CN216596054U - 一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路 - Google Patents

Abstract

一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路，属于半导体集成电路领域。包括带隙电压生成模块BG，运算放大器模块AMP，温度系数可调基准电压输出模块CREF；带隙电压生成模块BG输出端与运算放大器模块AMP输入端对应连接；运算放大器模块AMP输出端与温度系数可调基准电压输出模块CREF输入端对应连接，输出端反馈负温度系数电压信号到带隙电压生成模块BG控制端；温度系数可调基准电压输出模块CREF控制端与位数字控制信号端连接，输出端连接Vref端。解决了现有带隙基准电路不能解决除温度之外其他如辐照等环境因素对电路输出稳定参考信号的影响的问题。广泛应用于要求在复杂环境下稳定性和准确性高的基准电源系统中。

Description

一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路

技术领域

本实用新型属于半导体集成电路领域，具体来说，涉及一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路。

背景技术

在高精度运算放大器、数据转换器等电路应用中，半导体器件的电参数、集成电路的精度等性能会受到温度等外界因素的影响。常见的带隙基准电路为集成电路提供了一个因温度的大幅度变化而变化幅度小的参考信号，减小了温度对集成电路性能的影响，但其他环境因素(如辐照等)对电路的影响并没有在该电路中得到遏制。为了减小其他外界因素的影响，使设计的芯片可以工作在环境更为严苛和复杂多变的场景中，带隙基准电路需要根据应用环境做出一定的调节并输出在影响前后变动幅度小的参考信号。在带隙基准电路中添加数字调控的结构可以实现在软件层对参考信号调节的功能，进而可以提高参考信号的在更复杂环境下的稳定性和准确性。

在中国专利数据库中涉及到数字调控带隙基准电路的专利有《一种数字可调的带隙基准电路》(公开号为CN111158280 A)，然而迄今为止，尚无采用本实用新型所述的技术方案实现数字修调的申请件。

有鉴于此，特提出本实用新型。

发明内容

本实用新型的目的是：解决现有带隙基准电路不能解决除温度之外其他环境因素(如辐照等)对电路输出稳定参考信号的影响的问题。

本实用新型的发明构思是：在带隙基准电路中添加数字修调的结构以实现在软件层对参考信号进行调节的功能，进而提高在更复杂环境下参考信号的稳定性和准确性。首先利用运算放大器模块对带隙电压生成模块产生的温度系数不同的两个负温度系数电压进行做差、放大得到正、负温度系数偏置电压并用于驱动电流源，然后温度系数可调基准电压输出模块通过数字控制信号对正温度系数电流源进行配比，最终各电流源的总电流加和通过一个负载阵列得到电压输出，实现数字控制信号对输出带隙基准电压的温度系数和大小进行调节的功能，能够减小带隙基准电流源受到非温度因素的影响，可以适应不同环境的应用场景。

为此，本实用新型提供了一种基于运放的温度系数可调的带隙基准电路，如图1所示。所述电路包括：带隙电压生成模块BG，运算放大器模块AMP，温度系数可调基准电压输出模块CREF。

带隙电压生成模块BG产生两个具有不同的负温度系数的电压，这两个电压经过运算放大器模块AMP作差、放大，生成具有正、负温度系数的偏置电压并用于驱动电流源，然后温度系数可调基准电压输出模块通过数字控制信号对正温度系数电流源进行配比，最终各电流源的总电流加和通过一个负载电阻得到电压输出，实现数字控制信号对输出带隙基准电压的温度系数进行调节的功能。

所述带隙电压生成模块BG，用于接收运算放大器模块AMP输出的V2_2，产生两个负温度系数不同的带隙电压V1_1、V1_2；

所述运算放大器模块AMP，用于接收带隙电压生成模块输出的V1_1、V1_2，产生具有正温度系数和负温度系数的电压V2_1、V2_2；

所述温度系数可调基准电压输出模块CREF，用于接收运算放大器模块输出的V2_1、V2_2，以及接收n位数字控制信号NC<n-1:0>和PC<n-1:0>，产生带隙基准电压Vref，其特征在于，Vref的温度系数可以通过n位数字控制信号NC<n-1:0>和PC<n-1:0>调节。

