CN112506262A - 高利用率的带隙基准电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高利用率的带隙基准电路系统，包括：PTAT电流产生电路，用以产生带有温度系数的电流，基准电压输出电路，用以输出恒定的基准电压，温度系数电流输出电路，用以输出带有温度系数的电流来补偿其他具有相反温度系数的电路，所述基准电压输出电路中与电压输出端连接的通路至少有一个，所述通路中包括电阻阵列单元，所述电阻阵列单元用于消除输出的电压的温度变化。本发明的电路系统在产生特定温度系数电流的同时，采用两种不同的串联电阻去消除输出的电压的温度变化，并且电阻带档位的操作，极大的减小了电阻阵列的面积。

Description

高利用率的带隙基准电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种高利用率的带隙基准电路。
背景技术
在现有集成电路设计中,需要通过一个带隙基准电路产生温度系数电流用来补偿相反温度系数的电路，同时也需要产生稳定的基准电压给电源系统使用，如图1所示，是一个带隙基准电路，该电路通过BJT主通路产生带有温度系数的电流，记该电流为PTAT电流)，通过MOS管M4镜像出去的带有温度系数的电流给其他补偿电路使用，通常情况下，我们不希望基准电压输出端Vout输出的电压是带有温度系数的，但在产生特定温度系数电流的同时，Vout输出电压也是带有温度系数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电路系统，电路系统在产生特定温度系数电流的同时，用最优的电阻阵列调档，减小输出电压温度系数。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高利用率的带隙基准电路，包括：PTAT电流产生电路，用以产生带有温度系数的电流，基准电压输出电路，用以输出恒定的基准电压，温度系数电流输出电路，用以输出带有温度系数的电流来补偿其他具有相反温度系数的电路，所述基准电压输出电路中与电压输出端连接的通路至少有一个，所述通路中包括电阻阵列单元，所述电阻阵列单元用于消除输出的电压的温度变化。
优选地，所述电阻阵列单元为至少两个具有不同温度系数的电阻，所述电阻间串联连接。
优选地，所述电阻阵列单元包括：N个并联的通路，N大于等于2，每个通路中包括至少两个具有不同温度系数的电阻和一个开关元件，所述电阻和开关元件间串联连接；所述开关元件与外部控制电路连接，所述外部控制电路控制该通路的接通或断开。
优选地，所述通路中包括至少M对具有不同温度系数的电阻，M大于等于2，还包括M个开关元件；
所述通路中最中间的一对电阻间串联连接有一个开关元件，其他对电阻依次两两向通路两端隔开串联连接，连接的节点间通过一个开关元件形成旁路；所述开关元件与外部控制电路连接，所述外部控制电路控制该旁路接通或断开。
优选地，每个通路中的电阻为第一电阻和第二电阻，每个通路中的开关元件的栅极与控制信号相连接，开关元件的源极连接该通路中的第一电阻的第二端，开关元件的漏极连接该通路中的第二电阻的第一端；所有通路的第一电阻的第一端连接在一起组成电阻阵列单元的正端，所有通路的第二电阻的第二端连接在一起组成电阻阵列单元的负端。
优选地，所述每个通路中包含的所述电阻为两个，并且所述每个通路中这两个所述电阻的阻值比各不相同。
优选地，所述开关元件为PMOS管或NMOS管。
优选地，所述每对电阻中的两个电阻的阻值不同，且至少有一对电阻中的两个电阻与其他对电阻中的电阻阻值不同。
优选地，所述电阻由多条电阻组合而成。
本发明的电路系统在产生特定温度系数电流的同时，采用两种不同的串联电阻去消除输出的电压的温度变化，并且电阻带档位的操作，极大的减小了电阻阵列的面积。
附图说明
图1为现有技术的一种带隙基准电路示意图。
图2为本发明实施例1的一种带隙基准电路示意图。
图3为本发明实施例2的区别于实施例1的部分电路示意图。
图4为本发明实施例3的区别于实施例1的部分电路示意图。
图5为本发明实施例2和3的各挡位电压随温度变化示意图。
图6为现有技术的电流电压仿真图。
图7为本发明实施例1的电流电压仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例一
如图2所示，是本发明实施例1的带隙基准电路，包括：PTAT电流产生电路10，用以产生带有温度系数的电流；基准电压输出电路20，用以输出恒定的基准电压；温度系数电流输出电路30，用以输出带有温度系数的电流来补偿其他具有相反温度系数的电路。
本实施例中图2只是一种示例性的PTAT电流产生电路10。
本实施例的PTAT电流产生电路10包括：运算放大器OA、第一晶体管Q1和第二晶体管Q2.运算放大器OA的反相输入端与第一晶体管Q1的发射极连接，运算放大器的同相输入端与所述第二晶体管Q2的发射极通过串接第三电阻R3连接。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的基极和集电极均接地。第二晶体管Q2的发射结面积是的第一晶体管Q1的发射结面积的P倍，P为大于或等于1的整数。
