CN110568893A - 一种超高精度的带隙基准源电路 - Google Patents

一种超高精度的带隙基准源电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高精度的带隙基准源电路，包括启动电路，主要电路，电阻电路以及分段补偿电路。本发明基于电阻电路利用电阻温度特性通过调节电阻比值得到乘数修调补偿曲线并实现乘数修调补偿技术，通过乘数修调补偿技术和五段分段补偿技术，对带隙基准源进行曲率补偿以获得超高精度的带隙基准源。本发明的优越性在于乘数修调补偿技术的实现无需增加附加电路，简便高效，在消除传统设计方法中电阻温度特性影响的同时，极大地改善了带隙基准源的精度。

Description

一种超高精度的带隙基准源电路
技术领域
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种超高精度的带隙基准源电路。
背景技术
带隙基准源作为精密电路系统的电源，参考电压等部分，其精度对系统的稳定性有着重要作用。为提高带隙基准源的精度，人们提出了多种对带隙基准源温度特性曲线进行曲率补偿的技术，但是仍然很难满足超高精度的应用要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种超高精度的带隙基准源电路，该电路在高阶非线性补偿的基础上，采用乘数修调补偿技术和5段分段补偿技术，以克服现有技术的不足。
为了达到上述目的，本发明提出了一种超高精度的带隙基准源电路，包括启动电路，主要电路，电阻电路以及分段补偿电路，
主要电路具体包括第一差分运算放大器A1，第二差分运算放大器A2，第一双极型晶体管Q1，第二双极型晶体管Q2，第三双极型晶体管Q3，第一场效应晶体管 P1，第二场效应晶体管P2，第三场效应晶体管P3，第四场效应晶体管P4，第五场效应晶体管P5，第六场效应晶体管P6，第七场效应晶体管P7，第八场效应晶体管 P8，第九场效应晶体管P9，第十场效应晶体管P10，第十一场效应晶体管P11，第十二场效应晶体管P12，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第六电阻R6，第七电阻R7；
电阻电路具体包括第四电阻R4和第五电阻R5；
其中，A1的同相输入端接P2的漏极、通过R1连接Q的发射极、通过R5连接Q3 的发射极、通过R5连接P3和P6的漏极，反相输入端接P1的漏极、Q1的发射极、通过R4连接Q3的发射极，输出端接P1、P2、P3和P4的栅极；A2的同相输入端接Q1的发射极、P1的漏极、通过R4连接Q3的发射极、通过R4连接P3和P6的漏极，反相输入端通过R2接地、通过R3连接P5的漏极、通过R3连接P6和P7的栅极，输出端接P12 的栅极，Q1、Q2及Q3的基极和集电极接地。
进一步地，所述分段补偿电路为五段分段补偿电路，用于在5段连续温度区间内产生5段不同曲率的电压，分别在对应温度区间内补偿基准电压。
进一步地，所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7均由具有相同电阻值的多个分立电阻串联构成。
进一步地，所述R1，R2，R3，R4，R5的分立电阻阻值相同。
进一步地，所述R6的分立电阻阻值小于所述R2的分立电阻阻值。
进一步地，所述R4和R5的电阻值相同。
本发明由于采取了以上技术方案，利用乘数修调补偿技术大幅度提高带隙基准源精度的基础上，结合5段分段补偿技术，得到超高精度的温度特性曲线，可大幅度提高带隙基准源的精度，保证整体系统的稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1本发明提供的一种超高精度的带隙基准源电路的基本结构电路图；
图2是本发明所用的乘数修调补偿原理图；
图3是本发明提出的一种超高精度的带隙基准源电路中的5段分段补偿电路；
图4是本发明所用的5段分段补偿原理图；
图5是本发明实施方式中高阶非线性补偿电压的变化以及与一阶补偿后的基准电压的相对位置图；
图6是本发明实施方式中基准电压在-40℃-125℃的温度特性曲线变化图；
图7是本发明所用的乘数修调补偿技术原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
