CN109976425B - 一种低温度系数基准源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温度系数基准源电路，包括依次连接在VDD电源和GND接地之间的多个模块：启动模块、CTAT模块、PTAT模块、电压基准模块以及电流基准模块；其中，产生CTAT电流的电阻和产生PTAT电流的电阻、三级管没有并联在同一节点下，从而消除了第二个非正常工作平衡点；相比传统电流型带隙基准，本发明只有一个非正常工作平衡状态，因此设计鲁棒性更高。本发明保留了电流型带隙基准的优势的同时，鲁棒性比传统电流型带隙基准更好；它在提供低温度系数的参考电压同时还可以提供低温度系数的参考电流，节省了面积和功耗。

Description

一种低温度系数基准源电路
技术领域
本发明涉及电源及微电子技术领域，尤其涉及一种低温度系数基准源电路。
背景技术
事实上，从实际的工作环境考虑，电源电压的变化范围是1.6V～5.0V，温度变化范围是-20℃～100℃，让所输出的基准电压工作在零温度系数的状态下也是理想的目标。通常，基准电压的温度系数应尽可能地小。但是，这种传统的带隙基准电压源仅仅利用了PN结电压VBE的负温度特性和不同电流密度下的两个PN结电压差ΔVBE的正温度系数相互补偿，使输出电压达到很低的温度漂移，在一定程度上抑制了由于温度变化所引起的基准电压的变化。由于VBE负温度系数具有非线性，ΔVBE＝KT线性正温度特性仅能抵消一阶负温度系数，因此在实际的工作环境中，现有技术的带隙基准电压源无法使基准电压得到有效的补偿，无法满足高精度模拟电路和数模混合电路对基准电压的要求。
基准源电路是集成电路中最重要的基础模块之一；它不仅可以给芯片的各个模块提供静态工作点，还在各种数模系统中提供参考电压和参考电流。高精度的基准源对芯片的性能有着十分重要的影响，而影响基准源精度最重要的因素之一就是温度。本发明提供了一种低温度系数的基准源电路。基准源可分为电流基准源和电压基准源，它们分别为系统内的其他模块提供参考电流和参考电压。带隙电压基准电路是一种很常见电压源基准产生电路，带隙基准可以分为电压型和电流型，电压型带隙基准只能产生1.2V左右的低温度系数基准电压，它产生电流源一般都是正温度系数(PTAT，Proportional to absolutetemperature)的基准电流；电流型的带隙基准在产生的电压基准在其大小幅度上有相当高的灵活性，而且电流型电压基准源理论上可以得到零温度系数电流基准：但它存在两个非正常工作的平衡点。而本发明是提供了一种电流型基准源电路，它不仅克服了传统电流型带隙电压基准电路存在两个非正常工作的平衡点的缺点；而且它在提供低温度系数的参考电压同时还可以提供低温度系数的参考电流，可以节省功耗和面积。
附图1是一种传统的NMOS钳位电流型带隙基准电路，它主要组成有PMOS管MP0～MP3、NMOS管MN0～MN2、电阻R0～R3、PNP型三极管BJT0～BJT1以及启动电路，其中MP0～MP2的沟道长度和宽度完全一样，MNO和MN1的的沟道长度和宽度完全一样，BJT1的发射结面积是BJT0的N倍，所以BJT1一般通过N个BJT0的并联来实现；从附图1的电气连接关系可以看出，MP1镜像MP0的电流，他们的镜像作用，使得流过MN0的电流I0完全等于流MN1的电流I1。由于MNO和MN1的电流和尺寸都一模一样，根据MOS管的电流特性可以确定他们的栅源电压也一样，从附图1可以知道MN0和MN1的栅级连接在一起，因此他们的源级电压也必然相等，即V0＝V1＝VBE0，其中VEB0是三级管BJT0基射级之间的电压。根据电气连接关系可以得到I1＝(V1-V2)/R1+V1/R2；其中V2＝VEB0，VEB1是三级管BJT1基射级之间的电压，故I1＝(VEB0-VEB1)/R1+VEB0/R2＝ΔVBE/R1+VEB0/R2；VEB0＝VT*ln(I0/IS0),VEB1＝VT*ln(I1/IS1)，IS0和IS1分别为三级管BJT0和BJT1的反向饱和电流，其与三级管的发射结面积成正比，从而有：IS1＝N*IS0；所以I1＝VT*ln(IS1/IS0)/R1+VEB0/R2＝VT*lnN/R1+VEB0/R2；从附图1可知MP2镜像了MP0的电流，所以基准电压VREF＝I2*R3＝I1*R3＝[VT*lnN/R1+VEB0/R2]*R3；VT为热电压,它是一个正温度系数电压，室温下的温度系数为+0.085mV/℃；而VEB0为负温度系数电压，室温下约-2mV/℃；将VREF重新写为公式1：