第一晶体管Q1和第二晶体管Q为BJT器件。
PTAT电流产生电路10还包括：第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3。第一PMOS管M1、第二PMOS管M2的源极均接电源端VDD。第一PMOS管M1、第二PMOS管M2的栅极均与运算放大器OA的输出端连接。第一PMOS管M1的漏极以及第一电阻R1的一端均与运算放大器OA的反相输入端连接，第二PMOS管M2的漏极以及第二电阻R2的一端均与运算放大器OA的同相输入端连接。第二晶体管Q2的发射极通过第三电阻R3与运算放大器OA的同相输入端连接。第一电阻R1、第二电阻R2的另一端均接地。当然，PTAT电流产生电路可以采用多种现有能产生PTAT电流的电路，在此本申请不做限制。
本实施例的温度系数电流输出电路30，包括第四PMOS管M4，源极接电源端VDD，栅极与与运算放大器OA的输出端连接，漏极作为带有温度系数的电流输出端。
本实施例的基准电压输出电路20，包括第三PMOS管M3、第四电阻R4、第五电阻R5和基准电压输出端。M3源极接电源端VDD，栅极与与运算放大器OA的输出端连接，漏极通过串接R4和R5后接地。基准电压输出端Vout与M3的漏极相接。其中R4和R5分别为两种不同温度系数的电阻。通过调整R4和R5电阻的阻值使基准电压输出端的电压输出波动减小。R4和R5可以由多跟电阻分别组成，便于分别调整R4和R5的阻值。
在如下的一个仿真示例中R4、R5采用了两种不同温度系数的电阻，用来消除和调节VOUT的输出电压(这里以输出0.6V为例子)。利用了两种不同温度系数的电阻R4和R5，用来消除和调节VOUT的输出电压，可以看到在不影响特定温度系数电流的情况下，使得VOUT输出达到平衡点，即类似抛物线形状，电流电压曲线如图7。如采用现有技术仅用R4的情况下，电流电压曲线如图6。
仿真计算方法如下：
设PTAT电流温度系数：I0＝a0*x+b0,x为温度T，-40～125
R4单位电阻温度系数R4＝a1*x+b1，需要m个R4电阻
R5单位电阻温度系数R5＝a2*x+b2，需要n个R5电阻
Vout电压温度系数Vo＝I0*(R4+R5)＝(a0*x+b0)*[m*(a1*x+b1)+n*(a2*x+b2)]
从Vout方程可以看出，引入了两个电阻串联，相当于多引入了一个变量，先用R4和R5去抵消I0的温度系数，调到使得Vo波动最小的情况(记为Vmin)，但是此时Vmin可能不等于0.6V(想要的目标电压)，调整电阻阻值，R4电阻阻值：R4*0.6/Vmin R5电阻阻值：R5*0.6/Vmin,最终使得输出是0.6v的情况下Vo波动最小。如果用一个电阻去修正呢，一个电阻的温度系数无法刚好抵消电流的温度系数。利用了两种不同温度系数的电阻R4和R5，用来消除和调节VOUT的输出电压，在产生特定温度系数电流的情况下，使得VOUT输出电压处于平衡态，随温度波动较小。
图6所示的是现有技术电流电压随温度变化的仿真图,左边坐标轴为电流值,右边坐标轴为电压值,横坐标为温度,在不作电压温度系数修正的情况下,该VOUT随温度变化量为10.2mv(102.5ppm)。可以看出对于高精度电路来说，VOUT有较大的波动。
本实施例利用了两种不同温度系数的电阻R4和R5，用来消除和调节VOUT的输出电压，可以看到在不影响特定温度系数电流的情况下，使得VOUT输出达到平衡点，即类似抛物线形状。如图7所示，该VOUT随温度变化量为1.7mv(17.3ppm),电压温度系数优化了近10倍。
因此本实施例的基准电压输出稳定性更高，更适用于有高精度要求的电路。
实施例二
如图3所示，实施例2采用有多种档位控制的电阻阵列代替实施1中的R4和R5，其余电路同实施例1，此处不再赘述。下面仅详细描述带有多种档位控制的电阻阵列，至少为两个档位。本实施例以四个档位为例。通过设置多个档位可以修正集成电路器件造成的工艺偏差。工艺偏差会导致实际输出的基准电压与设计值有偏差，通过不同的档位就可以实现对基准电压输出的微调，使电压输出更接近设计值，满足高精度电路的要求。
每个档位分别由两个电阻和一个开关元件串联组成，通过对开关器件的控制实现该路的通断。本实施例的开关元件采用MOS管，也可以采用其他开关元件。
第一档位电路由电阻R4a、R5a和开关元件S1组成；第二档位电路由电阻R4b、R5b和开关元件S2组成；第三档位电路由电阻R4c、R5c和开关元件S3组成；第四档位电路由电阻R4d、R5d和开关元件S4组成。其中R4a、R4b、R4c、R4d为一类电阻，具有相同的温度系数；其中R5a、R5b、R5c、R5d为另一类电阻，与R4a、R4b、R4c、R4d比具有不同的温度系数。根据实际需要接通其中一个或多个档位。四个档位电路并联后一端与基准电压输出端Vout连接，另一端接地。
各档位电阻阻值的调整可以设定不同的电阻根数，例如R4a&R5a＝51&80代表R4a和R5a的根数分别是51根和80根，以此类推，R4a&R5a＝51&80,R4b&R5b＝52&90,R4c&R5c＝53&100,R4d&R5d＝54&110，总根数需要590根。
实施例三
如图4所示，实施例3采用有多种档位控制的电阻阵列代替实施1中的R4和R5，其余电路同实施例1，此处不再赘述。
