CN205983278U - 一种高精度低温漂带隙基准电压源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度低温漂带隙基准电压源，正温度系数电流产生电路产生与绝对温度成正比的电流；负温度系数电流产生电路产生与绝对温度成反比的电流；2次温度探测与补偿电路，通过对正温度系数电流与负温度系数电流的相加补偿，使带隙基准在工作温度区间得到三个以上的温度拐点；启动电路，在电源上电过程中驱动正温度系数电流产生电路和负温度系数电流产生电路摆脱简并偏置点，建立正常工作点；电流求和电路，产生带隙基准电压。本实用新型的带隙基准电压源，引入2个温控电流比较器来实现多次温度补偿，在全温度范围内得到5个温度拐点，无需额外的偏置电路；无需运算放大器对电压钳位，降低了电路复杂程度。

Description

一种高精度低温漂带隙基准电压源

技术领域

本实用新型属于集成电路设计领域，尤其涉及高精度带隙基准电压源电路。

背景技术

很多高精度的电路诸如模数、数模转换器，锁相环、电源管理系统等都需要低温漂的带隙基准源作为参考电压使用。传统带隙电压电路通常采用一阶温度补偿即对BE结温度系数的线性补偿，得到一个温度拐点；或二阶曲率温度补偿即在一阶补偿的基础上增加对BE中的温度系数的平方项补偿，温度拐点在2～3个；但补偿后的带隙基准温漂受加工工艺影响较大，且温度范围较窄，很难满足一些对应用温度范围具有较宽要求的领域；一些基于诸如双极和薄膜电阻等工艺的带隙基准源电路可以实现几个ppm的温漂，但与标准CMOS工艺不兼容，不能实现全片内集成。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高精度低温漂带隙基准电压源，基于标准CMOS工艺实现，整个电路无需额外的偏置电路；无需运算放大器对电压钳位，可降低电路复杂程度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，包括：

正温度系数电流产生电路，产生与绝对温度成正比的电流I_PTAT；

负温度系数电流产生电路，产生与绝对温度成反比的电流I_CTAT；

2次温度探测与补偿电路，通过对正温度系数电流与负温度系数电流的相加补偿，使带隙基准在工作温度区间得到三个以上的温度拐点；

启动电路，在电源上电过程中驱动正温度系数电流产生电路和负温度系数电流产生电路摆脱简并偏置点，建立正常工作点；

电流求和电路，对正温度系数电流与负温度系数电流的电流求和，产生带隙基准电压Vref。

正温度系数电流产生电路包括由MOS管M1、M2、M3和M4构成的电流镜，电流镜对应由MOS管M5、M6、M7和M8构成负反馈钳位，使电流镜的节点3和节点4的电压相等。

正温度系数电流产生电路包括MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8和PNP管Q1、Q2及电阻R1；

MOS管M1、M2、M5和M6的源极接电源VDD；M1、M2的栅极及M2的漏极共连，M1、M2的漏极分别连接M3、M4的漏极，M3的栅极连接M8的栅极和漏极，M4的栅极连接M7的栅极和漏极形成节点11；M3的源极与M7的源极、电阻R1的一端共接形成电流镜节点3，M4的源极与M8的源极、PNP管Q2的发射极共接形成电流镜节点4；电阻R1的另一端连接PNP管Q1的发射极，PNP管Q1的集电极接地；PNP管Q1的基极与PNP管Q2的基极共连接地，PNP管Q2的集电极接地；M7、M8的漏极分别与M5、M6的漏极连接；M5、M6的栅极与M1的漏极共连形成节点1。

负温度系数电流产生电路包括由MOS管M1A、M2A、M3A和M4A构成的电流镜，电流镜对应由MOS管M5A、M6A、M7A和M8A构成负反馈钳位，使电流镜的节点5和节点4的电压相等。

负温度系数电流产生电路包括M1A、M2A、M3A、M4A、M5A、M6A、M7A、M8A和电阻R2；

MOS管M1A、M2A、M5A和M6A的源极接电源VDD；M1A、M2A的栅极及M2A的漏极共连，M1A、M2A的漏极分别连接M3A、M4A的漏极，M3A、M4A的栅极分别连接M8AA、M7A的栅极和漏极，M3A的源极与M7A的源极、电阻R2的一端共接形成电流镜节点5，M4A的源极与M8A的源极共接形成电流镜节点4；电阻R2的另一端接地；M7A、M8AA的漏极分别与M5A、M6A的漏极连接；M5A、M6A的栅极与M1A的漏极共接形成节点2。

