CN1987713A

CN1987713A - 低温度系数带隙基准参考电压源

Info

Publication number: CN1987713A
Application number: CN 200510120849
Authority: CN
Inventors: 周命福; 冯秉刚; 王金琐; 刘小灵
Original assignee: Chipsea Technologies Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Chipsea Technologies Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: CN100456197C

Abstract

本发明涉及一种低温度系数带隙基准参考电压源，包括PTAT电流产生电路、基准电压启动电路、基准电压合成电路、基极电流抵消电路、第一电流镜像电路，其中该低温度系数带隙基准参考电压源还包括二阶温度补偿电流产生电路，与所述第一电流镜像电路、基准电压合成电路相连，输入PTAT电流、带隙基准电压，通过利用MOS管漏源电流与栅源压差的平方关系，产生二阶补偿电流并输出至基准电压合成电路产生二阶补偿电压，补偿基准电压的二阶温度系数，产生极低温度系数的基准电压。本发明克服了经典带隙基准电压的温度系数偏高的问题，通过采用标准CMOS工艺即可实现极低温度系数的带隙基准电压，有效地降低对工艺的要求。

Description

低温度系数带隙基准参考电压源

【技术领域】

本发明涉及电源及微电子技术领域，特别涉及一种低温度系数带隙基准参考电压源。

【背景技术】

模拟及模拟数字混合信号芯片设计中经常需要芯片内部产生低温度系数的基准电压，该基准电压可以提供给芯片内部或外部作为参考电压，产生各种所需的电压，利用参考电压芯片或其他电路可以用来完成模数转换、数模转换、各种工作电压源等。

特别是在一些精度要求高、温度特性好的应用领域，一个具有及低温度系数的参考电压源往往是十分必要的，甚至是绝对必需的。

例如在电能计量应用领域，国家标准就规定电能表(1级)在-40度自85度的温度范围内，计量的误差变化不能够超过2％，实际上企业内部为了满足国家标准，制定了更严格的内部质量控制标准，一般要求控制在1％以内，再考虑工艺及其他温度影响，对计量芯片本身的精度要求随温度变化不超过0.5％，这对计量芯片内部的ADC采用的参考电压的温度特性提出了非常严格的要求，典型要求温度系数为30ppm以内。

如图1、图2、图3所示，经典的带隙基准电压由于只采用了一阶温度系数补偿，其二阶温度系数未作补偿，在温度变化范围达120度时，二阶温度系数引起的基准电压变化往往大大超过50ppm。因此必须要求一个更好温度特性的带隙参考电压源。

其一阶温度系数补偿原理如下，PTAT(Proportional to absolutetemperature，与绝对温度成正比)电流产生电路，产生整个电路的偏置电流I_PTAT，I_PTAT为

I_PTAT＝(V_BE1-V_BE2)/R₁＝ΔV_BE/R₁

V_{BE 1} = V_{T} \times \ln \frac{I_{PTAT}}{I_{S 1}}

I_S2＝I_S1×M

ΔV_BE＝V_T×1n M

I_{PTAT} = Δ V_{BE} / R_{1} = \frac{V_{T}}{R_{1}} \times \ln M

其中：V_T＝26mV，表示温度的电压当量，

V_{T} = \frac{k \times T}{q}

，其中k为波耳兹曼常数1.38×10^-23，T为绝对温度，q为电子电荷1.6×10^-19；

V_BE1、V_BE2分别表示PNP晶体管P1、P2的基极一发射极的压降；

I_S1、I_S2分别表示PNP晶体管P1、P2的反向饱和电流；

M为PNP晶体管P2与P1的发射极面积比。

I_PTAT经电流镜镜像后流过电阻R2，产生一个正温度系数的电压V1，即V1为

V 1 = \frac{R 2}{R 1} \times \ln M \times V_{T}

由于三极管P4、P5、P6都流过I_PTAT，同时基极电路被基极电流抵消电路抵消了，因此输出带隙基准电压为：

V_BG＝V₁+2×V_BE

由于

V_{T} = \frac{K \times T}{q}

，故V1的温度系数为正，而

V_BE＝V_BE，0×[1+α·(T-T₀)+β·(T-T₀)²+γ·(T-T₀)³+K]

