專利名稱：一種可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電壓基準(zhǔn)源(Voltage Reference)的設(shè)計。
背景技術(shù)：
電壓基準(zhǔn)源作為集成電路必不可少的部分，為整個芯片提供偏置電流以及提供一個基準(zhǔn)電壓。偏置電流的大小決定了整個芯片的功耗情況，同時在芯片中，很多誤差放大器與比較器都是以基準(zhǔn)電壓作為參考電壓，電壓基準(zhǔn)源的穩(wěn)定程度在很大程度上決定了芯片的功能的實現(xiàn)與性能的優(yōu)劣。最常用的電壓基準(zhǔn)源為基于三極管的帶隙電壓基準(zhǔn)源。如圖1所示，由于誤差放大器的鉗位作用，使得Vx與Vy兩點的電壓基本相等，即Vx = Vy = Vbe2，同時，同于兩路中
, ,Vrf7-Vrf, VAnN Tr kT 的電流也相等，則有八=Iy= BE\服=，由于G = —，則電流為正比于絕對溫度
(PTAT, Proporational To Absolute Temperature)電流，此電流經(jīng)過電流鏡的鏡像以后， 成為整個芯片的偏置電流。根據(jù)電流的表達(dá)式，可以得出帶隙電壓為:VBG =/7盡=|κΓ1η# + &2，由于Vt為
正溫度系數(shù)，同時Vbe2為負(fù)溫度系數(shù)，合理的調(diào)節(jié)系數(shù)的大小，便可以在一定溫度下
實現(xiàn)基準(zhǔn)隨溫度的變化為零，從而為整個芯片提供了一個隨溫度變化很小的基準(zhǔn)電壓。然而，傳統(tǒng)的帶隙電壓基準(zhǔn)源只是采用了一階補償技術(shù)，然而Vbe中卻包含對溫度變化高階的參量，因此只能把輸出電壓的溫度系數(shù)做到20到100ppm/°C，一般很難低于 20ppm/°C。同時，現(xiàn)在隨著集成電路的發(fā)展，電源電壓越來越低，要求電壓基準(zhǔn)源必須在低壓下完成啟動并正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的帶隙電壓基準(zhǔn)源存在的問題，提出了一種可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源，包括啟動電路，PTAT 電流產(chǎn)生電路和高階溫度補償電路，其中，啟動電路用于啟動PTAT電流產(chǎn)生電路，PTAT電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生PTAT電流，PTAT電流用于輸入到高階溫度補償電路，高階溫度補償電路產(chǎn)生高階溫度特性的電流并與PTAT電流疊加，得到可變曲率補償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓。所述高階溫度補償電路包括第一 PMOS管、第二 PMOS管、第一 NMOS管、第一電阻、 第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻，第一三極管、第二三極管、第一電容和放大器，其中，第一 PMOS管的源極與襯底均接外部的電源，其柵極接PTAT電流產(chǎn)生電路的輸出端，其漏極與第一 NMOS管的源極與襯底連接，同時與第二 PMOS管的柵極與襯底連接，第一 NMOS管的柵極連接放大器的輸出端，漏極與第二 PMOS管的源極連接，第二 PMOS管的漏極串聯(lián)第一電阻后連接到外部的電源，源極與第一 NMOS管的漏極共同與第二電阻一端相連，第二電阻的另一端分別與第三電阻、第四電阻的一端、第一三極管、第二三極管的基極連接，第三電阻、第四電阻的另一端分別連接放大器的負(fù)向與正向輸入端，以及第一三極管、第二三極管的集電極，第一三極管、第二三極管發(fā)射極相互連接，并且串聯(lián)第五電阻后接地，第一電容連接在放大器的負(fù)向輸入端與輸出端之間。所述的PTAT電流產(chǎn)生電路，包括第三PMOS管、第四PMOS管、第二 NMOS管、第三三極管、第四三極管、第五三極管、第六三極管，以及第六電阻；所述的啟動電路，包括第三NMOS管、第四NMOS管和第五PMOS管；其中，第四PMOS管的柵漏短接，并且同時與第三PMOS管的柵極、第四三極管的漏極，以及啟動電路的第三NMOS管的漏極，高階溫度補償電路的第一 PMOS管的柵極連接，第三PMOS管、第四PMOS管的源極與襯底均接外部的電源，第三PMOS管的漏極與第三三極管的集電極和基極、第四三極管的基極、第六三極管的柵極、啟動電路的第NMOS管和第五 PMOS管的柵極連接，第三三極管的發(fā)射極與第五三極管的集電極、第六三極管的基極連接， 第四三極管的發(fā)射極與第六三極管的集電極、第五三極管的基極連接，第五三極管的發(fā)射極接地，第六三極管的發(fā)射極串聯(lián)第六電阻后接地，第二 NMOS管的漏極、源極與襯底均接地；其中，第五PMOS管的源極與襯底都接外部的電源，柵極與第四NMOS管的柵極連接并且連接到PTAT電流產(chǎn)生電路，第五PMOS管的漏極與第四NMOS管的漏極連接，同時連接第三NMOS管的柵極，第三NMOS管的漏極連接到PTAT電流源電路第四PMOS管的漏極，第三 NMOS管的源極與第四NMOS管的源極接地。