CN115357086A - 带隙基准电路及其操作方法、电子装置 - Google Patents

带隙基准电路及其操作方法、电子装置 Download PDF

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Abstract

一种带隙基准电路及其操作方法和包括带隙基准电路的电子装置。该带隙基准电路包括：被配置为产生正温度系数电流的正温度系数模块、被配置为复制正温度系数电流以产生基准电压VREF的基准电压发生模块、被配置为复制正温度系数电流以产生感应电压VPTAT的感应电压发生模块、以及与正温度系数模块和基准电压发生模块电连接并且被配置为接收控制信号使得带隙基准电路在第一模式下工作或在第二模式下工作的模式切换模块。该带隙基准电路可以在第一模式和第二模式之间进行切换并在相应模式下进行工作，以实现同一带隙基准电路在不同模式下的复用，因而避免了在不同模式下使用多个带隙基准电路，减少了芯片占用面积和功耗。

Description

带隙基准电路及其操作方法、电子装置
技术领域
本公开的实施例涉及一种带隙基准电路及其操作方法和包括带隙基准电路的电子装置。
背景技术
带隙基准电路，又称带隙基准源(Bandgap Reference)，可以用作给芯片提供不随工艺、温度、电源电压变化的恒定电流或电压。在芯片中的温度传感器通过随温度变化而变化的电压或电流，由此可以检测所在区域的温度。当前，包含带隙基准电路的芯片已经被广泛应用于现代工业、医疗、交通、智能家居等领域。
发明内容
本公开至少一个实施例提供了一种包括模式切换模块的带隙基准电路，该带隙基准电路可以在温度感应模式和电压监测模式之间进行切换，并在相应模式下进行工作，以实现同一带隙基准电路在不同模式下的复用。从而避免了在不同模式下使用多个带隙基准电路，减少了芯片面积和功耗。
根据本公开的至少一实施例，提供了一种带隙基准电路，包括：被配置为产生正温度系数电流的正温度系数模块；被配置为复制正温度系数电流以产生基准电压VREF的基准电压发生模块；被配置为复制正温度系数电流以产生感应电压VPTAT的感应电压发生模块；和与正温度系数模块和基准电压发生模块电连接并且被配置为接收控制信号使得带隙基准电路在第一模式下工作或在第二模式下工作的模式切换模块。其中，第一模式下的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差小于第二模式下的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差，并且第一模式下的基准电压VREF的精确度小于第二模式下的基准电压VREF的精确度。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，正温度系数模块包括第一三极管和第二三极。第一三极管的集电极与第一公共电压端相连接，第二三极管的集电极与第一公共电压端相连接。正温度系数模块还包括第一电阻、第二电阻和第三电阻。第一电阻的第一端与第二三极管的发射极相连接，且第一电阻的两端之间的电压差被设置为等于第一三极管的基极-发射极电压差和第二三极管的基极-发射极电压差之间的差值；第二电阻的第一端与第一三极管的基极相连接，第二电阻的第二端与第一公共电压端相连接；并且第三电阻的第一端与第二三极管的基极相连接，第三电阻的第二端与第一公共电压端相连接。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，模式切换模块包括第一开关和第二开关。第一开关并联连接在第二电阻两端并且被配置为根据控制信号短接第二电阻。第二开关并联连接在第三电阻两端并且被配置为根据控制信号短接第三电阻。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，正温度系数模块还包括钳位模块，其第一输入端连接到第一节点并与第一三极管的发射极相连接，其第二输入端连接到第二节点并与第一电阻的第二端相连接。该钳位模块被配置为使第一节点处相对于第一公共电压端的电压与第二节点处相对于第一公共电压端的电压相同。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，钳位模块包括比较电路、第一晶体管和第二晶体管。其中，比较电路的第一输入端和第二输入端分别作为钳位模块的第一输入端和第二输入端；第一晶体管的栅极与比较电路的输出端相连接，第一晶体管的第一源漏极与第二公共电压端相连接，第一晶体管的第二源漏极连接到第一节点并与第一三极管的发射极相连接；并且第二晶体管的栅极与比较电路的输出端相连接，第二晶体管的第一源漏极与第二公共电压端相连接，第二晶体管的第二源漏极连接到第二节点并与第一电阻的第二端相连接。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，比较电路为运算放大器。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，基准电压发生模块包括第一电流镜电路单元，该第一电流镜电路单元被配置为按第一比例复制正温度系数电流以得到第一复制电流，并且将第一复制电流提供至第三节点。