电路图结构如图1所示，超高精度的带隙基准源电路，包括启动电路，主要电路，电阻电路以及分段补偿电路，主要电路具体包括第一差分运算放大器A1，第二差分运算放大器A2，第一双极型晶体管Q1，第二双极型晶体管Q2，第三双极型晶体管Q3，第一场效应晶体管P1，第二场效应晶体管P2，第三场效应晶体管P3，第四场效应晶体管P4，第五场效应晶体管P5，第六场效应晶体管 P6，第七场效应晶体管P7，第八场效应晶体管P8，第九场效应晶体管P9，第十场效应晶体管P10，第十一场效应晶体管P11，第十二场效应晶体管P12，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第六电阻R6，第七电阻R7；电阻电路具体包括第四电阻R4和第五电阻R5。
其中，A1的同相输入端接P2的漏极、通过R1连接Q的发射极、通过R5连接 Q3的发射极、通过R5连接P3和P6的漏极，反相输入端接P1的漏极、Q1的发射极、通过R4连接Q3的发射极，输出端接P1、P2、P3和P4的栅极；A2的同相输入端接Q1的发射极、P1的漏极、通过R4连接Q3的发射极、通过R4连接P3和P6的漏极，反相输入端通过R2接地、通过R3连接P5的漏极、通过R3连接P6和P7的栅极，输出端接P12的栅极，Q1、Q2及Q3的基极和集电极接地。各元件的连接关系如图1所示，在此不再详述。在本实施方式中，启动电路为常用的启动电路。
主要电路和电阻电路构成了基于高阶非线性补偿的乘数修调补偿电路。
在上述方案的基础上，进一步地，所述分段补偿电路包括为五段分段补偿电路，用于在5段连续温度区间内产生5段不同曲率的电压，分别在对应温度区间内补偿基准电压。五段分段补偿电路的结构图如图3所示，五段分段补偿的原理图如图4所示。
在上述方案的基础上，进一步地，所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7均为具有相同电阻值的多个分立电阻串联构成。
在上述方案的基础上，进一步地，所述R1，R2，R3，R4，R5的分立电阻阻值相同。
在上述方案的基础上，进一步地，所述R6的分立电阻阻值小于所述R2的分立电阻阻值。
电阻电路通过降低R4和R5的电阻值，实现基准电压温度特性曲线的拐点在温度轴上的移动，如图5所示。可实现基准电压温度特性的拐点在温度轴上的移动，当R4和R5的电阻值降低时可将基准电压温度特性的拐点在温度轴上的向低温方向移动，当R4和R5的电阻值增加时，可将基准电压温度特性的拐点在温度轴上的向高温方向移动。
本发明中最终修调补偿后的基准电压是由流入第六电阻R6的总电流乘以第六电阻R6的阻值得到。
而流入第六电阻R6的总电流由与温度正相关电流IPTAT、与温度负相关电流以及高阶非线性补偿电流IC组成。其中IPTAT和进行一阶补偿，在-40℃- 125℃温度区间内得到如图5所示的一阶补偿后的基准电压，配合由第四电阻R4 和第五电阻R5实现的传统高阶非线性补偿，其中，R4与R5阻值相同，在-40℃- 125℃温度区间内得到如图6所示的类正弦形状的传统高阶非线性补偿基准电压。
传统高阶非线性补偿后基准电压表达式为，
其中，VT为热电压26mV，N为Q2和Q1的集电极电流的比值，VEB为Q2和Q1中从基极E到发射极B的电压，T为温度，Tr为参考温度0℃。
由于，传统设计中所用电阻均由多个相同分立电阻组成，所以上式中所有电阻比值在-40℃-125℃温度区间内均为常数，即其温度漂移曲线是一条平行于温度轴的直线。
在本发明中，通过改变电阻比值，对温度漂移曲线进行调整，并对传统高阶非线性补偿后的基准电压作相对应的调整，来提高基准电压的精度。
对传统高阶非线性补偿的调整。
在传统高阶非线性补偿上，当第四电阻R4和第五电阻R5降低时，由于其两端电位基本不变，流过其的高阶非线性电流增加，使得高阶非线性电流在第六电阻R6上产生的高阶非线性电压与一阶补偿后得到的类下开口抛物线的一阶补偿基准电压交点向低温段移动，如图5所示。从而使得降低第四电阻R4和第五电阻 R5后的基准电压呈现低温段精度高、高温段精度低的温度特性，如图6所示的降低第四电阻和第五电阻后的基准电压。
乘数修调补偿曲线。
本发明提出了一种乘数修调补偿技术。电阻比值在-40℃-125℃温度范围内的温度漂移曲线受分别构成其分子与分母上的电阻的分立电阻阻值影响，当构成分子上电阻的分立电阻阻值小于构成分母上电阻的分立电阻阻值时，电阻比值的温漂曲线随温度升高而下降，且分母相同时，比值越小，温度漂移越大。
