CN112034922A - 一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路 - Google Patents

一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路 Download PDF

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    • 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

Abstract

本发明公开了一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，能够产生具有精确温度拐点的正温度系数偏置电压，适用于低噪声放大器的MOS管偏置电压。本发明利用带隙基准Vref和三极管VBE可以精确地产生准确的温度转折点，同时利用钳位电路实现带精确温度转折点的正温度系数电压，使输出的偏置电压在低于某阈值温度时，保持恒定，而高于该阈值温度时，电压随温度升高也会有相应的升高，以此来弥补高温对LNA增益造成的损失。

Description

一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，具体涉及一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路。
背景技术
常见电路中，很容易见到纯粹的正温度系数的偏置电压，也很容易见到负温度系数的偏置电压，以及零温度系数的偏置电压，如图1所示。而现有带有温度拐点的偏置电压由于工艺偏差，也无法精确的控制拐点出现在任意确定的温度下。
在射频运放系统当中，低噪声放大器LNA常常具有负温度系数，即其增益从-45℃~125℃，增益会随温度的升高而显著下降，需要对放大器做正温度系数的补偿，让补偿后的放大器增益尽量不随温度变化而变化。而在毫米波频段，能够进行温度补偿的方法又很少，往往寄希望于LNA管子的偏置电压，因为偏置电压的升高，可以提高LNA的增益，以此来弥补高温对LNA增益造成的损失。通常情况下希望将LNA偏置电压设置在0.5V左右，以获得LNA增益、功耗以及噪声系数的折中性能，如若全温度范围内设置正温度系数，则表明，在负温时，偏置电压会低于0.4V，而该负温度条件下，MOS管的阈值电压VTH又本来会升高，此时很可能导致该LNA的MOS管在低温情况下处于截止状态，因此我们希望得到一种偏置电压，该偏置电压在低于某阈值温度时保持恒定，而高于该阈值温度时，电压随温度升高也会有相应的升高，以此提高LNA的增益。
发明内容
为了克服上述技术问题，提出一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，通过下述方案实现：
一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，包括：偏置电流输入电路、输入调整电路、钳位电路和输出调整电路，其中：
所述偏置电流输入电路的输入端为整个偏置电压生成电路的输入端；
所述输入调整电路分别连接所述偏置电路输入电路、钳位电路和输出调整电路；
所述钳位电路分别连接所述输入调整电路和输出调整电路；
所述输出调整电路的输出端为整个偏置电压生成电路的输出端。
上述方案有益效果是，得到一种偏置电压，该偏置电压在低于某阈值温度时保持恒定，而高于该阈值温度时，电压随温度升高也会有相应的升高。
进一步的，所述偏置电流输入电路包括运算放大器、运放反馈回路调整管M5、环路补偿电容C1和电阻R1，所述运算放大器的反相输入端连接带隙基准产生的基准电压Vref，正相输入端连接电阻R1，并通过R1接地；正电源端连接系统电源VDD，负电源端接地；所述运放反馈回路调整管M5的栅极以及所述环路补偿电容C1一端连接到运算放大器的输出端，环路补偿电容C1的另一端连接系统电源VDD。
上述进一步方案的有益效果是，提供具有零温度系数的恒定基准电压Vref，通过运放去钳位R1到地的压降为基准电压Vref，以此获得运放反馈回路调整管M5的电流，该电流具有零温度系数特性。
进一步的，所述输入调整电路包括第一偏置电流管M4、运放输出第二偏置电流管M3和钳位运放调整电容C2；所述第一偏置电流管M4的栅极与运放反馈回路调整管M5的栅极相连，第一偏置电流管M4的源极连接系统电源VDD，第一偏置电流管M4的漏极连接所述钳位电路；所述第二偏置电流管M3的栅极与运放反馈回路调整管M5的栅极相连，第二偏置电流管M3的源极连接系统电源VDD，第二偏置电流管M3的漏极连接所述钳位电路；所述钳位运放调整电容C2两端分别连接第二偏置电流管M3的源极和漏极。