2次温度探测与补偿电路包括MOS管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19和M20；

M11、M13、M14、M15、M17、M18和M19源极接电源VDD；M11的栅极连接至节点1，M11的漏极连接至M12的漏极与栅极形成节点6；M13的栅极连接至节点2，M13的漏极与M14的漏极和栅极、M15的栅极、M16的漏极共连形成节点7；M17的栅极连接至节点2，M17的漏极与M18的漏极和栅极、M19的栅极、M20的漏极共连形成节点8；M15的漏极与M19的漏极共连形成节点10；M12、M16、M20的源极共连至地。

启动电路包括MOS管M21、M22、M23和M24；

M21的源极接电源VDD，M21的栅极接地，M21的漏极与M22的漏极、M23的栅极、M24的栅极共连形成节点12；M22的栅极连接至节点11；M23的漏极连接至节点1；M24的漏极连接至节点2；M22、M23和M24的源极接地。

电流求和电路包括MOS管M9、M10、电阻R3、电阻R4、电阻R5；

M9、M10的源极接电源VDD；M9、M10的栅极分别连接至节点2和节点1；M10的漏极与电阻R3一端共接形成带隙基准电压Vref；电阻R3另一端与M9的漏极、电阻R4的一端共接形成节点9；电阻R4的另一端与电阻R5的一端共接形成节点10；电阻R5的另一端接地。

本实用新型所达到的有益效果：

本实用新型的基于标准CMOS工艺实现的高精度低温漂带隙基准电压源，引入2个温控电流比较器来实现多次温度补偿，在全温度范围内得到5个温度拐点，整个电路无需额外的偏置电路；通过简单的环路负反馈电压钳位得到高精度的正温度系数和负温度系数电流，因而无需运算放大器对电压钳位，降低了电路复杂程度。

附图说明

图1本实用新型的高精度低温漂带隙基准电压源；

图2本实用新型的高精度低温漂带隙基准电压源温度曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1和图2所示，本实用新型的电路组成：

(1)MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8和衬底PNP管Q1、Q2及电阻R1构成高精度正温度系数电流产生电路，即产生与绝对温度成正比的电流I_PTAT。

设MOS管M1和M2、M3和M4、M5和M6，M7和M8宽W、长L比分别相同，即：

MOS管M5、M6、M7和M8构成负反馈钳位，使由MOS管M1、M2、M3和M4构成的电流镜节点3和节点4的电压精确相等，即V₃＝V₄；同时保证V₃和V₄不受电源VDD和沟道调制效应的影响。

MOS管M1、M2、M5和M6的源极接电源VDD；M1、M2的栅极及M2的漏极共连，M1、M2的漏极分别连接M3、M4的漏极，M3的栅极连接M8的栅极和漏极，M4的栅极连接M7的栅极和漏极形成节点11；M3的源极与M7的源极、电阻R1的一端共接形成电流镜节点3，M4的源极与M8的源极、PNP管Q2的发射极共接形成电流镜节点4；电阻R1的另一端连接PNP管Q1的发射极，PNP管Q1的集电极接地；PNP管Q1的基极与PNP管Q2的基极共连接地，PNP管Q2的集电极接地。M7、M8的漏极分别与M5、M6的漏极连接；M5、M6的栅极与M1的漏极共连形成节点1。

设PNP管Q1发射极电流为I_PTAT：

其中为热电压，K_B为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为一个电子的电量；N为PNP管Q1和Q2的发射极面积比，M为PNP管Q2和Q1集电极电流值比；R1为电阻R1的阻值；V_EB2为PNP管Q2的发射结偏置电压，V_EB1为PNP管Q1的发射结偏置电压。

当a为比例系数，a>0

为MOS管M10的宽长比；

则MOS管M5和M10的电流为

(2)MOS管M1A、M2A、M3A、M4A、M5A、M6A、M7A、M8A和电阻R2构成高精度负温度系数电流产生电路，即产生与绝对温度成反比的电流I_CTAT。

当MOS管M1A和M2A、M3A和M4A、M5A和M6A，M7A和M8A的宽W、长L比分别相同，即：

MOS管M5A、M6A、M7A和M8A构成负反馈钳位，使由MOS管M1A、M2A、M3A和M4A构成的电流镜节点5和节点4的电压精确相等，即V₅＝V₄；同时保证V₅和V₄不受电源VDD和沟道调制效应的影响。