VREF＝VT*lnN*(R3/R1)+VEB0*(R3/R2) (1)
(1)式中，N为BJT1与BJT0发射结面积的比值，所以lnN为常数；VEB0为三级管BJT1的射极与基极之间的电压；R1,R2和R3为同一类型的电阻，因此(R3/R1)与(R3/R2)可以认为是零温度系数，可以认为VREF温度系数与电阻温度特性无关；理论上VREF的温度系数要为0，则[lnN*(R3/R1)]/(R3/R2)＝lnN*(R2/R1)＝2/0.085＝23.5；所以设计时取合适N、R2和R1使得lnN*(R2/R1)＝23.5可以得到接近零温度系数参考电压VREF。但是该电路的输出电流IREF来自与MP1电流I1的镜像，假设镜像比例为K，则有：
IREF＝K*I1＝K*[VT*lnN/R1+VEB0/R2]，当lnN*(R2/R1)＝23.5时，可以看出IREF也是一个接近零温度系数的电流。
一般的基准电路都存在一个零电流的平衡点，该平衡点的基准电路没有输出，因此需要启动电路将其拉到正常工作的平衡点，附图1中的启动电路和MN2就是起到这个作用，当I0＝I1＝0时。VFB的电压等于0，启动电路开启NMOS管MN2，从而将MP0和MP1的栅级下拉，使其开启，从而脱离该平衡点，当电路正常工作时，VFB升高，启动电路关闭。但是附图1所示的基准源电路还存在另外一个正常工作的平衡点，该平衡点是I0和I1较小时，三极管未能开启，I0全部流过R0，I1全部流过R2；这种平衡点下基准有输出，但不是设计想要的零温度系数基准电压和电流；第二个非正常工作的平衡点会影响电路的鲁棒性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明公开了一种低温度系数基准源电路，其特征在于，依次连接在VDD电源和GND接地之间的多个模块包括：启动模块、CTAT模块、PTAT模块、电压基准模块以及电流基准模块，其中，产生CTAT电流的电阻和产生PTAT电流的电阻、三级管没有并联在同一节点下。
更进一步地，所述启动模块由启动电路和MN3组成，启动电路的输出端连接至MN3的栅极，MN3的源极接地；
所述CTAT模块包括PMOS管MP0与MP1组成的共源共栅电流镜，MP0与MP1的源极分别与VDD连接，MP0与MP1的栅极与MN3的漏极连接，MP1的栅极与漏极连接并连接至NMOS管MN1的漏极上，MP0的漏极与NMOS管MN0的漏极连接，MN1与MN0共栅连接并连接至启动电路的反馈电压VFB端，MN0的栅极与漏极连通，MN0的源极连接三级管BJT0的发射极，三级管BJT0基极和集电极共同接地，电阻R0的一端与MN1的源极连接，另一端接地；
所述PTAT模块包括栅极连接至MP1漏极的PMOS管MP2，MP2的源极连接至VDD上，漏极与NMOS管MN2的漏极连接，MN2的栅极与所述CTAT模块中的MN1的栅极连接，电阻R1的一端与MN2的源极连接，另一端连接三级管BJT1的发射极，三级管BJT1基极和集电极共同接地，MP3的栅极连接至MP2的漏极，源极连接与VDD连接，漏极连接至MN2的源极，MP3的栅漏之间存在负反馈环路，可提供稳定的静态工作点；
所述电压基准模块，用于产生一个零温度系数电流，包括PMOS管MP4和MP5，所述MP4和MP5的源极分别与VDD连接，其中，MP4的栅极连接至所述PTAT模块中的MP3的栅极，MP5的栅极连接至所述PTAT模块中的MP2的栅极，MP4与MP5共漏极并通过下拉电阻R2后接地，电压基准模块于MP4与MP5共漏极处提供接近零温度系数的参考电压VREF；
所述电流基准模块，包括PMOS管MP6与MP7，其中，MP6和MP7的源极分别与VDD连接，MP6的栅极与所述PTAT模块中的MP3的栅极连接,MP7的栅极与所述电压基准模块的MP5的栅极连接，所述MP6与MP7共漏极连接，并在漏极处提供参考电流IREF。
