CN112034923A - 一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基准电压技术领域，特别地涉及一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路。本发明公开了一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：包括一阶带隙基准电路和二阶曲率温度补偿电路，二阶曲率温度补偿电路输入一阶带隙基准电路的基准输出电压va，相应地产生一个呈正温度系数特性的电压vR2，基准输出电压va与电压vR2叠加后作为该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准输出电压vref。本发明在一阶带隙基准电路的基础上，增加二阶曲率补偿电路，大大降低了基准电压的温度系数，特别适用于温度变化较大的场合，且电路结构简单，无需引入额外类型器件，面积也不大，尤其适合作为带功率器件的芯片内部参考电压。

Description

一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路
技术领域
本发明属于基准电压技术领域，具体地涉及一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路。
背景技术
基准电压源是一种高精度、高稳定性的电压源，在各种模拟、数模混合集成电路中有着广泛的应用，基准电压源主要采用基准电压产生电路来产生。
现有的与温度无关的常见基准电压产生电路有：一是基于增强型NMOS和耗尽型NMOS的开启电压之差形成温度稳定的基准电压，这种方法在不同的工艺角下基准电压偏差较大，不适合高精度的应用；二是基于NPN反向击穿BE结构成的齐纳二极管的击穿电压，这种方法由于击穿电压较高，不适合低电源电压应用场合；三是基于等效热电压的正温度系数和三极管BE结电压的负温度系数相互补偿的一阶带隙基准电路，这种电路可以较好地解决前两种基准电压产生电路存在的问题，但这种一阶带隙基准电路的一阶补偿后温度系数仍然较高，不适用于温度变化较大的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路用于解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路，包括一阶带隙基准电路和二阶曲率温度补偿电路，二阶曲率温度补偿电路输入一阶带隙基准电路的基准输出电压va，相应地产生一个呈正温度系数特性的电压vR2，基准输出电压va与电压vR2叠加后作为该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准输出电压vref。
进一步的，所述一阶带隙基准电路包括电阻R0、电阻R1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3、NPN三极管Q0和NPN三极管Q1，PNP三极管Q2和Q3构成电流镜，PNP三极管Q2和Q3的发射极作为该一阶带隙基准电路的输入端，PNP三极管Q2和Q3的集电极分别接NPN三极管Q0和Q1的集电极，NPN三极管Q0的发射极依次串联电阻R0和R1接地，NPN三极管Q1的发射极接电阻R0和R1之间的节点，NPN三极管Q0和Q1的基极相连接作为该一阶带隙基准电路的基准电压输出端，用于输出基准输出电压va。
更进一步的，所述二阶曲率温度补偿电路包括NPN三极管Q7、NPN三极管Q5、电阻R2、电阻R3、电阻R8和电阻R9，电阻R2的第一端接NPN三极管Q0和Q1的基极，第二端接NPN三极管Q7的基极，NPN三极管Q7的集电极接电源，NPN三极管Q7的发射极依次串联电阻R8和电阻R9接地，电阻R8和电阻R9之间的节点接NPN三极管Q5的基极，NPN三极管Q5的发射极串联电阻R3接地，NPN三极管Q5的集电极接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端作为该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端，用于输出基准输出电压vref。
更进一步的，还包括PMOS管P5、P6、P7和P8，PMOS管P5、P6、P7和P8构成电流镜，用于将NPN三极管Q7的集电极电流提供给PNP三极管Q2和Q3的发射极，构成自偏置结构。
进一步的，还包括第一负反馈回路，用于稳定NPN三极管Q0和Q1的电流。
更进一步的，所述第一负反馈回路包括PNP三极管Q4，PNP三极管Q4的基极接NPN三极管Q1的集电极，PNP三极管Q4的发射极接PNP三极管Q3的发射极，PNP三极管Q4的集电极接地。