所述带隙电压生成模块BG包括：两个PMOS型晶体管PM1_1、PM1_2，三个NPN型晶体管NB1_1、NB1_2、NB1_3，两个电阻R1_1、R1_2。其中：PM1_1的栅极、PM1_2的栅极连接并接收输入信号V2_2，PM1_1的源极和PM1_2的源极接电源，PM1_1的漏极接NB1_1的集电极，PM1_2的漏极接NB1_2的集电极；NB1_1的基极、NB1_2的基极、NB1_3的基极与NB1_3的集电极连接R1_1的负端，R1_1的正端接电源，NB1_1的发射极连接R1_2的正端，R1_2的负端、NB1_2的发射极和NB1_3的发射极接地。NB1_1的集电极作为BG的输出端输出电压V1_1，NB1_2的集电极作为BG的输出端输出电压V1_2。

所述运算放大器模块AMP包括：全差分运算放大器A、PMOS晶体管PM2_1、电阻R2_1，其中：全差分运算放大器A的正向输入端接输入信号V1_1，A的反向输入端接输入信号V1_2，A的共模输入端接PM2_1的栅极；PM2_1的栅极、PM2_1的漏极与电阻R2_1的正端连接，R2_1的负端接地；A的正向输出端作为AMP的输出端输出V2_1，A的反向输出端作为AMP的输出端输出V2_2。

所述温度系数可调基准电压输出模块CREF包括：四组PMOS晶体管PM3_1<n-1:0>、PM3_2<n-1:0>、PM3_3<n-1:0>、PM3_4<n-1:0>，电阻R3_1，其中：PM3_1<n-1:0>的源极接电源，PM3_1<n-1:0>的栅极接V2_1，PM3_1<n-1:0>的漏极接PM3_2<n-1:0>的源极；PM3_3<n-1:0>的源极接电源，PM3_3<n-1:0>的栅极接V2_2，PM3_3<n-1:0>的漏极接PM3_4<n-1:0>的源极；PM3_2<n-1:0>的栅极接NC<n-1:0>，PM3_4<n-1:0>的栅极接PC<n-1:0>，PM3_2<n-1:0>的漏极和PM3_4<n-1:0>的漏极连接并向R3_1的输送一个电流Iref，产生输出电压Vref。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本实用新型采用的运算放大器具有共模控制的功能，可以根据工艺偏差和实际应用的要求对其输出的偏置电压进行平移，进而调节整体输出电压大小。同时运算放大器的使用增强了整体电路的稳定性。

(2)本实用新型所采用的数字控制温度系数可调基准电压输出模块中电流源比例的方法，可灵活设置电流源晶体管的尺寸，从而调节电流最小步长，可以满足多种精度要求。

本实用新型广泛应用于要求在复杂环境下稳定性和准确性高的基准电源系统中。

附图说明

图1为本实用新型基于运放的带隙基准电路原理框图示意图。

图2为本实用新型带隙电压生成模块BG电路原理示意图。

图3为本实用新型运算放大器模块AMP电路原理示意图。

图4为本实用新型温度系数可调基准电压输出模块CREF电路原理示意图。

具体实施方式

结合图1-图4，下面对本实用新型实施例做更进一步说明：

如图1所示，本发明提供了一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路，该电路包括带隙电压生成模块BG，运算放大器模块AMP，温度系数可调基准电压输出模块CREF。

其中，带隙电压生成模块BG，用于接收运算放大器模块AMP输出的V2_2，产生两个负温度系数不同的带隙电压V1_1、V1_2；

运算放大器模块AMP，用于接收带隙电压生成模块输出的V1_1、V1_2，产生具有正温度系数和负温度系数的电压V2_1、V2_2；

温度系数可调基准电压输出模块CREF，用于接收运算放大器模块输出的V2_1、V2_2，以及接收4位数字控制信号NC<3:0>，产生带隙基准电压Vref，其特征在于，Vref的正温度系数可以通过4位数字控制信号NC<3:0>调节。