更进一步地，启动模块由PMOS管MP8和NMOS管MN3、MN4共同组成，MP8的漏极与MN4的漏极连接后共同连接至MN3的栅极，MP8的源极连接至VDD，NMOS管MN4源极接地，栅极接收CTAT模块的反馈电压VFB，其中MP8为倒比管，其栅极接地。
更进一步地，所述的三级管BJT1为N个BJT0的并联。
本发明与现有技术的基准源电路相比，产生CTAT电流的电阻和产生PTAT电流的电阻、三级管没有并联在同一节点下，从而消除了第二个非正常工作平衡点；因此，本发明保留了电流型带隙基准的优势的同时，鲁棒性比附图1所示的传统电流型带隙基准更好；它在提供低温度系数的参考电压同时还可以提供低温度系数的参考电流，节省了面积和功耗。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是一种现有技术的传统NMOS钳位电流型带隙基准电路的电路图；
图2是本发明一实施例的基准源电路原理图；
图3是本发明另一实施例的基准源电路原理图。
具体实施方式
实施例一
本实施例提供了一种低温度系数基准源电路，其特征在于，依次连接在VDD电源和GND接地之间的多个模块包括：启动模块、CTAT模块、PTAT模块、电压基准模块以及电流基准模块，其中，产生CTAT电流的电阻和产生PTAT电流的电阻、三级管没有并联在同一节点下。
其中，所述启动模块由启动电路和MN3组成，启动电路的输出端连接至MN3的栅极，MN3的源极接地；
所述CTAT模块包括PMOS管MP0与MP1组成的共源共栅电流镜，MP0与MP1的源极分别与VDD连接，MP0与MP1的栅极与MN3的漏极连接，MP1的栅极与漏极连接并连接至NMOS管MN1的漏极上，MP0的漏极与NMOS管MN0的漏极连接，MN1与MN0共栅连接并连接至启动电路的反馈电压VFB端，MN0的栅极与漏极连通，MN0的源极连接三级管BJT0的发射极，三级管BJT0基极和集电极共同接地，电阻R0的一端与MN1的源极连接，另一端接地；
所述PTAT模块包括栅极连接至MP1漏极的PMOS管MP2，MP2的源极连接至VDD上，漏极与NMOS管MN2的漏极连接，MN2的栅极与所述CTAT模块中的MN1的栅极连接，电阻R1的一端与MN2的源极连接，另一端连接三级管BJT1的发射极，三级管BJT1基极和集电极共同接地，MP3的栅极连接至MP2的漏极，源极连接与VDD连接，漏极连接至MN2的源极，MP3的栅漏之间存在负反馈环路，可提供稳定的静态工作点；
所述电压基准模块，用于产生一个零温度系数电流，包括PMOS管MP4和MP5，所述MP4和MP5的源极分别与VDD连接，其中，MP4的栅极连接至所述PTAT模块中的MP3的栅极，MP5的栅极连接至所述PTAT模块中的MP2的栅极，MP4与MP5共漏极并通过下拉电阻R2后接地，电压基准模块于MP4与MP5共漏极处提供接近零温度系数的参考电压VREF；
所述电流基准模块，包括PMOS管MP6与MP7，其中，MP6和MP7的源极分别与VDD连接，MP6的栅极与所述PTAT模块中的MP3的栅极连接,MP7的栅极与所述电压基准模块的MP5的栅极连接，所述MP6与MP7共漏极连接，并在漏极处提供参考电流IREF。
如图2所示的本实施例的基准源电路原理图，其中三级管BJT1为N个BJT0的并联。它包含五个模块：启动模块、CTAT模块、PTAT模块、电压基准模块以及电流基准模块。启动模块有启动电路和MN3组成，它主要作用是防止电路工作在零电流电平衡态。它的工作过程如下：如果电路的电流为0，则VFB的电压等于0，这时启动电路将NMOS管MN2开启，从而将MP0和MP1的栅级下拉，使其开启，从而脱离该平衡点，MN0和MN1有电流通过，然后由于CATA模块负反馈作用，电路将达到正常工作电压，这时由于VFB的升高，启动电路将MN3关闭，启动过程结束。CTAT模块主要是产生一个负温度系数的电流，从图中可以知道，CTAT模块存在非正常工作的平衡点，但是由于流经MP0电流全部通过BJT0到地，因此该电路只存在零电流非正常工作的平衡点。CTAT的工作原理如下：MP1镜像MP0的电流，由于他们的镜像作用，使得流过MN0的电流I0完全等于流MN1的电流I1。而MNO和MN1尺寸都一模一样，根据MOS管的电流特性可以确定他们的栅源电压也一样，从附图1可以知道MN0和MN1的栅级连接在一起，因此他们的源级电压也必然相等，即V0＝V1＝VBE0，其中VEB0是三级管BJT0基射级之间的电压，室温下它的温度系数约-2mV/℃；从附图2可知，流过MP1的电流I1＝V1/R0＝VBE0/R0，忽略R0温度系数的影响；可以得到一个CTAT(complementary to absolute temperature)电流I1＝I0＝VBE0/R0。PTAT模块产生主要作用是在产生一个PATA(Proportional to absolutetemperature)电流I3，从附图2可知，MP2镜像MP1的电流，MN2镜像MN0的电流，所以有：