基准电压发生模块还包括第三三极管，该第三三极管的集电极与第一公共电压端相连接，该第三三极管的基极与第一公共电压端相连接。基准电压发生模块还包括串联连接的第四电阻与第五电阻，其中，第四电阻的第一端与第三节点连接以输出基准电压VREF，第五电阻的第一端与第三三极管的发射极相连接，并且第四电阻的第二端和第五电阻的第二端电连接。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，模式切换模块还包括第三开关，该第三开关并联连接在第五电阻两端并且被配置为根据控制信号短接第五电阻。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，第一电流镜电路单元包括第三晶体管，该第三晶体管的栅极连接到第四节点并与比较电路的输出端相连接，该第三晶体管的第一源漏极与第二公共电压端相连接，并且该第三晶体管的第二源漏极与第三节点相连接。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，在第一模式下，第一开关处于闭合状态将第二电阻短路，第二开关处于断开状态，以及第三开关处于断开状态。例如，第一模式可以为温度感应模式。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，在第二模式下，第一开关处于断开状态，第二开关处于闭合状态将第三电阻短路，以及第三开关处于闭合状态将第五电阻短路。例如，第二模式式可以为电压监测模式。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，感应电压发生模块包括第二电流镜电路单元，该第二电流镜电路单元被配置为按第二比例复制正温度系数电流以得到第二复制电流，且将第二复制电流提供至第五节点。感应电压发生模块还包括第六电阻，该第六电阻的第一端与第一公共电压端相连接，该第六电阻的第二端与第五节点连接以输出感应电压VPTAT。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，第二电流镜电路单元包括第四晶体管，该第四晶体管的栅极连接到第四节点并与比较电路的输出端相连接，该第四晶体管的第一源漏极与第二公共电压端相连接，该第四晶体管的第二源漏极与第五节点相连接。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，带隙基准电路还包括电源抑制调整模块，该电源抑制调整模块连接在第二公共电压端和第四节点之间，且被配置为对从第二公共电压端接收到的电源电压去噪音。
例如，在本公开一实施例提供的带隙基准电路中，电源抑制调整模块包括电容，该电容的第一端与第二公共电压端相连接，电容的第二端与第四节点相连接
根据本公开的至少一实施例，还提供了一种上述任一带隙基准电路的操作方法，该方法包括：提供控制信号，使带隙基准电路在第一工作模式下工作；或者提供控制信号，使带隙基准电路在第二工作模式下工作。
根据本公开的至少一实施例，还提供了一种包括上述任一带隙基准电路的电子装置。该电子装置还包括被配置为提供控制信号以控制带隙基准电路的工作模式的控制单元。
例如，在本公开一实施例提供的电子装置中，该电子装置还包括处理模块，该处理模块被配置为当带隙基准电路在第一模式下工作时，接收带隙基准电路的输出的基准电压VREF和感应电压VPTAT，并且使用基准电压VREF和感应电压VPTAT进行温度感应，以及当带隙基准电路在第二模式下工作时，接收带隙基准电路的输出的基准电压VREF，并且使用基准电压VREF进行电压监测。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1示出了带隙基准电路的电路示意图。
图2A示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路的框图。
图2B示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路的电路示意图。
图3A示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路在温度感应模式下的电路示意图。
图3B示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路在电压监测模式下的电路示意图。
图4A-图4D示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路在不同模式下的仿真结果。
图5示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路的工作原理的框图。
图6示出了根据本公开至少一实施例的包括带隙基准电路的电子装置的示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