MOS管M1A、M2A、M5A和M6A的源极接电源VDD；M1A、M2A的栅极及M2A的漏极共连，M1A、M2A的漏极分别连接M3A、M4A的漏极，M3A、M4A的栅极分别连接M8AA、M7A的栅极和漏极，M3A的源极与M7A的源极、电阻R2的一端共接形成电流镜节点5，M4A的源极与M8A的源极、PNP管Q2的发射极共接形成电流镜节点4；电阻R2的另一端接地。M7A、M8AA的漏极分别与M5A、M6A的漏极连接；M5A、M6A的栅极与M1A的漏极共接形成节点2。

设电阻R2上的电流为I_CTAT：

其中，R2为电阻R2的阻值；

如果b为比例系数，b>0

为MOS管M9的宽长比；

则M5A和M9的电流为

(3)MOS管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20构成2次温度探测与补偿电路。

MOS管M11、M13、M14、M15、M17、M18和M19源极接电源VDD。M11的栅极连接至节点1，M11的漏极连接至M12的漏极与栅极形成节点6；M13的栅极连接至节点2，M13的漏极与M14的漏极和栅极、M15的栅极、M16的漏极共连形成节点7；M17的栅极连接至节点2，M17的漏极与M18的漏极和栅极、M19的栅极、M20的漏极共连形成节点8；M15的漏极与M19的漏极、电阻R4的另一端、电阻R5的一端共连形成节点10；M12、M16、M20的源极共连至地。

通过正温度系数与负温度系数电流的相加补偿，带隙基准得到一个温度拐点T₀。当电路的应用温度范围较宽时，基准电压随温度的变化相应增大。

设MOS管M5和M11、M12和M16、M20的宽W、长L比分别相同，

则MOS管M5、M11、M12、M16和M20的电流相等，I₅＝I₁₁＝I₁₂＝I₁₆＝I₂₀

设

则MOS管M13的电流I₁₃＝cI_5A，MOS管M17的电流I₁₇＝dI_5A。

因为I₁₃为负温度系数电流，I₁₆为正温度系数电流。当温度较低时，I₁₃≥I₁₆，所以M14和M15没有电流，处于截止状态，M15不在节点10注入电流。直到升高至温度T₁时，当I₁₃<I₁₆，M15开始在节点10注入电流，电流为I₁₅＝k₁(I₁₆-I₁₃)，其中k₁是比例系数，此电流I₁₅具有正温度系数，因而得到第二个温度拐点T₁。其中，分别为MOS管M15、M14的宽W、长L比。

随着温度继续升，EB结电压下降占优，直到升至温度T₂时，出现第三个温度拐点T₂。

同理，因为I₁₇为负温度系数电流，I₂₀为正温度系数电流，当温度大于T₂小于T₃，I₁₇≥I₂₀，M18和M19没有电流，处于截止状态，因而M19不在节点10注入电流。直到温度T₃时，I₁₇<I₂₀，M19开始在节点10注入电流，电流为I₁₉＝k₂(I₂₀-I₁₇)，其中k₂是比例系数，得到第四个温度拐点T₃。

其中，分别为MOS管M19、M18的宽W、长L比。

这时总的补偿电流为I₁₅+I₁₉，且c<d。

随着温度继续升高至T₄时，EB结电压下降开始占优，出现第五个温度拐点T₄。其中，温度拐点T₀<T₁<T₂<T₃<T₄。

本电路在整个工作温度区间出现5个温度拐点，与传统的一阶温度补偿的一个温度拐点或二阶温度补偿的2～3个温度拐点相比，大大降低了基准电压随温度的变化。

(4)MOS管M21、M22、M23和M24构成启动电路，保证电源上电过程中驱动带隙基准源电路摆脱简并偏置点，建立正常工作点。

MOS管M21的源极接电源VDD，M21的栅极接地，M21的漏极与M22的漏极、M23的栅极、M24的栅极共连形成节点12；M22的栅极连接至节点11；M23的漏极连接至节点1；M24的漏极连接至节点2；M22、M23和M24的源极接地。

电源VDD从0升高初期，节点12的电压等于电源VDD，因此节点1的电压为0，MOS管M5和M6导通给正温度系数电流产生电路充电；同理，节点2的电压为0，MOS管M5A和M6A导通给负温度系数电流产生电路充电直到建立正常的工作点。当节点11的电压大于1个NMOS阈值电压后，MOS管M22导通，节点12的电压被拉至0，因而MOS管M23和M24关断，启动完成。

(5)MOS管M9、M10、电阻R3、电阻R4、电阻R5构成电流求和电路，产生带隙基准电压Vref。M9、M10的源极接电源VDD。M9、M10的栅极分别连接至节点2和节点1。M10的漏极与电阻R3一端共接形成带隙基准电压Vref；电阻R3另一端与M9的漏极、电阻R4的一端共接形成节点9；电阻R4的另一端与电阻R5的一端、M15的漏极与M19的漏极共接形成节点10；电阻R5的另一端接地。

