CN114967819A

CN114967819A - 基于soi工艺的带隙基准电路

Info

Publication number: CN114967819A
Application number: CN202210916012.3A
Authority: CN
Inventors: 项勇; 陈浪; 戈泽宇; 刘辉; 唐玖虎; 汪智斌
Original assignee: Suzhou Xixin Rf Microelectronics Co ltd
Current assignee: Suzhou Xixin Rf Microelectronics Co ltd
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2042-08-01
Also published as: CN114967819B

Abstract

本发明涉及一种基于SOI工艺的带隙基准电路，采用带隙基准核心电路和驱动增强电路构成，带隙基准核心电路包括负反馈支路与正反馈支路。由此，可基于温度补偿技术，利用横向正偏二极管结电压之差的正温度特性，并且作用在电阻R2上产生对数特性的正温度系数电流，再通过高精度电流镜像电路，在电阻R3上产生正温度系数电压，并抵消横向正偏二极管结电压的负温度系数，实现了高精度温度补偿。采用源极驱动的方式进行电压输出，极大地提高基准电压的负载驱动能力。可复用带隙基准核心电路产生的偏置电流，以节省额外的电流消耗，从而实现低功耗。

Description

基于SOI工艺的带隙基准电路

技术领域

本发明涉及一种电路构造，尤其涉及一种基于SOI（Silicon-on-Insulator，绝缘体上硅）工艺的带隙基准电路。

背景技术

高精度带隙基准电压源广泛应用于多种电子设备和系统中。比如电源、数据转换器、片上系统等等。带隙基准电压源为电路与系统提供不随温度、电源和工艺波动的稳定基准电压，保证后续电路模块的精确工作，需满足一定精度设计；对温度波动不敏感、对电源的波动敏感度低。随着集成电路技术的发展，电路和系统对内部带隙基准电压源的性能要求越来越高。

为了解决带隙基准电压的负载驱动能力不足的问题，通常的方法是在带隙基准电压的后级额外增加一个缓冲器。这个缓冲器能够将带隙基准电压复制到缓冲器的输出端，同时又能增强其输出端电压的负载驱动能力，并且可以根据需要调整这个缓冲器的相关参数，以获得电路系统所需的负载驱动能力。

但是，目前常用的上述解决方法虽然能够一定程度上解决负载驱动能力不足的问题，但是也带来了很多缺点，具体如下：

1、缓冲器或多或少会存在误差，并不能保证其输出的参考电压与带隙基准电压完全相同，这就引入了系统误差，而且这个系统误差是随机的，不可预知，也就很难控制。

2、为了获得所需的负载驱动能力，缓冲器需要消耗非常大的电流，有些情况下其电流可能超过带隙基准电压源的电流，得不偿失。

3、缓冲器在版图上可能与带隙基准电压源相隔比较远，这样就导致带隙基准电压的走线很长，一方面长走线会导致电压下降，另一方面长走线会受到周围其他走线的干扰。

4、缓冲器作为额外添加的电路模块，增加了电路设计难度和复杂度，不方便集成调试与优化。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种基于SOI工艺的带隙基准电路，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于SOI工艺的带隙基准电路。

本发明的基于SOI工艺的带隙基准电路，其中：采用带隙基准核心电路和驱动增强电路构成，所述带隙基准核心电路包括负反馈支路与正反馈支路，所述负反馈支路采用横向正偏二极管D1、横向正偏二极管D2、横向正偏二极管D3、横向正偏二极管D4、横向正偏二极管D5、横向正偏二极管D6、横向正偏二极管D7、横向正偏二极管D8，电阻R1、电阻R2和误差放大器OP组成，所述横向正偏二极管D1、横向正偏二极管D2、横向正偏二极管D3、横向正偏二极管D4、横向正偏二极管D5、横向正偏二极管D6、横向正偏二极管D7、横向正偏二极管D8相互并联，且与电阻R1、电阻R2串联；所述正反馈支路包括横向正偏二极管D9、电阻R3和误差放大器OP，所述电阻R3与横向正偏二极管D9串联，所述误差放大器OP的负端连入负反馈支路，所述误差放大器OP的正端连入正反馈支路；所述驱动增强电路采用横向正偏二极管D10、电阻R4、电容C1、P型MOS管MP1、N型MOS管MN1、N型MOS管MN2构成，所述误差放大器OP的输出端连接P型MOS管MP1的栅极，所述P型MOS管MP1的源极连接电源VDD，所述P型MOS管MP1的漏极连接N型MOS管MN1的漏极和栅极，所述N型MOS管MN1和N型MOS管MN2构成镜像电流对，所述N型MOS管MN1源极连接电阻R4和横向正偏二极管D10，所述N型MOS管MN2的漏极连接电源VDD，所述N型MOS管MN2的源极连接基准电压VBG，所述电容C1用于补偿环路的频率响应。

