CN117270620B - 一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种供压电路，针对现有带隙基准电路产生的基准电压和温度系数容易随着工艺的偏差而变化，且传统一阶温度补偿基准电路的温度系数较高，以及现有的齐纳电路作为补偿基准时，输出的基准电压精度较差的技术问题，提供一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路，未使用带隙基准结构，稳定性好，一阶基准电压随时间的变化仍然能保持优秀的稳定性。齐纳供电电路能够提供使齐纳二极管击穿的反向击穿电压，并提高启动速度。采用曲率补偿电路进行温度补偿，输出的二阶曲率补偿基准电压稳定性更好。另外，电阻修调网络能够应对工艺制造的偏差，通过修调既可以得到最佳的温度曲线，也可以在工艺有偏差时将齐纳基准电路中的齐纳二极管修调到理想状态。

Description

一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路

技术领域

本发明属于一种供压电路，具体涉及一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路。

背景技术

随着新能源汽车的普及，电池管理系统（Battery Management System，BMS）芯片已经成为新能源汽车领域不可缺少的关键芯片。新能源汽车的广泛应用也使得BMS芯片的市场需求水涨船高。

高精度低温漂移电压基准在BMS芯片中扮演着重要角色，BMS芯片的前端采集ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）需要一个高精度低温漂移的基准电压来作为参考电压，参考电压的精度直接影响了ADC的精度，对后续电路的性能也有着重要的影响。常见的基准电压产生电路是带隙基准电路，这种电路结构虽然能产生比较稳定的基准电压，但是其结构复杂，产生的基准电压和温度系数容易随着工艺的偏差而变化。且传统一阶温度补偿基准电路的温度系数较高。另外，即使有带隙基准电路之外的齐纳电路作为补偿基准，由于电路设计问题，输出的基准电压精度较差。

发明内容

本发明针对现有带隙基准电路产生的基准电压和温度系数容易随着工艺的偏差而变化，且传统一阶温度补偿基准电路的温度系数较高，以及现有的齐纳电路作为补偿基准时，输出的基准电压精度较差的技术问题，提供一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路，包括带隙基准电路，用于向曲率补偿电路输出带隙基准电压，以及与温度成正比的电压；还包括电阻修调网络、曲率补偿电路、齐纳供电电路、Buffer电路和齐纳基准电路；

所述齐纳供电电路包括场效应管MN1、场效应管MN2、场效应管MN3、场效应管MN4、场效应管MN5、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、场效应管MP1、场效应管MP2、场效应管MP3、场效应管MP4、场效应管MP5、场效应管MP6、场效应管MD1、场效应管MD2、场效应管MD3、场效应管MD4、场效应管MD5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；

所述场效应管MN1的栅端、场效应管MN1的漏端和场效应管MN2的栅端均与电流偏置Ibias1相连；所述场效应管MN2的漏端、三极管Q1的发射端、三极管Q2的基端、三极管Q4的基端、三极管Q6的基端和三极管Q7的基端相连；所述电阻R1的负端与三极管Q1的集电端相连，正端与模拟电源电压VDD相连，所述模拟电源电压VDD连接芯片中线性稳压器LDO；所述三极管Q1的基端和三极管Q2的集电端均与电流偏置Ibias2相连，三极管Q2的发射端、三极管Q3的集电端和三极管Q5的基端相连；所述三极管Q3的基端、三极管Q4的发射端和三极管Q5的集电端相连；所述电阻R2的正端与三极管Q5的发射端相连；所述三极管Q4的集电端、三极管Q6的集电端、场效应管MP2的漏端、场效应管MP2的栅端和场效应管MP6的栅端相连，所述电阻R3的正端与三极管Q6的发射端相连，场效应管MP2的源端、场效应管MP1的栅端、场效应管MP1的漏端、场效应管MP4的栅端和场效应管MP5的栅端相连，场效应管MP1的源端、场效应管MP4的源端、场效应管MP3的源端和场效应管MP5的源端均连接高压输入VPP，高压输入VPP连接芯片的锂电池电池包的预稳压电路；三极管Q7的发射端、三极管Q8的基端和三极管Q8的集电端相连，三极管Q7的集电端、场效应管MD1的漏端、场效应管MD1的栅端、场效应管MD2的栅端和场效应管MD4的栅端相连；所述电阻R4的正端与三极管Q8的发射端相连；场效应管MD1的源端、场效应管MP3的漏端和场效应管MP3的栅端相连；场效应管MD2的源端与场效应管MP4的漏端相连，场效应管MD2的漏端、场效应管MD5的栅端和场效应管MD3的源端相连；场效应管MD3的栅端、电阻R5的负端和场效应管MD5的源端均与电压输出Voltage_OUT相连，所述电压输出Voltage_OUT用于输出使齐纳基准电路中的齐纳二极管能够反向击穿的电压，使齐纳基准电路产生一阶基准电压；场效应管MD3的漏端、场效应管MN3的漏端、场效应管MN3的栅端和场效应管MN5的栅端相连；场效应管MN3的源端、场效应管MN4的漏端和场效应管MN4的栅端相连；场效应管MP5的漏端与场效应管MP6的源端相连；场效应管MP6的漏端与场效应管MD4的源端相连；场效应管MD4的漏端与电阻R5的正端连接；场效应管MD5的漏端与场效应管MN5的漏端相连；