其中：V_BE，0表示常温下V_BE的参考电压值，β、γ分别为V_BE的二阶、三阶温度系数。

其一阶温度系数α为负，只要调整电阻R2与R1的比值及M，即可获得在常温时一阶温度系数为零的带隙参考电压。图2为一阶温度系数补偿示意图

经过一阶温度补偿，VBG最后输出为

V_BG＝V_BG，0×[1+0·(T-T₀)+ξ·(T-T₀)²+K]

其中：V_BE，0为常温下V_BG的参考电压值，T₀为常温(约300K)，T为绝对温度，ξ为V_BG的二阶温度系数。

然后在实际的工艺中，V_BE仍存在2阶、3阶温度系数，如果在高性能的电路设计中，只消除一阶温度系数，其二阶等高阶温度系数仍然要求考虑。因此必须要想办法，消除高阶温度系数的影响。

在实际的电子元件特性中，V_BE的三阶以上的温度系数相对于二阶温度系数是很小的，完全可以不用考虑。在本发明中，不考虑三阶以上的温度系数，即可得到很好得实际结果。

传统的芯片设计中，如果需要极低温度系数的带隙基准电压，往往需要对工艺提出高的要求，一般要用Bipolar工艺或BiCMOS工艺，这增加了产品成本与复杂度。

同时也有其它一些解决方案，例如美国专利US005712590A，其二阶补偿电路的框图如图4所示，图5为其基准电压的温度特性曲线，该方案在实际应用中存在以下几个问题

1、比较电路的失调电压对参考电压选择的影响。一般在CMOS工艺中，比较器的失调电压会达到20～50mV，这么大的失调电压，相对高精度的参考电压是致命的问题。

2、在VBG1与VBG2的电压非常接近时，比较器会无法判断具体输出哪一路参考电压，容易造成误操作。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：提供一种低温度系数带隙基准参考电压源，使用标准CMOS制造工艺，获取极低温度系数的带隙参考电压，同时减低设计低温度系数的带隙基准电压对工艺的要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种低温度系数带隙基准参考电压源，包括以下电路：

PTAT电流产生电路，用于产生PTAT电流；

基准电压启动电路，与所述PTAT电流产生电路相连，用于克服PTAT电流产生电路的零电流工作点，确保PTAT电流能够产生；

基准电压合成电路，与所述PTAT电流产生电路输出端相连，用于产生基准电压；

基极电流抵消电路，与所述基准电压合成电路相连，用于抵消该基准电压合成电路中晶体管产生额外基极电流，保证基准电压的正确产生；

第一电流镜像电路，用于将所述PTAT电流产生电路所生成PTAT电流镜像复制，并分别输出至所述PTAT电流产生电路、基准电压启动电路、基准电压合成电路及基极电流抵消电路，其中，

该低温度系数带隙基准参考电压源还包括二阶温度补偿电流产生电路，与所述第一电流镜像电路、基准电压合成电路相连，输入I_PTAT电流、带隙基准电压，通过利用MOS管漏源电流与栅源压差的平方关系，产生二阶补偿电流并输出至基准电压合成电路产生二阶补偿电压，补偿基准电压的二阶温度系数，产生极低温度系数的基准电压。

本发明的有益效果是：本发明充分利用CMOS工艺中的MOS管的V-I特性，产生二阶补偿电流，然后通过电阻转换为补偿电压，来补偿参考电压的二阶温度系数，不仅解决温度补偿问题，同时也克服了传统带隙基准电压的温度系数偏高的问题，通过采用标准CMOS工艺即可实现极低温度系数的带隙基准电压，有效地降低对工艺的要求，容易在各种CMOS集成电路(如参考电压芯片、电能计量芯片、电压调整芯片、数据转换芯片)中使用。

