專利名稱：一種具有高階溫度補償電路的電壓基準(zhǔn)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及電壓基準(zhǔn)源，尤其涉及一種具有高階溫度補償電 流產(chǎn)生電路的CMOS電壓基準(zhǔn)源，主要用于模擬、數(shù)?；旌想娐沸枰a(chǎn)生低溫度系數(shù)的基準(zhǔn) 電路中。
背景技術(shù)：
在模擬、數(shù)模混合以至純數(shù)字電路中都需要用到基準(zhǔn)源電路?；鶞?zhǔn)源電路要求在 電源電壓或溫度變化時保持穩(wěn)定的輸出，同時，要求其不隨工藝的變化而變化。按照輸出方 式的不同，基準(zhǔn)電路可分為電壓型基準(zhǔn)源(以輸出恒定電壓為目的的電路)和電流型基準(zhǔn) 源(以輸出恒定電流為目的的電路)。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源的一般產(chǎn)生方式為具有負(fù)溫度系數(shù)的三極管的BE結(jié)電 壓Vbe疊加上一個正溫度系數(shù)的電壓\，從而得到在一定范圍內(nèi)溫漂較小的基準(zhǔn)電壓Vkef = VBE+VC，其中\(zhòng) = K1Vt，Vt = kT/q為熱電壓，與溫度成正比。已經(jīng)證明，三極管的BE結(jié)電壓 Vbe隨溫度變化的表達(dá)式如下Veb (T) = VG0-VTln (EG) - ( η - α ) V1In (T)(1)其中Ngo為硅元素在OK溫度時的帶隙電壓；E和G為與溫度無關(guān)但與制造工藝相 關(guān)的項，η為與溫度無關(guān)但與三極管遷移率的溫度指數(shù)相關(guān)的項；α為三極管集電極電流 的溫度指數(shù)項。由于Vbe中除了含有與溫度有關(guān)的線性項-VtIii(EG)夕卜，還含有與溫度T有關(guān)的非 線性項_( η-α )VTlnT。這樣使得傳統(tǒng)的由Vbe疊加一個正溫度系數(shù)電壓K1Vt得到的基準(zhǔn)電 壓很難達(dá)到較高的溫度特性，也因此產(chǎn)生了一些高階溫度補償方法來修正基準(zhǔn)電壓，以使 其達(dá)到更好的溫度特性。為進(jìn)一步優(yōu)化基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)，許多高階溫度補償技術(shù)應(yīng)運而生，其基本思 想是引入高級的數(shù)學(xué)函數(shù)抵消PN結(jié)電壓中的高階溫度系數(shù)，如二階溫度補償、分段線性補 償、指數(shù)階溫度補償和具有溫度特性的電阻比例補償技術(shù)等。然而上述方法，都僅僅是實現(xiàn) 一定冪次的函數(shù)，以局部補償PN結(jié)電壓的高階溫度系數(shù)，并且對工藝的敏感度較高。文獻(xiàn)“一個1. Iv電流模式分段線性曲率校正帶隙基準(zhǔn)源”中，提出了一種低溫度 系數(shù)參考電壓源產(chǎn)生電路，主要包括一用于產(chǎn)生正溫系數(shù)電流的電路，一個用于產(chǎn)生負(fù)溫 系數(shù)電流的電路，一個電流減法器，用于產(chǎn)生一個非線性電流。低溫度時，將正溫系數(shù)電流 和負(fù)溫系數(shù)電流按一定比例流入一個電阻網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一個一階補償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓。高溫 時，一個非線性電流流入這個電阻網(wǎng)絡(luò)，用來提高正溫電流所占的比例，而獲得一個低溫度 系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源。該技術(shù)方案原理圖如圖2所示。該技術(shù)方案經(jīng)計算機仿真，在-15 90°C范圍內(nèi)，輸出基準(zhǔn)電壓的變化為0. 68%，即6. 5ppm/°C。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有高階溫度補償電路的電壓基準(zhǔn)源，采用成本較低的普通CMOS工藝，通過增加的高階溫度補償電路產(chǎn)生電路對三極管基極與發(fā)射極電壓之間的導(dǎo)通電壓 Vbe進(jìn)行線性化，得到一個與PN結(jié)電壓的高階溫度量近似一致的高階補償量，經(jīng)比例抵消后 從根本上消除PN結(jié)電壓的高階溫度系數(shù)，從而實現(xiàn)一種更低低溫度系數(shù)的CMOS電壓基準(zhǔn) 源。本發(fā)明通過電阻溫度系數(shù)的合理抵消，降低了電阻溫度系數(shù)及工藝漂移對基準(zhǔn)源輸出 量的影響，具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，可用于惡劣的外界溫度環(huán)境中。本發(fā)明在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源的基礎(chǔ)上，增加了一個與ντ1ηΤ成正比的電壓項來修 正基準(zhǔn)電壓非線性量的影響。如圖3所示，具體原理如下分別將與Vbe相關(guān)的負(fù)溫系數(shù)電壓、與熱電壓Vt相關(guān)的正溫系數(shù)電壓和與ντ1ηΤ相 關(guān)的補償電壓疊加VEEf = Y^+C^j+C^jlnT將(1)代入上式，得Veef = Vgo+ [K1-In (EG) ] Vt+ [K2- ( η _ α ) ] V1InT若設(shè)置C1 = In (EG)，C2 = ( η - α )，則可以得到一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vkef = Vgoo為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種具有高階溫度補償電路的電壓基準(zhǔn)源，如