I2＝I1＝I0＝VBE0/R0 (2)
V2＝V1＝V0＝VBE0 (3)
从公式2)和3)及附图2的连接关系可以得到：
IPTAT＝(V2-VBE1)/R1＝(VBE0-VBE1)/R1＝ΔVBE/R1 (4)
VBE0和VBE1分别为PNP型三级管BJT0、BJT1的射极与基极之间的电压；BJT1的发射结面积是BJT0发射结面积的N倍，所以有：
IPTAT＝ΔVBE/R1＝(VT*lnN)/R1 (5)
VT为热电压。它是一个室温下温度系数为+0.085mV/℃的PTAT电压。
根据附图2，PTAT模块中，MP3的栅漏之间存在负反馈环路，可提供稳定的静态工作点，而在节点V2，根据基尔霍夫电流定律有：
I3＝IPTAT-I2＝(VT*lnN)/R1-VBE0/R0 (6)
由于IPTAT为PTAT电流，I2为CTAT电流，所以I3为PTAT电流。
电压基准模块用来产生一个零温度系数电流，流过MP4和MP5的电流分别为I4和I5，由于MP4镜像MP3的电流，镜像比例为K1倍；MP5镜像MP1的电流，镜像比例为1倍；所以有：
I4＝K1*I3＝K1*[(VT*lnN)/R1-VBE0/R0] (7)
I5＝I1＝VBE0/R0 (8)
则VREF＝(I4+I5)*R2＝[(K1*VT*lnN)/R1+(1-K1)*(VBE0/R0)]R2＝VT*[(R2/R1)*lnN*K1]+VBE0*[(1-K1)*(R2/R0)] (9)
常温下VT的温度系数为+0.085mV/℃，VBE0的温度系数为-2mV/℃，所以理想情况下只要[(R2/R1)*lnN*K1]：[(1-K1)*(R2/R0)]＝2:0.085，即(R0/R1)*lnN*[K1/(1-K1)]＝23.5就可以使得VREF的温度系数为0,所以该电路在设计时只要取合适的N、K1和电阻比值R0/R1使得(R0/R1)*lnN*[K1/(1-K1)]＝23.5就可以得到接近零温度系数的参考电压VREF。
电流基准模块主要作用是产生一个零温度系数电流，如附图2所示，流过MP6和MP7的电流分别为I6和I7，由于MP6镜像MP3的电流，镜像比例为K2倍；MP7镜像MP1的电流，镜像比例为1倍；所以有：
I6＝K2*I3＝K2*[(VT*lnN)/R1-VBE0/R0] (10)
I7＝I1＝VBE0/R0 (11)
根据基尔霍夫电流定律：IREF＝I6+I7＝[(K2*lnN)/R1]*VT+(1-K2)/R0*VBE0；当(K2*lnN)/R1：(1-K2)/R0＝23.5时IREF的温度系数为0，即当
(R0/R1)*lnN*[K2/(1-K2)]＝23.5时IREF为零温度系数。
实施例二
在本实施例中，针对启动模块有：一种低温度系数基准源电路，其特征在于，依次连接在VDD电源和GND接地之间的多个模块包括：启动模块、CTAT模块、PTAT模块、电压基准模块以及电流基准模块。
所述启动模块由启动电路和MN3组成，启动电路的输出端连接至MN3的栅极，MN3的源极接地；
所述CTAT模块包括PMOS管MP0与MP1组成的共源共栅电流镜，MP0与MP1的源极分别与VDD连接，MP0与MP1的栅极与MN3的漏极连接，MP1的栅极与漏极连接并连接至NMOS管MN1的漏极上，MP0的漏极与NMOS管MN0的漏极连接，MN1与MN0共栅连接并连接至启动电路的反馈电压VFB端，MN0的栅极与漏极连通，MN0的源极连接三级管BJT0的发射极，三级管BJT0基极和集电极共同接地，电阻R0的一端与MN1的源极连接，另一端接地；