应当理解，本公开的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本公开的范围在此方面不受限制。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
如上所述，带隙基准电路既可以用作电压传感器的前端电路，以给芯片提供不随工艺、温度、电源电压变化的恒定电流或电压，例如产生基准电压VREF，又可以用作温度传感器的模拟前端电路，用来提供随温度变化而变化的电压或电流，例如产生感应电压VPTAT，从而能够检测所在目标区域的温度。
图1示出了一种带隙基准电路100的电路示意图。
在如图1所示的带隙基准电路100中，当将一个偏置电流注入到三极管Q1发射结时，该三极管Q1会产生具有负温度系数的基极-发射极电压VBE。然而，当将两个电流密度比为定值N的电流分别注入到三极管Q1和由例如N个三极管Q1并联实现的三极管Q2(即N*Q1)的集电极时(N为大于正整数的常数)，三极管Q1和Q2的基极-发射极电压之间的差值ΔVBE可以用如下公式(1)表示：
ΔVBE＝VBE1-VBE2＝VT ln N (1)
其中，VBE1和VBE2分别为三极管Q1和Q2的基极-发射极电压；热电压VT＝kT/q(k为波尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度)。
因此，由上述公式(1)可知，ΔVBE与温度成正比，即具有正温度系数。也就是说，带隙基准电路100可以产生具有正温度系数的感应电压VPTAT，并且该感应电压VPTAT可以由三极管Q1和Q2的基极-发射极电压之间的差值ΔVBE来表示。
如果，将上述具有正温度系数的电压ΔVBE与具有负温度系数的电压VBE分别加以适当的权重(系数)并叠加，正温度系数和负温度系数可以相互抵消，从而获得与温度无关的基准电压VREF。换言之，如果按照一定的比例(例如，系数α)将VBE和ΔVBE相加，就可以根据如下公式(2)得到基准电压VREF：
VREF＝α*ΔVBE+VBE (2)
其中，基准电压VREF几乎不随温度变化而变化；例如该基准电压VREF可以用于标定其他电压，从而实现对于其他电压的大小的检测(即电压监测/感应)。此时，感应电压VPTAT可以表示为：
VPTAT＝α*ΔVBE (3)
若进一步将ΔVBE与VREF输入到一个经过适当设计的模拟数字转换器(ADC)中，就可以得到一个与热力学温度T成正比的数值μ，即下面公式(4)所示：
Figure BDA0003821576270000061
这里，μ也可以视为温度曲线的斜率。然后将μ进行线性化处理，可以进一步得到摄氏温度值(即温度监测/感应)。
由前面所述，参照图1，带隙基准电路100既可以提供几乎不随温度变化而变化的基准电压VREF，又可以随温度变化而变化的感应电压VPTAT。但是，若想将带隙基准电路(例如，带隙基准电路100)应用于具有温度传感器(TS)和电压传感器(VM)，则同一结构的带隙基准电路并不能同时提供稳定的电流电压源(即，基准电压VREF)和与温度成正比的电压(即，感应电压VPTAT)，而需要使用两个不同结构的带隙基准电路。这是因为，如果要使带隙基准电路的基准电压VREF随PVT的变化率尽可能的小，则感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)随PVT的变化率相对较大，也就是说感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差较大；反之，如果要使带隙基准电路的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)在PVT下的变化率尽可能的小，则基准电压VREF随PVT的变化率相对较大，即基准电压VREF的精确度减小。因此，例如在同一芯片中需要使用两种结构不同的带隙基准电路分别用于温度监测和电压监测的场景，造成芯片电路面积和功耗的浪费。
针对上述问题，本公开至少一个实施例提供了一种包括模式切换模块的带隙基准电路，使得该带隙基准电路可以在温度感应模式和电压监测模式之间进行切换并在相应模式下进行工作，以实现同一带隙基准电路在不同工作模式下的复用，既可用于温度监测，又可用于电压监测。
具体地，本公开的至少一实施例提供了一种带隙基准电路。该带隙基准电路包括：被配置为产生正温度系数电流的正温度系数模块；被配置为复制正温度系数电流以产生基准电压VREF的基准电压发生模块；被配置为复制正温度系数电流以产生感应电压VPTAT的感应电压发生模块；和与正温度系数模块和基准电压发生模块电连接并且被配置为接收控制信号使得带隙基准电路在第一模式下工作或在第二模式下工作的模式切换模块。其中，第一模式下的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差小于第二模式下的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差，并且第一模式下的基准电压VREF的精确度小于第二模式下的基准电压VREF的精确度。
下面将参照图2A和图2B详细描述根据本公开的至少一实施例提供的带隙基准电路的结构。