圖1所示，包括啟動及正溫系數(shù)電 流產(chǎn)生電路、負(fù)溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路、高階溫度補償電流產(chǎn)生電路以及疊加求和輸出電路。所述啟動及電路正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路如圖4所示，由PMOS管PS1、PAl和ΡΑ2， 匪OS管NS1、NS2、NAl和ΝΑ2，三極管Ql和Q2，以及電阻Rl組成。PS1、PAl和ΡΑ2管的源 極和襯底端接直流電源VIN，PSl管的漏極接NSl管的柵極和NS2管的漏極；PSl管和NS2 管的柵極互連并接ΝΑ1、ΝΑ2管的柵極和ΡΑ2、ΝΑ2管的漏極；PAl管的漏極接NAl管的漏極， NAl管的源極通過電阻Rl接三極管Ql的發(fā)射極，ΝΑ2管的源極接三極管Q2的發(fā)射極；NS1、 NS2管的源極和襯底端接地，三極管Q1、Q2的基極和集電極接地。所述負(fù)溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路如圖6所示，由PMOS管PA3、PA4和PA5，第一電壓-電 流轉(zhuǎn)換模塊V-I,以及三極管Q3組成。PA3、PA4和PA5管的源極和襯底端接直流電源VIN, PA3、PA4管的柵極互連并接啟動及電路正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路中PAl管的柵極，PA3管的 漏極接第一電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 1，PA4管的漏極接第一電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊 V-I的端口 2，PA5管的柵極和漏極互連并接第一電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 3，第一電 壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 4接三極管Q3的發(fā)射極，三極管Q3的基極、集電極和第一電 壓_電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 5接地。所述高階溫度補償電流產(chǎn)生電路如圖7所示，由12個PMOS管PA6 PA17，4個 NMOS管NA3 NA6，第二、三電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I，以及2個三極管Q5、Q6組成。12個 PMOS管PA6 PA17的源極和襯底端接直流電源VIN ；PA6管的柵極PA5管的柵極，PA7、PA12 和PA13管的柵極互連并接啟動及電路正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路中PAl管的柵極；PA6、PA7管 的漏極互連并接NA3管的柵極和漏極以及NA4管的柵極；PA8管和PA9管的柵極互連并接 PA8管和NA4管的漏極以及PAlO管的柵極；PA9管的漏極接第二電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V_I 的端口 1，PA10管的漏極接第二電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 2，PA11管的柵極和漏極互 連并接第二電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 3和PA16管的柵極，第二電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊 V-I的端口 4接三極管Q4的發(fā)射極；PA12管的漏極接第三電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口1，PA13管的漏極接第三電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 2，P14管的柵極和漏極互連并接 P15管的柵極和第三電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 3，第三電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端 口 4接三極管Q5的發(fā)射極；NA5管的柵極和漏極互連并接PA15管的漏極和NA6管的柵極； PA17管的柵極和漏極互連并接PA16管和NA6管的漏極；4個NMOS管NA3 NA6的源極和 襯底端，三極管Q5、Q6的基極和集電極，以及第三電壓_電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 5接地。所述疊加求和輸出電路如圖8所示，由3個PMOS管PA18 PA20和1個電阻R2 組成。3個PMOS管PA18 PA20的源極和襯底端接直流電源VIN ；PA18管的柵極接高階溫 度補償電流產(chǎn)生電路中PA17管的柵極，PA18、PA19和PA20管的漏極共接并通過電阻R2接 地；PA19管的柵極接啟動及電路正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路中PAl管的柵極，PA20管的柵極接 負(fù)溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路中PA5管的柵極。