CN113220063B - 一种低温漂、高精度的带隙基准电压源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温漂、高精度的带隙基准电压源。包括IPTAT电路、ICTAT电路、低温补偿电路、高温补偿电路、温度系数修调电路、电压幅值修调电路和VREF产生电路。本发明基于分段补偿技术,对一阶传统带隙基准进行温度补偿,降低温度系数,同时利用数字修调技术修调温度系数和电压幅值,以获得低温漂高精度的带隙基准电压源。
Description
技术领域
本发明涉及电路设计领域,尤其是一种低温漂、高精度的带隙基准电压源。
背景技术
带隙基准是模拟,数字或混合信号电路,例如模数转换器,数模转换器,低压差稳压器,锁相环和许多其他电子设备的重要模块。带隙基准提供一个明确的,稳定的电压,对电源电压和温度变化不敏感。这类基准的准确性和稳定性在后续电路的性能中起着重要作用。因此,具有高精度,低温度系数的曲率补偿带隙电压基准的研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,基于分段补偿技术,对一阶传统带隙基准进行温度补偿,降低温度系数,同时利用数字修调技术修调温度系数和电压幅值,以获得低温漂高精度的带隙基准电压源。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,包括依次连接的ICTAT电路、IPTAT电路、低温补偿电路、高温补偿电路、温度系数修调电路、电压幅值修调电路和VREF产生电路;
所述IPTAT电路包括第一差分放大器A1,第一双极型晶体管Q1,第二双极型晶体管Q2,第一场效应晶体管M1,第二场效应晶体管M2,第一电阻R1;A1的同相端与M1的漏极、R1的一端连接,A1的反相端与M2的漏极、Q2的发射极连接,A1的输出端与M1的栅极、M2的栅极连接,Q1的发射极与R1的另一端连接,Q1的基极与Q1的集电极、Q2的基极、Q2的集电极相连接至GND,M1的源极与M2的源极相连接至VDD;
所述ICTAT电路包括第二差分放大器A2,第三场效应晶体管M3,第二电阻R2;A2的反相端与A1的反相端连接,A2的同相端经R2连接至GND,A2的同相端还与M3漏极连接,A2的输出端与M3的栅极连接,M3的的源极连接至VDD;
所述低温补偿电路包括第四场效应晶体管M4,第五场效应晶体管M5,第六场效应晶体管M6,第七场效应晶体管M7,第八场效应晶体管M8,第九场效应晶体管M9;M4的源极与M7的源极、M8的源极、M9的源极相连接至VDD,M4的栅极与A2的输出端连接,M4的漏极与M5的栅极、M5的漏极、M6的栅极相连接,M5的源极、M6的源极相连接至GND,M6的漏极与M7的漏极、M8的漏极、M8的栅极、M9的栅极相连接,M7的栅极与A1的输出端连接;
所述高温补偿电路包括第十场效应晶体管M10,第十一场效应晶体管M11,第十二场效应晶体管M12,第十三场效应晶体管M13,第十四场效应晶体管M14,第十五场效应晶体管M15;M10的栅极与A1的输出端连接,M10的源极、M13的源极、M14的源极、M15的源极相连接至VDD,M10的漏极与M11的漏极、M11的栅极、M12的栅极相连接,M11的源极、M12的源极相连接至GND,M12的漏极与M13的漏极、M14的漏极、M14的栅极、M15的栅极相连接,M15的漏极与M9的漏极相连接;
所述温度系数修调电路包括第十六场效应晶体管M16,第十七场效应晶体管M17,第十八场效应晶体管M18,第十九场效应晶体管M19;M16的源极、M18的源极相连接至VDD,M16的栅极、M18的栅极与A1的输出端连接,M16的漏极与M17的源极连接,M17的漏极与M19的漏极相连接,M18的漏极与M19的源极连接;
所述电压幅值修调电路包括第三差分放大器A3,第三双极型晶体管Q3,第三电阻R3,第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第二十场效应晶体管M20,第二十一场效应晶体管M21,第二十二场效应晶体管M22,第二十三场效应晶体管M23,第二十四场效应晶体管M24,第二十五场效应晶体管M25;M20的源极、M21的源极、M22的源极、M24的源极相连接至GND,M20的栅极与A1的输出端连接,M20的漏极与A3的同相端、R3的一端连接,M21的栅极与A3的输出端、M22的栅极、M24的栅极相连接、M21的漏极与A3的反相端、R6的一端连接,M22的漏极与M23的源极连接,M23的漏极与M25的漏极相连接,M24的漏极与M25的源极相连接,R3的另一端与R4的一端、M17的漏极连接,R4的另一端与R5的一端、M9的漏极连接,R5的另一端与Q3的发射极连接,Q3的基极、Q3的集电极、R6的另一端相连接至GND;
