CN114690824B - 一种温度补偿电压调节器 - Google Patents

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Abstract

一种温度补偿电压调节器，包括电压调节单元和温度补偿单元，其特征在于：所述电压调节单元，用于生成参考电压，接收来自温度补偿单元生成的反馈电压，并基于所述参考电压和所述反馈电压生成调节电压，以及将所述调节电压输出至所述温度补偿单元；所述温度补偿单元，用于接收来自所述电压调节单元生成的调节电压，并根据所述参考电压生成反馈电压并反馈至所述电压调节单元。基于本发明中的温度补偿电压调节器，可以通过增加温度补偿单元对电压调节器输出的调节电压进行反馈从而生成零温度系数的调节电压。

Description

一种温度补偿电压调节器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种温度补偿电压调节器。
背景技术
目前，在高压芯片的设计中，通常会利用电压调节器来根据输入的高电源电压生成电压值更能够适合集成电路工作的调节电压，用以给电路中的大部分低压模块进行供电。现有的电压调节器通常使用一对或多对PMOS管来限制高电压，使用一对或多对NMOS管来限制低电压。
然而，现有技术中的电压调节器，其通常的电压调节精度不够高。这是由于电压调节器具有温度特性，其中的PMOS管与NMOS管的栅源极电压会随着温度的上升使得其等效电阻阻值随之呈现正向或负向的指数关系变化。这导致当芯片工作的环境温度发生变化时，其输出的调节电压变化很大。例如，当芯片处于高温状态，同时电源电压较低，此时调节电压会大幅降低，使得需要低压供电才能工作的部分电路模块无法正常工作。同时，由于组成电压调节器的PMOS管和NMOS管的制造工艺偏差，也会使得不同芯片中的电压调节器具有不同的温度特性，从而降低电压调节器中输出的调节电压的精度。
因此，亟需一种能够克服场效应管温度特性的电压调节器。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种温度补偿电压调节器，通过增加温度补偿单元对电压调节器输出的调节电压进行反馈从而生成零温度系数的调节电压。
本发明采用如下的技术方案。
一种温度补偿电压调节器，包括电压调节单元和温度补偿单元，其特征在于：电压调节单元，用于生成参考电压，接收来自温度补偿单元生成的反馈电压，并基于参考电压和反馈电压生成调节电压，以及将调节电压输出至温度补偿单元；温度补偿单元，用于接收来自电压调节单元生成的调节电压，并根据参考电压生成反馈电压并反馈至电压调节单元。
优选地，参考电压具负温度系数，反馈电压具有正温度系数；调节电压抵消参考电压的负温度系数和反馈电压的正温度系数，具有零温度系数。
优选地，电压调节单元包括输出管；并且，输出管的栅极与温度补偿单元连接，用于接收温度补偿单元生成的反馈电压；输出管的源极与温度补偿单元连接，用于输出电压调节单元生成的调节电压。
优选地，输出管为PMOS场效应管或PNP晶体管。
优选地，电压调节单元还包括第一至第三PMOS管、第一至第四NMOS管、第一电阻；并且，第一至第三PMOS管源极接高电压，第一PMOS管栅极漏极、第二PMOS管栅极与第一NMOS管漏极相连接，第二PMOS管漏极、第三PMOS管栅极与第一电阻一端相连接，第一电阻另一端接地，第三PMOS管漏极与输出管源极相连接并输出调节电压；第一NMOS管栅极、第二NMOS管的栅极漏极与输出管漏极相连接，第一NMOS管源极与第三NMOS管漏极相连接，第二NMOS管源极与第四NMOS管漏极栅极相连接，第三NMOS管源极与第四NMOS管源极接地。
优选地，温度补偿单元包括第五至第八PMOS管、第一晶体管、第二晶体管、第二至第五电阻；并且，第五至第八PMOS管源极接电压调节单元输出的调节电压，第五至第七PMOS管栅极、第七PMOS管漏极与第二晶体管集电极相连接，第五PMOS管漏极、第二电阻一端与电压调节单元相连接以输出反馈电压，第六PMOS管漏极、第八PMOS管栅极第一晶体管集电极相连接，第八PMOS管漏极与第三电阻一端、第一晶体管基极、第二晶体管基极以及第二电阻另一端相连接，第一晶体管发射极与第四电阻一端相连接，第二晶体管发射极、第四电阻另一端与第五电阻一端相连接，第五电阻另一端与第三电阻另一端接地。