更进一步的，还包括电容C0，电容C0接在PNP三极管Q4的基极与地之间。
进一步的，还包括第二负反馈回路，第二负反馈回路包括NPN三极管Q6，NPN三极管Q6的基极接PNP三极管Q3的发射极，NPN三极管Q6的集电极接电源，NPN三极管Q6的发射极接该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端。
进一步的，还包括电阻分压电路，电阻分压电路具有多个不同分压比的分压输出端，电阻分压电路的输入端接该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端。
进一步的，还包括启动电路，用于给一阶带隙基准电路提供启动电流。
本发明的有益技术效果：
本发明在一阶带隙基准电路的基础上，增加二阶曲率补偿电路，大大降低了基准电压的温度系数，特别适用于温度变化较大的场合，且电路结构简单，无需引入额外类型器件，面积也不大，尤其适合作为带功率器件的芯片内部参考电压。
此外，本发明还能得到与电源电压及温度无关的其他基准电压，无需使用常规的电压跟随器缓冲结构，简化了电路，使得该电路适用的范围更广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例的电路图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路，包括一阶带隙基准电路和二阶曲率温度补偿电路，二阶曲率温度补偿电路输入一阶带隙基准电路的基准输出电压va，相应地产生一个呈正温度系数特性的电压vR2，基准输出电压va与电压vR2叠加后作为该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准输出电压vref。
更具体的，二阶曲率温度补偿电路输入一阶带隙基准电路的基准输出电压va，在补偿节点以上的温度范围内相应地产生一个呈正温度系数特性的电压vR2，基准输出电压va与电压vR2叠加后作为该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准输出电压vref。
本具体实施例中，所述一阶带隙基准电路包括电阻R0、电阻R1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3、NPN三极管Q0和NPN三极管Q1，NPN三极管Q0和NPN三极管Q1的发射极面积为n：1，PNP三极管Q2和Q3构成电流镜，PNP三极管Q2和Q3的发射极作为该一阶带隙基准电路的输入端，PNP三极管Q2和Q3的集电极分别接NPN三极管Q0和Q1的集电极，NPN三极管Q0的发射极依次串联电阻R0和R1接地，NPN三极管Q1的发射极接在电阻R0和R1之间的节点，NPN三极管Q0和Q1的基极相连接作为该一阶带隙基准电路的基准电压输出端，用于输出基准输出电压va。但并不以此为限，在其它实施例中，一阶带隙基准电路也可以采用现有的其它一阶带隙基准电路来实现。
本具体实施例中，PNP三极管Q2和Q3优选为横向PNP三极管，NPN三极管Q0和NPN三极管Q1优选为纵向NPN三极管。
本具体实施例中，所述二阶曲率温度补偿电路包括NPN三极管Q7、NPN三极管Q5、电阻R2、电阻R3、电阻R8和电阻R9，电阻R2的第一端接NPN三极管Q0和Q1的基极，第二端接NPN三极管Q7的基极，NPN三极管Q7的集电极接电源，NPN三极管Q7的发射极依次串联电阻R8和电阻R9接地，电阻R8和电阻R9之间的节点接NPN三极管Q5的基极，NPN三极管Q5的发射极串联电阻R3接地，NPN三极管Q5的集电极接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端作为该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端，用于输出基准输出电压vref。
本具体实施例中，NPN三极管Q5和NPN三极管Q7优选为纵向NPN三极管。
进一步的，本具体实施例中，还包括PMOS管P5、P6、P7和P8，PMOS管P5、P6、P7和P8构成电流镜，用于将NPN三极管Q7的集电极电流提供给PNP三极管Q2和Q3的发射极，构成自偏置结构，具体电路连接请详见图1，此不再细说。
NPN三极管Q7、电阻R8、电阻R9构成射极跟随器，产生正温度系数的电流，通过PMOS管P5、P6、P7和P8构成的电流镜提供给一阶带隙基准电路偏置电流，构成自偏置结构。
进一步的，还包括第一负反馈回路，用于稳定NPN三极管Q0和Q1的电流。
具体的，本实施例中，所述第一负反馈回路包括PNP三极管Q4，PNP三极管Q4的基极接NPN三极管Q1的集电极，PNP三极管Q4的发射极接PNP三极管Q3的发射极，PNP三极管Q4的集电极接地。但并不限于此。
