專利名稱：溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路，特別涉及集成電路中的帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生電路。
背景技術(shù)：
模擬電路廣泛的包含電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)。最常用的就是帶隙基準(zhǔn)。這種基準(zhǔn)是 直流量，它與電源和工藝參數(shù)的關(guān)系很小，但與溫度的關(guān)系是確定的。產(chǎn)生基準(zhǔn)的目的是建 立一個與電源和工藝無關(guān)，具有確定溫度特性的直流電壓或電流。現(xiàn)有技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電 壓源，自上世紀(jì)80年代首次發(fā)明以來，在各種模擬集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，即 使工藝匹配良好的帶隙基準(zhǔn)電壓源也有它使用的局限性，這種局限性來源于輸出電壓對溫 度的非線性敏感性。這種溫度的非線性敏感性可以由圖1所示的傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源進(jìn) 行說明，盡管圖1所示電路幾乎是所有帶隙基準(zhǔn)電壓源的原型，但是它的輸出電壓就算在 設(shè)計(jì)得非常匹配的情況下，也會由于輸出電壓Vkef溫度曲線的曲率，在20 100°C左右有 35ppm的溫度偏差。這種偏差在許多應(yīng)用中仍然是不可忍受的。圖1所示的帶隙基準(zhǔn)電壓 源包括第一寄生管Q1、第二寄生管Q2、由場效應(yīng)晶體管(NM0S場效應(yīng)晶體管)MN1構(gòu)成的輸 出模塊、運(yùn)算放大器OP構(gòu)成的調(diào)整模塊以及由第四電阻R4、第三電阻R3、第二電阻R2和第 一電阻Rl構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)。第四電阻R4—端與場效應(yīng)晶體管麗1連接并作為輸出模塊的 輸出端，其另一端連接第三電阻R3和第二電阻R2。第三電阻另一端與運(yùn)算放大器OP的一 個輸入端連接并通過第一寄生管Ql接地，第二電阻R2另一端與運(yùn)算放大器OP的另一個輸 入端連接并通過第一電阻Rl和第二寄生管Q2接地。圖1中由CMOS工藝產(chǎn)生的第一寄生 管Ql和第二寄生管Q2的發(fā)射極面積之比為AE1/AE2。閉環(huán)的運(yùn)算放大器OP鉗位R3與R2上 的壓降相等。Rl上的壓降可表示為VPTAT = VVBE = VBE2-VBEI這是一個與絕對溫度成正比的電壓
17 -^l
^PTAT ~ 111
q
Q、
lEl
Λ
V 丑2 J
(Τ為絕對溫度，k為波爾茲曼系數(shù)，q為載流子電荷。AE1/AE2為極管Ql與Q2的發(fā)射極面積之比。)輸出電壓Vkef就可以寫成Veef = VBE+KVVBE (1)其中K是用來抵消輸出電壓Vkef溫度偏差的一階溫度系數(shù)。K由電阻網(wǎng)絡(luò)決定。上述帶隙基準(zhǔn)電壓源，幾乎是所有帶隙基準(zhǔn)電壓源的原型，但是它的輸出電壓就 算在設(shè)計(jì)得非常匹配的情況下，也會由于溫度曲線的曲率在20 100°C左右有35ppm的溫 度偏差。如圖3所示，在不同電阻取值情況下，輸出電壓隨溫度在一定范圍內(nèi)變化。這種偏 差在許多應(yīng)用中仍然是不可忍受的。有許多方法可以對曲線的曲率進(jìn)行校正補(bǔ)償，但是這 些方法一般都是用復(fù)雜的高階溫度項(xiàng)去補(bǔ)償輸出電壓，這些補(bǔ)償項(xiàng)在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下難 以產(chǎn)生，而且高階補(bǔ)償方法很容易受到工藝過程影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是針對現(xiàn)有技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，溫度偏差大， 高階補(bǔ)償困難的缺點(diǎn)，提供一種利用低階(一階)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏囟茸赃m應(yīng)帶隙基 準(zhǔn)電路。