场效应管MN1的源端、场效应管MN2的源端、三极管Q3的发射端、电阻R2的负端、电阻R3的负端、电阻R4的负端、场效应管MN4的源端和场效应管MN5的源端接地；

所述电阻修调网络与齐纳基准电路相连，用于修调所述齐纳基准电路的电阻，修调范围覆盖齐纳基准电路中的齐纳二极管所有工艺角下的温度范围和温度裕度；

所述Buffer电路连接于所述齐纳基准电路的输出端；

所述曲率补偿电路与Buffer电路相连，用于产生一个与一阶基准电压趋势相反的补偿电流，再根据所述补偿电流，对所述一阶基准电压进行电压补偿，得到二阶曲率补偿基准电压。

进一步地，所述齐纳基准电路包括齐纳二极管Z1、电阻R6、电阻R7、电阻R8和三极管Q9；其中，齐纳二极管Z1为掩埋型齐纳二极管；

所述齐纳二极管Z1的负极和电阻R6的正端均与电压输出Voltage_OUT相连；电阻R6的负端和电阻R7的正端均与电阻修调网络的正端相连；所述电阻R7的负端和电阻R8的正端均与电阻修调网络的负端相连；所述电阻R8的负端、三极管Q9的基端和三极管Q9的集电端相连；

所述三极管Q9的发射端和齐纳二极管Z1的正极均接地；

所述电阻R7的正端和负端之间输出一阶基准电压。

进一步地，所述曲率补偿电路包括补偿电流产生电路和电阻网络；

所述补偿电流产生电路包括运算放大器A1、电流源Ibias3、电流源Ibias4、场效应管MP7、场效应管MP8、场效应管MP9、场效应管MP10、场效应管MN6、场效应管MN7和场效应管MN8；所述电阻网络包括电阻R12、电阻R13和电阻R14；其中，电流源Ibias3和电流源Ibias4为相同大小的镜像电流源；

所述场效应管MN7的栅端、场效应管MN8的栅端、场效应管MN8的漏端、场效应管MP7的漏端和场效应管MP10的漏端相连，场效应管MN7的漏端与Buffer电路相连；所述场效应管MP7的栅端和场效应管MP9的栅端均连接正温度系数电压VPTAT端，所述正温度系数电压VPTAT端输出带隙基准电路产生的与温度成正比的电压；所述场效应管MP7的源端、场效应管MP8的源端和电流源Ibias3相连；所述场效应管MP8的栅端、电阻R13的负端和电阻R14的正端相连；所述场效应管MP9的源端、场效应管MP10的源端和电流源Ibias4相连；所述场效应管MP10的栅端、电阻R12的负端和电阻R13的正端相连；所述运算放大器A1的正向输入端连接带隙基准电压Vbgr端，所述带隙基准电压Vbgr端用于输出带隙基准电路的带隙基准电压，运算放大器A1的负向输入端、场效应管MN6的源端和电阻R12的正端相连；所述场效应管MN6的栅端连接运算放大器A1的输出端，漏端连接模拟电源电压VDD；

场效应管MN7的源端、场效应管MN8的源端、场效应管MP8的漏端、场效应管MP9的漏端和所述电阻R14的负端均接地。

进一步地，所述Buffer电路包括运算放大器A2、电阻R9、电阻R10和电阻R11；

所述运算放大器A2的正向输入端接收一阶基准电压，运算放大器A2的负向输入端、场效应管MN7的漏端和电阻R9的正端相连；所述运算放大器A2的输出端、电阻R9的负端和电阻R10的正端均连接参考电压REF_1端；所述电阻R10的负端和电阻R11的正端均连接参考电压REF_2端；所述电阻R11的负端接地；

所述参考电压REF_1端和所述参考电压REF_2端均作为Buffer电路的输出端，用于输出二阶曲率补偿基准电压，参考电压REF_1端输出的二阶曲率补偿基准电压伏值大于参考电压REF_2端输出的二阶曲率补偿基准电压伏值。

进一步地，、/>和/>满足：

其中，表示电阻R12的阻值，/>表示电阻R13的阻值，/>表示电阻R14的阻值，/>表示带隙基准电压，/>表示电阻R12和电阻R13之间的电压，/>表示电阻R13和电阻R14之间的电压。

进一步地，所述场效应管MP7、场效应管MP8、场效应管MP9和场效应管MP10均工作在亚阈值导电区，其中，亚阈值通过下式确定：

其中，表示一个和MOS管宽长比成正比的系数，/>表示非理想因子，/>表示玻尔兹曼常数，/>表示温度，/>表示单位电荷量，/>表示MOS管的栅源电压。

进一步地，所述场效应管MP7的漏电流和所述场效应管MP10的漏电流/>通过下式确定：

其中，表示电流源电流，/>表示带隙基准电路产生的与温度成正比的电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路，未直接使用带隙基准结构，稳定性好，一阶基准电压随时间的变化仍然能保持优秀的稳定性。其中，齐纳供电电路主要发挥两方面作用，一方面，齐纳基准电路不能直接接入外部电压，通过齐纳供电电路能够提供使齐纳二极管击穿的反向击穿电压，另一方面，本申请的齐纳供电电路中，可以偏置更大的电流，用以提供给齐纳基准电路，通过场效应管MD3和场效应管MD5可以快速建立齐纳二极管的反向击穿电压，在芯片上电时，能够快速启动工作，提高启动速度。采用曲率补偿电路进行温度补偿，相比于齐纳基准电路产生的一阶基准电压，本发明输出的二阶曲率补偿基准电压稳定性更好。另外，本发明的电阻修调网络能够应对工艺制造的偏差，通过修调既可以得到最佳的温度曲线，也可以在工艺有偏差的情况下将齐纳基准电路中的齐纳二极管修调到理想状态。基于本发明的齐纳供电电路、曲率补偿电路和电阻修调网络，使本发明的二阶曲率补偿齐纳基准供压电路能够输出精度较高的二阶曲率补偿基准电压。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明二阶曲率补偿齐纳基准供压电路实施例中二阶曲率补偿基准电压产生过程示意图（未示出带隙基准电路）；