当I₁₃≥I₁₆，即

其中，R3、R4、R5分别为电阻R3、电阻R4、电阻R5的阻值；

当I₁₃<I₁₆且I₁₇≥I₂₀，即

当I₁₇<I₂₀，即

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，包括：

正温度系数电流产生电路，产生与绝对温度成正比的电流；

负温度系数电流产生电路，产生与绝对温度成反比的电流；

2次温度探测与补偿电路，通过对正温度系数电流与负温度系数电流的相加补偿，使带隙基准在工作温度区间得到三个以上的温度拐点；

启动电路，在电源上电过程中驱动正温度系数电流产生电路和负温度系数电流产生电路摆脱简并偏置点，建立正常工作点；

电流求和电路，对正温度系数电流与负温度系数电流的电流求和，产生带隙基准电压。

2.根据权利要求1所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，正温度系数电流产生电路包括由MOS管M1、M2、M3和M4构成的电流镜，电流镜对应由MOS管M5、M6、M7和M8构成负反馈钳位，使电流镜的节点3和节点4的电压相等。

3.根据权利要求1所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，正温度系数电流产生电路包括MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8和PNP管Q1、Q2及电阻R1；

MOS管M1、M2、M5和M6的源极接电源VDD；M1、M2的栅极及M2的漏极共连，M1、M2的漏极分别连接M3、M4的漏极，M3的栅极连接M8的栅极和漏极，M4的栅极连接M7的栅极和漏极形成节点11；M3的源极与M7的源极、电阻R1的一端共接形成电流镜节点3，M4的源极与M8的源极、PNP管Q2的发射极共接形成电流镜节点4；电阻R1的另一端连接PNP管Q1的发射极，PNP管Q1的集电极接地；PNP管Q1的基极与PNP管Q2的基极共连接地，PNP管Q2的集电极接地；M7、 M8的漏极分别与M5、M6的漏极连接；M5、M6的栅极与M1的漏极共连形成节点1。

4.根据权利要求1所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，负温度系数电流产生电路包括由MOS管M1A、M2A、M3A和M4A构成的电流镜，电流镜对应由MOS管M5A、M6A、M7A和M8A构成负反馈钳位，使电流镜的节点5和节点4的电压相等。

5.根据权利要求1所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，负温度系数电流产生电路包括M1A、M2A、M3A、M4A、M5A、M6A、M7A、M8A和电阻R2；

MOS管M1A、M2A、M5A和M6A的源极接电源VDD；M1A、M2A的栅极及M2A的漏极共连，M1A、M2A的漏极分别连接M3A、M4A的漏极，M3A、M4A的栅极分别连接M8AA、M7A的栅极和漏极，M3A的源极与M7A的源极、电阻R2的一端共接形成电流镜节点5，M4A的源极与M8A的源极共接形成电流镜节点4；电阻R2的另一端接地；M7A、 M8AA的漏极分别与M5A、M6A的漏极连接；M5A、M6A的栅极与M1A的漏极共接形成节点2。

6.根据权利要求1、3或5所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，2次温度探测与补偿电路包括MOS管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19和M20；

M11、M13、M14、M15、M17、M18和M19源极接电源VDD；M11的栅极连接至节点1，M11的漏极连接至M12的漏极与栅极形成节点6；M13的栅极连接至节点2，M13的漏极与M14的漏极和栅极、M15的栅极、M16的漏极共连形成节点7；M17的栅极连接至节点2，M17的漏极与M18的漏极和栅极、M19的栅极、M20的漏极共连形成节点8；M15的漏极与M19的漏极共连形成节点10；M12、M16、M20的源极共连至地。

7.根据权利要求1、3或5所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，启动电路包括MOS管M21、M22、 M23和M24；

M21的源极接电源VDD，M21的栅极接地，M21的漏极与M22的漏极、M23的栅极、M24的栅极共连形成节点12；M22的栅极连接至节点11；M23的漏极连接至节点1；M24的漏极连接至节点2；M22、 M23和M24的源极接地。

8.根据权利要求1、3或5所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，电流求和电路包括MOS管M9、M10、电阻R3、电阻R4、电阻R5；

M9、M10的源极接电源VDD；M9、M10的栅极分别连接至节点2和节点1；M10的漏极与电阻R3一端共接形成带隙基准电压；电阻R3另一端与M9的漏极、电阻R4的一端共接形成节点9；电阻R4的另一端与电阻R5的一端共接形成节点10；电阻R5的另一端接地。