当比值一定时，分子与分母上的分立电阻阻值越小，温度漂移越大，阻值减小一半，温度漂移大约增加一倍。
当构成分子上电阻的分立电阻阻值大于构成分母上电阻的分立电阻阻值时，电阻比值的温度漂移曲线随温度升高而上升。
当构成分子上电阻的分立电阻阻值等于构成分母上电阻的分立电阻时，电阻比值的温度漂移等于0。
因此可根据电阻比值变化规律，对传统高阶非线性补偿后基准电压表达式中在-40℃-125℃温度区间内的温度漂移曲线进行设计，使R6的分立电阻值小于R2的分立电阻值，得到乘数修调补偿曲线，实现乘数修调补偿技术。
乘数修调补偿曲线公式为：
其中为在-40℃-125℃温度区间内的温度漂移曲线，为参考温度下R2与R6的比值。
乘数修调补偿曲线TK为最大值为1的递减曲线，且其最大值与最小值的差值很小。
乘数修调补偿技术。
在本发明提出的乘数修调补偿曲线的基础上。当得到如图6所示的具有低温段精度高、高温段精度低特性的降低第四电阻和第五电阻后的基准电压曲线后，采用本专利提出的乘数修调补偿曲线TK，如图7所示的乘数修调补偿曲线，与如图6所示的低温段精度高、高温段精度低的降第四电阻和第五电阻后的基准电压相乘。
因与小于1的数相乘，使高温段温度漂移幅度降低，则可以基本保留低温段精度、提高高温段精度，从而使修调补偿后的基准电压整体精度大幅度提高，如图7所示，即为本发明的乘数修调补偿技术。
通过数据拟合，乘数修调补偿后基准电压的表达式为：
Vref≈TK×Vref′。
五段分段补偿技术。
本发明在利用乘数修调补偿技术大幅度提高带隙基准源精度的基础上，结合5段分段补偿技术，得到超高精度的温度特性曲线，如图4所示。
本发明利用电阻温度特性通过调节电阻比值得到乘数修调补偿曲线。通过乘数修调补偿技术和五段分段补偿技术，对带隙基准源进行曲率补偿以获得超高精度的带隙基准源。本发明的优越性在于乘数修调补偿技术的实现无需增加附加电路，简便高效，在消除传统设计方法中电阻温度特性影响的同时，极大地改善了带隙基准源的精度。
所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种超高精度的带隙基准源电路，其特征在于，包括启动电路，主要电路，电阻电路以及分段补偿电路，
主要电路具体包括第一差分运算放大器A1，第二差分运算放大器A2，第一双极型晶体管Q1，第二双极型晶体管Q2，第三双极型晶体管Q3，第一场效应晶体管P1，第二场效应晶体管P2，第三场效应晶体管P3，第四场效应晶体管P4，第五场效应晶体管P5，第六场效应晶体管P6，第七场效应晶体管P7，第八场效应晶体管P8，第九场效应晶体管P9，第十场效应晶体管P10，第十一场效应晶体管P11，第十二场效应晶体管P12，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第六电阻R6，第七电阻R7；
电阻电路具体包括第四电阻R4和第五电阻R5；
其中，A1的同相输入端接P2的漏极、通过R1连接Q的发射极、通过R5连接Q3的发射极、通过R5连接P3和P6的漏极，反相输入端接P1的漏极、Q1的发射极、通过R4连接Q3的发射极，输出端接P1、P2、P3和P4的栅极；A2的同相输入端接Q1的发射极、P1的漏极、通过R4连接Q3的发射极、通过R4连接P3和P6的漏极，反相输入端通过R2接地、通过R3连接P5的漏极、通过R3连接P6和P7的栅极，输出端接P12的栅极，Q1、Q2及Q3的基极和集电极接地。
2.如权利要求1所述的带隙基准源电路，其特征在于，所述分段补偿电路为五段分段补偿电路，用于在5段连续温度区间内产生5段不同曲率的电压，分别在对应温度区间内补偿基准电压。
3.如权利要求1所述的带隙基准源电路，其特征在于，所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7均由多个具有相同电阻值的分立电阻串联构成。
4.如权利要求3所述的带隙基准源电路，其特征在于，所述R1，R2，R3，R4，R5的分立电阻阻值相同。
5.如权利要求3所述的带隙基准源电路，其特征在于，所述R6的分立电阻阻值小于所述R2的分立电阻阻值。
6.如权利要求4所述的带隙基准源电路，其特征在于，所述R4和R5的电阻值相同。
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