CN202394144U - 一种指数温度补偿的低温漂cmos带隙基准电压源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源，其特征在于：该带隙基准电压源包括一阶温度补偿基准电流产生电路（1），指数温度补偿电流产生电路（2），误差放大器（3），启动电路（4）及基准电流-电压转换电路（5）；一阶温度补偿基准电流产生电路（1）的第一输入端同时与启动电路（4）的输出端及一阶温度补偿基准电流产生电路（1）的第一输出端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路（1）的第一输出端同时与指数温度补偿电流产生电路（2）的第一输入端及误差放大器（3）的第一输入端相连。本实用新型增加很少的器件和功耗，得到了更低的温度系数。

Description

一种指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源

技术领域

本实用新型涉及用于射频、数模混合电路中需要产生的极低温度系数的基准电压源。特别是高速高精度的模数转换器和低压差线性稳压源，需要一个不随环境变化的基准电压作为其比较电平和参考电平，本实用新型产生的基准电压具有极低温度系数，较低的功耗，可以工作在低电源电压下，满足了这种需求。 

背景技术

对于数模转换器、模数转换器、电压转换器、电压检测电路等模拟电路而言，基准电压源是相当重要的模块，基准电压源的稳定性直接关系到电路的工作状态及电路的性能。为了满足电路在不同外界环境下的正常工作要求，基准电压源应具有输出稳定、抗干扰能力强、温度系数小等优点。目前比较常用的是带隙基准电压源，主要有电压模和电流模两种结构，均采用双极型器件实现。电压模结构的带隙基准电压源其输出电压值基本恒定在半导体材料的带隙电压附近；而电流模结构的带隙基准的输出电压值是半导体材料的带隙电压的分压，可低于半导体材料的带隙电压，适合于于低电源电压。 

带隙基准电压源的工作原理是使ΔV_BE(双极型晶体管在不同电流密度偏置下的两个基区-发射区的电压差)的正温度系数和V_BE(双极型晶体管基区-发射区电压)的负温度系数所产生的漂移相互抵消，并通过高阶温度补偿电流产生电路，同时抵消V_BE的高阶项，以达到极低的温度系数。 

发明内容

技术问题：发明提供了一种指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源。电路在传统带隙基准电压源的基础上改进了传统运放，增加了高阶温度补偿电流产生电路，以实现在使ΔV_BE(双极型晶体管在不同电流密度偏置下的两个基区-发射区的电压差)的正温度系数和V_BE(双极型晶体管基区-发射区电压)的负温度系数所产生的漂移相互抵消的基础上，并通过指数温度补偿电流产生电路，抵消V_BE的高阶项，达到极低的温度系数的目的。 

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源，该带隙基准电压源包括一阶温度补偿基准电流产生电路，指数温度补偿电流产生电路，误差放大器，启动电路及基准电流-电压转换电路； 

一阶温度补偿基准电流产生电路的第一输入端同时与启动电路的输出端及一阶温度补偿基准电流产生电路的第一输出端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路的第一输出端同时与指数温度补偿电流产生电路的第一输入端及误差放大器的第一输入端相连，一阶温度补偿基 准电流产生电路的第二输出端同时与指数温度补偿电流产生电路的第二输入端及误差放大器的第二输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路的第三输出端接基准电流-电压转换电路的输入端；指数温度补偿电流产生电路的输出端同时与误差放大器的第三输入端及启动电路的输入端相连；误差放大器的输出端同时与一阶温度补偿电流产生电路的第二输入端及基准电流-电压转换电路的输入端相连；基准电流-电压转换电路的输出端即是指数温度补偿的带隙基准电压。 

优选的，所述的指数温度补偿电流产生电路由第三NPN管、第四NPN管、第四PMOS管和第五PMOS管组成；第三NPN管的基极作为指数温度补偿电流产生电路的第一输入端，第三NPN管的集电极同时与第四PMOS管的栅极和漏极相连，作为指数温度补偿电流产生电路的输出端；第四NPN管的基极作为指数温度补偿电流产生电路的第二输入端，第四NPN管的集电极同时与第四PMOS管的栅极和漏极相连；第三NPN管的发射极和第四NPN管的发射极接公共地端；第四PMOS管的栅极和漏极相连、第五PMOS管的栅极和漏极相连，作为自偏置电流源，第四PMOS管的源极和第五PMOS管的源极与直流电源VDD相连。 