所述VREF产生电路包括第四双极型晶体管Q4,第二十六场效应晶体管M26,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R8;M26的源极连接至VDD,M26的栅极与A1的输出端连接,M26的漏极与R7的一端、M23的漏极相连接,R7的另一端与R8的一端、M17的漏极相连接,R8的另一端与R9的一端、M9的漏极相连接,R9的另一端与Q4的发射极连接,Q4的基极与Q4的集电极相连接至GND。
在本发明一实施例中,该电压源使用分段温度补偿电路,分别在低温补偿电路、高温补偿电路对带隙基准进行低温、高温补偿。
在本发明一实施例中,所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9采用完全相同的材料制作,抵消了电阻温度对带隙基准的影响。
在本发明一实施例中,所述低温补偿电路中,M4管的宽长比是M3管的β1倍,M7管的宽长比是M1管的β2倍,M6管的宽长比是M5管的β3倍。
在本发明一实施例中,所述高温补偿电路中,M10管的宽长比是M1管的β5倍,M13管的宽长比是M3管的β6倍,M12管的宽长比是M11管的β7倍,M15管的宽长比是M14管的β8倍。
在本发明一实施例中,所述温度系数修调电路中,M16、M18管的宽长比分别为M1管的宽长比的β9倍。
在本发明一实施例中,所述电压幅值修调电路中,M22、M24管的宽长比分别为M21管的宽长比的β10倍。
相较于现有技术,本发明具有以下有益效果:本发明电压源电路,结合分段补偿技术和数字修调技术,得到低温度系数、高精度的带隙基准源,保证整体系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明高精度、低温漂带隙基准电路图。
图2为本发明一阶带隙基准电压VREF的温度特性曲线图。
图3是本发明高阶VREF,补偿电压VNL1和VNL2的温度特性曲线图。
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的描述。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。
本发明提供了一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,包括依次连接的ICTAT电路、IPTAT电路、低温补偿电路、高温补偿电路、温度系数修调电路、电压幅值修调电路和VREF产生电路;
所述IPTAT电路包括第一差分放大器A1,第一双极型晶体管Q1,第二双极型晶体管Q2,第一场效应晶体管M1,第二场效应晶体管M2,第一电阻R1;A1的同相端与M1的漏极、R1的一端连接,A1的反相端与M2的漏极、Q2的发射极连接,A1的输出端与M1的栅极、M2的栅极连接,Q1的发射极与R1的另一端连接,Q1的基极与Q1的集电极、Q2的基极、Q2的集电极相连接至GND,M1的源极与M2的源极相连接至VDD;
所述ICTAT电路包括第二差分放大器A2,第三场效应晶体管M3,第二电阻R2;A2的反相端与A1的反相端连接,A2的同相端经R2连接至GND,A2的同相端还与M3漏极连接,A2的输出端与M3的栅极连接,M3的的源极连接至VDD;
所述低温补偿电路包括第四场效应晶体管M4,第五场效应晶体管M5,第六场效应晶体管M6,第七场效应晶体管M7,第八场效应晶体管M8,第九场效应晶体管M9;M4的源极与M7的源极、M8的源极、M9的源极相连接至VDD,M4的栅极与A2的输出端连接,M4的漏极与M5的栅极、M5的漏极、M6的栅极相连接,M5的源极、M6的源极相连接至GND,M6的漏极与M7的漏极、M8的漏极、M8的栅极、M9的栅极相连接,M7的栅极与A1的输出端连接;