优选地，第一晶体管的发射极面积是第二晶体管的发射极面积的n倍。
优选地，反馈电压为Vbgpt＝Vbg+m·Iptat·R2，其中，Vbgpt为反馈电压，Vbg为第一晶体管与第二晶体管的基极电压，即带隙基准电压，m为复制比例，Iptat为第七PMOS管电流，R2为第二电阻的电阻值，m·Iptat·R2为第二电阻两端的电压；其中，带隙基准电压Vbg具有零温度系数，第二电阻两端的电压m·Iptat·R2具有正温度系数。
优选地，调节电压为Vreg＝Vbgpt+Vsg4＝Vbg+m·Iptat·R2+Vsg4，其中，Vreg为调节电压，Vbgpt为反馈电压，Vsg4为输出管的源栅极电压，即参考电压；其中，输出管的源栅极电压Vsg4具有负温度系数。
优选地，第七PMOS管电流Iptat为其中，ΔVbe为晶体管BQ2的基极发射极之间的电压，R4为第四电阻的电阻值，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种温度补偿电压调节器具有一温度补偿单元，通过温度补偿单元对电压调节单元输出的调节电压进行反馈，从而克服了现有技术中电压调节器的温度特性，使得输出的调节电压足够稳定，不随温度发生变化，也保证了芯片中部分低压电路在电源电压小、环境温度高时的正常工作状态。
附图说明
图1为本发明现有技术中一种电压调节器的电路示意图。
图2为本发明中一种温度补偿电压调节器的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
图1为本发明现有技术中一种电压调节器的电路示意图。如图1所示，现有技术中一种电压调节器包括第一至第三PMOS管Mp1～3、第一至第四NMOS管Mn1～4和第一电阻R1。
具体的，第一至第三PMOS管Mp1～3源极接高电压，第一PMOS管Mp1栅极漏极、第二PMOS管Mp2栅极和第一NMOS管Mn1漏极相连接，第二PMOS管Mp2漏极、第三PMOS管Mp3栅极与第一电阻R1一端相连接，第一电阻R1另一端接地，第三PMOS管Mp3漏极与第二NMOS管Mn2栅极漏极相连接并接输出调节电压Vreg。
同时，第一NMOS管栅极与第二NMOS管栅极漏极相连接并接输出调节电压Vreg端，第一NMOS管源极与第三NMOS管漏极相连接，第二NMOS管源极与第三NMOS管栅极、第四NMOS管栅极漏极相连接，第三NMOS管与第四NMOS管接地。
在这一电压调节器中，第一至第三PMOS管能够限制过高的电源电压，而第一至第四NMOS管能够限制过低的调节电压。由于调节电压的输出端接在了第三PMOS管漏极和第二NMOS管漏极之间，因而可知Vreg＝Vsg2+Vsg4，其中，Vsg2为第二NMOS管的栅源极电压，Vsg4为第四NMOS管的栅源极电压。
此时，由于第二和第四NMOS管的栅源极电压具有负温度特性，即第二和第四NMOS管会随着温度的增加使得其导通电阻减小，因此电压调节器的输出电压精度受到了限制。随着工艺的偏差，在不同的芯片中，第二和第四NMOS管的导通电阻也有所不同，因此进一步限制了输出电压的精度。
进一步地，由于第二和第四NMOS管的栅源极电压具有的负温度特性，当芯片的环境温度较高，且芯片的电源电压较低时，第二和第四NMOS管的导通电阻会非常小，这将导致第二和第四NMOS管的栅源极电压非常低，使得需要调节电压进行供电的芯片中的部分低压模块无法工作。
图2为本发明中一种温度补偿电压调节器的电路示意图。如图2所示，一种温度补偿电压调节器，包括电压调节单元和温度补偿单元。
电压调节单元，用于生成参考电压，接收来自温度补偿单元生成的反馈电压，并基于所述参考电压和所述反馈电压生成调节电压，以及将所述调节电压输出至所述温度补偿单元。
温度补偿单元，用于接收来自所述电压调节单元生成的调节电压，并根据所述参考电压生成反馈电压并反馈至所述电压调节单元。