进一步的，所述第一偏置电流管M4和第二偏置电流管M3采用相同尺寸和参数。
上述进一步方案的有益效果是，通过第一偏置电流管和第二偏置电流管复制流经M5的电流，为钳位电路提供具有流过电阻可以产生零温度系数压降的输入电流。
进一步的，所述钳位电路包括钳位电路差分输入对管M1和M2、电阻R2和R3；其中M1和M2的栅极相互连接且接入第一偏置电流管M4的漏极；电阻R2的一端连接M1的源极，另一端接地；M2的漏极连接第二偏置电流管M4的漏极；电阻R3的一端连接M2的源极，另一端接地，其中R2>R3。
上述进一步方案的有益效果是，通过钳位电路调整运放输出调整管M6的电流，来使得P点和N点电压始终相等。
进一步的，所述输出调整电路包括运放输出调整管M6、输出镜像管M7、调整三极管Q1、电阻R4以及电阻R5；其中，所述运放输出调整管M6的栅极连接第二偏置电流管M3的漏极，运放输出调整管M6的源极连接系统电源VDD，运放输出调整管M6的漏极连接钳位电路差分输入对管中M2的源极；所述电阻R4的一端连接运放输出调整管M6的漏极，另一端连接调整三极管Q1的发射极；所述调整三极管Q1的基极和集电极接地；所述输出镜像管M7的栅极连接第二偏置电流管M3的漏极，输出镜像管M7的源极连接系统电源VDD，输出镜像管M7的漏极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地。
上述进一步方案的有益效果是，通过M6和Q1调整整个电路的输出，利用Q1的BE结电压Vbe随温度升高而减小，而N点电压始终不随温度变化而变化，Vbe减小的电压将降在R3上，产生相应温度系数的电流，该电流反映在M6的电流变化上，由输出镜像管M7复制之后产生可流过电阻产生呈正温度系数特性偏压的输出电流。
进一步的，输出镜像管M7的漏极为整个偏置电压生成电路的输出端。输出镜像管复制的电流流经电阻R5即产生呈正温度系数特性的偏置电压。
所输出的偏置电压V bias 表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 77191DEST_PATH_IMAGE002
为带隙基准产生的基准电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为调整三极管Q1的BE结电压；T为温度值，
Figure 657249DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
时所确定的温度。
V BE 定义为流过100nA电流时，三极管BE结两端的电压，由于工艺特性，该结电压一般受工艺角的影响变化很小，故而可以精确地控制Tcorner不随工艺角变化而变化，体现阈值的精确特性。如若要调整Tcorner的位置，只需要改变参考电压即可。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为常见的各种温度系数偏置电压随温度变化关系图。
图2为本发明电路结构示意图。
图3为带隙基准产生的基准电压
Figure 577932DEST_PATH_IMAGE006
与调整三极管Q1的BE结电压
Figure DEST_PATH_IMAGE007
随温度变化关系图。
图4为本发明一种实施例所得到的偏置电压与温度值的关系示意图。
附图2中：1、偏置电流输入电路；2、输入调整电路；3、钳位电路；4、输出调整电路。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，如图2所示，包括偏置电流输入电路1、输入调整电路2、钳位电路3和输出调整电路4；
偏置电流输入电路的输入端为整个偏置电压生成电路的输入端，偏置电流输入电路包括运算放大器、运放反馈回路调整管M5、环路补偿电容C1和电阻R1，运算放大器的反相输入端连接带隙基准产生的基准电压Vref，正相输入端连接电阻R1，并通过R1接地；正电源端连接系统电源VDD，负电源端接地；运放反馈回路调整管M5的栅极以及所述环路补偿电容C1一端连接运算放大器的输出端，环路补偿电容C1的另一端连接系统电源VDD，由此可产生流经M5的基准电流，表示为：
Figure 347042DEST_PATH_IMAGE008
。
输入调整电路包括第一偏置电流管M4、运放输出第二偏置电流管M3和钳位运放调整电容C2；所述第一偏置电流管M4的栅极与运放反馈回路调整管M5的栅极相连，第一偏置电流管M4的源极连接系统电源VDD，第一偏置电流管M4的漏极连接所述钳位电路；所述第二偏置电流管M3的栅极与运放反馈回路调整管M5的栅极相连，第二偏置电流管M3的源极连接系统电源VDD，第二偏置电流管M3的漏极连接所述钳位电路；所述钳位运放调整电容C2两端分别连接第二偏置电流管M3的源极和漏极。
