电路通过M8管将电流镜像过去。
7.根据权利要求1所述的一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，其特征是：所述温度感应电路核心电路为了获得更高的PSRR，使用了10个共源共栅电流镜的PMOS管(M1-M10)。
8.根据权利要求1所述的一种低温度系数的可编程带隙基准电压源，其特征是：所述温度感应电路核心电路为了降低“失调”的影响，将二极管串联，将一个二极管变成射极跟随器，同时，Q2和Q3的发射极面积，Q1和Q3的发射极面积分别相等。
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