图2为本发明二阶曲率补偿齐纳基准供压电路实施例中各阶段的电压或电流随温度变化曲线示意图；

图3为本发明二阶曲率补偿齐纳基准供压电路实施例中的齐纳供电电路示意图；

图4为本发明二阶曲率补偿齐纳基准供压电路实施例中的齐纳基准电路示意图；

图5为本发明二阶曲率补偿齐纳基准供压电路实施例中的Buffer电路示意图；

图6为本发明二阶曲率补偿齐纳基准供压电路实施例中的曲率补偿电路示意图；

图7为本发明二阶曲率补偿齐纳基准供压电路实施例中的带隙基准电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。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。

针对现有带隙基准电路存在的问题，本发明提供了一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路，包括带隙基准电路、电阻修调网络、曲率补偿电路、齐纳供电电路、Buffer电路和齐纳基准电路，带隙基准电路用于向曲率补偿电路输出带隙基准电压，以及与温度成正比的电压，使用齐纳基准电路中齐纳二极管的反向击穿电压形成一个正温度系数的电压，再通过齐纳基准电路中的一个三极管提供负温度系数的电压，进行正温度系数和负温度系数抵消，得到一个零温度系数的电压。再对这个比较稳定的零温度系数电压进行二阶曲率补偿，得到最终稳定的二阶曲率补偿基准电压。

如图1所示，作为本发明的一个实施例，可以采用以下方案：

齐纳供电电路与齐纳基准电路相连，齐纳供电电路向齐纳基准电路输出使齐纳基准电路中的齐纳二极管能够反向击穿的电压，使齐纳基准电路产生一阶基准电压。

需要说明的是，齐纳供电电路主要是利用齐纳二极管的击穿电压特性来提供稳定的电压源。由于齐纳二极管的击穿电压可以在较大范围内调整，因此，齐纳供电电路可以适应不同的应用需求。齐纳基准电路则主要用于提供基准电压，可以提供多种输出电压，具有非常低的噪声和良好的时间稳定性，因此，适用于需要基准电压变化尽可能小的应用。

如图3所示，为齐纳供电电路的示意图，包括场效应管MN1、场效应管MN2、场效应管MN3、场效应管MN4、场效应管MN5、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、场效应管MP1、场效应管MP2、场效应管MP3、场效应管MP4、场效应管MP5、场效应管MP6、场效应管MD1、场效应管MD2、场效应管MD3、场效应管MD4、场效应管MD5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5。

场效应管MN1的栅端、场效应管MN1的漏端和场效应管MN2的栅端均与电流偏置Ibias1相连；场效应管MN2的漏端、三极管Q1的发射端、三极管Q2的基端、三极管Q4的基端、三极管Q6的基端和三极管Q7的基端相连；电阻R1的负端与三极管Q1的集电端相连，正端与模拟电源电压VDD相连，模拟电源电压VDD连接芯片中线性稳压器LDO，芯片中线性稳压器LDO的输出电压一般默认为5V；三极管Q1的基端和三极管Q2的集电端均与电流偏置Ibias2相连，三极管Q2的发射端、三极管Q3的集电端和三极管Q5的基端相连；三极管Q3的基端、三极管Q4的发射端和三极管Q5的集电端相连；电阻R2的正端与三极管Q5的发射端相连；三极管Q4的集电端、三极管Q6的集电端、场效应管MP2的漏端、场效应管MP2的栅端和场效应管MP6的栅端相连，电阻R3的正端与三极管Q6的发射端相连，场效应管MP2的源端、场效应管MP1的栅端、场效应管MP1的漏端、场效应管MP4的栅端和场效应管MP5的栅端相连，场效应管MP1的源端、场效应管MP4的源端、场效应管MP3的源端和场效应管MP5的源端均连接高压输入VPP，高压输入VPP连接芯片的锂电池电池包的预稳压电路；三极管Q7的发射端、三极管Q8的基端和三极管Q8的集电端相连，三极管Q7的集电端、场效应管MD1的漏端、场效应管MD1的栅端、场效应管MD2的栅端和场效应管MD4的栅端相连；电阻R4的正端与三极管Q8的发射端相连；场效应管MD1的源端、场效应管MP3的漏端和场效应管MP3的栅端相连；场效应管MD2的源端与场效应管MP4的漏端相连，场效应管MD2的漏端、场效应管MD5的栅端和场效应管MD3的源端相连；场效应管MD3的栅端、电阻R5的负端和场效应管MD5的源端均与电压输出Voltage_OUT相连，电压输出Voltage_OUT用于输出使齐纳基准电路中的齐纳二极管能够反向击穿的电压；场效应管MD3的漏端、场效应管MN3的漏端、场效应管MN3的栅端和场效应管MN5的栅端相连；场效应管MN3的源端、场效应管MN4的漏端和场效应管MN4的栅端相连；场效应管MP5的漏端与场效应管MP6的源端相连；场效应管MP6的漏端与场效应管MD4的源端相连；场效应管MD4的漏端与电阻R5的正端连接，电阻R5的负端、场效应管MD5的源端和电压输出Voltage_OUT相连；场效应管MD5的漏端与场效应管MN5的漏端相连；场效应管MN5的源端与地连接；