下面仅详细描述带有多种档位控制的电阻阵列，至少为两个档位。本实施例以四个档位为例。
电路包括电阻R4w、R4x、R4y、R4z，为一类电阻，具有相同的温度系数；还包括R5w、R5x、R5y、R5z，为另一类电阻，与R4w、R4x、R4y、R4z比具有不同的温度系数；还包括开关元件K1、K2、K3、K4，本实施例的开关元件采用MOS管，也可以采用其他开关元件。
电阻R4w、R4x、R4y、R4z依次串联，然后再串联开关元件K4，再串接电阻R5z、R5y、R5x、R5w。R4w的一端与基准电压输出端Vout连接，R5w的一端接地。开关元件K1、K2、K3、K4的栅极分别与外部控制电路连接。K1的源极接入R4w和R4x的连接点，K1的漏极接入R5x和R5w的连接点；K2的源极接入R4x和R4y的连接点，K2的漏极接入R5y和R5x的连接点；K3的源极接入R4y和R4z的连接点，K3的漏极接入R5z和R5y的连接点。
各档位电阻阻值的调整可以设定不同的电阻根数，例如R4w&R5w＝51&80，代表R4w和R5w的根数分别是51根和80根，以此类推R4w&R5w＝51&80，R4x&R5x＝1&10,R4y&R5y＝1&10，R4z&R5z＝1&10，每往下选通一路，电阻就相应的增加其相对所需要的值,比如选53和100的比例，则控制K3接通，K1、K2、K4断开，即R4w+R4x+R4y＝51+1+1，R5w+R5x+R5y＝80+10+10＝100，该回路总电阻根数需要164，与实施例2相比电阻整列的排布方式有所不同，实施例3的电阻排布方式对电阻的利用率更优，可采用更少的电阻根数，减小了集成电路面积。在相同工艺下，实施例2需要电阻590根，本实施例仅需164根。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，包括：
PTAT电流产生电路(10)，用以产生带有温度系数的电流，
基准电压输出电路(20)，用以输出恒定的基准电压，
温度系数电流输出电路(30)，用以输出带有温度系数的电流来补偿其他具有相反温度系数的电路，
所述基准电压输出电路(20)中与电压输出端连接的通路至少有一个，所述通路中包括电阻阵列单元，所述电阻阵列单元用于消除输出的电压的温度变化。
2.根据权利要求1所述的高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，所述电阻阵列单元为至少两个具有不同温度系数的电阻，所述电阻间串联连接。
3.根据权利要求1所述的高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，所述电阻阵列单元包括：
N个并联的通路，N大于等于2，每个通路中包括至少两个具有不同温度系数的电阻和一个开关元件，所述电阻和开关元件间串联连接；所述开关元件与外部控制电路连接，所述外部控制电路控制该通路的接通或断开。`
4.根据权利要求1所述的高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，所述通路中包括至少M对具有不同温度系数的电阻，M大于等于2，还包括M个开关元件；
所述通路中最中间的一对电阻间串联连接有一个开关元件，其他对电阻依次两两向通路两端隔开串联连接，连接的节点间通过一个开关元件形成旁路；所述开关元件与外部控制电路连接，所述外部控制电路控制该旁路接通或断开。
5.根据权利要求3或4所述的高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，每个通路中的电阻为第一电阻和第二电阻，每个通路中的开关元件的栅极与控制信号相连接，开关元件的源极连接该通路中的第一电阻的第二端，开关元件的漏极连接该通路中的第二电阻的第一端；所有通路的第一电阻的第一端连接在一起组成电阻阵列单元的正端，所有通路的第二电阻的第二端连接在一起组成电阻阵列单元的负端。
6.根据权利要求2所述的高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，所述每个通路中包含的所述电阻为两个，并且所述每个通路中这两个所述电阻的阻值比各不相同。
7.根据权利要求2或3所述的高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，所述开关元件为PMOS管或NMOS管。
8.根据权利要求3所述的高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，所述每对电阻中的两个电阻的阻值不同，且至少有一对电阻中的两个电阻与其他对电阻中的电阻阻值不同。
9.根据权利要求1-8中之一所述的高利用率的带隙基准电路系统，其特征在于，所述电阻由多条电阻组合而成。
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CN115185324A (zh) * 2021-04-07 2022-10-14 华大半导体有限公司 带隙基准电压源的电压调节电路
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