有益效果： 

1、相比于传统一阶温度补偿带隙基准电压源，增加很少的器件和功耗，得到了更低的温度系数。 

2、相比于传统高阶温度补偿带隙基准电压源，该指数温度补偿电流产生电路抵消带隙电压高阶项的同时为启动电路和误差放大器提供偏置电流，电路结构简单易行，功耗更低。 

3、本实用新型的基准电压源电路采用寄生NPN管，可以在CMOS工艺下实现；采用电流模结构，适合低电源电压下工作。 

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。 

图2是本实用新型的整体电路图。 

图3是本实用新型输出电压随温度的变化曲线图。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。 

本实用新型是一种基于新颖实用的指数温度补偿结构的带隙基准电压源，带隙基准电压 源包括一阶温度补偿基准电流产生电路，指数温度补偿电流产生电路，误差放大器，启动电路及基准电流-电压转换电路。一阶温度补偿基准电流产生电路的第一输入端接启动电路的输出端并与一阶温度补偿基准电流产生电路的第一输出端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路的第一输出端同时与指数温度补偿电流产生电路的第一输入端及误差放大器的第一输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路的第二输出端同时与指数温度补偿电流产生电路的第二输入端及误差放大器的第二输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路的第三输出端接基准电流-电压转换电路的输入端；指数温度补偿电流产生电路的输出端同时与误差放大器的第三输入端及启动电路的输入端相连；误差放大器的输出端同时与一阶温度补偿基准电流产生电路的第二输入端及基准电流-电压转换电路的输入端相连；基准电流-电压转换电路的输出端即是指数温度补偿的带隙基准电压。 

本实用新型提供的指数温度补偿的带隙基准电压源，在传统低电压一阶温度补偿带隙基准电压源的基础上引入指数温度补偿电流产生电路。指数温度补偿电流产生电路利用NPN管的共射电流放大系数β与温度成负指数关系，得到与温度成指数关系的指数温度补偿电流，结合一阶温度补偿电流产生电路和基准电流-电压转换电路，从而得到指数温度补偿的低温漂基准电压。同时指数温度补偿电路的输出为启动电路和误差放大器提供了偏置电路。该指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源可以工作在低电源电压下，电路结构简单、实用，消耗较少的功耗，实现了高阶温度补偿。 

本实用新型提供的指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源，该带隙基准电压源包括一阶温度补偿基准电流产生电路1，指数温度补偿电流产生电路2，误差放大器3，启动电路4及基准电流-电压转换电路5； 

一阶温度补偿基准电流产生电路1的第一输入端同时与启动电路4的输出端及一阶温度补偿基准电流产生电路1的第一输出端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路1的第一输出端同时与指数温度补偿电流产生电路2的第一输入端及误差放大器3的第一输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路1的第二输出端同时与指数温度补偿电流产生电路2的第二输入端及误差放大器3的第二输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路1的第三输出端接基准电流-电压转换电路5的输入端；指数温度补偿电流产生电路2的输出端同时与误差放大器3的第三输入端及启动电路4的输入端相连；误差放大器3的输出端同时与一阶温度补偿电流产生电路1的第二输入端及基准电流-电压转换电路5的输入端相连；基准电流-电压转换电路5的输出端即是指数温度补偿的带隙基准电压。 

所述的指数温度补偿电流产生电路2由第三NPN管Q3、第四NPN管Q4、第四PMOS 管M4和第五PMOS管M5组成；第三NPN管Q3的基极作为指数温度补偿电流产生电路2的第一输入端，第三NPN管Q3的集电极同时与第四PMOS管M4的栅极和漏极相连，作为指数温度补偿电流产生电路2的输出端；第四NPN管Q4的基极作为指数温度补偿电流产生电路2的第二输入端，第四NPN管Q4的集电极同时与第四PMOS管M4的栅极和漏极相连；第三NPN管Q3的发射极和第四NPN管Q4的发射极接公共地端；第四PMOS管M4的栅极和漏极相连、第五PMOS管M5的栅极和漏极相连，作为自偏置电流源，第四PMOS管M4的源极和第五PMOS管M5的源极与直流电源VDD相连。 

本实用新型的原理： 

图1和图2给出了所发明的带隙基准电压源电路的结构原理框图和整体电路图。下面叙述该电路结构如何实现高阶温度补偿的工作原理。 

首先，对分析过程中公式上用到的一些参数定义如下：R₁表示一阶温度补偿基准电流产生电路1中第一电阻的阻值；R₂表示一阶温度补偿基准电流产生电路1中第2电阻的阻值；R₃表示一阶温度补偿基准电流产生电路1中第三电阻的阻值(R₃与R₂的值相同)；R₄表示一阶温度补偿基准电流产生电路1中第四电阻的阻值；N表示第二NPN管Q2与第一NPN管Q1的基区面积之比，m表示第三NPN管Q3与第一NPN管Q1的基区面积之比，n表示第四NPN管Q4与第一NPN管Q1的基区面积之比；V_BE1(T)表示第一NPN管的基极与发射极电压差。K表示波尔兹曼常数；q表示一个电子的电荷量；V_G是硅的带隙电压；η是与硅迁移率与温度相关性的参数；β为NPN管的共射电流增益，与温度成指数函数关系；β_∞ 是一个与温度无关的参数；ΔE_G是NPN管中与发射极参杂浓度相关的带隙能差。 