场效应管MN1的源端、场效应管MN2的源端、三极管Q3的发射端、电阻R2的负端、电阻R3的负端、电阻R4的负端、场效应管MN4的源端和场效应管MN5的源端接地。

在齐纳供电电路中，电流偏置Ibias1的镜像和三极管Q1主要是为电流偏置Ibias2电流支路的三极管提供一个基极偏置，让电流偏置Ibias2电流支路的三极管能够正常工作，电流偏置Ibias2的电流为三极管Q4、三极管Q5和三极管Q6的正常工作提供电流偏置。

齐纳供电电路的主要作用，是向齐纳基准电路中的齐纳二极管输出一个击穿电压，并为其他电路输出电流偏置，击穿电压由场效应管MP4、场效应管MP5、场效应管MP6、场效应管MD2、场效应管MD4、场效应管MD3、场效应管MD5、场效应管MN3、场效应管MN5和场效应管MN4生成。其中，场效应管MP5和场效应管MP6为共源共栅电流镜，镜像倍数很大，由于栅源电压不足以提供这么高的电压，会提高场效应管MD3和场效应管MD5的栅源电压，此时，齐纳基准电路中的齐纳二极管被反向击穿，电流镜多余的电流全部从齐纳二极管流出。图3中，D部分的电路，表示小电流偏置可以快速启动的电路，Bias_out是较大的偏置电流，D部分的电路在电流建立完成之后，通过场效应管MP1和场效应管MP2，以及场效应管MP5和场效应管MP6之间较大的倍数关系，可以偏置更大的电流，用以提供给齐纳基准电路，通过场效应管MD3和场效应管MD5可以快速建立齐纳二极管的反向击穿电压，本发明中的齐纳供电电路，在芯片上电时，能够快速启动工作。另外，图3中的VPP，是经过预稳压电路将芯片的锂电池电池包的高压降低，并且稳定在一个电压范围内，通常电压在7V左右，这个电压足够击穿齐纳二极管。

电阻修调网络与齐纳基准电路相连，用于修调齐纳基准电路的电阻，修调范围覆盖齐纳基准电路中的齐纳二极管所有工艺角下的温度范围和温度裕度。

需要说明的是，电阻修调网络是一种用于调整和优化电子电路性能的网络，可以由电阻器和电位器构成。通过改变电阻值，可以修调电路的阻抗性质、调整电路信号的幅度、实现信号的线性变换等。齐纳二极管的工艺角主要是指其PN结的掺杂程度，会受到加工影响，电阻修调网络能够进行修调，消除影响。覆盖温度裕度，是由于理论的温度范围可能有偏差，可以再覆盖温度裕度，保证修调效果。

曲率补偿电路用于产生一个与一阶基准电压趋势相反的补偿电流，再根据补偿电流，对一阶基准电压进行电压补偿，得到二阶曲率补偿基准电压。

Buffer电路连接于齐纳基准电路的输出端，且Buffer电路与曲率补偿电路相连。齐纳供电电路给齐纳基准电路中的齐纳二极管提供足够高的电压，保证齐纳二极管能够反向击穿，电阻修调网络修调范围能够覆盖所有工艺角下的温度范围并留有一些裕度。Buffer电路提升了齐纳基准电路的带载能力，并且能够防止负载变化对齐纳基准电路性能的影响。曲率补偿电路先产生一个与一阶零温电压（一阶基准电压）相反趋势的电流，再经过一个电阻网络对一阶零温电压进行补偿。

齐纳二极管的反向击穿电压大小是可以被预测的，其大小与温度正相关，在反向击穿电压下有相当好的温度稳定性和时间稳定性，被广泛用于对基准电压稳定性高的场景。齐纳二极管的反向击穿电压的温度系数是正温度系数，而正向导通的二极管（齐纳基准电路中的一个三极管接为二极管）的温度系数是负温度系数，二者绝对值大小相似，通过一定比例的电阻分压可以将这两个温度系数相加，理论上可以得到一个零温度系数的电压。但是，由于齐纳二极管和正向导通的二极管温度系数不是线性相关，相加之后的曲线存在非线性项，因此，无论怎么调整，这个零温度系数的电压温漂都是比较大的，需要进行额外的补偿。

如下是本发明的一个实例，对本发明进一步说明：

如图4所示，为齐纳基准电路的示意图，齐纳基准电路的Voltage_IN端与齐纳供电电路的电压输出Voltage_OUT相连。齐纳基准电路包括齐纳二极管Z1、电阻R6、电阻R7、电阻R8和三极管Q9。作为进一步的优选方案，齐纳二极管Z1使用掩埋型齐纳二极管，传统表面工艺的齐纳二极管更容易受到晶体瑕疵和其他污染的影响，且噪声更大，稳定性更差。