所述高温补偿电路包括第十场效应晶体管M10,第十一场效应晶体管M11,第十二场效应晶体管M12,第十三场效应晶体管M13,第十四场效应晶体管M14,第十五场效应晶体管M15;M10的栅极与A1的输出端连接,M10的源极、M13的源极、M14的源极、M15的源极相连接至VDD,M10的漏极与M11的漏极、M11的栅极、M12的栅极相连接,M11的源极、M12的源极相连接至GND,M12的漏极与M13的漏极、M14的漏极、M14的栅极、M15的栅极相连接,M15的漏极与M9的漏极相连接;
所述温度系数修调电路包括第十六场效应晶体管M16,第十七场效应晶体管M17,第十八场效应晶体管M18,第十九场效应晶体管M19;M16的源极、M18的源极相连接至VDD,M16的栅极、M18的栅极与A1的输出端连接,M16的漏极与M17的源极连接,M17的漏极与M19的漏极相连接,M18的漏极与M19的源极连接;
所述电压幅值修调电路包括第三差分放大器A3,第三双极型晶体管Q3,第三电阻R3,第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第二十场效应晶体管M20,第二十一场效应晶体管M21,第二十二场效应晶体管M22,第二十三场效应晶体管M23,第二十四场效应晶体管M24,第二十五场效应晶体管M25;M20的源极、M21的源极、M22的源极、M24的源极相连接至GND,M20的栅极与A1的输出端连接,M20的漏极与A3的同相端、R3的一端连接,M21的栅极与A3的输出端、M22的栅极、M24的栅极相连接、M21的漏极与A3的反相端、R6的一端连接,M22的漏极与M23的源极连接,M23的漏极与M25的漏极相连接,M24的漏极与M25的源极相连接,R3的另一端与R4的一端、M17的漏极连接,R4的另一端与R5的一端、M9的漏极连接,R5的另一端与Q3的发射极连接,Q3的基极、Q3的集电极、R6的另一端相连接至GND;
所述VREF产生电路包括第四双极型晶体管Q4,第二十六场效应晶体管M26,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R8;M26的源极连接至VDD,M26的栅极与A1的输出端连接,M26的漏极与R7的一端、M23的漏极相连接,R7的另一端与R8的一端、M17的漏极相连接,R8的另一端与R9的一端、M9的漏极相连接,R9的另一端与Q4的发射极连接,Q4的基极与Q4的集电极相连接至GND。
以下为本发明一具体实施实例。
电路图结构如附图1所示,低温漂、高精度的带隙基准电压源,包括了ICTAT电路、IPTAT电路、低温补偿电路、高温补偿电路、温度系数修调电路、电压幅值修调电路和VREF产生电路。
IPTAT电路具体包括了第一差分放大器A1,第一双极型晶体管Q1,第二双极型晶体管Q2,第一场效应晶体管M1,第二场效应晶体管M2,第一电阻R1。M1、M2连接A1的输出端,R1连接A1的正向输入。
ICTAT电路具体包括了第二差分放大器A2,第三场效应晶体管M3,第二电阻R2。M3的栅极连接A2的输出端,A2的反向输入端连接A1的反向输入端。
低温补偿电路具体包括了第四场效应晶体管M4,第五场效应晶体管M5,第六场效应晶体管M6,第七场效应晶体管M7,第八场效应晶体管M8,第九场效应晶体管M9。M5的栅极与漏极连接并且与M4漏极连接。M5的栅极连接到M6的栅极,M6漏极连接M8、M9的栅极,M8栅极与M9栅极连接,M7的漏极连接M8栅极。M4管的宽长比是M3管的β1倍,M7管的宽长比是M1管的β2倍,M6管的宽长比是M5管的β3倍。
高温补偿电路具体包括了第十场效应晶体管M10,第十一场效应晶体管M11,第十二场效应晶体管M12,第十三场效应晶体管M13,第十四场效应晶体管M14,第十五场效应晶体管M15。M11的栅极与漏极连接并且与M10漏极连接,M11的栅极连接到M12的栅极。M12漏极连接M14、M15的栅极,M14栅极与M15栅极连接,M13的漏极连接M14栅极。M10管的宽长比是M1管的β5倍,M13管的宽长比是M3管的β6倍,M12管的宽长比是M11管的β7倍,M15管的宽长比是M14管的β8倍。