如图2所示，带隙电压生成模块BG包括：两个PMOS型晶体管PM1_1、PM1_2，三个NPN型晶体管NB1_1、NB1_2、NB1_3，两个电阻R1_1、R1_2。其中：PM1_1的栅极、PM1_2的栅极连接并接收输入信号V2_2，PM1_1的源极和PM1_2的源极接电源，PM1_1的漏极接NB1_1的集电极，PM1_2的漏极接NB1_2的集电极；NB1_1的基极、NB1_2的基极、NB1_3的基极与NB1_3的集电极连接R1_1的负端，R1_1的正端接电源，NB1_1的发射极连接R1_2的正端，R1_2的负端、NB1_2的发射极和NB1_3的发射极接地。NB1_1的集电极作为BG的输出端输出电压V1_1，NB1_2的集电极作为BG的输出端输出电压V1_2。其中V1_1的温度系数为负且绝对值较低，V1_2的温度系数为负且绝对值较大。

如图3所示，运算放大器模块AMP包括：全差分运算放大器A、PMOS晶体管PM2_1、电阻R2_1，其中：全差分运算放大器A的正向输入端接输入信号V1_1，A的反向输入端接输入信号V1_2，A的共模输入端接PM2_1的栅极；PM2_1的栅极、PM2_1的漏极与电阻R2_1的正端连接，R2_1的负端接地；A的正向输出端作为AMP的输出端输出V2_1，A的反向输出端作为AMP的输出端输出V2_2。该电路通过一个自偏置电路产生全差分运放需要的共模电平，该自偏置电路的输出电平用于控制后续温度系数可调基准电压输出模块的偏置电压。在该实施例中，V2_1为负温度系数的电压，V2_2为正温度系数的电压。

如图4所示，温度系数可调基准电压输出模块CREF包括：四组PMOS晶体管PM3_1<3:0>、PM3_2<3:0>、PM3_3<3:0>、PM3_4<3:0>，电阻R3_1，其中：PM3_1<3:0>的源极接电源，PM3_1<3:0>的栅极接V2_1，PM3_1<3:0>的漏极接PM3_2<3:0>的源极；PM3_3<3:0>的源极接电源，PM3_3<3:0>的栅极接V2_2，PM3_3<3:0>的漏极接PM3_4<3:0>的源极；PM3_2<3:0>的栅极接NC<3:0>，PM3_4<3:0>的栅极接PC<3:0>，PM3_2<3:0>的漏极和PM3_4<3:0>的漏极连接并向R3_1的输送一个电流Iref，产生输出电压Vref。

下面对本实施例中数字控制信号对输出电压的控制方法进行举例说明。

在本电路中，V2_1、V2_2分别为正温度系数和负温度系数的电压，V2_1施加在源极接电源的PMOS栅极上时，该PMOS管的输出电流具有负温度系数，同样的V2_2偏置下的PMOS的输出电流具有正温度系数。NC<3:0>与PC<3:0>控制PMOS开关管PM3_2<3:0>和PM3_4<3:0>的栅极，当NC<n>、PC<n>为低电平时，对应PM3_1<n>和PM3_3<n>的电流可以通过开关管PM3_2<n>和PM3_4<n>。如果PM3_1<3:0>和PM3_3<3:0>的尺寸为8、4、2、1倍成比例的设计，NC<3:0>与PC<3:0>就能以二进制补码的方式控制流过开关管的总电流的配比。例如，在NC<3:0>＝1111、PC<3:0>＝1111时，所有开关关闭，没有电流输出；在NC<3:0>＝0000、PC<3:0>＝0000时，所有开关打开，输出电流最大。NC<3:0>的二进制值每减小1，输出电流的温度系数减少一个步进，同时输出带隙基准电压的温度系数减少一个步进；PC<3:0>的二进制值每减小1，输出电流的温度系数增加一个步进，同时输出带隙基准电压的温度系数增加一个步进；二者同时增加或减小，可以在不影响输出电流和输出电压的温度系数的情况下改变输出电流和输出电压的大小。为实现在不改动输出电压大小的情况下改变温度系数，可以先通过调节温度系数在调节电流电压大小的方式来实现。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