图2A示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路200的框图。
如图2A所示，根据本公开至少一实施例，带隙基准电路200可以包括正温度系数模块210、基准电压发生模块220和感应电压发生模块230。正温度系数模块210被配置为产生正温度系数电流。基准电压发生模块220被配置为复制由正温度系数模块210产生的正温度系数电流以产生基准电压VREF。感应电压发生模块230被配置为复制由正温度系数模块210产生的正温度系数电流以产生感应电压VPTAT。
如图2A所示，带隙基准电路200还包括模式切换模块240。模式切换模块240与正温度系数模块210和基准电压发生模块220电连接，并且被配置为接收控制信号，以使带隙基准电路200可以在不同模式下工作。如图2A所示，带隙基准电路200还可以可选地包括电源抑制调整模块250。电源抑制调整模块250被配置为对带隙基准电路200接收到的电源电压去噪音。
下面将结合图2B进一步描述带隙基准电路200的上述各模块中的元件。
图2B示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路200的电路示意图。
如上所述，带隙基准电路200可以包括被配置为产生正温度系数电流的正温度系数模块210、被配置为复制正温度系数电流以产生基准电压VREF的基准电压发生模块220和被配置为复制正温度系数电流以产生感应电压VPTAT的感应电压发生模块230。
如图2B所示的实施例中，正温度系数模块210可以包括第一三极管Q1和第二三极管Q2。第一三极管Q1具有第一放大系数β1，并且第一三极管Q1的集电极和基极与第一公共电压端VSS相连接。第二三极管Q2具有第一放大系数β2，并且第二三极管Q2的集电极与第一公共电压端VSS相连接。这里，第一公共电压端VSS可以是公共接地电压端。在一些示例中，第一三极管Q1的第一放大系数β1可以与第二三极管Q2的第一放大系数β2相同。这里，为了简洁起见，假设第一三极管Q1和第二三极管Q2的放大系数均为β。在另一示例中，第二三极管Q2可以是由多个三极管并联实现的，例如，第二三极管Q2可以是由多个(例如，N个，N为常数)与第一三极管Q1相同的三极管并联实现，在这种情况下，第二三极管Q2相当于N*Q1。在一些示例中，N可以为大于1的任意整数，例如，N为8或15等，本公开的实施例对此不作限制。第一公共电压端VSS例如为接地电压端。
如图2B所示，正温度系数模块210还可以包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。第一电阻R1的第一端与第二三极管Q2的发射极相连接，在工作时，使得第一电阻R1的两端之间的电压差被设置为等于第一三极管Q1的基极-发射极电压差VBE1和第二三极管Q2的基极-发射极电压差VBE2之间的差值ΔVBE，由此流过第一电阻R1的电流即为正温度系数电流IPTAT，其中IPTAT＝ΔVBE/R1。第二电阻R2的第一端与第一三极管Q1的基极相连接，其第二端与第一公共电压端VSS相连接(例如，接地)。第三电阻R3的第一端与第二三极管Q2的基极相连接，其第二端与第一公共电压端VSS相连接(例如，接地)。
如图2B所示，正温度系数模块210还可以包括钳位模块215。钳位模块215的第一输入端连接到第一节点X1并与第一三极管Q1的发射极相连接，钳位模块215的第二输入端连接到第二节点X2并与第一电阻R1的第二端相连接。该钳位模块215被配置为使第一节点X1处相对于第一公共电压端VSS的电压与第二节点X2处相对于第一公共电压端VSS的电压相同。
进一步地，根据本公开一实施例，钳位模块215可以包括比较电路A1、第一晶体管M1和第二晶体管M2。
如图2B所示，比较电路A1的第一输入端和第二输入端分别作为钳位模块215的第一输入端和第二输入端。具体地，比较电路A1的第一输入端连接到第一节点X1并与第一三极管Q1的发射极相连接，比较电路A1的第二输入端连接到第二节点X2并与第一电阻R1的第二连接端相连接。
如图2B所示，第一晶体管M1的第一源漏极与第二公共电压端VDD相连接，第一晶体管M1的第二源漏极连接到第一节点X1并与第一三极管Q1的发射极相连接，并且第一晶体管M1的栅极与比较电路A1的输出端相连接。第二晶体管M2的第一源漏极也与第二公共电压端VDD相连接，第二晶体管M2的第二源漏极连接到第二节点X2并与第一电阻R1的第二连接端相连接，并且第二晶体管M2的栅极与比较电路A1的输出端相连接。在一些实施例中，比较电路A1可以是运算放大器，通过将比较电路A1的输出端与连接到第一节点X1的第一晶体管M1的栅极和连接到第二节点X2的第二晶体管M2的栅极相连接，可以调节并使得第一节点X1处相对于第一公共电压端VSS的电压与第二节点X2处相对于第一公共电压端VSS的电压相同。应理解，第二公共电压端VDD不同于第一公共电压端VSS，例如，第二公共电压端VDD可以是电源电压端，其提供的电压高于第一公共电压端VSS提供的电压。