【附图说明】

图1一种典型的带隙基准电压产生电路。

图2一种典型的带隙基准电压的一阶温度系数补偿示意图

图3一种典型的带隙基准电压的温度特性曲线

图4先前专利US005712590A二阶补偿电路的框图

图5先前专利US005712590A基准电压的温度特性曲线

图6本发明低温度系数带隙基准电压源的原理图

图7本发明的二阶温度系数补偿电流原理图

图8使用本发明的带隙基准电压的温度特性图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图7、图8所示，本发明由PTAT电流产生电路、基准电压合成电路、二阶补偿电流产生电路、基极电流抵消电路、启动电路及电流镜像电路组成。

该PTAT电流产生电路包括第七MOS管MN1、第八MOS管MN2、第三晶体管P1、第四晶体管P2及第二电阻R1，该第七MOS管MN1、第八MOS管MN2的栅极与基准电压启动电路的输出端相连，第七MOS管MN1的漏极与其栅极相连，所述第七MOS管MN1、第八MOS管MN2的漏极与第一电流镜像电路相连，其中第八MOS管的漏极输出PTAT电流；该第三晶体管P1、第四晶体管P2的基极、集电极接地，第三晶体管P1的发射极与第七MOS管MN1的源极相连，第四晶体管P2发射极的通过第二电阻R1与第八MOS管P2的源极相连，该PTAT电流值与第三晶体管P1、第四晶体管P2发射极的面积比及第二电阻阻值R1相关。具体为

I_{PTAT} = Δ V_{BE} / R_{1} = \frac{V_{T}}{R_{1}} \times \ln M

其中：

V_T＝26mV，为温度的电压当量

M为P2与P1的发射极面积比

该第七MOS管、第八MOS管为N沟道MOS管；该第三晶体管、第四晶体管为PNP三极管。

该基准电压启动电路与所述PTAT电流产生电路相连，用于克服PTAT电流产生电路的零电流工作点，确保PTAT电流能够产生。

该基准电压合成电路包括第一晶体管P3、第二晶体管P4及第一电阻R2，该第一电阻R2的一端接地，另一端与第一晶体管P3的基极相连，所述第一晶体管P3、第二晶体管P4的集电极都接地，第一晶体管P3的发射极与第二晶体管P4的基极相连，所述第一电流镜像电路输出的I_PTAT电流分别第一晶体管P3的基极及第二晶体管P4的发射极相连，二阶补偿电流产生电路的输出端与所述第一晶体管P3的基极相连，I_PTAT经第一电阻R2产生正温度系数电压V1，然后经第一晶体管P3、第二晶体管P4的基极-发射极升压，在第二晶体管P4的发射极输出基准电压V_BG，由于基极-发射极电压V_BE为负温度系数，因此经过设计，可以得到常温时温度系数为零的基准电压。即：

V 1 = \frac{R 2}{R 1} \times \ln M \times V_{T}

V_BG＝V₁+2×V_BE

V_BG＝V_BG，0×[1+0·(T-T₀)+ξ·(T-T₀)²+K]

其中：

V_T＝26mV，为温度的电压当量

M为P2与P1的发射极面积比该第二晶体管P4的发射极输出基准电压V_BG。

该基极电流抵消电路与所述基准电压合成电路相连，用于抵消该基准电压合成电路中晶体管产生额外基极电流，保证基准电压的正确产生。

电流镜像电路若干MOS管组成，该若干MOS管的栅极都接一起，将第八MOS管MN2输出电流I_PTAT全部镜像复制，并分别输出至启动电路、PTAT电流产生电路、二阶补偿电流产生电路、基准电压合成电路、基极电流抵消电路。

