CN116880644A - 一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路 - Google Patents

一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路 Download PDF

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杜逸飞
蔡志匡
郭宇锋
王乾宇
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    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/56—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

本发明公开了一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于，包括依次级联的正温度电流产生电路，负温度电流产生电路，高阶温度补偿电路和电流电压转换电路，所述正温度电流产生电路用于产生与绝对温度正相关的电流，所述负温度电流产生电路用于产生与绝对温度负相关的电流；所述高阶温度补偿电路产生补偿电流，用于补偿电流中高阶的温度相关分量；所述电压转换电路将三个电流叠加后的电流转换成带隙基准电压VREF。本发明提高了电路系统的稳定性。

Description

一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路设计领域。
背景技术
在大多数模拟和混合信号电路系统中，用于产生恒定电压参考的带隙基准电路在各种电路系统中都是十分重要的组成部分。由于电路系统需要在各种环境下工作，而带隙基准电路的电压输出精度决定了整体电路系统的最大可实现精度，因此参考电压的低温度系数至关重要。
目前，带隙基准的补偿结构主要分为三种，第一种是Banba型带隙基准结构，这种结构的缺点是只有一阶温度补偿，导致输出基准电压的温漂较大；第二种是分段线性补偿的带隙基准结构，这种结构的缺点在于有多个分段补偿的支路结构复杂，增加了基准电路的功耗；第三种是电阻温度特性补偿的带隙基准结构，这种结构的缺点是电阻的工艺要求高，需要做大量的修调。
发明内容
发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路。
技术方案：本发明提供了一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路，包括依次级联的正温度电流产生电路，负温度电流产生电路，高阶温度补偿电路和电流电压转换电路，所述正温度电流产生电路用于产生与绝对温度正相关的电流IPTAT；所述负温度电流产生电路用于产生与绝对温度负相关的电流ICTAT；所述高阶温度补偿电路产生补偿电流ICOMP，用于补偿电流中高阶的温度相关分量；所述电压转换电路将电流IPTAT，电流ICTAT和补偿电流ICOMP叠加后的电流转换成带隙基准电压VREF。
进一步的，所述正温度电流产生电路包括第一放大器，第一、第二双极型PNP晶体管、第一、第二P型场效应晶体管和第一电阻；所述第一、第二P型场效应晶体管的源级接电源VDD，第一P型场效应晶体管的栅极连接第二P型场效应晶体管的栅极，高阶温度补偿电路和第一放大器的输出端，第一放大器的同相输入端连接第一P型场效应晶体管的漏极和第一双极型PNP晶体管的源级，第一放大器的反相输入端连接第二P型场效应晶体管的漏极，第一电阻的一端和负温度电流产生电路，第一电阻的另外一端连接第二双极型PNP晶体管的源级，第一、第二双极型PNP晶体管的栅极和漏极均接地。
进一步的，所述负温度电流产生电路包括第二运算放大器，第三P型场效应晶体管和第二电阻，所述第二运算放大的同相输入端连接正温度电流产生电路，反相输入端连接第三P型场效应晶体管的漏极和第二电阻的一端，所述第三P型场效应晶体管的栅极连接第二运算放大器的输出端和高阶温度补偿电路，第三P型场效应晶体管的源级连接电源VDD，第二电阻的另外一端接地。