齐纳二极管Z1的负极和电阻R6的正端均与电压输出Voltage_OUT相连；电阻R6的负端和电阻R7的正端均与电阻修调网络的正端相连；电阻R7的负端和电阻R8的正端均与电阻修调网络的负端相连；电阻R8的负端、三极管Q9的基端和三极管Q9的集电端相连。三极管Q9的发射端和齐纳二极管Z1的正极均接地。电阻R7的正端和负端之间输出一阶基准电压。

需要说明的是，电阻修调网络中一般包括数字模块、传输门和多个修调单元，传输门不同的门对应不同的电阻，这些电阻形成电阻串。电阻修调网络修调的原理，是通过其中的数字模块发出相应的修调码，修调码经过解码器变成控制信号，控制传输门打开对应的门，对应电阻的电压会被当做输出。电阻R6的正端对应齐纳二极管的反向击穿电压形成的正温度系数的电压，电阻R8的负端对应齐纳基准电路中一个三极管提供的负温度系数的电压，先通过电阻R6、电阻R7和电阻R8进行粗略的分压，使电阻R7的正端形成比较弱的正温度系数的电压，负端形成比较弱的负温度系数的电压，那么在电阻R7的两端并联电阻修调网络，相当于并联了一个电阻串，从这个电阻串中可以选出零温度系数的电压。

如图6所示，为曲率补偿电路的示意图。曲率补偿电路包括补偿电流产生电路和电阻网络，其中，补偿电流产生电路包括运算放大器A1、电流源Ibias3、电流源Ibias4、场效应管MP7、场效应管MP8、场效应管MP9、场效应管MP10、场效应管MN6、场效应管MN7和场效应管MN8；电阻网络包括电阻R12、电阻R13和电阻R14；其中，电流源Ibias3和电流源Ibias4为相同大小的镜像电流源。

场效应管MN7的栅端、场效应管MN8的栅端、场效应管MN8的漏端、场效应管MP7的漏端和场效应管MP10的漏端相连，场效应管MN7的漏端与Buffer电路相连；场效应管MP7的栅端和场效应管MP9的栅端均连接正温度系数电压VPTAT端，正温度系数电压VPTAT端输出带隙基准电路产生的与温度成正比的电压；场效应管MP7的源端、场效应管MP8的源端和电流源Ibias3相连；场效应管MP8的栅端、电阻R13的负端和电阻R14的正端相连；场效应管MP9的源端、场效应管MP10的源端和电流源Ibias4相连；场效应管MP10的栅端、电阻R12的负端和电阻R13的正端相连；运算放大器A1的正向输入端连接带隙基准电压，运算放大器A1的负向输入端、场效应管MN6的源端和电阻R12的正端相连；场效应管MN6的栅端连接运算放大器A1的输出端，漏端连接模拟电源电压VDD。场效应管MN7的源端、场效应管MN8的源端、场效应管MP8的漏端、场效应管MP9的漏端和电阻R14的负端均接地。

如图5所示，为Buffer电路的结构示意图，Buffer电路包括运算放大器A2、电阻R9、电阻R10和电阻R11。运算放大器A2的正向输入端接收一阶基准电压，运算放大器A2的负向输入端、场效应管MN7的漏端和电阻R9的正端相连；运算放大器A2的输出端、电阻R9的负端和电阻R10的正端均连接参考电压REF_1端；电阻R10的负端和电阻R11的正端均连接参考电压REF_2端；电阻R11的负端接地。参考电压REF_1端和参考电压REF_2端均作为Buffer电路的输出端，用于输出二阶曲率补偿基准电压，参考电压REF_1端输出的二阶曲率补偿基准电压伏值大于参考电压REF_2端输出的二阶曲率补偿基准电压伏值。例如，参考电压REF_2端输出的二阶曲率补偿基准电压伏值为1.2V，参考电压REF_1端输出的二阶曲率补偿基准电压伏值为3.3V。图5中的ICUR与图6中位于左侧的ICUR相对应。其中，ICUR表示相应位置处的电流、电压和电阻。

如图7所示，为带隙基准电路的示意图。带隙基准电路包括偏置电流源I1、偏置电流源I2、三极管Q10、三极管Q11、电阻R15、电阻R16和电阻R17。三极管Q10的集电端连接偏置电流源I1，三极管Q11的集电端连接偏置电流源I2，三极管Q10的基端连接电阻R15的一端，三极管Q11的基端连接电阻R15的另一端，三极管Q11的发射端连接电阻R16的一端，电阻R16的另一端、三极管Q10的发射端和电阻R17的一端相连，电阻R17的另一端接地。三极管Q11的基端输出带隙基准电压，电阻R16的另一端输出与温度成正比的电压/>。当偏置电流源I1的偏置电流I1和偏置电流源I2的偏置电流I2相等时，三极管Q10和三极管Q11的为正温度系数的电压（三极管Q10和三极管Q11的/>，为三极管Q10的/>和三极管Q11的/>之差），三极管Q10和三极管Q11的基极电压相同，电阻R17顶端电压固定，于是电阻R16上的压差为三极管Q10和三极管Q11的/>，三极管Q10和三极管Q11的/>通过电阻R16变成与绝对温度成正比的PTAT电流，再通过电阻R17变成PTAT电压/>，三极管Q11的基极输出带隙基准电路的带隙基准电压/>，即图6中运算放大器A1的正向输入端输入的电压。