优选地，参考电压具负温度系数，反馈电压具有正温度系数。调节电压抵消参考电压的负温度系数和反馈电压的正温度系数，具有零温度系数。
具体的，电压调节单元包括输出管；并且，输出管的栅极与温度补偿单元连接，用于接收温度补偿单元生成的反馈电压；输出管的源极与温度补偿单元连接，用于输出电压调节单元生成的调节电压。其中，输出管为PMOS场效应管或PNP晶体管。
具体的，电压调节单元还包括第一至第三PMOS管、第一至第四NMOS管、第一电阻；并且，第一至第三PMOS管源极接高电压，第一PMOS管栅极漏极、第二PMOS管栅极与第一NMOS管漏极相连接，第二PMOS管漏极、第三PMOS管栅极与第一电阻一端相连接，第一电阻另一端接地，第三PMOS管漏极与输出管源极相连接并输出调节电压；第一NMOS管栅极、第二NMOS管的栅极漏极与输出管漏极相连接，第一NMOS管源极与第三NMOS管漏极相连接，第二NMOS管源极与第四NMOS管漏极栅极相连接，第三NMOS管源极与第四NMOS管源极接地。
具体的，温度补偿单元包括第五至第八PMOS管、第一晶体管、第二晶体管、第二至第五电阻；并且，第五至第八PMOS管源极接电压调节单元输出的调节电压，第五至第七PMOS管栅极、第七PMOS管漏极与第二晶体管集电极相连接，第五PMOS管漏极、第二电阻一端与电压调节单元相连接以输出反馈电压，第六PMOS管漏极、第八PMOS管栅极第一晶体管集电极相连接，第八PMOS管漏极与第三电阻一端、第一晶体管基极、第二晶体管基极以及第二电阻另一端相连接，第一晶体管发射极与第四电阻一端相连接，第二晶体管发射极、第四电阻另一端与第五电阻一端相连接，第五电阻另一端与第三电阻另一端接地。其中，第一晶体管的发射极面积是第二晶体管的发射极面积的n倍。
优选地，反馈电压为Vbgpt＝Vbg+m·Iptat·R2，其中，Vbgpt为反馈电压，Vbg为带隙基准电压，m为复制比例，Iptat为第七PMOS管电流，R2为第二电阻的电阻值，m·Iptat·R2为第二电阻两端的电压；其中，带隙基准电压Vbg具有零温度系数，第二电阻两端的电压m·Iptat·R2具有正温度系数。
优选地，调节电压为Vreg＝Vbgpt+Vsg4＝Vbg+m·Iptat·R2+Vsg4，其中，Vreg为调节电压，Vbgpt为反馈电压，Vsg4为输出管的源栅极电压，即参考电压；其中，输出管的源栅极电压Vsg4具有负温度系数。
优选地，第七PMOS管电流Iptat为其中，ΔVbe为晶体管BQ2的基极发射极之间的电压，R4为第四电阻的电阻值，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。
如图2所示，本公开实施例中，当电源电压一开始供电时，温度补偿单元中带隙基准电压尚未生成。
此时，电压调节单元中的输出管，由于其为PMOS管或PNP晶体管，此时作为开关管在栅极接收到较小电压的情况下处于导通状态。此时，调节电压Vreg≈Vsg2+Vsg4，温度补偿单元接收到这个较大的调节电压输入后，开始建立温度补偿电压。由于温度补偿单元中，各个支路中元件的参数固定，因而流过各个支路中的电流比例恒定。因而，可以以流过第七PMOS管的源漏极电流Iptat为基准电流，乘以固定的复制比例m从而获得第五PMOS管的源漏极电流，也就是第二电阻R2支路上的电流。根据图2中温度补偿单元中电路的连接方式可知第二电阻R2两端的电压与带隙基准电压之和即为反馈电压。
由于反馈电压中带隙基准电压具有零温度系数。同时，反馈电压中第二电阻R2两端的电压由于流过它的电流具有正温度系数从而有正温度系数。因此，反馈电压也具有正温度系数。
在此基础上，最终稳定输出的调节电压中即包括了参考电压中的负温度系数，也包括反馈电压中的正温度系数。通过合理设置元件参数，可以抵消正负温度系数，从而使得输出的调节电压克服芯片环境温度的影响。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种温度补偿电压调节器具有一温度补偿单元，通过温度补偿单元对电压调节单元输出的调节电压进行反馈，从而克服了现有技术中电压调节器的温度特性，使得输出的调节电压足够稳定，不随温度发生变化，也保证了芯片中部分低压电路在电源电压小、环境温度高时的正常工作状态。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种温度补偿电压调节器，包括电压调节单元和温度补偿单元，其特征在于：