由于M3、M4、M5具有相同的尺寸且共用同一个偏置电压，因此，M3、M4复制了M5的电流，有
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
所述钳位电路包括钳位电路差分输入对管M1和M2、电阻R2和R3；其中M1和M2的栅极相互连接且接入第一偏置电流管M4的漏极；电阻R2的一端连接M1的源极，另一端接地；M2的漏极连接第二偏置电流管M4的漏极；电阻R3的一端连接M2的源极，另一端接地，其中R2>R3。图2中，P点和N点分别为电阻R2和R3的电压，由于钳位电路的存在，始终会有P点电压等于N点电压，即VP=VN，因此，电阻R2上流过第一偏置电流管M4的电流，即有
Figure 36781DEST_PATH_IMAGE010
；
所述输出调整电路包括运放输出调整管M6、输出镜像管M7、调整三极管Q1、电阻R4以及电阻R5；其中，所述运放输出调整管M6的栅极连接第二偏置电流管M3的漏极，运放输出调整管M6的源极连接系统电源VDD，运放输出调整管M6的漏极连接钳位电路差分输入对管中M2的源极；所述电阻R4的一端连接运放输出调整管M6的漏极，另一端连接调整三极管Q1的发射极；所述调整三极管Q1的基极和集电极接地；所述输出镜像管M7的栅极连接第二偏置电流管M3的漏极，输出镜像管M7的源极连接系统电源VDD，输出镜像管M7的漏极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地。
此处分析三极管的BE结电压VBE与带隙基准电压Vref与温度之间的关系，如图3所示，由于Vref不随工艺变化而变化为零温度系数，因此Vref在任意温度下保持恒定，而CMOS工艺中的BJT类型三极管也具有很好的工艺一致性，其VBE曲线也基本不随工艺偏差而偏差，而VBE随温度增加线性减小，因此，一旦三极管类型尺寸选定，VREF值选定，则温度转折点Tcorner的温度值能精确确定。
结合图2和图3，P点电阻上流过M5管电流
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，而V ref和V BE 的比较则发生在，当V BE 大于V ref 时，三极管有小于0.1uA的微弱电流存在，当V BE 小于V ref 时，根据三极管电流特性，电流会急剧呈指数增大，多出来的电流流向M6管。
因此讨论流向M6的电流：
由图2电路结构可以知道，
Figure 498724DEST_PATH_IMAGE012
；
而
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、I R4 =I Q1 ，I Q1 为三极管Q1上流过的电流；
因此，当温度低于Tcorner时，
有V BE 大于等于V ref ，此时，三极管Q1上流过的电流I Q1 处于0到0.1uA之间，因为电压VP=VN，而I Q1 电流偏小可以略去，因此可以得出：
Figure 47648DEST_PATH_IMAGE014
，
该电流被输出镜像管M7复制流向R5，因此，所产生的偏置电压为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
可以看出，该电压呈现出零温度特性，即在温度转折点之前，偏置电压不随温度变化而变化。
当温度大于Tcorner时，随着温度的上升，V BE 随温度增加而线性减小，此时，I Q1 电流逐渐增大且不可忽略，根据VP=VN，则有流经运放调整管M6的电流，
Figure 620450DEST_PATH_IMAGE016
；
该电流被输出镜像管M7复制流向R5，因此所产生的偏置电压为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，
可以看出，当温度上升超过温度转折点时，由于三极管BE结开启电压
Figure 430274DEST_PATH_IMAGE007
随温度增加而线性减小，因此所产生的偏置电压随温度增加而线性增大，呈现出正温度系数特性。
从上式可以知道，本方案电路所生成的电压，其温度转折点只跟Vref和VBE相关，一旦选定这两者参数，当前电路的精确温度阈值也随之确定，实际的工业生产中，可根据不同的需求选择对应的温度转折点。所以，通过本方案电路产生的偏置电压具有有精确的温度阈值转折点，其在温度小于等于阈值转折点时呈现零温度系数特性，在温度大于阈值转折点时该偏置电压呈现正温度系数特性，如图4所示。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，包括：偏置电流输入电路、输入调整电路、钳位电路和输出调整电路，其中：