关于曲率补偿的原理，带隙基准产生的带隙基准电压V _bgr通过运算放大器A1和一个源跟随器使得A点电压为V _bgr，V _bgr通过电阻R12、电阻R13和R14分压，电阻R12和电阻R13之间的电压为V _h，电阻R13和电阻R14之间的电压为V _l。正温度系数电压VPTAT端连接场效应管MP7和场效应管MP9的栅极，场效应管MP10的栅极连接于电阻R12和电阻R13之间，场效应管MP8的栅极连接于电阻R13和电阻R14之间，当低温时，正温度系数电压VPTAT端输出的V _PTAT减小，V _PTAT是带隙基准电路产生的与温度成正比的电压，场效应管MP7和场效应管MP9电流变大，场效应管MP10和场效应管MP8的电流减小。当高温时，V _PTAT增加，场效应管MP7和场效应管MP9电流变小，这个电流流经电阻可以得到一个相同趋势的电压，将这个电压和一阶基准电压相加就可以得到最终的二阶曲率补偿基准电压，由于二阶曲率补偿基准电压的输出对负载敏感，会受到负载电路的影响，所以可以设置一个Buffer电路进行隔离，且Buffer电路可以提升电路的带载能力，通过Buffer电路输出最终的基准电压。

首先，通过齐纳供电电路对齐纳基准电路中齐纳二极管的两端施加高于7V的电压，使齐纳二极管能够被反向击穿，得到一个击穿电压V _Zener，使电阻R6、电阻R7和电阻R8共同组成的电阻串的一端接收齐纳二极管产生的击穿电压，另一端接正向导通的二极管电压V _BE，二极管电压V _BE即为三极管Q9基极和发射极的电压之差，三极管Q9在图4所示电路中，相当于连接为二极管，击穿电压V _Zener和二极管电压V _BE呈相反趋势变化，在这个电阻串中可以找到一个电阻，它的一端是正温度系数的电压，另一端是负温度系数的电压，那么零温度系数一定可以从这个电阻的中间得到，在这个电阻的两端并联电阻修调网络，通过细分这两点之间的电压来得到最终的零温度系数的电压，产生一阶基准电压。在本实施例中，这个电阻为电阻R7。

本实施例具体的工作原理为：

实际应用中，本申请的二阶曲率补偿齐纳基准供压电路可配置相应的电流偏置Ibias1和电流偏置Ibias2为启动电路提供电流，启动电路的作用是当各部分电路使能开启的时候，能够让各部分电路快速进入工作状态，让各部分电路的关键节点有确定的工作状态。电流偏置Ibias1通过场效应管MN1和场效应管MN2的电流镜镜像给三极管Q1的支路，这条支路为三极管Q2提供足够的基极偏置电流，让电流偏置Ibias2的电流能够流过三极管Q2，三极管Q1支路的电流还为三极管Q4和三极管Q6进行电流偏置，三极管Q6工作在正常状态下，其基极发射极电压差的大小是二极管的导通电压，那么这条支路的电流就可以唯一确定为V _BE/R ₃（R ₃表示电阻R3的阻值），这个确定的电流通过共源共栅电流镜场效应管MP1和场效应管MP2，镜像给齐纳二极管Z1，为齐纳二极管Z1工作提供足够的电流。模拟电源电压VDD输出的是电源电压，一般为5V，高压输入VPP输出的是一个高电压，一般为8V，需要DMOS管进行分压，防止其他MOS管被高压击穿，场效应管MD1、场效应管MD2和场效应管MD4均为DMOS管，能够保护电路，而场效应管MD3和场效应管MD5组成的交叉耦合结构则是为了帮助电路启动。当电路启动的时候场效应管MD3的栅极为低电压，电压给到电源之后，场效应管MD3启动，将场效应管MD5的电压拉低，场效应管MD5启动，齐纳二极管Z1这时会工作在反向击穿电压下，场效应管MD5的源极和场效应管MD3的栅极此时为齐纳击穿电压V _Zener，而场效应管MD5的栅极和场效应管MD3的源极电位要高于齐纳击穿电压V _Zener，所以这时场效应管MD5是关断的，此时电流完全从齐纳二极管Z1流出。

Voltage_IN是齐纳供电电路的输出，使齐纳二极管Z1工作在反向击穿下，这时电阻串（电阻R6、电阻R7和电阻R8）的顶端就有一个稳定电压V _Zener，且该稳定电压V _Zener随着温度正向变化。电阻串的底端有个稳定电压V _BE9，且稳定电压V _BE9随着温度反向变化，在稳定电压V _BE9和稳定电压V _Zener之间的电阻串将这两个电压分成不同温度系数的电压，靠近顶端的呈现正温特性，靠近底端的呈现负温特性，中间必然存在一个电阻顶端为正温，底端为负温，使这个电阻并联电阻修调网络，电阻串存在制造误差，修调网络就可以通过切换选通的电阻来得到最好的零温电压曲线，这个零温电压由于齐纳二极管的电压随温度的非线性变化，所以温度系数比较大。

在Buffer电路中，一阶基准电压输入到运算放大器A2的正向输入端，运算放大器A2接成单位增益负反馈的形式，输出等于输入，并且将曲率补偿电路的补偿电流接到Buffer电路中运算放大器A2的负向输入端。如图2所示，图2中，（a）表示齐纳二极管的电压随温度的变化曲线，（b）表示三极管Q9的电压随温度的变化曲线，（c）表示曲率补偿前电压随温度的变化曲线，（d）表示曲率补偿电流随温度的变化曲线，（e）表示曲率补偿后电压随温度的变化曲线。其中，（a）、（b）、（c）和（e）中纵坐标为电压，横坐标为温度，（d）中纵坐标为电流，横坐标为温度。可以看到，一阶基准电压是一个向上鼓起的曲线，补偿电流为一个向下凹的曲线，补偿电流通过电阻R9来对基准电压进行补偿，最终输出二阶曲率补偿基准电压，可以继续对这个电压进行分压得到需要的电压。