由一阶温度补偿基准电流产生电路可得到一阶温度补偿的基准电流： 

$I_1=\frac{1}{R_1}\·\frac{K\·T}{q}\·\ln N+\frac{V_{\mathrm{BE}1}\left(T\right)}{R_2}---\left(1\right)$

其中 

适当选取R₁、R₂和N的值，可以完全消除I₁中与温度呈线性关系的项，该发明中利用NPN管的共射电流增益β与温度呈负指数关系而得到与温度呈高阶关系的电流用以补偿I₁中其他高次项，从而得到较低的温度系数。 

本实用新型中引入指数温度电流产生电路，总的基准电流为： 

$I=\frac{1}{R_1}\·\frac{K\·T}{q}\·\ln N+\frac{V_{\mathrm{BE}1}\left(T\right)}{R_2}+\frac{n}{\mathrm{\β}+1+m-n}\·\frac{1}{R_1}\·\frac{K\·T}{q}\·\ln N---\left(3\right)$

其中 

$\mathrm{\β}\left(T\right)={\mathrm{\β}}_{\∞}\·\exp \left(\frac{{\mathrm{\ΔE}}_g}{K\·T}\right)---\left(4\right)$

适当选取m、n的值，可得到最佳温度系数的基准电流I，该基准电流通过基准电流-电压转换电路转换为低温度系数的基准电压V_ref： 

$V_{\mathrm{ref}}=I\·R_4=\frac{R_4}{R_1}\·\frac{K\·T}{q}\·\ln N+\frac{R_4}{R_2}\·V_{\mathrm{BE}1}\left(T\right)+\frac{n}{\mathrm{\β}\left(T\right)+1+m-n}\·\frac{R_4}{R_1}\·\frac{K\·T}{q}\·\ln N---\left(5\right)$

以下通过本实用新型的具体实施案例并结合附图，对本实用新型的目的、电路结构和优点作进一步描述。 

如图1所示，本实用新型的一种基于新颖实用的指数温度补偿结构的带隙基准电压源，包含一阶温度补偿基准电流产生电路1，指数温度补偿电流产生电路2，误差放大器3，启动电路4及基准电流-电压转换电路5。一阶温度补偿基准电流产生电路1的第一输入端接启动电路4的输出端并与一阶温度补偿基准电流产生电路1的第一输出端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路1的第一输出端同时与指数温度补偿电流产生电路2的第一输入端及误差放大器3的第一输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路1的第二输出端同时与指数温度补偿电流产生电路2的第二输入端及误差放大器3的第二输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路1的第三输出端接基准电流-电压转换电路5的输入端；指数温度补偿电流产生电路2的输出端同时与误差放大器3的第三输入端及启动电路4的输入端相连；误差放大器3的输出端同时与一阶温度补偿基准电流产生电路1的第二输入端及基准电流-电压转换电路5的输入端相连；基准电流-电压转换电路5的输出端即是指数温度补偿的带隙基准电压V_ref。 

其中如图2所示，所述一阶温度补偿基准电流产生电路1由第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一NPN管Q1、第二NPN管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3组成。第一PMOS管M1的源极和第二PMOS管M2的源极接直流电源电压VDD；第一PMOS管M1的栅极和第二PMOS管M2的栅极相连，作为一阶温度补偿基准电流产生电路1的第二输入端和第三输出端；第一PMOS管M1的漏极同时与第一NPN管Q1的集电极和基极相连，并与第二电阻R2的一端相连，作为一阶温度补偿基准电流产生电路1的第一输入端和第一输出端；第二电阻R2的另一端及第一NPN管Q1的发射极接公共地端；第二PMOS管M2的漏极同时与第一电阻R1的一端及第三电阻R3的一端相连，作为一阶温度补偿基准电流产生电路的第二输出端；第一电阻R1的另一端同时与第二NPN管Q2的集电极和基极相连；第二电阻R3的另一端及第二NPN管Q2的发射极接公共地端。 