温度系数修调电路具体包括了第十六场效应晶体管M16,第十七场效应晶体管M17,第十八场效应晶体管M18,第十九场效应晶体管M19。M16漏极与M17源极连接,M18漏极与M19源极连接,M17漏极与M19漏极连接并连接到R4。M16、M18晶体管的宽长比分别为M1晶体管的宽长比的β9倍,修调网络接入电路的电流值M·IPTAT可以通过2位二进制码来控制。当二进制码为0时,晶体管M17、M19导通。
电压幅值修调电路具体包括第三差分放大器A3,第三双极型晶体管Q3,第三电阻R3,第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第二十场效应晶体管M20,第二十一场效应晶体管M21,第二十二场效应晶体管M22,第二十三场效应晶体管M23,第二十四场效应晶体管M24,第二十五场效应晶体管M25。A3的反向输入与M20漏极、R3、R4、R6相连,A3的输出端与M21、M22、M24的栅极相连,A3的正向输入与M21漏极相连,M21的漏极与R6相连,M23漏极和M25漏极、R7相连。M22、M24晶体管的宽长比分别为M21晶体管的宽长比的β10倍。电流S·IREF可以通过2位二进制码来控制,当二进制码为0时,晶体管M23、M25导通。
改进的传统带隙基准电压如图2所示。当传统带隙电压转变到负TC电压时,可以使用数字微调技术来调整。具有正温度系数电流M·IPTAT是由修调产生的。
对传统高阶分段补偿
低温补偿电路和高温补偿电路中,如图3所示,电流INL1作用在电阻R5上的电压VNL1随着温度升高而降低,电流INL2作用在电阻R5上的电压VNL2随着温度升高而升高。VNL1和VNL2表达式如下:
在本发明通过改变β1~β4参数,可以改变VNL1的温度系数。在本发明通过改变β5~β8参数,可以改变VNL2的温度系数。
电压VNL1+VNL2在-40℃~120℃范围内能补偿1阶温度补偿的带隙基准参考电压的温度高阶非线性,从而获得高阶温度补偿的带隙基准参考电压VREF
此时高阶温·度补偿的带隙基准参考电压VREF为:
对高阶带隙基准进行温度系数修调
本发明利用温度系数修调电路,可以减小非系统性误差产生的影响来改善基准电压的温度系数。当温度特性因为工艺角变化而变化,可以通过温度系数修调电路修调温度特性。修调电流M·IPTAT作用在R8和R9上跨压为Vtrim,表达式如下:
对高阶带隙基准进行电压幅值修调
本发明利用数字修调电路来修调电压幅度提高精度。修调电压幅度的电流需不受温度影响的带隙基准电流IREF,表达式如下:
其中Vbg1是高阶带隙基准电压,表达式如下:
因此具有高精度,低温漂的带隙基准电压VREF表达式如下:
以上是本发明的较佳实施例,凡依本发明技术方案所作的改变,所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时,均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,其特征在于,包括依次连接的IPTAT电路、ICTAT电路、低温补偿电路、高温补偿电路、温度系数修调电路、电压幅值修调电路和VREF产生电路;
所述IPTAT电路包括第一差分放大器A1,第一双极型晶体管Q1,第二双极型晶体管Q2,第一场效应晶体管M1,第二场效应晶体管M2,第一电阻R1;A1的同相端与M1的漏极、R1的一端连接,A1的反相端与M2的漏极、Q2的发射极连接,A1的输出端与M1的栅极、M2的栅极连接,Q1的发射极与R1的另一端连接,Q1的基极与Q1的集电极、Q2的基极、Q2的集电极相连接至GND,M1的源极与M2的源极相连接至VDD;
所述ICTAT电路包括第二差分放大器A2,第三场效应晶体管M3,第二电阻R2;A2的反相端与A1的反相端连接,A2的同相端经R2连接至GND,A2的同相端还与M3漏极连接,A2的输出端与M3的栅极连接,M3的源极连接至VDD;
所述低温补偿电路包括第四场效应晶体管M4,第五场效应晶体管M5,第六场效应晶体管M6,第七场效应晶体管M7,第八场效应晶体管M8,第九场效应晶体管M9;M4的源极与M7的源极、M8的源极、M9的源极相连接至VDD,M4的栅极与A2的输出端连接,M4的漏极与M5的栅极、M5的漏极、M6的栅极相连接,M5的源极、M6的源极相连接至GND,M6的漏极与M7的漏极、M8的漏极、M8的栅极、M9的栅极相连接,M7的栅极与A1的输出端连接;