进一步的，所述高阶温度补偿电路包括第一～四N型场效应晶体管，第四、第五P型场效应晶体管，第三运算放大器和第三电阻；所述第一N型场效应晶体管的栅极连接第一N型场效应晶体管的漏极，第二N型场效应晶体管的栅极和第四P型场效应晶体管的漏极，所述第四P型场效应晶体管的栅极连接正温度电流产生电路，第四P型场效应晶体管的源级连接电源VDD，所述第一N型场效应晶体管的源级连接第五P型场效应晶体管的漏极，第三电阻的一端，第三N型场效应晶体的栅极，第四N型场效应晶体的栅极，第四N型场效应晶体的漏极以及电压转换电路；所述第五P型场效应晶体的栅极连接负温度电流产生电路，源级连接电源VDD；所述第四N型场效应晶体管的漏极接地，所述第三电阻的另外一段连接第三运算放大器的输出端和第三运算放大器的反相输入端，第三运算放大器的同相输入端连接第二N型场效应晶体管的源级和第三N型场效应晶体管的漏极，第二N型场效应晶体管的漏极连接电源VDD，第三N型场效应晶体管的源级接地。
进一步的，所述电流电压转换电路包括第六，第七P型场效应晶体管，第五N型场效应晶体管和第四电阻；所述第五N型场效应晶体管的栅极连接高阶温度补偿电路，漏极连接第六P型场效应晶体管的漏极，第六P型场效应晶体管的栅极和第七P型场效应晶体管的栅极，所述第六和第七P型场效应晶体管的源级均连接电源VDD，第七P型场效应晶体管的漏极作为电流电压转换电路的输出端连接第四电阻的一端，第四电阻的另外一端接地。
有益效果：本发明有效的解决传统的带隙基准电路输出电压温度系数高的问题，通过带反馈环路的高阶温度补偿电路减小的温漂特性并且提高了电路系统的稳定性，且本发明的结构简单，使用的晶体管数量少，利于减小版图面积；因为本发明高阶补偿电路电流支路少且每条支路电流小，与其他传统高阶补偿的带隙基准电路方案相比，功耗显著降低。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明的电路结构示意图；
图3是高阶温度补偿前和高阶温度补偿后的输出电压温漂对比仿真图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如图1所示，本发明所设计的一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路，包括正温度电流产生电路、负温度电流产生电路、高阶温度补偿电路、电流电压转换电路。所述正温度电流产生电路用于产生与绝对温度正相关的电流IPTAT（也即正温度系数电流）；所述负温度电流产生电路用于产生与绝对温度负相关的电流ICTAT（也即负温度系数电流）；所述高阶温度补偿电路用于产生补偿电流ICOMP，用于补偿电流中高阶的温度相关分量；所述电压转换电路用于将正温度系数电流、负温度系数电流和补偿电流ICOMP的叠加电流转换成目标电压VREF。
如图2所示，本发明所设计一种新型高阶曲率温度补偿带隙基准电路在实际的应用过程当中，对正温度电流产生电路、负温度电流产生电路、高阶温度补偿电路和电流电压转换电路进行了具体的设计，包括放大器A1、放大器A2、电阻R1、电阻R2、双极型PNP晶体管Q1、双极型PNP晶体管Q2、P型场效应晶体管MP1、P型场效应晶体管MP2、P型场效应晶体管MP3、电源VDD、地GND、P型场效应晶体管MP4、P型场效应晶体管MP5、N型场效应晶体管MN1、N型场效应晶体管MN2、放大器A3、N型场效应晶体管MN3、N型场效应晶体管MN4、N型场效应晶体管MN5、P型场效应晶体管MP6、P型场效应晶体管MP7、电阻R4和电阻R3。
放大器A1的正向输入端与双极型PNP晶体管Q1的发射极相连，放大器A1的反向输入端与电阻R1的一端相连，放大器A1的输出端连接P型场效应晶体管MP1的栅极；
双极型PNP晶体管Q1的基极连接到地GND，发射极与放大器A1的正向输入端相连，集电极连接到地GND；
双极型PNP晶体管Q2的基极连接到地GND。发射极与电阻R1的一端相连，集电极连接到地GND；
电阻R1的一端连接到双极型PNP晶体管Q2的发射极，另一端连接到放大器A1的反向输入端；
P型场效应晶体管MP1的栅极与放大器A1的输出端相连，源极与电源VDD相连，漏极与双极型PNP晶体管Q1的发射极相连；
P型场效应晶体管MP2的栅极与放大器A1的输出端相连，源极与电源VDD相连，漏极与电阻R1的一端相连；