所述的指数温度补偿电流产生电路2由第三NPN管Q3、第四NPN管Q4、第四PMOS管M4和第五PMOS管M5组成。第三NPN管Q3的基极作为指数温度补偿电流产生电路2的第一输入端，第三NPN管Q3的集电极同时与第四PMOS管M4的栅极和漏极相连，作为指数温度补偿电流产生电路2的输出端；第四NPN管Q4的基极作为指数温度补偿电流产生电路2的第二输入端，第四NPN管Q4的集电极同时与第四PMOS管M4的栅极和漏极相连；第三NPN管Q3的发射极和第四NPN管Q4的发射极接公共地端；第四PMOS管M4的栅极和漏极相连、第五PMOS管M5的栅极和漏极相连，作为自偏置电流源，第四PMOS管M4的源极和第五PMOS管M5的源极与直流电源VDD相连。 

所述的误差放大器3为差分输入单端输出运算跨导放大器，可以采用传统的一级或两级CMOS放大器，也可采用NPN管作为输出管的放大器。误差放大器的第一、第二输入端为差分信号输入端，误差放大器的第三输入端为偏置输入端，误差放大器3的输出端为单端信号输出端。 

所述的启动电路4由第六PMOS管M6、第七PMOS管M7以及第五电阻R5组成。第六PMOS管M6的源极和第七PMOS管M7的源极接直流电源VDD；第六PMOS管的栅极为启动电路4的输入端，第六PMOS管M6的漏极同时与第七PMOS管M7的栅极及第五电阻R5的一端相连；第五电阻R5的另一端接公共地端；第七PMOS管(M7)的漏极为启动电路的输出端。 

所述的基准电流电压-转换电路5由第三PMOS管M3和第四电阻R4构成。第三PMOS管M3的源极接直流电源VDD，第三PMOS管M3的栅极作为基准电流电压-转换电路的输入端，第三PMOS管M3的漏极与第四电阻R4的一端相连，作为基准电流电压-转换电路的输出端，也即是指数温度补偿的带隙基准电压的输出端，第四电阻R4的另一端接公共地端 

参见图3，图中所示为本实用新型温度从-40℃-125℃变化时，相应的基准输出电压V_ref的变化曲线。由曲线图可以看出，基准输出电压V_ref的平均值为505.71V，温度系数小于1.32ppm/℃(每摄氏度变化百万分之一)。 

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (2)

1. 一种指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源，其特征在于：该带隙基准电压源包括一阶温度补偿基准电流产生电路（1），指数温度补偿电流产生电路（2），误差放大器（3），启动电路（4）及基准电流-电压转换电路（5）；

一阶温度补偿基准电流产生电路（1）的第一输入端同时与启动电路（4）的输出端及一阶温度补偿基准电流产生电路（1）的第一输出端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路（1）的第一输出端同时与指数温度补偿电流产生电路（2）的第一输入端及误差放大器（3）的第一输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路（1）的第二输出端同时与指数温度补偿电流产生电路（2）的第二输入端及误差放大器（3）的第二输入端相连，一阶温度补偿基准电流产生电路（1）的第三输出端接基准电流-电压转换电路（5）的输入端；指数温度补偿电流产生电路（2）的输出端同时与误差放大器（3）的第三输入端及启动电路（4）的输入端相连；误差放大器（3）的输出端同时与一阶温度补偿电流产生电路（1）的第二输入端及基准电流-电压转换电路（5）的输入端相连；基准电流-电压转换电路（5）的输出端即是指数温度补偿的带隙基准电压。

2.根据权利要求1所述的指数温度补偿的低温漂CMOS带隙基准电压源，其特征在于：所述的指数温度补偿电流产生电路（2）由第三NPN管（Q3）、第四NPN管（Q4）、第四PMOS管（M4）和第五PMOS管（M5）组成；第三NPN管（Q3）的基极作为指数温度补偿电流产生电路（2）的第一输入端，第三NPN管（Q3）的集电极同时与第四PMOS管（M4）的栅极和漏极相连，作为指数温度补偿电流产生电路（2）的输出端；第四NPN管（Q4）的基极作为指数温度补偿电流产生电路（2）的第二输入端，第四NPN管（Q4）的集电极同时与第四PMOS管（M4）的栅极和漏极相连；第三NPN管（Q3）的发射极和第四NPN管（Q4）的发射极接公共地端；第四PMOS管（M4）的栅极和漏极相连、第五PMOS管（M5）的栅极和漏极相连，作为自偏置电流源，第四PMOS管（M4）的源极和第五PMOS管（M5）的源极与直流电源VDD相连。

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