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，具有帶 隙基準(zhǔn)電壓源，所述帶隙基準(zhǔn)電壓源包括輸出模塊、調(diào)整模塊和電阻網(wǎng)絡(luò)，所述電阻網(wǎng)絡(luò) 與輸出模塊連接，其兩條支路分別通過第一寄生管和第二寄生管接地，所述調(diào)整模塊通過 采集所述兩條支路的電壓調(diào)節(jié)所述輸出模塊的輸出電壓；其特征在于還包括采樣保持電 路、電壓比較器和控制模塊；所述采樣保持電路輸入端連接所述輸出模塊的輸出電壓，其輸 出端連接電壓比較器，將采集的電壓輸入所述電壓比較器進(jìn)行比較；所述電壓比較器輸出 端連接控制模塊；所述控制模塊與所述電阻網(wǎng)絡(luò)連接，根據(jù)所述電壓比較器輸出的比較結(jié) 果，改變所述電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，通過調(diào)整模塊使所述輸出模塊的輸出電壓發(fā)生變化，從而得 到某溫度下輸出電壓最大的電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，并以該最大電壓作為輸出模塊的輸出電壓。特別的，所述電阻網(wǎng)絡(luò)具有低溫度系數(shù)。進(jìn)一步的，所述電阻網(wǎng)絡(luò)包括第四電阻、第三電阻、第二電阻和第一電阻；所述第 四電阻一端與輸出模塊連接并作為輸出模塊的輸出端，其另一端連接第三電阻一端和第二 電阻的一端；所述第三電阻另一端與調(diào)整模塊的一個輸入端連接并通過第一寄生管接地， 所述第二電阻另一端與調(diào)整模塊的另一個輸入端連接并通過第一電阻和第二寄生管接地。具體的，所述控制模塊通過改變所述第一電阻和第四電阻阻值改變所述電阻網(wǎng)絡(luò) 的阻值。具體的，所述調(diào)整模塊為運(yùn)算放大器，所述輸出模塊為NMOS場效應(yīng)晶體管；所述 運(yùn)算放大器輸出端接NMOS場效應(yīng)晶體管柵極，其兩個輸入端即為調(diào)整模塊的兩個輸入端； 所述NMOS場效應(yīng)晶體管源極為所述輸出模塊的輸出端，其漏極連接電源。進(jìn)一步的，所述輸出模塊的輸出端連接有低通濾波器。具體的，所述低通濾波器由電阻和電容構(gòu)成，所述電阻一端連接輸出電壓，另一端 作為低通濾波器的輸出端并通過所述電容接地。本發(fā)明的有益效果是，通過系統(tǒng)觀點(diǎn)來控制基準(zhǔn)電壓，工藝兼容性高；可以自適應(yīng) 尋求最佳溫度曲線，輸出電壓具有低的溫度系數(shù)，能夠滿足現(xiàn)有工藝條件的要求，實(shí)現(xiàn)方式 簡單，不需要占用太多芯片面積。


圖1傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的原理圖；
圖2本發(fā)明實(shí)施例的原理圖；圖3溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程示意圖；圖4輸出電壓溫度特性示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
本發(fā)明提供了一種用于輸出帶隙基準(zhǔn)電壓的詳細(xì)技術(shù)方案，本發(fā)明利用分段補(bǔ)償 電路實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù)的自適應(yīng)分段補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)，其技術(shù)方案由基本的帶隙基準(zhǔn)電壓源和 一個自適應(yīng)反饋補(bǔ)償電路構(gòu)成。實(shí)施例參見圖2，本例溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，是在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源上增加了采 樣保持電路、電壓比較器和控制模塊。其中帶隙基準(zhǔn)電壓源與圖1所示的帶隙基準(zhǔn)電壓源 結(jié)構(gòu)相同，包括第一寄生管Q1、第二寄生管Q2、NM0S場效應(yīng)晶體管MN1、運(yùn)算放大器OP以及 由第四電阻R4、第三電阻R3、第二電阻R2和第一電阻Rl構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)。第四電阻R4 — 端與場效應(yīng)晶體管Mm連接并作為輸出模塊的輸出端，其另一端連接第三電阻R3和第二電 阻R2。第三電阻另一端與運(yùn)算放大器OP的一個輸入端連接并通過第一寄生管Ql接地，第 二電阻R2另一端與運(yùn)算放大器OP的另一個輸入端連接并通過第一電阻Rl和第二寄生管 Q2接地。本例采樣保持電路包括η個采樣保持單元(圖2中表示為S/Hl、S/H2......S/
