CN204256580U - 一种双边温度补偿的带隙基准电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双边温度补偿的带隙基准电路，包括一阶补偿基准产生电路、误差放大器、高低温补偿跨导放大器、补偿与分压电阻；一阶补偿基准产生电路产生一阶补偿的基准电压和正温度系数电压；一阶补偿的基准电压经分压电阻分压产生高电压和低电压，与正温度系数电压一起输入高低温补偿跨导放大器，在高温段和低温段时，高低温补偿跨导放大器的输出端从外部抽取电流，在基准电压输出支路的补偿电阻上产生补偿电压。本实用新型的双边温度补偿，使得二阶补偿电路可以获得三阶补偿的效果，从而获得极低温度系数的基准电压；高低温的双边温度补偿由同一电路完成，极大地简化了电路复杂度，实现方式简单可靠。

Description

一种双边温度补偿的带隙基准电路

技术领域

本实用新型涉及ADC、DC-DC电路中需要产生极低温度系数的基准电压源，尤其是高速高精度电路中的不随温度变化的基准电压源，

背景技术

现代模拟电路中，模数/数模转换器(ADC/DAC)、低压差线性稳压器(LDO)、电压-电压转换器等电路，都需要一个高精度的基准电压，基准电压直接影响上述模拟电路的性能。为满足不同环境下的要求，尤其是温度要求，基准电压源应该具有极低的温度系数。目前应用最多的基准电压源是带隙基准，输出电压约为1.25V。其原理是利用双极型晶体管(BJT)不同电流密度下的基极-发射极压差(ΔVBE)的正温度特性，与双极型晶体管的基极-发射极电压VBE的负温度特性相抵消，产生一阶补偿的电压基准，并可以通过高阶温度补偿消除VBE的高阶温度项，获得更低温度系数的基准电压源。

实用新型内容

本实用新型提出了一种双边温度补偿的带隙基准电路，使用BiCMOS工艺实现，在传统一阶补偿的基准电路上进行改进，增加双边温度补偿电路，进行高低温的双边补偿，消除VBE的高阶温度项，从而获得极低温度系数的基准电压。

本实用新型的技术方案如下：

一种双边温度补偿的带隙基准电路，包括一阶补偿基准产生电路、误差放大器、高低温补偿跨导放大器、补偿与分压电阻；所述一阶补偿基准产生电路产生一阶补偿的基准电压和正温度系数电压；所述一阶补偿的基准电压经分压电阻分压产生高电压和低电压，所述高电压、低电压和正温度系数电压输入高低温补偿跨导放大器，所述高低温补偿跨导放大器的输出端连接基准电压输出支路的补偿电阻下端，在正温度系数电压高于高电压和低于低电压时，所述高低温补偿跨导放大器的输出端从外部抽取电流，在基准电压输出支路的补偿电阻上产生补偿电压；所述误差放大器连接一阶补偿基准产生电路和补偿电阻，对基准进行钳位，同时为基准电压输出支路提供电流。

其进一步的技术方案为：

所述一阶补偿基准产生电路包括第一晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一三极管以及第二三极管；第一晶体管的栅极接偏置电压，第一晶体管的漏极接电源电压；第一三极管和第二三极管的基极相连；第一电阻连接在第一晶体管的源极和第一三极管的集电极之间，第二电阻连接在第一晶体管的源极和第二三极管的集电极之间，第三电阻连接在第一三极管和第二三极管的发射极之间，第四电阻连接在第二三极管的发射极和地之间；

所述误差放大器的反向输入端连接第一三极管的集电极，同向输入端连接第二三极管的集电极，输出端作为基准电压输出端；

所述补偿与分压电阻包括串联的第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻以及第九电阻；第五电阻连接基准电压输出端，第九电阻接地；第六电阻和第七电阻的中点连接第一三极管和第二三极管的基极；

所述高低温补偿跨导放大器的三个输入端分别连接第七电阻和第八电阻的中点、第八电阻和第九电阻的中点、第二三极管的发射极；输出端连接第五电阻和第六电阻的中点。

以及，其进一步的技术方案为：

所述高低温补偿跨导放大器包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第十电阻、第十一电阻、第三三极管、第四三极管以及第五三极管；

第三晶体管和第四晶体管的栅极连接所述一阶补偿基准产生电路产生的正温度系数电压，第二晶体管的栅极连接所述高电压，第五晶体管的栅极连接所述低电压，第二晶体管和第四晶体管的漏极相连，第三晶体管和第五晶体管的漏极相连；

第六晶体管和第七晶体管的栅极接偏置电压，第六晶体管和第七晶体管的源极接电源电压，第六晶体管的漏极与第二晶体管和第三晶体管的源极相连，第七晶体管的漏极与第四晶体管和第五晶体管的源极相连；

第十电阻连接在第三晶体管的漏极和第三三极管的集电极之间，第十一电阻连接在第四晶体管的漏极和第四三极管的集电极之间；

第三三极管的基极和集电极相连，第四三极管的基极和集电极相连，第四三极管和第五三极管的基极相连，第五三极管的集电极作为输出端，第三三极管、第四三极管、第五三极管的发射极接地。