参照图2B，带隙基准电路200的基准电压发生模块220可以包括第一电流镜电路单元，该第一电流镜电路单元被配置为按第一比例复制正温度系数电流IPTAT以得到第一复制电流，并且将第一复制电流提供至第三节点Y1。基准电压发生模块220还可以包括第三三极管Q3和串联连接的第四电阻R4与第五电阻R5。第三三极管Q3的集电极和基极均与第一公共电压端VSS相连接。第四电阻R4的第一端与第三节点Y1连接以输出基准电压VREF，第五电阻R5的第一端与第三三极管Q3的发射极相连接，并且第四电阻R4的第二端和第五电阻R5的第二端电连接。
具体地，如图2B所示，在一些示例中，第一电流镜电路单元可以包括一个或多个第三晶体管M3，该一个或多个第三晶体管M3可以用于实现电流复制，例如镜像复制。第三晶体管M3的栅极与钳位模块215相连接，例如，第三晶体管M3的栅极连接到第四节点Pb并与比较电路A1的输出端相连接；第三晶体管M3的第一源漏极与第二公共电压端VDD相连接，第三晶体管M3的第二源漏极与第三节点Y1相连接。
参照图2B，带隙基准电路200的感应电压发生模块230可以包括第二电流镜电路单元，该第二电流镜电路单元配置为按第二比例复制正温度系数电流IPTAT以得到第二复制电流，且将第二复制电流提供至第五节点Y2。感应电压发生模块230还可以包括第六电阻R6，该第六电阻R6的第一端与第一公共电压端VSS相连接，该第六电阻R6的第二端与第五节点Y2连接以输出感应电压VPTAT。在一些示例中，与上述第一电流镜电路单元的描述类似，第二电流镜电路单元可以包括一个或多个第四晶体管M4，该一个或多个第四晶体管M4用于实现电流复制，例如镜像复制。例如，如图2B所示，第四晶体管M4的栅极连接到第四节点Pb并与比较电路A1的输出端相连接；第四晶体管M4的第一源漏极与第二公共电压端VDD相连接，第四晶体管M4的第二源漏极与第五节点Y2相连接。
如前所述，为了实现同一带隙基准电路在不同工作模式下的复用，带隙基准电路200还包括模式切换模块240，该模式切换模块240与正温度系数模块210和基准电压发生模块230电连接，并且被配置为接收控制信号使得带隙基准电路200在不同工作模式下的复用，例如，使得带隙基准电路200在第一模式下工作，或在第二模式下工作。
根据本公开的至少一实施例，模式切换模块240可以包括第一开关S1和第二开关S2。如图2B所示，第一开关S1并联连接在第二电阻R2两端并且被配置为根据控制信号短接第二电阻R2。第二开关S2并联连接在第三电阻R3两端并且被配置为根据控制信号短接第三电阻R3。模式切换模块240还可以包括第三开关S3，如图2B所示，第三开关S3并联连接在第五电阻R5两端并且被配置为根据控制信号短接第五电阻R5。
下面将结合图3A和图3B描述图2B的带隙基准电路200在不同模式下工作原理。
图3A示出在温度感应模式下带隙基准电路200A的电路示意图。
如图3A所示，在温度感应模式下时，第一开关S1处于闭合状态将第二电阻R2短路，第二开关S2处于断开状态，以及第三开关S3处于断开状态。此时，由于第二电阻R2被短路，第一三极管Q1的基极与第一公共电压端VSS相连接，即第一三极管Q1的基极直接接地。而与图1所示的带隙基准电路100相比，在图3A的带隙基准电路200A中，第二三极管Q2的基极与集电极之间接入第三电阻R3。因此，前述公式(4)可以进一步写为：
Figure BDA0003821576270000111
其中，
Figure BDA0003821576270000112
是误差项，
Figure BDA0003821576270000113
是补偿项。
由上述公式(5)可知，通过增大第三电阻R3的阻值可以使补偿项增大，从而减小误差项在公式(5)中的占比。换言之，第三电阻R3的阻值越大，误差项对μ的影响越小。因此，第三电阻R3在这里可以消除第一三极管Q1和第二三极管Q2的放大系数β对第一三极管Q1和第二三极管Q2各自的基极-发射极电压差之间的差值ΔVBE的影响，即增大第三电阻R3的阻值可以使感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)随PVT的变化率减小。因此，如图3A所示的带隙基准电路200A适用于进行温度感应的场景。
如上公式(5)所示，由于第三电阻R3使得公式(5)中作为分母的基准电压VREF的温度系数不等于0，因此第五电阻R5被用来调节基准电压VREF的温度系数，以保证带隙基准电路200A的正常工作。因此，在温度感应模式下，第四电阻R4和第五电阻R5需要同时接入带隙基准电路200A中。
图3B示出在电压监测模式下带隙基准电路200B的电路示意图。
如图3B所示，在电压监测模式下，第一开关S1处于断开状态，第二开关S2处于闭合状态将第三电阻R3短路，以及第三开关S3处于闭合状态将第五电阻R5短路。此时，由于第三电阻R3被短路，第二三极管Q2的基极与第一公共电压端VSS相连接，即第二三极管Q2的基极直接接地。而与图1所示的带隙基准电路100相比，在图3B的带隙基准电路200B中，第一三极管Q1的基极与集电极之间接入第二电阻R2。因此，前述公式(2)可以进一步写为：
Figure BDA0003821576270000121
其中，