NPN三极管Q0、Q1流过的集电极电流增大时，会拉低PNP三极管Q4基极电压，增大PNP三极管Q4发射极电流，由于PMOS管P5、P6电流为恒流源，NPN三极管Q0、Q1的集电极电流会恢复原来的大小，反之亦然。
选择电阻R8和R9的阻值，以保证PMOS管P5、P6的电流约为流过电阻R0的电流4倍，使PNP三极管Q4的发射极电流约为PNP三极管Q2、Q3的2倍，可以让PNP三极管Q4的基极电流流入NPN三极管Q1，抵消PNP三极管Q3减少的基极电流和PNP三极管Q2增加的基极电流，从而避免因横向PNP三极管有限放大倍数β导致的NPN三极管Q0、Q1集电极电流失配。
进一步的，还包括电容C0，电容C0接在PNP三极管Q4的基极与地之间，提高系统的稳定性。
本具体实施例中，还包括第二负反馈回路，第二负反馈回路包括NPN三极管Q6，NPN三极管Q6的基极接PNP三极管Q3的发射极，NPN三极管Q6的集电极接电源，NPN三极管Q6的发射极接电阻R2的第二端(该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端)。
一阶带隙基准电路的基准输出电压va电压增大时，会拉低NPN三极管Q1、Q0集电极电压，继而拉低PNP三极管Q2、Q3发射极电压，经过NPN三极管Q6构成射极跟随器拉低该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准输出电压vref，最后降低一阶带隙基准电路的基准输出电压va，从而实现基准输出电压va和vref电压的稳定，反之亦然。
本具体实施例中，PNP三极管Q4优选为横向PNP三极管，NPN三极管Q6优选为纵向NPN三极管。
进一步的，还包括电阻分压电路，电阻分压电路具有多个不同分压比的分压输出端，电阻分压电路的输入端接该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端。
具体的，本实施例中，电阻分压电路包括电阻R5、R6和R7，电阻R5、R6和R7依次串联后一端接该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准输出电压vref电压，另一端接地，电阻R5和R6之间的节点输出第一基准电压分压v1，电阻R6和R7之间的节点输出第二基准电压分压v2，通过电阻分压电路可以直接简单的对该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准输出电压vref进行分压而不影响带隙基准电路的主体结构，通过调整分压比例可以轻松得到其他各种与温度无关的基准电压，无需电压跟随器缓冲，电路结构简单。当然，在其它实施例中，电阻分压电路也可以采用现有的其它电阻分压电路来实现。
进一步的，本实施例中，还包括启动电路，用于给一阶带隙基准电路提供启动电流。
具体的，本实施例中，启动电路包括PMOS管P0、P1、P2、P3、P4和NMOS管N0、N1，具体电路连接请详见图1。其中，PMOS管P0的栅长远大于栅宽，等效于大电阻和NMOS管N0构成简易电流源，NMOS管N1的源极接电阻R8和R9之间的节点输出的分压vb，在启动之前(基准输出电压vref为0)，NMOS管N1镜像NMOS管N0的电流，并通过PMOS管P1、P2、P3、P4镜像给一阶带隙基准电路提供启动电流，启动结束后，分压vb的电压升高，NMOS管N1进入截止区，启动电流减少到0，实现启动电路的脱离。但并不限于此。
NPN三极管Q0、Q1的基极电压
Figure BDA0002708478530000071
其中
Figure BDA0002708478530000072
Figure BDA0002708478530000081
k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量，Eg为硅的带隙能量，可以看到VT的温度系数相对固定，而VBE的温度系数本身和温度相关，因此一阶带隙基准电路的单独一阶补偿不能完全抵消温度系数。
NPN三极管Q7、电阻R8、电阻R9构成射极跟随器，得到基准输出电压vref-VBE7的分压vb(VBE7为NPN三极管Q7的BE结电压)，呈正温度系数，该电压经过带射极负反馈的共射极电路(NPN三极管Q5和电阻R3组成)产生正温度系数的电流
Figure BDA0002708478530000082
VBE5为NPN三极管Q5的BE结电压，该电流在电阻R2上产生正温度系数压降，因此可以得到二阶曲率补偿后的带隙基准电压vref，可以设置电阻R8和R9的比例，调节该正温度系数电流产生的温度节点(即补偿节点)，达到最佳补偿效果。