Claims (4)

1.一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路，其特征在于，包括：带隙电压生成模块BG，运算放大器模块AMP，温度系数可调基准电压输出模块CREF；

所述带隙电压生成模块BG的输出端与运算放大器模块AMP的输入端对应连接；所述运算放大器模块AMP的输出端与所述温度系数可调基准电压输出模块CREF的输入端对应连接，输出端反馈负温度系数电压信号到所述带隙电压生成模块BG的控制端；所述温度系数可调基准电压输出模块CREF的控制端与位数字控制信号端连接，输出端连接Vref端；

所述带隙电压生成模块BG，用于接收运算放大器模块AMP输出的V2_2，产生两个负温度系数不同的带隙电压V1_1、V1_2；

所述运算放大器模块AMP，用于接收带隙电压生成模块输出的V1_1、V1_2，产生具有正温度系数和负温度系数的电压V2_1、V2_2；

所述温度系数可调基准电压输出模块CREF，用于接收运算放大器模块输出的V2_1、V2_2，以及接收n位数字控制信号NC<n-1:0>和PC<n-1:0>，产生带隙基准电压Vref，Vref的温度系数可以通过n位数字控制信号NC<n-1:0>和PC<n-1:0>调节。

2.如权利要求1所述的一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路，其特征在于，所述带隙电压生成模块BG包括：两个PMOS型晶体管PM1_1、PM1_2，三个NPN型晶体管NB1_1、NB1_2、NB1_3，两个电阻R1_1、R1_2；

所述PM1_1的栅极、PM1_2的栅极连接并接收输入信号V2_2，PM1_1的源极和PM1_2的源极接电源，PM1_1的漏极接NB1_1的集电极，PM1_2的漏极接NB1_2的集电极；

所述NB1_1的基极、NB1_2的基极、NB1_3的基极与NB1_3的集电极连接R1_1的负端，R1_1的正端接电源，NB1_1的发射极连接R1_2的正端，R1_2的负端、NB1_2的发射极和NB1_3的发射极接地；

所述NB1_1的集电极作为BG的输出端输出电压V1_1，NB1_2的集电极作为BG的输出端输出电压V1_2。

3.如权利要求1所述的一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路，其特征在于，所述运算放大器模块AMP，包括：全差分运算放大器A、PMOS晶体管PM2_1、电阻R2_1；

所述全差分运算放大器A的正向输入端接输入信号V1_1，A的反向输入端接输入信号V1_2，A的共模输入端接PM2_1的栅极；

所述PM2_1的栅极、PM2_1的漏极与电阻R2_1的正端连接，PM2_1的源极接电源，R2_1的负端接地；

所述全差分运算放大器A的正向输出端作为AMP的输出端输出V2_1，A的反向输出端作为AMP的输出端输出V2_2。

4.如权利要求1所述的一种基于运放的温度系数可调的带隙基准源电路，其特征在于，所述温度系数可调基准电压输出模块CREF包括：四组PMOS晶体管PM3_1<n-1:0>、PM3_2<n-1:0>、PM3_3<n-1:0>、PM3_4<n-1:0>，电阻R3_1；

所述PM3_1<n-1:0>的源极接电源，PM3_1<n-1:0>的栅极接V2_1，PM3_1<n-1:0>的漏极接PM3_2<n-1:0>的源极；

所述PM3_3<n-1:0>的源极接电源，PM3_3<n-1:0>的栅极接V2_2，PM3_3<n-1:0>的漏极接PM3_4<n-1:0>的源极；

所述PM3_2<n-1:0>的栅极接NC<n-1:0>，PM3_4<n-1:0>的栅极接PC<n-1:0>，PM3_2<n-1:0>的漏极和PM3_4<n-1:0>的漏极连接并向R3_1的输送一个电流Iref，产生输出电压Vref。

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