所述电压调节单元，用于生成参考电压，接收来自温度补偿单元生成的反馈电压，并基于所述参考电压和所述反馈电压生成调节电压，以及将所述调节电压输出至所述温度补偿单元；
其中，所述电压调节单元包括输出管；并且，
所述输出管的栅极与所述温度补偿单元连接，用于接收所述温度补偿单元生成的反馈电压；
所述输出管的源极与所述温度补偿单元连接，用于输出所述电压调节单元生成的调节电压；
所述电压调节单元还包括第一至第三PMOS管、第一至第四NMOS管、第一电阻；并且，
所述第一至第三PMOS管源极接高电压，第一PMOS管栅极漏极、第二PMOS管栅极与第一NMOS管漏极相连接，第二PMOS管漏极、第三PMOS管栅极与第一电阻一端相连接，第一电阻另一端接地，第三PMOS管漏极与输出管源极相连接并输出调节电压；
所述第一NMOS管栅极、第二NMOS管的栅极漏极与输出管漏极相连接，第一NMOS管源极与第三NMOS管漏极相连接，第二NMOS管源极与第四NMOS管漏极栅极相连接，第三NMOS管源极与第四NMOS管源极接地；
所述温度补偿单元，用于接收来自所述电压调节单元生成的调节电压，并根据所述参考电压生成反馈电压并反馈至所述电压调节单元。
2.根据权利要求1中所述的一种温度补偿电压调节器，其特征在于：
所述参考电压具有负温度系数，所述反馈电压具有正温度系数；
所述调节电压抵消所述参考电压的负温度系数和所述反馈电压的正温度系数，具有零温度系数。
3.根据权利要求2中所述的一种温度补偿电压调节器，其特征在于：
所述输出管为PMOS场效应管或PNP晶体管。
4.根据权利要求3中所述的一种温度补偿电压调节器，其特征在于：
所述温度补偿单元包括第五至第八PMOS管、第一晶体管、第二晶体管、第二至第五电阻；并且，
所述第五至第八PMOS管源极接所述电压调节单元输出的所述调节电压，所述第五至第七PMOS管栅极、所述第七PMOS管漏极与所述第二晶体管集电极相连接，第五PMOS管漏极、第二电阻一端与所述电压调节单元相连接以输出反馈电压，所述第六PMOS管漏极、第八PMOS管栅极第一晶体管集电极相连接，第八PMOS管漏极与第三电阻一端、第一晶体管基极、第二晶体管基极以及第二电阻另一端相连接，所述第一晶体管发射极与第四电阻一端相连接，所述第二晶体管发射极、第四电阻另一端与第五电阻一端相连接，所述第五电阻另一端与第三电阻另一端接地。
5.根据权利要求4中所述的一种温度补偿电压调节器，其特征在于：
所述第一晶体管的发射极面积是第二晶体管的发射极面积的n倍。
6.根据权利要求5中所述的一种温度补偿电压调节器，其特征在于：
所述反馈电压为Vbgpt＝Vbg+m·Iptat·R2，其中，Vbgpt为反馈电压，Vbg为第一晶体管与第二晶体管的基极电压，即带隙基准电压，m为复制比例，Iptat为第七PMOS管电流，R2为第二电阻的电阻值，m·Iptat·R2为第二电阻两端的电压；
其中，所述带隙基准电压Vbg具有零温度系数，所述第二电阻两端的电压m·Iptat·R2具有正温度系数。
7.根据权利要求6中所述的一种温度补偿电压调节器，其特征在于：
所述调节电压为Vreg＝Vbgpt+Vsg4＝Vbg+m·Iptat·R2+Vsg4，其中，Vreg为调节电压，Vbgpt为反馈电压，Vsg4为输出管的源栅极电压，即所述参考电压；
其中，所述输出管的源栅极电压Vsg4具有负温度系数。
8.根据权利要求5或6中所述的一种温度补偿电压调节器，其特征在于：
第七PMOS管电流Iptat为其中，ΔVbe为晶体管BQ1和晶体管BQ2的基极发射极之间的电压差，R4为第四电阻的电阻值，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。
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