所述第一、二、三電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I具有相同的電路結(jié)構(gòu)，如圖5 (a)所示， 由三個NMOS管NB1、NB2和NB3以及兩個電阻R3、R4組成。NBl管的柵極、漏極和NB2管的 柵極共接并作為電壓_電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 1，NB2管的漏極和NB3管的柵極相連并作 為電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 2，NB3管的漏極作為電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 3， NB2管的源極通過電阻R4與電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 4相連，NBl管和NB3的源極 相連并通過電阻R3與電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊V-I的端口 5相連。本發(fā)明提供的具有高階溫度補償電路的電壓基準(zhǔn)源，其工作過程如下由MOS管PS1、NS1和NS2組成的啟動電路率先工作當(dāng)接通電源電壓VIN后，由于 NS2和PSl的柵電位為地電位，PSl管導(dǎo)通，所以NSl的柵電位經(jīng)PSl管被拉到高電位使得 NSl管導(dǎo)通，從而將正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路的柵電位拉低，使正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路啟動。 正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路啟動后，MOS管NA2的柵電位升高，將NS2管導(dǎo)通、PSl管關(guān)斷，從而 將NSl的柵電位拉低，關(guān)斷NS1，從而啟動電路與其他電路分離，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。PAU PA2、NAU NA2、QU Q2和電阻Rl組成正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路，其主要作用是 產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流。PA1，PA2組成電流鏡，使得流過PAl和PA2的電流相 等，從而使得流過Ql，Q2的電流相等。ΝΑΙ、NA2的柵極連在一起，兩者的寬長比相等，從而 流過ΝΑΙ、NA2的電流相等，使得ΝΑΙ、NA2的源極電位相等，則電阻Rl兩端的電壓為Ql和 Q2導(dǎo)通電壓之差，不考慮電阻Rl的溫度系數(shù)(在基準(zhǔn)輸出電壓中，電阻的溫度系數(shù)會相互 抵消)，因此流過電阻Rl的電流、為正溫系數(shù)電流，其大小為
權(quán)利要求
一種具有高階溫度補償電路的電壓基準(zhǔn)源，包括啟動及正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路、負(fù)溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路、高階溫度補償電流產(chǎn)生電路以及疊加求和輸出電路；所述啟動及電路正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路由PMOS管PS1、PA1和PA2，NMOS管NS1、NS2、NA1和NA2，三極管Q1和Q2，以及電阻R1組成；PS1、PA1和PA2管的源極和襯底端接直流電源VIN，PS1管的漏極接NS1管的柵極和NS2管的漏極；PS1管和NS2管的柵極互連并接NA1、NA2管的柵極和PA2、NA2管的漏極；PA1管的漏極接NA1管的漏極，NA1管的源極通過電阻R1接三極管Q1的發(fā)射極，NA2管的源極接三極管Q2的發(fā)射極；NS1、NS2管的源極和襯底端接地，三極管Q1、Q2的基極和集電極接地；所述負(fù)溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路由PMOS管PA3、PA4和PA5，第一電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I，以及三極管Q3組成；PA3、PA4和PA5管的源極和襯底端接直流電源VIN，PA3、PA4管的柵極互連并接啟動及電路正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路中PA1管的柵極，PA3管的漏極接第一電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口1，PA4管的漏極接第一電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口2，PA5管的柵極和漏極互連并接第一電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口3，第一電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口4接三極管Q3的發(fā)射極，三極管Q3的基極、集電極和第一電