曲率补偿电路中，电阻网络提供两个不同的电压和/>，/>是R12和R13之间B点处的电压，接在场效应管MP10的栅极，/>是R13和R14之间C点处的电压，接在场效应管MP8的栅极，可以得到带隙基准电压/>、/>和/>之间的关系：

为了实现最佳的曲率补偿效果，场效应管MP7到场效应管MP10需要工作在亚阈值导电区，MOS管的亚阈值导电可以用式(3)的公式表示：

其中，是一个比例系数，正比于宽长比，/>是宽度，/>是长度，/>是非理想因子，通常大于1，/>是MOS管的栅源电压，/>是MOS管的阈值电压，/>，/>表示玻尔兹曼常数，/>是单位电荷量，/>是温度。非理想因子/>是修正亚阈值导电函数和实际测量结果的因子，可以通过实验测定，例如，可以通过测量不同漏极电压下的漏极电流，并将这些数据拟合到亚阈值导电函数中，从而得到非理想因子/>。

可以列出偏置电流和支路电流的关系：

/>

其中，Ibias3是电流源Ibias3的电流，Ibias4是电流源Ibias4的电流，是电流源电流，/>是场效应管MP7的漏端电流，/>是场效应管MP8的漏端电流，/>是场效应管MP9的漏端电流，/>是场效应管MP10的漏端电流。

同理可以推导出：

其中，是补偿电流，/>是带隙基准电路产生的与温度成正比的电压。

温度较低时，很低，场效应管MP7和场效应管MP9的栅极电压低，电流大多都从场效应管MP7的漏端和场效应管MP9的漏端流过，/>，/>，/>；温度较高时，/>很高，场效应管MP9的栅极电压和电流都从场效应管MP10的漏端流过。

最后，将得到的输入到电阻上得到曲率补偿电压/>，利用电压/>对一阶基准电压进行补偿。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，电阻修调网络、曲率补偿电路、齐纳供电电路、齐纳基准电路和Buffer电路的具体结构，其中元件的具体连接，均可以根据具体使用需要进行调整，上述为优选的结构形式。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路，包括带隙基准电路，用于向曲率补偿电路输出带隙基准电压，以及与温度成正比的电压；其特征在于，还包括电阻修调网络、曲率补偿电路、齐纳供电电路、Buffer电路和齐纳基准电路；

所述齐纳供电电路包括场效应管MN1、场效应管MN2、场效应管MN3、场效应管MN4、场效应管MN5、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、场效应管MP1、场效应管MP2、场效应管MP3、场效应管MP4、场效应管MP5、场效应管MP6、场效应管MD1、场效应管MD2、场效应管MD3、场效应管MD4、场效应管MD5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；

所述场效应管MN1的栅端、场效应管MN1的漏端和场效应管MN2的栅端均与电流偏置Ibias1相连；所述场效应管MN2的漏端、三极管Q1的发射端、三极管Q2的基端、三极管Q4的基端、三极管Q6的基端和三极管Q7的基端相连；所述电阻R1的负端与三极管Q1的集电端相连，正端与模拟电源电压VDD相连，所述模拟电源电压VDD连接芯片中线性稳压器LDO；所述三极管Q1的基端和三极管Q2的集电端均与电流偏置Ibias2相连，三极管Q2的发射端、三极管Q3的集电端和三极管Q5的基端相连；所述三极管Q3的基端、三极管Q4的发射端和三极管Q5的集电端相连；所述电阻R2的正端与三极管Q5的发射端相连；所述三极管Q4的集电端、三极管Q6的集电端、场效应管MP2的漏端、场效应管MP2的栅端和场效应管MP6的栅端相连，所述电阻R3的正端与三极管Q6的发射端相连，场效应管MP2的源端、场效应管MP1的栅端、场效应管MP1的漏端、场效应管MP4的栅端和场效应管MP5的栅端相连，场效应管MP1的源端、场效应管MP4的源端、场效应管MP3的源端和场效应管MP5的源端均连接高压输入VPP，高压输入VPP连接芯片的锂电池电池包的预稳压电路；三极管Q7的发射端、三极管Q8的基端和三极管Q8的集电端相连，三极管Q7的集电端、场效应管MD1的漏端、场效应管MD1的栅端、场效应管MD2的栅端和场效应管MD4的栅端相连；所述电阻R4的正端与三极管Q8的发射端相连；场效应管MD1的源端、场效应管MP3的漏端和场效应管MP3的栅端相连；场效应管MD2的源端与场效应管MP4的漏端相连，场效应管MD2的漏端、场效应管MD5的栅端和场效应管MD3的源端相连；场效应管MD3的栅端、电阻R5的负端和场效应管MD5的源端均与电压输出Voltage_OUT相连，所述电压输出Voltage_OUT用于输出使齐纳基准电路中的齐纳二极管能够反向击穿的电压，使齐纳基准电路产生一阶基准电压；场效应管MD3的漏端、场效应管MN3的漏端、场效应管MN3的栅端和场效应管MN5的栅端相连；场效应管MN3的源端、场效应管MN4的漏端和场效应管MN4的栅端相连；场效应管MP5的漏端与场效应管MP6的源端相连；场效应管MP6的漏端与场效应管MD4的源端相连；场效应管MD4的漏端与电阻R5的正端连接；场效应管MD5的漏端与场效应管MN5的漏端相连；

