CN114265466B - 一种基于高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准电压源 - Google Patents

Abstract

一种基于高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准电压源，属于双极型半导体集成电路领域。包括基准电压产生电路A、高阶温度曲率补偿电路B和反馈电路C；基准电压产生电路A连接高阶温度曲率补偿电路B，高阶温度曲率补偿电路B连接反馈电路C；高阶温度曲率补偿电路B包括低温补偿电路B1、高温补偿电路B2，低温补偿电路B1产生高阶负温度系数电流，所述高温补偿电路B2产生高阶正温度系数电流，分别在低温段和高温段对带隙基准电压进行曲率补偿，使得基准电压在更宽温度范围内稳定输出更高精度更低温漂的基准电压。解决了现有带隙基准电压温度补偿技术不能获得高精度低温漂带隙基准电压的问题。广泛应用于高精度、低温漂基准电源领域。

Description

一种基于高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准电压源

技术领域

本发明属于双极型半导体集成电路领域，进一步来说涉及双极型模拟集成电路领域，具体来说，涉及一种基于高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准电压源。

背景技术

在模拟集成电路中，基准电压源是非常重要的模块，可提供一个基本不随温度和电源电压变化的高精度、高稳定性基准电压，被广泛应用于数模转换器、模数转换器、线性稳压器和开关稳压器、传感器、电源产品等各种高精度系统中，其精度直接决定着系统整体的性能，具有极其重要的作用。

随着移动通信及其他通信技术的不断发展，对基准电压源模块的精度要求越来越高，传统的高阶补偿带隙基准已经不能满足设计需求，高阶补偿虽能实现较低的温度系数，但通常的高阶补偿电路较复杂，如文献“一种高精度低温漂带隙基准源设计”(李帅人等电子科技学报2012年第25卷第9期)，介绍了一种低温漂带隙基准电压源的实现办法，利用VBE线性化法进行高阶补偿，通过利用两个集电极电流温度特性不同的VBE叠加产生的非线性电压分量来抵消VBE中的非线性项，在-40℃～125℃温度范围内可实现10ppm/℃的温度系数，但是在高精度系统中，10ppm/℃的温度系数已不能满足业内更高精度的需求，所以需要补偿技术进行改进，以得到更低温漂、更高精度的基准电压。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是：解决现有带隙基准电压源温度补偿技术不能获得高精度、低温漂(低于10ppm/℃)，且补偿电路较复杂的问题。

本发明的技术构思是：针对现有技术的输出电压温度特性，如图1、图2所示，现有技术的输出电压温度特性呈抛物线形状，低温段呈正温度系数，高温段呈负温度系数。所述采取在低温段产生高阶负温度系数电流，在高温段产生高阶正温度系数电流，分别在低温段和高温段对带隙基准电压进行曲率补偿，实现该带隙基准电压源的高精度和低温漂，以得到更高精度更低温漂的基准电压。

为此，本发明提供一种基于高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准电压源，如图3所示，包括基准电压产生电路A、高阶温度曲率补偿电路B和反馈电路C。

所述基准电压产生电路A产生带隙电压V_BG；

所述高阶温度曲率补偿电路B产生高阶正温度系数电流和高阶负温度系数电流，分别在高温段和低温段对带隙基准电压进行曲率补偿；

所述反馈电路C产生最终与温度无关的带隙基准电压Vref。

所述基准电压产生电路A包括同类型NPN管N0、N1、N2、N3、N4，同类型PNP管P2、P3,同类型电阻RL1、RL2、R0、R1、R2、R_TEMP，电源VDD、地GND、偏置模块A1、运放A2；

所述同类型NPN管N0基极与电阻R0一端相连，电阻R0的另一端与NPN管N1基极相连，NPN管N0集电极与电阻R_L1一端、运放A2的负输入端相连，电阻R_L1的另一端与电阻R_L2的一端、NPN管N2发射极相连；所述NPN管N2基极与NPN管N3发射极极、NPN管N4基极相连，NPN管N2集电极与PNP管N2集电极、PNN管N2基极、偏置模块相连；所述偏置模块的输入端IN1与电源VDD、PNP管P2的发射极、PNP晶体管P3的发射极、NPN晶体管N3的集电极、NPN晶体管N4的集电极相连；偏置模块的输出端OUT1与PNP晶体管P3的基极相连，偏置模块的输出端OUT2与NPN晶体管N3基极相连；所述NPN管N0发射极与电阻R1一端相连；所述电阻R_L2的另一端与NPN管N1集电极、运放A2的正输入端相连；所述电阻R1另一端与电阻R2一端、NPN管N1发射极相连；所述电阻R2另一端与电阻R_TEMP一端相连；所述电阻R_TEMP另一端连接至地端GND。