该二阶温度补偿电流产生电路包括：

高温补偿电路，其包括第一MOS管MN3、第二MOS管MN4、第三MOS管MN5、正温度系数电压△V生成电路及第二电流镜像电路，该第三MOS管的栅极与第一MOS管MN1的漏极相连，所述第一MOS管MN3、第二MOS管MN4、第三MOS管MN5的源极接地，该正温度系数电压ΔV生成电路分别与所述第一MOS管MN3、第二MOS管MN4栅极相连，所述第二MOS管MN4、第三MOS管MN5的漏极与第二电流镜像电路相连并合成输出高温补偿电流Iout1；利用MOS管的特性，输出电流Iout1与ΔV²成正比。

在CMOS工艺中，其MOS管的V-I转移特性为：I_DS＝K_β×(V_GS-V_TH)²，因此，I_OUT1∝K_β×(V_GS1-V_TH+ΔV)²-K_β×(V_GS1-V_TH)²，我们只要把MOS管偏置电压(V_GS-V_TH)偏置为与第一电阻R2产生的二阶补偿电压V1成比例，即可以设计一个二阶温度系数-ξ，从而抵消二阶温度系数ξ。

只要V_GS1-V_TH＜＜ΔV就可以近似为I_OUT1∝ΔV²，这在电路实现是可能的。

该第一MOS管MN3、第二MOS管MN4、第三MOS管MN5为N沟道MOS管。

低温补偿电路，其包括第四MOS管MP1、第五MOS管MP2、第六MOS管MP3、负温度系数电压ΔV生成电路及第三电流镜像电路电流镜组成，第六MOS管MP3的栅极与第四MOS管MP1的漏极相连，所述第四MOS管MP1、第五MOS管MP2、第六MOS管MP3的源极与一电源相连，该负温度系数电压ΔV生成电路与第四MOS管MP1、第五MOS管MP2的栅极相连，所述第五MOS管MP2、第六MOS管MP3的漏极与第三电流镜电路相连并合成输出电流低温补偿电流Iout2，输出电流Iout2与ΔV²成正比，即I_OUT2∝K_β×(V_GS1-V_TH+ΔV)²-K_β×(V_GS1-V_TH)²，只要V_GS1-V_TH＜＜ΔV就可以近似为I_OUT2∝ΔV²，这在电路实现是可能的。

该第四MOS管MP1、第五MOS管MP2、第六MOS管MP3为P沟道MOS管。

电流相加电路，包括第二电流镜输出Iout1、MOS管MN3及第三电流镜输出Iout2，输出二阶补偿电流Iout。

分别与所述高温补偿电路及低温补偿电路输出端相连，输出二阶补偿电流。

该第二晶体管P4的发射极及第一电流镜像电路的输出端分别与所述正温度系数电压ΔV生成电路、负温度系数电压ΔV生成电路的输入端相连。

二阶补偿电流产生电路通过输入I_PTAT电流、带隙基准电压V_BG后，通过利用MOS管的特性，产生二阶补偿电流后Iout输出至第一晶体管P3的基极，通过第一电阻R2产生二阶补偿电压V1，补偿基准电压V_BG的二阶温度系数，产生极低温度系数的基准电压。

同时，设计电路常温附近，设计Iout1，及Iout2非常小，即可以充分补偿带隙基准电压在高温时(低温时)电压相对常温时的偏差，从而完成基准电压的二阶温度系数的补偿，得到极低温度系数得带隙基准电压。

由于，在实际的电子元件特性中，V_BE的三阶以上的温度系数相对于二阶温度系数是很小的，完全可以不用考虑。在本发明中，不考虑三阶以上的温度系数，即可得到很好得实际结果，产生极低温度系数的带隙基准电压。

本发明充分利用CMOS工艺中的MOS管的V-I特性，产生二阶补偿电流，然后通过电阻转换为补偿电压，来补偿参考电压的二阶温度系数，不仅解决温度补偿问题，同时也克服了传统带隙基准电压的温度系数偏高的问题，通过采用标准CMOS工艺即可实现极低温度系数的带隙基准电压，有效地降低对工艺的要求，容易在各种CMOS集成电路(如参考电压芯片、电能计量芯片、电压调整芯片、数据转换芯片)中使用。