Hn)，可以對η個不同的輸出電壓進(jìn)行采樣和保持。圖2中這些采樣保持單元將輸出模塊的 輸出電壓輸入到電壓比較器Comp進(jìn)行比較，電壓比較器Comp輸出端連接控制模塊?？刂?模塊與電阻網(wǎng)絡(luò)連接，根據(jù)電壓比較器Comp輸出的比較結(jié)果，通過改變第一電阻Rl和第四 電阻R4的阻值改變電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值。電阻網(wǎng)絡(luò)阻值的變化使運(yùn)算放大器OP兩個輸入端采 集的電壓發(fā)生變化，場效應(yīng)晶體管麗1的輸出電壓Vkef隨之發(fā)生變化，從而可以得到某溫度 下輸出電壓Vkef最大的電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，并以該最大電壓作為輸出模塊的輸出電壓。假定控制模塊產(chǎn)生3個脈沖輸出序列，每個序列都占用一個時鐘周期，在某時刻 t，控制模塊內(nèi)計(jì)數(shù)器觸發(fā)并產(chǎn)生第一個輸出序列脈沖Zl，Zl控制第一電阻Rl和第四電阻 R4的阻值從而控制電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻值的大小，即K值的大小，這時的輸出電壓Vkef記為 VI，與Zl對應(yīng)，S/H1采樣Vl的值并保持。下一個時鐘周期，控制模塊產(chǎn)生輸出序列Z2，Z2 控制電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻值并進(jìn)而產(chǎn)生輸出電壓V2，同理，V2被S/H2采樣保持，兩個采樣 值相互比較并送回控制模塊，同理，第三個時鐘周期將產(chǎn)生第三個輸出電壓V3，這三個基準(zhǔn) 電壓將相互比較并最終找出最大的電壓，并以該最大電壓作為輸出電壓VKEF。該最大電壓 Veef所在的曲線即是該溫度點(diǎn)溫度特性最好的曲線。所以，控制模塊將根據(jù)比較結(jié)果選擇當(dāng) 前溫度下對應(yīng)輸出電壓最大的電阻網(wǎng)絡(luò)值所對應(yīng)的序列，并保持該序列直至控制模塊內(nèi)計(jì) 數(shù)器觸發(fā)下一檢測時刻。為簡單起見，在圖3中描述了對應(yīng)于3個不同電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值(即K值)，場效應(yīng) 晶體管麗1輸出的帶隙基準(zhǔn)電壓Vkef的溫度特性曲線a、b、c。從圖3中可以看出，對應(yīng)于 不同的K值，溫度特性曲線的極大值點(diǎn)分別在不同的溫度區(qū)域上。顯然，b曲線在中間一段 (溫度為Tl T2)時的溫度系數(shù)最小，c曲線在最左溫度區(qū)域(溫度為TO Tl)時的溫度 特性曲線曲率最小，a曲線在最右邊(溫度為T2 T3)時的溫度特性曲線曲率最小，從圖 3可以得知，在三段中溫度特性最好即曲率最小的曲線段，都是電壓最高的一段曲線。這就 為我們尋找電阻網(wǎng)絡(luò)合適值選定了一種合理的算法，并且可以由圖2電路來具體實(shí)現(xiàn)。圖 4中的粗實(shí)線(曲線d)是采用本發(fā)明進(jìn)行調(diào)節(jié)后，在整個溫度范圍內(nèi)(TO T3)輸出電壓 Vkef的溫度特性曲線。