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源采用了 GSC技術(shù)，可以為基準(zhǔn)輸出提供高階補償，高階溫度補償電路中第一 PMOS管的襯底電流是一個與溫度呈高次關(guān)系的電流，并與第一 NMOS管上流過的PTAT電流疊加，作用到第二電阻與第五電阻上，實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的高階溫度補償，并且補償?shù)碾A次數(shù)隨著溫度的變化而變化，在低溫時，采用傳統(tǒng)的一階補償形式，中溫時，實現(xiàn)二階補償，高溫時，實現(xiàn)三階補償。此外，本發(fā)明的電壓基準(zhǔn)源可以在低至1. 9V的電源電壓下實現(xiàn)正常的工作，滿足集成電路對低電源供電的要求。


圖1為現(xiàn)有的普通帶隙電壓基準(zhǔn)源示意圖。圖2為本發(fā)明的可變曲率補償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)框圖。圖3為本發(fā)明的可變曲率補償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源電路原理圖。圖4為本發(fā)明的可變曲率補償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源輸出實現(xiàn)電路原理圖。圖5為本發(fā)明實施例的帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓大小隨溫度的變化關(guān)系示意圖。圖6為本發(fā)明實施例的帶隙基準(zhǔn)電壓源的最小輸入電源測試圖。圖7為本發(fā)明實施例的帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓隨輸入電壓的變化情況示意圖。
圖8為本發(fā)明實施例的帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。如圖2所示，本發(fā)明的可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源，包括啟動電路，PTAT電流產(chǎn)生電路，高階溫度補償電路，其中，啟動電路用于啟動PTAT電流產(chǎn)生電路，PTAT電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生PTAT電流，PTAT電流用于輸入到高階溫度補償電路，高階溫度補償電路產(chǎn)生高階溫度特性的電流并與PTAT電流疊加，進(jìn)而得到可變曲率補償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓。如圖3所示，高階溫度補償電路包括PMOS管M5、M2、匪OS管Ml、電阻Rl、R2、R3、 R4、R5，三極管Q1、Q2，電容Cl和放大器0ΡΑΜΡ，其中，M5的源極與襯底均接外部的電源VDD， 其柵極接PTAT電流源電路的輸出點，其漏極與Ml的源極與襯底連接，同時也與M2的柵極與襯底連接，Ml的柵極連接放大器OPAMP的輸出端，漏極與M2的源極連接，M2的漏極串聯(lián)電阻Rl后連接到電源上，其源極與Ml的漏極共同與電阻R2 —端相連，電阻R2的另一端分別與電阻R3、R4的一端，三極管Ql、Q2的基極連接，電阻R3、R4的另一端分別連接放大器的負(fù)向與正向輸入端，以及三極管Q1、Q2的集電極，三極管Q1、Q2發(fā)射極相互連接，并且串聯(lián)電阻R5后接地，電容Cl連接在放大器OPAMP的負(fù)向輸入端與輸出端之間；PTAT電流產(chǎn)生電路，包括PMOS管M3、M4，匪OS管M6，三極管Q3、Q4、Q5、Q6，以及電阻R6。啟動電路，包括匪OS管MS、MS1，PMOS管MS2。其中，M4的柵漏短接，并且同時與M3的柵極、Q4的漏極，以及啟動電路的MS的漏極，高階溫度補償電路的M5的柵極連接，M3、M4的源極與襯底均接外部的電源VDD，M3的漏極與Q3的集電極和基極、Q4的基極、M6的柵極、啟動電路的MSl和MS2的柵極連接，Q3的發(fā)射極與Q5的集電極、Q6的基極連接，Q4的發(fā)射極與Q6的集電極、Q5的基極連接，Q5的發(fā)射極接地，Q6的發(fā)射極串聯(lián)電阻R6后接地，M6的漏極、源極與襯底均接地；MS2的源極與襯底都接外部的電源VDD，柵極與MSl的柵極連接并且連接到PTAT 電流產(chǎn)生電路，MS2的漏極與MSl的漏極連接，同時也連接MS的柵極，MS的漏極連接到PTAT 電流產(chǎn)生電路M4的漏極，MS的源極與MSl的源極都接地。