本实用新型的有益技术效果是：

一、本实用新型的双边温度补偿，使得二阶补偿电路可以获得三阶补偿的效果，从而获得极低温度系数的基准电压。

二、本实用新型高低温的双边温度补偿由同一电路完成，极大地简化了电路复杂度，实现方式简单可靠。

三、本实用新型的电路可以获得1.25V至电源电压之间的任意值电压，并且输出基准电压具有带载能力。

本实用新型的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

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原理图。

图3是本实用新型的高低温补偿跨导放大器的具体电路图。

图4是本实用新型的补偿原理图。

图5是本实用新型补偿前后的输出电压随温度的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

图1示出了本实用新型的结构框图。如图1所示，本实用新型包括：一阶补偿基准产生电路1、误差放大器2、高低温补偿跨导放大器3、补偿与分压电阻4。

图2示出了本实用新型的整体电路原理图。如图2所示，其中晶体管MN1、电阻R1-R4、三极管QN1-QN2构成一阶补偿基准产生电路1；AMP构成误差放大器2，用于为基准电路提供钳位与反馈环路，并为输出基准电压提供电流；OTA构成高低温补偿跨导放大器3，用于产生高低温的高阶补偿电流；电阻R5-R9构成补偿与分压电阻4，R5为补偿电阻，R6-R9为分压电阻。

图2的具体工作方式如下：首先由一阶补偿基准产生电路1产生一阶补偿的带隙基准电压REF1和正温度系数电压VPTAT。一阶补偿的带隙基准电压REF1经过电阻R7、R8、R9分压之后，产生了与其同样温度系数的电压VH、VL，并且VH>VL。接着将电压VH、VL和正温度系数电压VPTAT输入高低温补偿跨导放大器OTA，高低温补偿跨导放大器OTA的输出端接到基准电压输出支路的补偿电阻R5下端，这样就构成了所需的高阶补偿电路，最终输出的基准电压为VREF。三极管QN1和QN2选取β很大的NPN型管，使基极电流非常小，可暂时忽略其影响。输出的基准电压表达式为：

$V_{\mathrm{REF}}=(1+\frac{R_5+R_6}{R_7+R_8+R_9}){\mathrm{REF}}_1+I_1*R_5---\left(1\right)$

式(1)右边的前两项为固定项，第三项I₁*R₅为双边温度补偿电压。

以下介绍图2的工作原理。如图2所示，电压VPTAT为一阶基准电路产生的PTAT电压，电压VH、VL为一阶补偿基准电压REF1的分压，相对于电压VPTAT，电压VH和VL的温度系数很小，可看作近似零温度系数的电压。电压VH、VL分别同时和电压VPTAT进行比较。当温度T由-50℃向150℃增大时，电压VPTAT逐渐升高，并且经历了三个阶段：低温段：VPTAT<VL；中温段：VL<VPTAT<VH；高温段：VH<VPTAT。结合图2所示，在VL<VPTAT<VH段，高低温补偿跨导放大器OTA的输出电流I1为恒定值，电流I1在电阻R5上产生的电压VR5也为恒定值；在VPTAT<VL与VH<VPTAT段，高低温补偿跨导放大器OTA的输出端电流I1增加，在电阻R5上产生低温和高温段的补偿电压VR5。

图3示出了高低温补偿跨导放大器的一种具体实施例电路图。如图3所示，其三个输入端分别为VH、VL、VPTAT，并设计使晶体管MP2-MP5的跨导g_{mn (n＝2-5)}相同。由图3的电路结构可知，在中温段，即VL<VPTAT<VH段，可以得到以下一组电流方程：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;I}}_2=\frac{V_{\mathrm{PTAT}}-V_H}{2}{g}_{m2}\\ \mathrm{\&Delta;}{I}_3=-\frac{V_{\mathrm{PTAT}}-V_H}{2}{g_{m3}}_{}\\ {\mathrm{\&Delta;I}}_4=-\frac{V_{\mathrm{PTAT}}-V_L}{2}{g}_{m4}\\ {\mathrm{\&Delta;I}}_5=-\frac{V_{\mathrm{PTAT}}-V_L}{2}{g}_{m5}\end{array}---\left(2\right)$

${\mathrm{\&Delta;I}}_1={\mathrm{\&Delta;I}}_2+{\mathrm{\&Delta;I}}_4=\frac{V_{\mathrm{PTAT}}-V_H}{2}{g}_{m2}-\frac{V_{\mathrm{PTAT}}-V_L}{2}{g}_{m4}=-\frac{V_H-V_L}{2}{g}_{m2}---\left(3\right)$