Figure BDA0003821576270000122
是误差项并且为正值，
Figure BDA0003821576270000123
是补偿项并且为负值。
由上述公式(6)可知，第二电阻R2在这里可以消除第一三极管Q1和第二三极管Q2的放大系数β对基准电压VREF的影响，即通过改变第二电阻R2的阻值可以使基准电压VREF随PVT的变化率减小。因此，如图3B所示的带隙基准电路200B适用于进行电压监测的场景。
图4A-图4D示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路在不同模式下的仿真结果。具体地，图4A-图4D显示出不同工艺角、电源电压、温度(PVT)下基准电压VREF电压以及感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的温度的误差，其中横轴表示温度，图中的不同曲线表示不同工艺角和电压的排列组合下的曲线。
图4A示出了温度感应模式下带隙基准电路输出的基准电压VREF随温度变化的线性图。图4B示出了电压监测模式下带隙基准电路输出的基准电压VREF随温度变化的线性图。图4C示出了温度感应模式下带隙基准电路输出的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)随温度变化的线性图。图4D示出了电压监测模式下带隙基准电路输出的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)随温度变化的线性图。
如图4A和图4B所示，在不同电压(例如，1.98V、1.8V和1.62V)下，分别对晶体管(bjt)和电阻(res)两类器件的三个不同的工艺角(ss、ff和tt)的温度的变化率进行仿真。由图4A和图4B可知，基准电压VREF在电压监测模式下随温度的变化率(约为20mV)小于基准电压VREF在温度感应模式下随温度的变化率(约为47.3mV)。也就是说，温度感应模式下的基准电压VREF的精确度小于电压监测模式下的基准电压VREF的精确度。
如图4C和图4D所示，在不同电压(例如，1.98V、1.8V和1.62V)下对晶体管(bjt)的三个不同的工艺角(ss、ff和tt)的温度的变化率进行仿真。由图4C和图4D可知，感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)在电压监测模式下随温度的变化率(约为54mV)大于感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)在温度感应模式下随温度的变化率(约为11.2mV)。也就是说，在温度感应模式下的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差小于电压监测模式下的感应电压VPTAT与基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差。
因此，如上结合附图所述的包括模式切换模块的带隙基准电路可以在温度感应模式和电压监测模式之间进行切换并在相应模式下进行工作，以实现同一带隙基准电路在不同工作模式下的复用。
参照回图2A和图2B，如前所述，带隙基准电路200还可以包括电源抑制调整模块250。具体地，如图2B所示，电源抑制调整模块250可以连接在第二公共电压端VDD和第四节点Pb之间，且被配置为对从第二公共电压端VDD接收到的电源电压去噪音。
如图2B所示，电源抑制调整模块250可以包括电容C1，该电容C1的第一端与第二公共电压端VDD相连接，该电容C1的第二端与第四节点Pb相连接。例如，电容C1可以是例如解耦(Decap)电容，该电容能够获得较低的原边反馈(PSR)，从而不需要在电路的输出端加大的电阻-电容(RC)滤波电路，使得电路的建立时间可以整体减小。
如上所述，本公开至少一个实施例提供的带隙基准电路可以在温度感应模式和电压监测模式之间进行切换，并可以分别在温度感应模式下或在电压监测模式下进行工作，以实现同一带隙基准电路在不同工作模式下的复用。下面将参照图5并结合图2B进一步总结本公开提供的带隙基准电路的工作原理。
图5示出了根据本公开至少一实施例的带隙基准电路的工作原理的框图。
如图5所示，如图2B所示的带隙基准电路200可以通过模式切换模块240来实现在温度感应模式和电压监测模式之间的切换。以图2B中示出的带隙基准电路200为例，可以通过使模式切换模块240中的第一开关S1处于闭合状态以将第二电阻R2短路，并使模式切换模块240中的第二开关S2和第三开关S3处于断开状态，使得带隙基准电路200可以在温度感应模式下工作。此时，带隙基准电路200输出的感应电压VPTAT和基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)随温度的变化率小，即VPTAT/VREF误差小，因此在这一模式下的带隙基准电路200具有良好的温度感应性能。另外，可以通过使模式切换模块240中的第一开关S1处于断开状态，并使模式切换模块240中的第二开关S2和第三开关S3处于闭合状态以分别将第三电阻R3和第五电阻R5短路，使得带隙基准电路200可以在电压监测模式下工作。此时，带隙基准电路200输出的基准电压VREF随温度的变化率小，即VREF精度高，因此在这一模式下的带隙基准电路200具有良好的电压监测性能。