场效应管MN1的源端、场效应管MN2的源端、三极管Q3的发射端、电阻R2的负端、电阻R3的负端、电阻R4的负端、场效应管MN4的源端和场效应管MN5的源端接地；

所述电阻修调网络与齐纳基准电路相连，用于修调所述齐纳基准电路的电阻，修调范围覆盖齐纳基准电路中的齐纳二极管所有工艺角下的温度范围和温度裕度；

所述Buffer电路连接于所述齐纳基准电路的输出端；

所述曲率补偿电路与Buffer电路相连，用于产生一个与一阶基准电压趋势相反的补偿电流，再根据所述补偿电流，对所述一阶基准电压进行电压补偿，得到二阶曲率补偿基准电压；

所述齐纳基准电路包括齐纳二极管Z1、电阻R6、电阻R7、电阻R8和三极管Q9；其中，齐纳二极管Z1为掩埋型齐纳二极管；

所述齐纳二极管Z1的负极和电阻R6的正端均与电压输出Voltage_OUT相连；电阻R6的负端和电阻R7的正端均与电阻修调网络的正端相连；所述电阻R7的负端和电阻R8的正端均与电阻修调网络的负端相连；所述电阻R8的负端、三极管Q9的基端和三极管Q9的集电端相连；

所述三极管Q9的发射端和齐纳二极管Z1的正极均接地；

所述电阻R7的正端和负端之间输出一阶基准电压；

所述曲率补偿电路包括补偿电流产生电路和电阻网络；

所述补偿电流产生电路包括运算放大器A1、电流源Ibias3、电流源Ibias4、场效应管MP7、场效应管MP8、场效应管MP9、场效应管MP10、场效应管MN6、场效应管MN7和场效应管MN8；所述电阻网络包括电阻R12、电阻R13和电阻R14；其中，电流源Ibias3和电流源Ibias4为相同大小的镜像电流源；

所述场效应管MN7的栅端、场效应管MN8的栅端、场效应管MN8的漏端、场效应管MP7的漏端和场效应管MP10的漏端相连，场效应管MN7的漏端与Buffer电路相连；所述场效应管MP7的栅端和场效应管MP9的栅端均连接正温度系数电压VPTAT端，所述正温度系数电压VPTAT端输出带隙基准电路产生的与温度成正比的电压；所述场效应管MP7的源端、场效应管MP8的源端和电流源Ibias3相连；所述场效应管MP8的栅端、电阻R13的负端和电阻R14的正端相连；所述场效应管MP9的源端、场效应管MP10的源端和电流源Ibias4相连；所述场效应管MP10的栅端、电阻R12的负端和电阻R13的正端相连；所述运算放大器A1的正向输入端连接带隙基准电压Vbgr端，所述带隙基准电压Vbgr端用于输出带隙基准电路的带隙基准电压，运算放大器A1的负向输入端、场效应管MN6的源端和电阻R12的正端相连；所述场效应管MN6的栅端连接运算放大器A1的输出端，漏端连接模拟电源电压VDD；

场效应管MN7的源端、场效应管MN8的源端、场效应管MP8的漏端、场效应管MP9的漏端和所述电阻R14的负端均接地；

所述Buffer电路包括运算放大器A2、电阻R9、电阻R10和电阻R11；

所述运算放大器A2的正向输入端接收一阶基准电压，运算放大器A2的负向输入端、场效应管MN7的漏端和电阻R9的正端相连；所述运算放大器A2的输出端、电阻R9的负端和电阻R10的正端均连接参考电压REF_1端；所述电阻R10的负端和电阻R11的正端均连接参考电压REF_2端；所述电阻R11的负端接地；

所述参考电压REF_1端和所述参考电压REF_2端均作为Buffer电路的输出端，用于输出二阶曲率补偿基准电压，参考电压REF_1端输出的二阶曲率补偿基准电压伏值大于参考电压REF_2端输出的二阶曲率补偿基准电压伏值。

2.根据权利要求1所述一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路，其特征在于，、/>和满足：

其中，表示电阻R12的阻值，/>表示电阻R13的阻值，/>表示电阻R14的阻值，表示带隙基准电压，/>表示电阻R12和电阻R13之间B点处的电压，B点与场效应管MP10的栅极相连接，/>表示电阻R13和电阻R14之间C点处的电压，C点与场效应管MP8的栅极相连接。

3.根据权利要求2所述一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路，其特征在于，所述场效应管MP7、场效应管MP8、场效应管MP9和场效应管MP10均工作在亚阈值导电区，其中，亚阈值通过下式确定：

其中，表示一个和MOS管宽长比成正比的系数，/>表示非理想因子，/>表示玻尔兹曼常数，/>表示温度，/>表示单位电荷量，/>表示MOS管的栅源电压。

4.根据权利要求3所述一种二阶曲率补偿齐纳基准供压电路，其特征在于，所述场效应管MP7的漏电流和所述场效应管MP10的漏电流/>通过下式确定：

其中，表示电流源电流，/>表示带隙基准电路产生的与温度成正比的电压。