所述高温补偿电路包括第十场效应晶体管M10,第十一场效应晶体管M11,第十二场效应晶体管M12,第十三场效应晶体管M13,第十四场效应晶体管M14,第十五场效应晶体管M15;M10的栅极与A1的输出端连接,M10的源极、M13的源极、M14的源极、M15的源极相连接至VDD,M10的漏极与M11的漏极、M11的栅极、M12的栅极相连接,M11的源极、M12的源极相连接至GND,M12的漏极与M13的漏极、M14的漏极、M14的栅极、M15的栅极相连接,M15的漏极与M9的漏极相连接;
所述温度系数修调电路包括第十六场效应晶体管M16,第十七场效应晶体管M17,第十八场效应晶体管M18,第十九场效应晶体管M19;M16的源极、M18的源极相连接至VDD,M16的栅极、M18的栅极与A1的输出端连接,M16的漏极与M17的源极连接,M17的漏极与M19的漏极相连接,M18的漏极与M19的源极连接;
所述电压幅值修调电路包括第三差分放大器A3,第三双极型晶体管Q3,第三电阻R3,第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第二十场效应晶体管M20,第二十一场效应晶体管M21,第二十二场效应晶体管M22,第二十三场效应晶体管M23,第二十四场效应晶体管M24,第二十五场效应晶体管M25;M20的源极、M21的源极、M22的源极、M24的源极相连接至VDD,M20的栅极与A1的输出端连接,M20的漏极与A3的反相端、R3的一端连接,M21的栅极与A3的输出端、M22的栅极、M24的栅极相连接、M21的漏极与A3的同相端、R6的一端连接,M22的漏极与M23的源极连接,M23的漏极与M25的漏极相连接,M24的漏极与M25的源极相连接,R3的另一端与R4的一端、M17的漏极连接,R4的另一端与R5的一端、M9的漏极连接,R5的另一端与Q3的发射极连接,Q3的基极、Q3的集电极、R6的另一端相连接至GND;
所述VREF产生电路包括第四双极型晶体管Q4,第二十六场效应晶体管M26,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9 ;M26的源极连接至VDD,M26的栅极与A1的输出端连接,M26的漏极与R7的一端、M23的漏极相连接,R7的另一端与R8的一端、M17的漏极相连接,R8的另一端与R9的一端、M9的漏极相连接,R9的另一端与Q4的发射极连接,Q4的基极与Q4的集电极相连接至GND。
2.根据权利要求1所述的一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,其特征在于,该电压源使用分段温度补偿电路,分别在低温补偿电路、高温补偿电路对带隙基准进行低温、高温补偿。
3.根据权利要求1所述的一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,其特征在于,所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9采用完全相同的材料制作,抵消了电阻温度对带隙基准的影响。
4.根据权利要求1所述的一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,其特征在于,所述低温补偿电路中,M4管的宽长比是M3管的β1倍,M7管的宽长比是M1管的β2倍,M6管的宽长比是M5管的β3倍。
5.根据权利要求1所述的一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,其特征在于,所述高温补偿电路中,M10管的宽长比是M1管的β5倍,M13管的宽长比是M3管的β6倍,M12管的宽长比是M11管的β7倍,M15管的宽长比是M14管的β8倍。
6.根据权利要求1所述的一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,其特征在于,所述温度系数修调电路中,M16、M18管的宽长比分别为M1管的宽长比的β9倍。
7.根据权利要求1所述的一种低温漂、高精度的带隙基准电压源,其特征在于,所述电压幅值修调电路中,M22、M24管的宽长比分别为M21管的宽长比的β10倍。
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