所述高阶温度曲率补偿电路B包括同类型NPN管N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N13、N14，同类型PNN管P0、P1，同类型电阻Rs0、Rs1；

所述同类型NPN管N5的集电极与所述NPN管N1的基极相连，NPN管N5的基极与NPN管N6的基极、NPN管N6的集电极、PNP管P0的集电极相连，NPN管N5的发射极与NPN管N6的发射极、NPN管N8的发射极、NPN管N11的发射极、NPN管N12的发射极、NPN管N13的发射极、NPN管N14的发射极、电阻Rs1的一端连接至地端GND；PNP晶体管P0的发射极与运放A2输出端、电阻Rs0的一端、NPN管N7的集电极、NPN管N9的集电极、NPN管N10的集电极相连，PNP晶体管P0的基极与PNP晶体管P1的基极、PNP晶体管P1的集电极、NPN管N7的基极相连；所述NPN管N7的发射极与NPN管N8的集电极相连；所述NPN管N8的基极与NPN管N11的基极、NPN管N12的基极、NPN管N12的集电极、NPN管N13的基极、NPN管N9的发射极相连；所述NPN管N11的集电极与所述PNP管P3的集电极、NPN管N9的基极、NPN管N10的基极相连；所述NPN管N13的集电极与所述NPN管N10的发射极、NPN管N14的基极、电阻Rs1的一端相连；

所述反馈电路C包括同类型电阻RA1、RA2、RA3、带隙基准输出电压Vref信号输出端；

所述的NPN晶体管N14的集电极与所述电阻RA1的一端、电阻RA2的一端相连；所述RA2的另一端NPN晶体管N1的基极、NPN晶体管N5的集电极、电阻RA3的一端相连；所述电阻RA3的另一端连接至地端GND；电阻RA1另一端与运放A2的输出端、NPN管N14发射极连接至带隙基准电压Vref信号输出端。

本发明的有益效果是：

1.结构简单：本发明通提出的电路结构与BJT双极型工艺完全兼容，无需额外的工艺步骤来实现对特殊器件的兼容。

2.性能优异：本发明用了高阶温度曲率补偿方式，在更宽的温度范围内实现基准输出电压温度系数低至1ppm/℃，使其具有更广泛的应用范围。

3.设计成本低：本发明整个电路中使用同一类型电阻，减少掩模版数量，节约设计成本。

4.电源抑制比大：本发明中运放A2和高阶温度补偿电路B的工作电压为带隙基准输出电压Vref，具有不随电源变化的高稳定性，使带隙基准电压源的电源抑制比大大提高。

本发明所述的技术方案，广泛应用于高精度、低温漂基准电源领域。

附图说明

图1业内传统Brokaw结构带隙基准电压源电路原理示意图。

图2业内传统Brokaw结构带隙基准电压源电路的温度特性示意图。

图3本发明低温漂带隙基准电压源电路原理示意图。

图4本发明补偿电路B正负温度系数电流与温度的关系示意图。

图5本发明低温漂带隙基准电压源温度特性示意图。

具体实施方式

结合附图3-图5，对本发明所述一种基于高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准电压源的实施例详述如下：

如图3所示，由基准电压产生电路A、高阶温度曲率补偿电路B和反馈电路C。基准电压产生电路A产生带隙电压V_BG；偏置模块A1为整个基准电路提供偏置电流；运放A2使所述的基准电压产生电路A内部环路中两个需要具有相同电压的点稳定钳位在相同的电压；高阶温度曲率补偿电路B产生高阶正温度系数电流和高阶负温度系数电流，在高温段和低温段分别对带隙基准电压进行曲率补偿；反馈电路C产生最终与温度无关的带隙基准电压Vref。下面结合具体电路进行详细分析该过程。

本发明的工作原理分析如下：

带隙基准电压源是利用具有负温度系数的双极型晶体管的基极-发射极电压差ΔVBE和热力学温度成正比的电压V_T的线性组合来产生与温度无关的基准电压，即：Vref＝V_BE+KΔV_BE，基极-发射极电压VBE：

式中：Ic表示晶体管的集电极电流，Is表示饱和电流。传统的Brokaw带隙基准电压源如图1，NPN晶体管Q0和Q1是两个同材料晶体管，Q0的发射极面积是Q1的n倍。所以ΔV_BE＝V_Tln(n),基准的电压可以在放大器输出端得到，且β(T)为：