從圖中可以清楚地看出，采用了自適應(yīng)電壓分段調(diào)節(jié)技術(shù)以后輸出電 壓的溫度特性曲線明顯得到了改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，具有帶隙基準(zhǔn)電壓源，所述帶隙基準(zhǔn)電壓源包括輸出模 塊、調(diào)整模塊和電阻網(wǎng)絡(luò)，所述電阻網(wǎng)絡(luò)與輸出模塊連接，其兩條支路分別通過第一寄生管 和第二寄生管接地，所述調(diào)整模塊通過采集所述兩條支路的電壓調(diào)節(jié)所述輸出模塊的輸出 電壓；其特征在于還包括采樣保持電路、電壓比較器和控制模塊；所述采樣保持電路輸入 端連接所述輸出模塊的輸出電壓，其輸出端連接電壓比較器，將采集的電壓輸入所述電壓 比較器進(jìn)行比較；所述電壓比較器輸出端連接控制模塊；所述控制模塊與所述電阻網(wǎng)絡(luò)連 接，根據(jù)所述電壓比較器輸出的比較結(jié)果，改變所述電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，通過調(diào)整模塊使所述 輸出模塊的輸出電壓發(fā)生變化，從而得到某溫度下輸出電壓最大的電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，并以 該最大電壓作為輸出模塊的輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，其特征在于，所述電阻網(wǎng)絡(luò)具有 低溫度系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，其特征在于，所述電阻網(wǎng)絡(luò)包 括第四電阻、第三電阻、第二電阻和第一電阻；所述第四電阻一端與輸出模塊連接并作為輸 出模塊的輸出端，其另一端連接第三電阻一端和第二電阻的一端；所述第三電阻另一端與 調(diào)整模塊的一個輸入端連接并通過第一寄生管接地，所述第二電阻另一端與調(diào)整模塊的另 一個輸入端連接并通過第一電阻和第二寄生管接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，其特征在于，所述控制模塊通過 改變所述第一電阻和第四電阻阻值改變所述電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，其特征在于，所述調(diào)整模塊為運(yùn) 算放大器，所述輸出模塊為NMOS場效應(yīng)晶體管；所述運(yùn)算放大器輸出端接NMOS場效應(yīng)晶體 管柵極，其兩個輸入端即為調(diào)整模塊的兩個輸入端；所述NMOS場效應(yīng)晶體管源極為所述輸 出模塊的輸出端，其漏極連接電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，其特征在于，所述輸出模塊的輸 出端連接有低通濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的溫度自適應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路，其特征在于，所述低通濾波器由 電阻和電容構(gòu)成，所述電阻一端連接輸出電壓，另一端作為低通濾波器的輸出端并通過所 述電容接地。
全文摘要
本發(fā)明涉及集成電路中的帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生電路。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，溫度偏差大，高階補(bǔ)償困難的缺點(diǎn)，公開了一種利用低階(一階)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏囟茸赃m應(yīng)帶隙基準(zhǔn)電路。本發(fā)明利用分段補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù)的自適應(yīng)分段補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)，其技術(shù)方案由基本的帶隙基準(zhǔn)電壓源和一個自適應(yīng)反饋補(bǔ)償電路構(gòu)成，包括采樣保持電路、電壓比較器和控制模塊。本發(fā)明通過系統(tǒng)觀點(diǎn)來控制基準(zhǔn)電壓，工藝兼容性高；可以自適應(yīng)尋求最佳溫度曲線，輸出電壓具有低的溫度系數(shù)，能夠滿足現(xiàn)有工藝條件的要求，實(shí)現(xiàn)方式簡單，不需要占用太多芯片面積。本發(fā)明主要由于集成電路領(lǐng)域。
文檔編號G05F1/567GK102141818SQ20111004092
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者張波, 楊康, 楊汝輝, 甄少偉, 羅萍 申請人:電子科技大學(xué)