本公开至少一实施例还提供了一种操作如上所述的带隙基准电路的方法。该方法包括：提供控制信号，使带隙基准电路在第一工作模式下工作；或者提供控制信号，使带隙基准电路在第二工作模式下工作。
以图2B中示出的带隙基准电路200为例，在一示例中，可以向带隙基准电路200提供控制信号，使带隙基准电路200在温度感应模式下工作。例如，控制信号可以包括指示带隙基准电路200的模式切换模块240中的第一开关S1处于闭合状态，以及指示带隙基准电路200的模式切换模块240中的第二开关S2和第三开关S3处于断开状态。替代地，可以向带隙基准电路200提供控制信号，使带隙基准电路200在电压感测模式下工作。例如，控制信号可以包括指示带隙基准电路200的模式切换模块240中的第一开关S1处于断开状态，以及指示带隙基准电路200的模式切换模块240中的第二开关S2和第三开关S3处于闭合状态。
本公开至少一实施例还提供了一种包括如上所述的带隙基准电路的电子装置，该电子装置还包括控制单元，该控制单元被配置为提供控制信号以控制带隙基准电路的工作模式。
图6示出了根据本公开至少一实施例的电子装置600的示意图。
如图6所示，电子装置600包括带隙基准电路610和控制单元620，其中控制单元620被配置为向带隙基准电路610提供控制信号以控制带隙基准电路610的工作模式。
如图6所示，电子装置600还包括处理模块630。该处理模块630被配置为接收带隙基准电路610的输出。例如，当带隙基准电路610根据控制单元620提供的控制信号在温度感应模式下工作时，处理模块630接收带隙基准电路610的输出的基准电压VREF和所述感应电压VPTAT，并使用所接收到的基准电压VREF和感应电压VPTAT进行温度感应。当带隙基准电路610根据控制单元620提供的控制信号在电压监测模式下工作时，处理模块630接收带隙基准电路610的输出的基准电压VREF，并使用所接收到的基准电压VREF进行电压监测。
根据本公开的其他实施例，如图6所示的电子装置600可以为处理器芯片，例如该处理器芯片为SoC芯片，该处理器芯片可以用于各种应用设备，该应用设备可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、电子书、游戏机、电视机、数码相框、导航仪等任何设备，或者，电子装置600可以为包括该处理器芯片的电子装置，还可以为任意的电子装置及硬件的组合，本公开的实施例对此不作限制。本公开的实施例对于处理器芯片的类型等不做限制，例如可以为中央处理器(CPU)、图像处理器(GPU)、数据处理器(DPU)、张量处理器(TPU)等。
此外，为表示清楚、简洁，本公开实施例并没有给出电子装置600的全部组成单元。为实现电子装置600的必要功能，本领域技术人员可以根据具体需要提供、设置其他未示出的组成单元，例如通信单元(例如网络通信单元)、输入输出单元(例如键盘、扬声器等)等，本公开的实施例对此不作限制。
此外，还有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (20)

1.一种带隙基准电路，包括：
正温度系数模块，被配置为产生正温度系数电流；
基准电压发生模块，被配置为复制所述正温度系数电流以产生基准电压VREF；
感应电压发生模块，被配置为复制所述正温度系数电流以产生感应电压VPTAT；
模式切换模块，与所述正温度系数模块和所述基准电压发生模块电连接，并且被配置为接收控制信号使得所述带隙基准电路在第一模式下工作，或在第二模式下工作，其中，
所述第一模式下的所述感应电压VPTAT与所述基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差小于所述第二模式下的所述感应电压VPTAT与所述基准电压VREF的比值(VPTAT/VREF)的误差，并且
所述第一模式下的基准电压VREF的精确度小于所述第二模式下的基准电压VREF的精确度。
2.根据权利要求1所述的带隙基准电路，其中，所述正温度系数模块包括：
第一三极管，其中，所述第一三极管的集电极与第一公共电压端相连接
第二三极管，其中，所述第二三极管的集电极与所述第一公共电压端相连接，
第一电阻，其中，所述第一电阻的第一端与所述第二三极管的发射极相连接，且所述第一电阻的两端之间的电压差被设置为等于所述第一三极管的基极-发射极电压差和所述第二三极管的基极-发射极电压差之间的差值；
第二电阻，其中，所述第二电阻的第一端与所述第一三极管的基极相连接，所述第二电阻的第二端与所述第一公共电压端相连接；和
第三电阻，其中，所述第三电阻的第一端与所述第二三极管的基极相连接，所述第三电阻的第二端与所述第一公共电压端相连接。
3.根据权利要求2所述的带隙基准电路，其中，所述模式切换模块包括：
第一开关，并联连接在所述第二电阻两端并且被配置为根据所述控制信号短接所述第二电阻；和