输出电压表示为：

V_BE1可以展开为

(2)式和(3)式中，V_T为热电压，β_∞和ΔE_G都是与温度无关的常量，ΔE_G称为晶体管发射区带隙能量衰减因子，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，Tr是参考温度，V_BG0是在温度为Tr时的发射结电压，η是一个为正的工艺参数且与温度无关，具体大小由工艺决定，m的值与集电极电流I_C的温度特性有关(当I_C是与温度平方成正比的PTAT电流时，m＝0；当I_C是与温度无关时，m＝1)。(2)式和(3)式中，所含的高阶系数

可以根据泰勒公式分别展开成含有温度T的高阶项函数，传统的带隙基准电压源只能进行1阶补偿，以及部分高阶误差的补偿，业内传统的带隙基准电压源电路的温度特性如图2所示，在高、低温段的温度特性较差，采用传统电路结构不能满足更高的系统要求，为实现极低温度系数，本发明中引进高阶温度曲率补偿技术。

本发明设计的电路如图3所示，因为NPN晶体管N0、N1的基极电流在电阻RA1、电阻RA2上产生了压降，为了减小因NPN晶体管N0、N1基极电流而产生的误差，在基准电压产生电路A中加入电阻R0，分析如下：

图3中，不考虑电阻R0,不考虑高阶温度曲率补偿，忽略电阻RA1、电阻RA2上流过NPN晶体管N0、N1的基极电流I_B0、I_B1时，

该计算值比实际输出电压少(I_B0+I_B1)×(R_A1+R_A2)，为补偿该项，现加入电阻R0，如图3所示，在不考虑高阶温度曲率补偿时,V′_BG电压可以表示为：

输出电压实际值为：

为使V′_ref＝V_ref，解得：

因为NPN晶体管N0和N1是两个同材料晶体管，NPN晶体管N0和N1是两个同材料晶体管，N0的发射极面积是N1的n倍。不考虑工艺因素的影响，NPN晶体管N0和N1的放大倍数β₀＝β₁＝β，则I_B0＝I_B1＝I_B，化简可以得到：

其中流过电阻R₁的电流修正为：

不考虑高阶温度补偿电路B时，基准输出电压Vref修正为：

加入如上等式的电阻R₀降低N0、N1的基极电流在输出端引起的误差后，为了得到高精度低温漂的电压基准源，必须对V_BE的高阶项进行补偿，发明中引进了高阶温度曲率补偿电路B，高阶温度曲率补偿电路B由低温补偿电路B1和高温补偿电路B2组成，由NPN晶体管N5～N14，PNP晶体管P0、P1，电阻Rs0、Rs1构成。

在高温时，工作原理如下，其中偏置模块A1产生一个正温度系数电流

V_BE随温度升高而减小，因此随着温度的升高，流过晶体管N14集电极的高阶项电流越来越大，Rs1电阻两端的压降为V_BE，N14，流过Rs1的电流

为：

对其求导的

因为晶体管基极-发射极压差具有负温度系数，所以

也具有负温度系数。晶体管N8、N9、N10、N11、N12、N13、N14是同类型晶体管，且发射极面积一样，根据电压环路定律得：

根据(5)式化简，可以得到下式：

即I_OUT,H：

(6)式的分母项对温度求导得，

其中

是正温度系数,

是负温度系数，可以通过合理设置

和

可以保证(6)式的分母项温度系数为0，即(6)式中的分母项是与温度无关的项，因为I_PTAT是正温度系数，

也是正温度系数，所以得到的I_OUT,H是一个与温度平方成正比的高阶正温度系数电流，因此可以得到经高温补偿后的基准输出电压Vref：

流过晶体管N14在高温段流过电阻R_A1的高阶项电流越来越大，产生与温度平方成正比的电压用来补偿晶体管V_BE电压在高温段的高阶项，降低带隙基准输出电压在高温段的温漂系数。其中NPN晶体管N14的集电极电流I_OUT,H和温度的关系曲线如图4(1)所示。

在低温时，低温补偿电路通过NPN晶体管N5、N6、N7、N8，PNP晶体管P0、P1和电阻Rs0组成,其中N6、N5、P0、P1发射极面积比为1:m1:m2:m3。NPN晶体管N7、N8的放大倍数都为β′，则流过电阻Rs0的电流为：