P型场效应晶体管MP3的栅极与放大器A2的输出端相连，源极与电源VDD相连，漏极与电阻R2的一端相连；
放大器A2的正向输入端放大器A1的反向输入端相连，放大器A2的反向输入端与电阻R2的一端相连，放大器A2的输出端连接P型场效应晶体管MP2的栅极；
电阻R2的一端连接到P型场效应晶体管MP3的漏极，另一端连接到地GND；
P型场效应晶体管MP4的栅极连接放大器A1的输出端，源极连接电源VDD，漏极连接N型场效应晶体管MN1的漏极；
P型场效应晶体管MP5的栅极连接放大器A2的输出端，源极连接电源VDD，漏极连接N型场效应晶体管MN1的源极；
N型场效应晶体管MN1的栅极连接N型场效应晶体管MN2的栅极，源极连接P型场效应晶体管MP5的漏极，漏极连接N型场效应晶体管MN1的栅极；
N型场效应晶体管MN2的栅极连接N型场效应晶体管MN1的漏极，源极连接放大器A3的正向输入端，漏极电源VDD；
放大器A3的正向输入端连接N型场效应晶体管MN3的漏极，反向输入端连接电阻R3的一端，放大器A3的输出端与电阻R3的一端相连；
N型场效应晶体管MN3的栅极连接N型场效应晶体管MN4的栅极，漏极连接N型场效应晶体管MN2的源极，源极连接到地GND；
N型场效应晶体管MN4的栅极连接到N型场效应晶体管MN5的栅极，源极连接到地GND，漏极连接到栅极，同时连接到N型场效应晶体管MN1的源极；
电阻R3的一端与放大器A3的输出极相连，另一端与N型场效应晶体管MN4的漏极相连；
N型场效应晶体管MN5的栅极与N型场效应晶体管MN4的栅极相连，漏极连接P型场效应晶体管MP6的漏极，源极连接到地GND；
P型场效应晶体管MP6的栅极连接P型场效应晶体管MP7的栅极，源极连接电源VDD，漏极连接N型场效应晶体管MN5的漏极，同时连接P型场效应晶体管MP6的栅极；
P型场效应晶体管MP7的栅极连接P型场效应晶体管MP6的栅极，源极连接电源VDD，漏极连接电阻R4，同时漏极也连接输出端口VREF；
电阻R4的一端连接P型场效应晶体管MP7的漏极，另一端连接到地GND；
ICOMP的产生是依靠MN1管的栅源电压Vgs1以及MN2管的栅源电压Vgs2，这两个栅源电压的电压差施加在电路R3上，从而产生补偿电流ICOMP。IPTAT的作用是给MN1管这一条支路提供一个正温度系数的电流，从而使得MN1管的栅源电压Vgs1和正温度系数相关。ICTAT电流的功能主要是将这个电流上携带的负温度系数分量，叠加在正温度系数电流IPTAT上，通过N型场效应晶体管MN4与N型场效应晶体管MN3构成的电流镜复制电流到N型场效应晶体管MN2上，从而使得MN1和MN2管流过电流的温度特性不相同。
IPTAT的产生是通过电路中的放大器A1、P型场效应晶体管MP1、P型场效应晶体管MP2、双极型PNP晶体管Q1、双极型PNP晶体管Q2、电阻R1组成。双极型PNP晶体管Q1的发射极-基极电压为VBE1，双极型PNP晶体管Q2的发射极-基极电压为VBE2，通过放大器A1的虚短虚断特性，电阻R1的上端电压就是双极型PNP晶体管Q1的发射极-基极电压为VBE1，电阻R1上的下端电压就是双极型PNP晶体管Q2的发射极-基极电压为VBE2，所以电阻R1上的电压差就是VBE1-VBE2，由于这个电压差体现正温度特性，所以电阻R1上产生的电流也体现正温度特性，即在R1上产生了正温度系数电流IPTAT。
ICTAT的产生是通过电路中的放大器A2、P型场效应晶体管MP3、双极型PNP晶体管Q1、电阻R2组成。通过放大器A2的虚短虚断特性，电阻R2的上端电压就是双极型PNP晶体管Q1的发射极-基极电压为VBE1，又因为发射极-基极电压VBE1体现出负温度特性，所以电阻R2上产生的电流就体现出负温度特性,即在电阻R2上产生的负温度系数电流ICTAT。
图3是在温度-40℃~125℃范围内，输出电压为2V，高阶温度补偿前和高阶温度补偿后的输出电压温漂对比仿真图；图3中的上半部分是高阶温度补偿前的仿真图，图中能够看到输出电压的最大值和最小值之间的差值为6.2mV，温漂系数为18.9PPM/℃；图3的下半部分是高阶温度补偿后的仿真图，图中能够看到输出电压的最大值和最小值之间的差值为505.51μV，温漂系数为1.5PPM/℃，相比与无高阶温度补偿的带隙基准温漂降低了12倍。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (5)