工作在正向有源區(qū)的NPN型三極管，其集電極電流與基極-發(fā)射極電壓Vbe滿足關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源，其特征在于，包括啟動電路，PTAT電流產(chǎn)生電路和高階溫度補償電路，其中，啟動電路用于啟動PTAT電流產(chǎn)生電路，PTAT電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生PTAT電流，PTAT電流用于輸入到高階溫度補償電路，高階溫度補償電路產(chǎn)生高階溫度特性的電流并與PTAT電流疊加，得到可變曲率補償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源，其特征在于，所述高階溫度補償電路包括第一 PMOS管、第二 PMOS管、第一 NMOS管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、 第四電阻、第五電阻、第一三極管、第二三極管、第一電容和放大器，其中，第一 PMOS管的源極與襯底均接外部的電源，其柵極接PTAT電流產(chǎn)生電路的輸出端，其漏極與第一 NMOS管的源極與襯底連接，同時與第二 PMOS管的柵極與襯底連接，第一 NMOS管的柵極連接放大器的輸出端，漏極與第二 PMOS管的源極連接，第二 PMOS管的漏極串聯(lián)第一電阻后連接到外部的電源，源極與第一 NMOS管的漏極共同與第二電阻一端相連，第二電阻的另一端分別與第三電阻、第四電阻的一端、第一三極管、第二三極管的基極連接，第三電阻、第四電阻的另一端分別連接放大器的負(fù)向與正向輸入端，以及第一三極管、第二三極管的集電極，第一三極管、第二三極管發(fā)射極相互連接，并且串聯(lián)第五電阻后接地，第一電容連接在放大器的負(fù)向輸入端與輸出端之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源，其特征在于，所述的PTAT 電流產(chǎn)生電路，包括第三PMOS管、第四PMOS管、第二 NMOS管、第三三極管、第四三極管、第五三極管、第六三極管，以及第六電阻；所述的啟動電路，包括第三NMOS管、第四NMOS管和第五PMOS管；其中，第四PMOS管的柵漏短接，并且同時與第三PMOS管的柵極、第四三極管的漏極，以及啟動電路的第三NMOS管的漏極，高階溫度補償電路的第一 PMOS管的柵極連接，第三PMOS 管、第四PMOS管的源極與襯底均接外部的電源，第三PMOS管的漏極與第三三極管的集電極和基極、第四三極管的基極、第六三極管的柵極、啟動電路的第NMOS管和第五PMOS管的柵極連接，第三三極管的發(fā)射極與第五三極管的集電極、第六三極管的基極連接，第四三極管的發(fā)射極與第六三極管的集電極、第五三極管的基極連接，第五三極管的發(fā)射極接地，第六三極管的發(fā)射極串聯(lián)第六電阻后接地，第二 NMOS管的漏極、源極與襯底均接地；其中，第五PMOS管的源極與襯底都接外部的電源，柵極與第四NMOS管的柵極連接并且連接到PTAT電流產(chǎn)生電路，第五PMOS管的漏極與第四NMOS管的漏極連接，同時連接第三 NMOS管的柵極，第三NMOS管的漏極連接到PTAT電流源電路第四PMOS管的漏極，第三NMOS 管的源極與第四NMOS管的源極接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源，其特征在于，所述的第一 PMOS管、第二 PMOS管和第三PMOS管具有相同的寬長比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可變曲率補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)源，包括啟動電路，PTAT電流產(chǎn)生電路，高階溫度補償電路，其中，啟動電路用于啟動PTAT電流產(chǎn)生電路，PTAT電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生PTAT電流，PTAT電流用于輸入到高階溫度補償電路，高階溫度補償電路產(chǎn)生高階溫度特性的電流并與PTAT電流疊加，進(jìn)而得到基準(zhǔn)電壓。本發(fā)明通過GSC技術(shù)實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的高階溫度補償，并且補償?shù)碾A次數(shù)隨著溫度的變化而變化，在低溫時，采用傳統(tǒng)的一階補償形式，中溫時，實現(xiàn)二階補償，高溫時，實現(xiàn)三階補償。本發(fā)明的電壓基準(zhǔn)源可以在低至1.9V的電源電壓下實現(xiàn)正常的工作，滿足集成電路對低電源供電的要求。
文檔編號G05F1/56GK102279611SQ20111012054
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者周澤坤, 張波, 徐祥柱, 明鑫, 石躍 申請人:電子科技大學(xué)