所述偏置电流输入电路的输入端为整个偏置电压生成电路的输入端；
所述输入调整电路分别连接所述偏置电路输入电路、钳位电路和输出调整电路；
所述钳位电路分别连接所述输入调整电路和输出调整电路；
所述输出调整电路的输出端为整个偏置电压生成电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，所述偏置电流输入电路包括运算放大器、运放反馈回路调整管M5、环路补偿电容C1和电阻R1，所述运算放大器的反相输入端连接带隙基准产生的基准电压Vref，正相输入端连接电阻R1，并通过R1接地；正电源端连接系统电源VDD，负电源端接地；所述运放反馈回路调整管M5的栅极以及所述环路补偿电容C1一端连接到运算放大器的输出端，环路补偿电容C1的另一端连接系统电源VDD。
3.根据权利要求2所述的一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，所述输入调整电路包括第一偏置电流管M4、运放输出第二偏置电流管M3和钳位运放调整电容C2；所述第一偏置电流管M4的栅极与运放反馈回路调整管M5的栅极相连，第一偏置电流管M4的源极连接系统电源VDD，第一偏置电流管M4的漏极连接所述钳位电路；所述第二偏置电流管M3的栅极与运放反馈回路调整管M5的栅极相连，第二偏置电流管M3的源极连接系统电源VDD，第二偏置电流管M3的漏极连接所述钳位电路；所述钳位运放调整电容C2两端分别连接第二偏置电流管M3的源极和漏极。
4.根据权利要求3所述的一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，所述第一偏置电流管M4和第二偏置电流管M3采用相同尺寸和参数。
5.根据权利要求3所述的一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，所述钳位电路包括钳位电路差分输入对管M1和M2、电阻R2和R3；其中M1和M2的栅极相互连接且接入第一偏置电流管M4的漏极；电阻R2的一端连接M1的源极，另一端接地；M2的漏极连接第二偏置电流管M4的漏极；电阻R3的一端连接M2的源极，另一端接地。
6.根据权利要求5所述的一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，所述电阻R2和电阻R3的关系为
Figure 625958DEST_PATH_IMAGE001
。
7.根据权利要求5所述的一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，所述输出调整电路包括运放输出调整管M6、输出镜像管M7、调整三极管Q1、电阻R4以及电阻R5；其中，所述运放输出调整管M6的栅极连接第二偏置电流管M3的漏极，运放输出调整管M6的源极连接系统电源VDD，运放输出调整管M6的漏极连接钳位电路差分输入对管中M2的源极；所述电阻R4的一端连接运放输出调整管M6的漏极，另一端连接调整三极管Q1的发射极；所述调整三极管Q1的基极和集电极接地；所述输出镜像管M7的栅极连接第二偏置电流管M3的漏极，输出镜像管M7的源极连接系统电源VDD，输出镜像管M7的漏极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地。
8.根据权利要求7所述的一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，所述输出镜像管M7的漏极为整个偏置电压生成电路的输出端。
9.根据权利要求7所述的一种带精确阈值的正温度系数偏置电压生成电路，其特征在于，所述偏置电压生成电路输出的偏置电压Vbias表示为：
Figure 870994DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 916311DEST_PATH_IMAGE003
为带隙基准产生的基准电压，
Figure 888684DEST_PATH_IMAGE004
为调整三极管Q1的BE结开启电压；T为温度值，
Figure 765373DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 604147DEST_PATH_IMAGE006
时所确定的温度。
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