可见，在中温段，即VL<VPTAT<VH段，输出电流变化量ΔI₁为固定值，则输出电流I₁＝I_1，DC+ΔI₁也为固定值。

在低温段，即VPTAT<VL段，VPTAT<<VH，晶体管MP2关断，ΔI₂＝0，输出电流变化量为：

${\mathrm{\&Delta;I}}_1={\mathrm{\&Delta;I}}_4=\frac{V_L-V_{\mathrm{PTAT}}}{2}{g}_{m4}---\left(4\right)$

可见，温度越低时，电压VPTAT越小，ΔI₁越大，则产生的补偿电压VR5电压越大，能够补偿低温段的基准电压。

在高温段，即VPTAT>VH段，VPTAT>>VL，晶体管MP5关断，ΔI₅＝0，输出电流变化量为：

${\mathrm{\&Delta;I}}_1={\mathrm{\&Delta;I}}_2=\frac{V_{\mathrm{PTAT}}-V_H}{2}{g}_{m2}---\left(5\right)$

可见，温度越高时，电压VPTAT越大，ΔI₁越大，则产生的补偿电压VR5电压越大，能够补偿高温段的基准电压。

图4为电压VPTAT、VH、VL与补偿跨导放大器的输出电流I1的曲线示意图。有图4可知，在中温段，输出电流I1基本为恒定值；在低温段和高温段，随着电压VPTAT的变小或变大，输出电流I1均变大，从而在电阻R5上产生更大的补偿电压VR5，对输出基准电压进行高低温的高阶补偿。

图5为本实用新型补偿前后的输出电压曲线。由图5可知，本实用新型可以将基准输出电压的形状由开口向下的抛物线形(REF1)补偿成为“w”型(VREF)，实现极低的温度系数，实现高精度的输出基准电压。

此外，本实用新型采用的误差放大器AMP可采用具有电流输出能力的放大器，从而输出的基准电压具有带载能力，省去了普通无带载能力基准的输出缓冲器(BUFFER)。同时本实用新型可以用于实现任意高于一阶补偿基准REF1值的高阶补偿基准电压。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双边温度补偿的带隙基准电路，其特征在于，包括一阶补偿基准产生电路、误差放大器、高低温补偿跨导放大器、补偿与分压电阻；所述一阶补偿基准产生电路产生一阶补偿的基准电压和正温度系数电压；所述一阶补偿的基准电压经分压电阻分压产生高电压和低电压，所述高电压、低电压和正温度系数电压输入高低温补偿跨导放大器，所述高低温补偿跨导放大器的输出端连接基准电压输出支路的补偿电阻下端，在正温度系数电压高于高电压和低于低电压时，所述高低温补偿跨导放大器的输出端从外部抽取电流，在基准电压输出支路的补偿电阻上产生补偿电压；所述误差放大器连接一阶补偿基准产生电路和补偿电阻，对基准进行钳位，同时为基准电压输出支路提供电流。

2.根据权利要求1所述双边温度补偿的带隙基准电路，其特征在于，所述一阶补偿基准产生电路包括第一晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一三极管以及第二三极管；第一晶体管的栅极接偏置电压，第一晶体管的漏极接电源电压；第一三极管和第二三极管的基极相连；第一电阻连接在第一晶体管的源极和第一三极管的集电极之间，第二电阻连接在第一晶体管的源极和第二三极管的集电极之间，第三电阻连接在第一三极管和第二三极管的发射极之间，第四电阻连接在第二三极管的发射极和地之间；

所述误差放大器的反向输入端连接第一三极管的集电极，同向输入端连接第二三极管的集电极，输出端作为基准电压输出端；

所述补偿与分压电阻包括串联的第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻以及第九电阻；第五电阻连接基准电压输出端，第九电阻接地；第六电阻和第七电阻的中点连接第一三极管和第二三极管的基极；

所述高低温补偿跨导放大器的三个输入端分别连接第七电阻和第八电阻的中点、第八电阻和第九电阻的中点、第二三极管的发射极；输出端连接第五电阻和第六电阻的中点。

3.根据权利要求1或2所述双边温度补偿的带隙基准电路，其特征在于，所述高低温补偿跨导放大器包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第十电阻、第十一电阻、第三三极管、第四三极管以及第五三极管；

第三晶体管和第四晶体管的栅极连接所述一阶补偿基准产生电路产生的正温度系数电压，第二晶体管的栅极连接所述高电压，第五晶体管的栅极连接所述低电压，第二晶体管和第四晶体管的漏极相连，第三晶体管和第五晶体管的漏极相连；

第六晶体管和第七晶体管的栅极接偏置电压，第六晶体管和第七晶体管的源极接电源电压，第六晶体管的漏极与第二晶体管和第三晶体管的源极相连，第七晶体管的漏极与第四晶体管和第五晶体管的源极相连；

第十电阻连接在第三晶体管的漏极和第三三极管的集电极之间，第十一电阻连接在第四晶体管的漏极和第四三极管的集电极之间；

第三三极管的基极和集电极相连，第四三极管的基极和集电极相连，第四三极管和第五三极管的基极相连，第五三极管的集电极作为输出端，第三三极管、第四三极管、第五三极管的发射极接地。