1.一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于，包括依次级联的正温度电流产生电路，负温度电流产生电路，高阶温度补偿电路和电流电压转换电路，所述正温度电流产生电路用于产生与绝对温度正相关的电流IPTAT；所述负温度电流产生电路用于产生与绝对温度负相关的电流ICTAT；所述高阶温度补偿电路产生补偿电流ICOMP，用于补偿电流中高阶的温度相关分量；所述电压转换电路将电流IPTAT，电流ICTAT和补偿电流ICOMP叠加后的电流转换成带隙基准电压VREF。
2.根据权利要求1所述的一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于，所述正温度电流产生电路包括第一放大器，第一、第二双极型PNP晶体管、第一、第二P型场效应晶体管和第一电阻；所述第一、第二P型场效应晶体管的源级接电源VDD，第一P型场效应晶体管的栅极连接第二P型场效应晶体管的栅极，高阶温度补偿电路和第一放大器的输出端，第一放大器的同相输入端连接第一P型场效应晶体管的漏极和第一双极型PNP晶体管的源级，第一放大器的反相输入端连接第二P型场效应晶体管的漏极，第一电阻的一端和负温度电流产生电路，第一电阻的另外一端连接第二双极型PNP晶体管的源级，第一、第二双极型PNP晶体管的栅极和漏极均接地。
3.根据权利要求1所述的一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于，所述负温度电流产生电路包括第二运算放大器，第三P型场效应晶体管和第二电阻，所述第二运算放大的同相输入端连接正温度电流产生电路，反相输入端连接第三P型场效应晶体管的漏极和第二电阻的一端，所述第三P型场效应晶体管的栅极连接第二运算放大器的输出端和高阶温度补偿电路，第三P型场效应晶体管的源级连接电源VDD，第二电阻的另外一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于，所述高阶温度补偿电路包括第一～四N型场效应晶体管，第四、第五P型场效应晶体管，第三运算放大器和第三电阻；所述第一N型场效应晶体管的栅极连接第一N型场效应晶体管的漏极，第二N型场效应晶体管的栅极和第四P型场效应晶体管的漏极，所述第四P型场效应晶体管的栅极连接正温度电流产生电路，第四P型场效应晶体管的源级连接电源VDD，所述第一N型场效应晶体管的源级连接第五P型场效应晶体管的漏极，第三电阻的一端，第三N型场效应晶体的栅极，第四N型场效应晶体的栅极，第四N型场效应晶体的漏极以及电压转换电路；所述第五P型场效应晶体的栅极连接负温度电流产生电路，源级连接电源VDD；所述第四N型场效应晶体管的漏极接地，所述第三电阻的另外一段连接第三运算放大器的输出端和第三运算放大器的反相输入端，第三运算放大器的同相输入端连接第二N型场效应晶体管的源级和第三N型场效应晶体管的漏极，第二N型场效应晶体管的漏极连接电源VDD，第三N型场效应晶体管的源级接地。
5.根据权利要求1所述的一种高阶曲率温度补偿带隙基准电路，其特征在于，所述高阶温度补偿电路包括第一～四N型场效应晶体管，第四、第五P型场效应晶体管，第三运算放大器和第三电阻；所述第一N型场效应晶体管的栅极连接第一N型场效应晶体管的漏极，第二N型场效应晶体管的栅极和第四P型场效应晶体管的漏极，所述第四P型场效应晶体管的栅极连接正温度电流产生电路，第四P型场效应晶体管的源级连接电源VDD，所述第一N型场效应晶体管的源级连接第五P型场效应晶体管的漏极，第三电阻的一端，第三N型场效应晶体的栅极，第四N型场效应晶体的栅极，第四N型场效应晶体的漏极以及电压转换电路；所述第五P型场效应晶体的栅极连接负温度电流产生电路，源级连接电源VDD；所述第四N型场效应晶体管的漏极接地，所述第三电阻的另外一段连接第三运算放大器的输出端和第三运算放大器的反相输入端，第三运算放大器的同相输入端连接第二N型场效应晶体管的源级和第三N型场效应晶体管的漏极，第二N型场效应晶体管的漏极连接电源VDD，第三N型场效应晶体管的源级接地。
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