进一步地，上述的基于SOI工艺的带隙基准电路，其中，所述误差放大器OP由偏置电流源IB1、P型MOS管MP2、P型MOS管MP3、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5和N型MOS管MN3、N型MOS管MN4、N型MOS管MN5、N型MOS管MN6组成，所述N型MOS管MN5、N型MOS管MN6构成误差放大器OP的输入端，所述P型MOS管MP2、P型MOS管MP3、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5构成叠层电流镜，误差电流通过叠层电流镜转换成反馈电压输出VG，所述N型MOS管MN3、N型MOS管MN4构成电流缓冲器。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、可基于温度补偿技术，利用横向正偏二极管结电压之差的正温度特性，并且作用在电阻R2上产生对数特性的正温度系数电流，再通过高精度电流镜像电路，在电阻R3上产生正温度系数电压，并抵消横向正偏二极管结电压的负温度系数，实现了高精度温度补偿。

2、采用源极驱动的方式进行电压输出，极大地提高基准电压的负载驱动能力。

3、可复用带隙基准核心电路产生的偏置电流，以节省额外的电流消耗，从而实现低功耗。

4、采用横向正偏二极管替代传统的寄生三极管，既能够实现半导体工艺的兼容性，又能够保证器件和电路的工作安全性和可靠性。

5、通过SOI工艺衬底，拥有较佳的干扰能力，可避免受到其他大波动模块通过衬底路径的串扰，能够实现基准电压的低噪声特性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是基于SOI工艺的带隙基准电路的结构示意图。

图2是误差放大器的电路结构示意图。

图3是将本发明应用到电路中的实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至3的基于SOI工艺的带隙基准电路，其与众不同之处在于：采用带隙基准核心电路和驱动增强电路构成，其中带隙基准核心电路包括负反馈支路与正反馈支路。

具体来说，负反馈支路采用横向正偏二极管D1、横向正偏二极管D2、横向正偏二极管D3、横向正偏二极管D4、横向正偏二极管D5、横向正偏二极管D6、横向正偏二极管D7、横向正偏二极管D8，电阻R1、电阻R2和误差放大器OP组成。工作期间，可产生的支路电流设为I1。同时，横向正偏二极管D1、横向正偏二极管D2、横向正偏二极管D3、横向正偏二极管D4、横向正偏二极管D5、横向正偏二极管D6、横向正偏二极管D7、横向正偏二极管D8相互并联，且与电阻R1、电阻R2串联。并且，电阻R1、电阻R2、误差放大器OP之间设置有交接点A，设交接点A处的电压为VA。

采用的正反馈支路包括横向正偏二极管D9、电阻R3和误差放大器OP。工作期间，可产生的支路电流设为I2。同时，电阻R3与横向正偏二极管D9串联。并且，电阻R3、横向正偏二极管D9、误差放大器OP之间设置有交接点B，设交接点B处的电压为VB。实施期间，误差放大器OP的负端连入负反馈支路，误差放大器OP的正端连入正反馈支路。

进一步来看，驱动增强电路采用横向正偏二极管D10、电阻R4、电容C1、P型MOS管MP1、N型MOS管MN1、N型MOS管MN2构成。并且，误差放大器OP的输出端连接P型MOS管MP1的栅极，P型MOS管MP1的源极连接电源VDD。

结合本发明一较佳的实施方式来看，P型MOS管MP1的漏极连接N型MOS管MN1的漏极和栅极，N型MOS管MN1和N型MOS管MN2构成镜像电流对。同时，N型MOS管MN1源极连接电阻R4和横向正偏二极管D10。并且，N型MOS管MN2的漏极连接电源VDD，N型MOS管MN2的源极连接基准电压VBG。

实施期间，电容C1可用于补偿环路的频率响应，能够保证环路工作的稳定性。同时，依托于误差放大器OP可使得VA和VB相等。

本发明的工作原理如下：

设电阻R3与电阻R4的阻值相等，横向正偏二极管D9与横向正偏二极管D10的尺寸、形状、面积都完全相同，则电流I2=I4。同时，设N型MOS管MN1和N型MOS管MN2沟道长度相等，宽度之比为1:2。由此，电流I3是I4的两倍，即I3=2*I4。电流I3等于电流I1与电流I2之和，即I3=I1+I2。这样，可构成I1=I2。

同时，采用的横向正偏二极管D1至横向正偏二极管D8与横向正偏二极D9的个数之比为：N=N1/N2=8/1=8。设横向正偏二极管D1至横向正偏二极管D8两端的结电压为VC，由横向正偏二极管的电流-电压特性可知，VB－VC=VT×ln( N )，符号“－”为减号。其中，VT为热电压，VT=kT/q（k，q均是常量，T是温度值）。由于VA=VB，为此VA－VC= VT*ln( N )=电阻R2的两端电压，符号“－”为减号。也就是说，R2*I1= VT*ln( N )。由此，电流I1=I2= VT*ln( N)/ R2。可获得基准电压VBG=VB+R3*I2=VB+(R3/R2) *ln( N ) * VT。