Claims

1、一种低温度系数带隙基准参考电压源，包括以下电路：

PTAT电流产生电路，用于产生PTAT电流I_PTAT；

基准电压启动电路，与所述PTAT电流产生电路相连，用于克服PTAT电流产生电路的零电流工作点，确保PTAT电流I_PTAT能够产生；

第一电流镜像电路，用于将所述PTAT电流产生电路所生成PTAT电流镜像复制，并分别输出至所述PTAT电流产生电路、基准电压启动电路、基准电压合成电路及基极电流抵消电路，其特征在于：

2、如权利1所述的低温度系数带隙基准参考电压源，其特征在于：该二阶温度补偿电流产生电路包括：

高温补偿电路，其包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、正温度系数电压ΔV生成电路及第二电流镜像电路，该第三MOS管的栅极与第一MOS管的漏极相连，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管的源极接地，该正温度系数电压ΔV生成电路分别与所述第一MOS管、第二MOS管栅极相连，所述第二MOS管、第三MOS管的漏极与第二电流镜像电路相连并合成输出高温补偿电流；

低温补偿电路，其包括第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、负温度系数电压ΔV生成电路及第三电流镜像电路电流镜组成，第六MOS管的栅极与第四MOS管的漏极相连，所述第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管的源极与一电源相连，该负温度系数电压ΔV生成电路与第四MOS管、第五MOS的栅极相连，所述第五MOS管、第六MOS管的漏极与第三电流镜电路相连并合成输出电流低温补偿电流；

电流相加电路，分别与所述高温补偿电路及低温补偿电路输出端相连，输出二阶补偿电流Iout。

3、如权利2所述的低温度系数带隙基准参考电压源，其特征在于：该第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管为N沟道MOS管；该第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管为P沟道MOS管。

4、如权利2所述的低温度系数带隙基准参考电压源，其特征在于：该基准电压合成电路包括第一晶体管、第二晶体管及第一电阻，该第一电阻的一端接地，另一端与第一晶体管的基极相连，所述第一晶体管、第二晶体管的集电极都接地，第一晶体管的发射极与第二晶体管的基极相连，所述第一电流镜像电路输出的IPTAT电流分别第一晶体管的基极及第二晶体管的发射极相连，二阶补偿电流产生电路的输出端与所述第一晶体管的基极相连，该第二晶体管的发射极输出基准电压。

5、如权利4所述的低温度系数带隙基准参考电压源，其特征在于：第二晶体管的发射极及第一电流镜像电路的输出端分别与所述正温度系数电压ΔV生成电路、负温度系数电压ΔV生成电路的输入端相连。

6、如权利4所述的低温度系数带隙基准参考电压源，其特征在于：该第一晶体管、第二晶体管为PNP三极管。

7、如权利1所述的低温度系数带隙基准参考电压源，其特征在于：该PTAT电流产生电路包括第七MOS管、第八MOS管、第三晶体管、第四晶体管及第二电阻，该第七MOS管、第八MOS管的栅极与基准电压启动电路的输出端相连，第七MOS管的漏极与其栅极相连，所述第七MOS管、第八MOS管的漏极与第一电流镜像电路相连，其中第八MOS管的漏极输出PTAT电流；该第三晶体管、第四晶体管的基极、集电极接地，第三晶体管的发射极与第七MOS管的源极相连，第四晶体管发射极的通过第二电阻与第八MOS管的源极相连，该PTAT电流值与第三晶体管、第四晶体管发射极的面积比成正比，并与第二电阻阻值成反比。

8、如权利7所述的低温度系数带隙基准参考电压源，其特征在于：该第七MOS管、第八MOS管为N沟道MOS管；该第三晶体管、第四晶体管为PNP三极管。