设流过PNP晶体管P0的集电极电流为I_C,P0，根据电压环路定律得：

联合(1)式，可以得到流过NPN晶体管N5集电极电流I_OUT,L：

从(9)式可以看出，在低温段，随着温度的降低，I_OUT,L呈指数级增大，也就是在低温段是一个高阶负温度系数电流，可以实现基准输出电压的低温补偿。

可以得到进低温补偿后的基准输出电压Vref为：

由(9)式可知，I_OUT,L有关于温度变化的

高阶项，在低温段，随着温度的降低，I_OUT,L呈指数级增大，也就是在低温段是一个高阶负温度系数电流，可以实现基准输出电压的低温补偿。NPN晶体管N5的集电极电流I_OUT,L和温度的关系曲线如图4(2)。

上述发明列只是为说明本例技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准电压源，其特征在于，包括基准电压产生电路A、高阶温度曲率补偿电路B和反馈电路C；所述基准电压产生电路A连接所述高阶温度曲率补偿电路B，所述高阶温度曲率补偿电路B连接反馈电路C；

所述基准电压产生电路A产生带隙电压V_BG；

所述高阶温度曲率补偿电路B包括低温补偿电路B1、高温补偿电路B2，所述低温补偿电路B1产生高阶负温度系数电流，所述高温补偿电路B2产生高阶正温度系数电流，分别在低温段和高温段对带隙电压V_BG进行曲率补偿；

所述反馈电路C产生最终与温度无关的带隙基准电压Vref，连接到带隙基准电压Vref信号输出端；

所述基准电压产生电路A包括同类型NPN管N0、N1、N2、N3、N4，同类型PNP管P2、P3,同类型电阻RL1、RL2、R0、R1、R2、R_TEMP，电源VDD、地GND、偏置模块A1、运放A2；

所述NPN管N0基极与电阻R0一端相连，电阻R0的另一端与NPN管N1基极相连，NPN管N0集电极与电阻RL1一端、运放A2的负输入端相连，电阻RL1的另一端与电阻RL2的一端、NPN管N2发射极相连;所述NPN管N2基极与NPN管N3发射极、NPN管N4基极相连，NPN管N2集电极与PNP管P2集电极、PNP管P2基极、偏置模块相连；所述偏置模块的输入端IN1与电源VDD、PNP管P2的发射极、PNP管P3的发射极、NPN管N3的集电极、NPN管N4的集电极相连；偏置模块的输出端OUT1与PNP管P3的基极相连，偏置模块的输出端OUT2与NPN管N3基极相连；所述NPN管N0发射极与电阻R1一端相连；所述电阻RL2的另一端与NPN管N1集电极、运放A2的正输入端相连；所述电阻R1另一端与电阻R2一端、NPN管N1发射极相连；所述电阻R2另一端与电阻R_TEMP一端相连；所述电阻R_TEMP另一端连接至地GND；

所述高阶温度曲率补偿电路B包括同类型NPN管N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N13、N14，同类型PNN管P0、P1，同类型电阻Rs0、Rs1；

所述NPN管N5的集电极与所述NPN管N1的基极相连，NPN管N5的基极与NPN管N6的基极、NPN管N6的集电极、PNP管P0的集电极相连，NPN管N5的发射极与NPN管N6的发射极、NPN管N8的发射极、NPN管N11的发射极、NPN管N12的发射极、NPN管N13的发射极、NPN管N14的发射极、电阻Rs1的一端连接至地GND；PNP管P0的发射极与运放A2输出端、电阻Rs0的一端、NPN管N7的集电极、NPN管N9的集电极、NPN管N10的集电极相连，PNP管P0的基极与PNP管P1的基极、PNP管P1的集电极、NPN管N7的基极相连；所述NPN管N7的发射极与NPN管N8的集电极相连；所述NPN管N8的基极与NPN管N11的基极、NPN管N12的基极、NPN管N12的集电极、NPN管N13的基极、NPN管N9的发射极相连；所述NPN管N11的集电极与所述PNP管P3的集电极、NPN管N9的基极、NPN管N10的基极相连；所述NPN管N13的集电极与所述NPN管N10的发射极、NPN管N14的基极、电阻Rs1的另一端相连；

所述反馈电路C包括同类型电阻RA1、RA2、RA3、带隙基准电压Vref信号输出端；

所述的NPN管N14的集电极与所述电阻RA1的一端、电阻RA2的一端相连；所述电阻RA2的另一端、NPN管N1的基极、NPN管N5的集电极、电阻RA3的一端相连；所述电阻RA3的另一端连接至地GND；电阻RA1另一端与运放A2的输出端、NPN管N14发射极连接至带隙基准电压Vref信号输出端。

2.如权利要求1所述的一种基于高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准电压源，其特征在于：

所述NPN管N0和N1是两个同材料晶体管。

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