再进一步来看，VB是横向正偏二极管D9两端的结电压，呈负温度系数。通过(R3/R2)* ln( N ) * VT =(R3/R2)* ln( N )*(k/q)*T，可呈正温度系数，其系数等于(R3/R2)*ln( N )*(k/q)。为此，只要调整相应参数，使得系数(R3/R2)* ln( N )*(k/q)等于结电压VB的负温度系数，则基准电压VBG即可呈零温度系数，与温度无关。

实施期间，P型MOS管MP1可将误差放大器OP的输出电压VG进行放大。并且，可通过N型MOS管MN1、N型MOS管MN2、R1、R3反馈至误差放大器的输入端。MN1源极连接电阻R4和横向正偏二极管D10，使得N型MOS管MN1源极电压V4=VBG，保证了N型MOS管MN1与N型MOS管MN2电流比例的精度。同时，基准电压VBG从N型MOS管MN2的源极输出，可以极大地提高负载驱动能力。再者，N型MOS管MN2的偏置电流与带隙基准核心电路进行复用，降低额外的电流消耗。

如图2所示，为了更好的实施本发明，采用的误差放大器OP由偏置电流源IB1、P型MOS管MP2、P型MOS管MP3、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5和N型MOS管MN3、N型MOS管MN4、N型MOS管MN5、N型MOS管MN6组成。

具体来说，N型MOS管MN5、N型MOS管MN6可构成误差放大器OP的输入端。由此，将正、负两端输入电压VA、VB的电压差转换成误差电流。同时，P型MOS管MP2、P型MOS管MP3、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5构成叠层电流镜(cascode)。由此，可将误差电流通过叠层电流镜转换成反馈电压输出VG。并且，通过N型MOS管MN3、N型MOS管MN4构成电流缓冲器，能提高误差放大器的输出电阻和电压增益。实施期间，可设VB1为N型MOS管MN3、N型MOS管MN4的栅极偏置电压，VB2为P型MOS管MP4、P型MOS管MP5的栅极偏置电压。

如图3所示，在实际应用中，本发明的电路可以提供带隙基准电压，可以满足低压差线性稳压器的稳定工作需要。

通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本发明后，具有如下优点：

此外，本发明所描述的指示方位或位置关系，均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或构造必须具有特定的方位，或是以特定的方位构造来进行操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语 “连接”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。并且它可以直接在另一个组件上或者间接在该另一个组件上。当一个组件被称为是“连接于”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或间接连接至该另一个组件上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.基于SOI工艺的带隙基准电路，其特征在于：采用带隙基准核心电路和驱动增强电路构成，所述带隙基准核心电路包括负反馈支路与正反馈支路，所述负反馈支路采用横向正偏二极管D1、横向正偏二极管D2、横向正偏二极管D3、横向正偏二极管D4、横向正偏二极管D5、横向正偏二极管D6、横向正偏二极管D7、横向正偏二极管D8，电阻R1、电阻R2和误差放大器OP组成，所述横向正偏二极管D1、横向正偏二极管D2、横向正偏二极管D3、横向正偏二极管D4、横向正偏二极管D5、横向正偏二极管D6、横向正偏二极管D7、横向正偏二极管D8相互并联，且与电阻R1、电阻R2串联；所述正反馈支路包括横向正偏二极管D9、电阻R3和误差放大器OP，所述电阻R3与横向正偏二极管D9串联，所述误差放大器OP的负端连入负反馈支路，所述误差放大器OP的正端连入正反馈支路；所述驱动增强电路采用横向正偏二极管D10、电阻R4、电容C1、P型MOS管MP1、N型MOS管MN1、N型MOS管MN2构成，所述误差放大器OP的输出端连接P型MOS管MP1的栅极，所述P型MOS管MP1的源极连接电源VDD，所述P型MOS管MP1的漏极连接N型MOS管MN1的漏极和栅极，所述N型MOS管MN1和N型MOS管MN2构成镜像电流对，所述N型MOS管MN1源极连接电阻R4和横向正偏二极管D10，所述N型MOS管MN2的漏极连接电源VDD，所述N型MOS管MN2的源极连接基准电压VBG，所述电容C1用于补偿环路的频率响应。

2.根据权利要求1所述的基于SOI工艺的带隙基准电路，其特征在于：所述误差放大器OP由偏置电流源IB1、P型MOS管MP2、P型MOS管MP3、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5和N型MOS管MN3、N型MOS管MN4、N型MOS管MN5、N型MOS管MN6组成，所述N型MOS管MN5、N型MOS管MN6构成误差放大器OP的输入端，所述P型MOS管MP2、P型MOS管MP3、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5构成叠层电流镜，误差电流通过叠层电流镜转换成反馈电压输出VG，所述N型MOS管MN3、N型MOS管MN4构成电流缓冲器。