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口5接地；所述高階溫度補償電流產(chǎn)生電路由12個PMOS管PA6～PA17，4個NMOS管NA3～NA6，第二、三電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I，以及2個三極管Q5、Q6組成；12個PMOS管PA6～PA17的源極和襯底端接直流電源VIN；PA6管的柵極PA5管的柵極，PA7、PA12和PA13管的柵極互連并接啟動及電路正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路中PA1管的柵極；PA6、PA7管的漏極互連并接NA3管的柵極和漏極以及NA4管的柵極；PA8管和PA9管的柵極互連并接PA8管和NA4管的漏極以及PA10管的柵極；PA9管的漏極接第二電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口1，PA10管的漏極接第二電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口2，PA11管的柵極和漏極互連并接第二電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口3和PA16管的柵極，第二電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口4接三極管Q4的發(fā)射極；PA12管的漏極接第三電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口1，PA13管的漏極接第三電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口2，P14管的柵極和漏極互連并接P15管的柵極和第三電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口3，第三電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口4接三極管Q5的發(fā)射極；NA5管的柵極和漏極互連并接PA15管的漏極和NA6管的柵極；PA17管的柵極和漏極互連并接PA16管和NA6管的漏極；4個NMOS管NA3～NA6的源極和襯底端，三極管Q5、Q6的基極和集電極，以及第三電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口5接地；所述疊加求和輸出電路由3個PMOS管PA18～PA20和1個電阻R2組成。3個PMOS管PA18～PA20的源極和襯底端接直流電源VIN；PA18管的柵極接高階溫度補償電流產(chǎn)生電路中PA17管的柵極，PA18、PA19和PA20管的漏極共接并通過電阻R2接地；PA19管的柵極接啟動及電路正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路中PA1管的柵極，PA20管的柵極接負(fù)溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路中PA5管的柵極；所述第一、二、三電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I具有相同的電路結(jié)構(gòu)，由三個NMOS管NB1、NB2和NB3以及兩個電阻R3、R4組成；NB1管的柵極、漏極和NB2管的柵極共接并作為電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口1，NB2管的漏極和NB3管的柵極相連并作為電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口2，NB3管的漏極作為電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口3，NB2管的源極通過電阻R4與電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口4相連，NB1管和NB3的源極相連并通過電阻R3與電壓 電流轉(zhuǎn)換模塊V I的端口5相連。
全文摘要
一種具有高階溫度補償電路的電壓基準(zhǔn)源，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。包括啟動及正溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路、負(fù)溫系數(shù)電流產(chǎn)生電路、高階溫度補償電流產(chǎn)生電路以及疊加求和輸出電路。通過增加的高階溫度補償電路產(chǎn)生電路對三極管基極與發(fā)射極電壓之間的導(dǎo)通電壓VBE進(jìn)行線性化，得到一個與PN結(jié)電壓的高階溫度量近似一致的高階補償量，經(jīng)比例抵消后從根本上消除PN結(jié)電壓的高階溫度系數(shù)，從而實現(xiàn)一種更低低溫度系數(shù)的CMOS電壓基準(zhǔn)源。本發(fā)明采用成本較低的普通CMOS工藝制作，具有極低的溫度系數(shù)、較小的功耗和面積，可用于模擬、數(shù)?；旌想娐沸枰a(chǎn)生低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電路中。
文檔編號G05F1/567GK101950191SQ20101028305
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者周澤坤, 張波, 戴瑤, 明鑫, 甄少偉, 馬穎乾 申請人:電子科技大學(xué)