第二开关，并联连接在所述第三电阻两端并且被配置为根据所述控制信号短接所述第三电阻。
4.根据权利要求2或3所述的带隙基准电路，其中，所述正温度系数模块还包括钳位模块，其中，
所述钳位模块的第一输入端连接到第一节点并与所述第一三极管的发射极相连接，所述钳位模块的第二输入端连接到第二节点并与所述第一电阻的第二端相连接，并且
所述钳位模块被配置为使所述第一节点处相对于所述第一公共电压端的电压与所述第二节点处相对于所述第一公共电压端的电压相同。
5.根据权利要求4所述的带隙基准电路，其中，所述钳位模块包括比较电路、第一晶体管和第二晶体管，其中，
所述比较电路的第一输入端和第二输入端分别作为所述钳位模块的第一输入端和第二输入端，
所述第一晶体管的栅极与所述比较电路的输出端相连接，所述第一晶体管的第一源漏极与第二公共电压端相连接，所述第一晶体管的第二源漏极连接到所述第一节点并与所述第一三极管的发射极相连接，并且
所述第二晶体管的栅极与所述比较电路的输出端相连接，所述第二晶体管的第一源漏极与所述第二公共电压端相连接，所述第二晶体管的第二源漏极连接到所述第二节点并与所述第一电阻的第二端相连接。
6.根据权利要求5所述的带隙基准电路，其中，所述比较电路为运算放大器。
7.根据权利要求3所述的带隙基准电路，其中，所述基准电压发生模块包括：
第一电流镜电路单元，被配置为按第一比例复制所述正温度系数电流以得到第一复制电流，并且将所述第一复制电流提供至第三节点；
第三三极管，其中，所述第三三极管的集电极与所述第一公共电压端相连接，所述第三三极管的基极与所述第一公共电压端相连接；
串联连接的第四电阻与第五电阻，其中，所述第四电阻的第一端与所述第三节点连接以输出所述基准电压VREF，所述第五电阻的第一端与所述第三三极管的发射极相连接，并且其中，所述第四电阻的第二端和所述第五电阻的第二端电连接。
8.根据权利要求7所述的带隙基准电路，其中，所述模式切换模块还包括：
第三开关，并联连接在所述第五电阻两端并且被配置为根据所述控制信号短接所述第五电阻。
9.根据权利要求7所述的带隙基准电路，其中，所述第一电流镜电路单元包括第三晶体管，其中，
所述第三晶体管的栅极连接到第四节点并与所述比较电路的输出端相连接，所述第三晶体管的第一源漏极与所述第二公共电压端相连接，所述第三晶体管的第二源漏极与所述第三节点相连接。
10.根据权利要求8所述的带隙基准电路，其中，在所述第一模式下，所述第一开关处于闭合状态将所述第二电阻短路，所述第二开关处于断开状态，以及所述第三开关处于断开状态。
11.根据权利要求10所述的带隙基准电路，其中，所述第一模式为温度感应模式。
12.根据权利要求8所述的带隙基准电路，其中，在所述第二模式下，所述第一开关处于断开状态，所述第二开关处于闭合状态将所述第三电阻短路，以及所述第三开关处于闭合状态将所述第五电阻短路。
13.根据权利要求12所述的带隙基准电路，其中，所述第二模式为电压监测模式。
14.根据权利要求1-3、7-13任一所述的带隙基准电路，其中，所述感应电压发生模块包括：
第二电流镜电路单元，被配置为按第二比例复制所述正温度系数电流以得到第二复制电流，且将所述第二复制电流提供至第五节点；
第六电阻，其中，所述第六电阻的第一端与所述第一公共电压端相连接，所述第六电阻的第二端与所述第五节点连接以输出所述感应电压VPTAT。
15.根据权利要求14所述的带隙基准电路，其中，所述第二电流镜电路单元包括第四晶体管，其中，
所述第四晶体管的栅极连接到第四节点并与所述比较电路的输出端相连接，所述第四晶体管的第一源漏极与所述第二公共电压端相连接，所述第四晶体管的第二源漏极与所述第五节点相连接。
16.根据权利要求4所述的带隙基准电路，其中，所述带隙基准电路还包括电源抑制调整模块，所述电源抑制调整模块连接在所述第二公共电压端和所述第四节点之间，且被配置为对从所述第二公共电压端接收到的电源电压去噪音。
17.根据权利要求16所述的带隙基准电路，其中，所述电源抑制调整模块包括电容，所述电容的第一端与所述第二公共电压端相连接，所述电容的第二端与所述第一节点相连接。
18.一种根据权利要求1-17中任一所述的带隙基准电路的操作方法，包括：
提供所述控制信号，使所述带隙基准电路在所述第一工作模式下工作；或者
提供所述控制信号，使所述带隙基准电路在所述第二工作模式下工作。
19.一种电子装置，包括：
根据权利要求1-17中任一所述的带隙基准电路；和
控制单元，被配置为提供控制信号以控制所述带隙基准电路的工作模式。
20.根据权利要求19所述的电子装置，其中，所述电子装置还包括处理模块，其中，所述处理模块被配置为：
当所述带隙基准电路在所述第一模式下工作时，接收所述带隙基准电路的输出的所述基准电压VREF和所述感应电压VPTAT，并且使用所述基准电压VREF和所述感应电压VPTAT进行温度感应，
当所述带隙基准电路在所述第二模式下工作时，接收所述带隙基准电路的输出的所述基准电压VREF，并且使用所述基准电压VREF进行电压监测。
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