本实施例中，电路结构使用了横向PNP三极管和纵向NPN三极管，适合在BICMOS及BCD工艺架构下产生二阶曲率补偿的带隙基准电压。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：包括一阶带隙基准电路和二阶曲率温度补偿电路，二阶曲率温度补偿电路输入一阶带隙基准电路的基准输出电压va，相应地产生一个呈正温度系数特性的电压vR2，基准输出电压va与电压vR2叠加后作为该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准输出电压vref。
2.根据权利要求1所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：所述一阶带隙基准电路包括电阻R0、电阻R1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3、NPN三极管Q0和NPN三极管Q1，PNP三极管Q2和Q3构成电流镜，PNP三极管Q2和Q3的发射极作为该一阶带隙基准电路的输入端，PNP三极管Q2和Q3的集电极分别接NPN三极管Q0和Q1的集电极，NPN三极管Q0的发射极依次串联电阻R0和R1接地，NPN三极管Q1的发射极接电阻R0和R1之间的节点，NPN三极管Q0和Q1的基极相连接作为该一阶带隙基准电路的基准电压输出端，用于输出基准输出电压va。
3.根据权利要求2所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：所述二阶曲率温度补偿电路包括NPN三极管Q7、NPN三极管Q5、电阻R2、电阻R3、电阻R8和电阻R9，电阻R2的第一端接NPN三极管Q0和Q1的基极，第二端接NPN三极管Q7的基极，NPN三极管Q7的集电极接电源，NPN三极管Q7的发射极依次串联电阻R8和电阻R9接地，电阻R8和电阻R9之间的节点接NPN三极管Q5的基极，NPN三极管Q5的发射极串联电阻R3接地，NPN三极管Q5的集电极接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端作为该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端，用于输出基准输出电压vref。
4.根据权利要求3所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：还包括PMOS管P5、P6、P7和P8，PMOS管P5、P6、P7和P8构成电流镜，用于将NPN三极管Q7的集电极电流提供给PNP三极管Q2和Q3的发射极，构成自偏置结构。
5.根据权利要求2所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：还包括第一负反馈回路，用于稳定NPN三极管Q0和Q1的电流。
6.根据权利要求5所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：所述第一负反馈回路包括PNP三极管Q4，PNP三极管Q4的基极接NPN三极管Q1的集电极，PNP三极管Q4的发射极接PNP三极管Q3的发射极，PNP三极管Q4的集电极接地。
7.根据权利要求6所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：还包括电容C0，电容C0接在PNP三极管Q4的基极与地之间。
8.根据权利要求2所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：还包括第二负反馈回路，第二负反馈回路包括NPN三极管Q6，NPN三极管Q6的基极接PNP三极管Q3的发射极，NPN三极管Q6的集电极接电源，NPN三极管Q6的发射极接该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端。
9.根据权利要求1所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：还包括电阻分压电路，电阻分压电路具有多个不同分压比的分压输出端，电阻分压电路的输入端接该二阶曲率温度补偿带隙基准电路的基准电压输出端。
10.根据权利要求1所述的二阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于：还包括启动电路，用于给一阶带隙基准电路提供启动电流。
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CN113342119A (zh) * 2021-06-17 2021-09-03 南京微盟电子有限公司 一种多阶曲率补偿基准电压源电路
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