所述PTAT模块包括栅极连接至MP1漏极的PMOS管MP2，MP2的源极连接至VDD上，漏极与NMOS管MN2的漏极连接，MN2的栅极与所述CTAT模块中的MN1的栅极连接，电阻R1的一端与MN2的源极连接，另一端连接三级管BJT1的发射极，三级管BJT1基极和集电极共同接地，MP3的栅极连接至MP2的漏极，源极连接与VDD连接，漏极连接至MN2的源极，MP3的栅漏之间存在负反馈环路，可提供稳定的静态工作点；
所述电压基准模块，用于产生一个零温度系数电流，包括PMOS管MP4和MP5，所述MP4和MP5的源极分别与VDD连接，其中，MP4的栅极连接至所述PTAT模块中的MP3的栅极，MP5的栅极连接至所述PTAT模块中的MP2的栅极，MP4与MP5共漏极并通过下拉电阻R2后接地，电压基准模块于MP4与MP5共漏极处提供接近零温度系数的参考电压VREF；
所述电流基准模块，包括PMOS管MP6与MP7，其中，MP6和MP7的源极分别与VDD连接，MP6的栅极与所述PTAT模块中的MP3的栅极连接,MP7的栅极与所述电压基准模块的MP5的栅极连接，所述MP6与MP7共漏极连接，并在漏极处提供参考电流IREF。
其中，三级管BJT1为N个BJT0的并联。
其中，启动模块由PMOS管MP8和NMOS管MN3、MN4共同组成，MP8的漏极与MN4的漏极连接后共同连接至MN3的栅极，MP8的源极连接至VDD，NMOS管MN4源极接地，栅极接收CTAT模块的反馈电压VFB，其中MP8为倒比管，其栅极接地。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种低温度系数基准源电路，其特征在于，包括依次连接在VDD电源和GND接地之间的多个模块：启动模块、CTAT模块、PTAT模块、电压基准模块以及电流基准模块，其中，产生CTAT电流的电阻和产生PTAT电流的电阻、三级管没有并联在同一节点下，其中，所述启动模块由启动电路和MN3组成，启动电路的输出端连接至MN3的栅极，MN3的源极接地；
所述CTAT模块包括PMOS管MP0与MP1组成的共源共栅电流镜，MP0与MP1的源极分别与VDD连接，MP0与MP1的栅极与MN3的漏极连接，MP1的栅极与漏极连接并连接至NMOS管MN1的漏极上，MP0的漏极与NMOS管MN0的漏极连接，MN1与MN0共栅连接并连接至启动电路的反馈电压VFB端，MN0的栅极与漏极连通，MN0的源极连接三级管BJT0的发射极，三级管BJT0基极和集电极共同接地，电阻R0的一端与MN1的源极连接，另一端接地；
所述PTAT模块包括栅极连接至MP1漏极的PMOS管MP2，MP2的源极连接至VDD上，漏极与NMOS管MN2的漏极连接，MN2的栅极与所述CTAT模块中的MN1的栅极连接，电阻R1的一端与MN2的源极连接，另一端连接三级管BJT1的发射极，三级管BJT1基极和集电极共同接地，MP3的栅极连接至MP2的漏极，源极连接与VDD连接，漏极连接至MN2的源极，MP3的栅漏之间存在负反馈环路，可提供稳定的静态工作点；
所述电压基准模块，用于产生一个零温度系数电流，包括PMOS管MP4和MP5，所述MP4和MP5的源极分别与VDD连接，其中，MP4的栅极连接至所述PTAT模块中的MP3的栅极，MP5的栅极连接至所述PTAT模块中的MP2的栅极，MP4与MP5共漏极并通过下拉电阻R2后接地，电压基准模块于MP4与MP5共漏极处提供接近零温度系数的参考电压VREF；
所述电流基准模块，包括PMOS管MP6与MP7，其中，MP6和MP7的源极分别与VDD连接，MP6的栅极与所述PTAT模块中的MP3的栅极连接,MP7的栅极与所述电压基准模块的MP5的栅极连接，所述MP6与MP7共漏极连接，并在漏极处提供参考电流IREF。
2.如权利要求1所述的一种低温度系数基准源电路，其特征在于，启动模块由PMOS管MP8和NMOS管MN3、MN4共同组成，MP8的漏极与MN4的漏极连接后共同连接至MN3的栅极，MP8的源极连接至VDD，NMOS管MN4源极接地，栅极接收CTAT模块的反馈电压VFB，其中MP8为倒比管，其栅极接地。
3.如权利要求2所述的一种低温度系数基准源电路，其特征在于，所述的三级管BJT1为N个BJT0的并联。
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