专利名称：基于高阶温度补偿互补叠加的高精度带隙基准电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合型高阶温度补偿带隙基准电路，属于模拟电路技术领域，具 体涉及两阶非线性温度补偿基准产生、温度特性曲线调整、基准电压的叠加或选择控制。
背景技术：
基准电压与稳压源相近但不同，两者的共同点是都能提供稳定的电压。基准电压 通常没有负载驱动能力，只能驱动容性负载，但对电压的稳定性要求极高，主要有温度稳定 性和电源稳定性。稳压源顾名思义，作为一种稳定的电压源具有很强的负载驱动能力，因此 更加关注电压随电源变化以及电源噪声影响下的输出稳定性。实际上，也有一些多值输出 基准是有一定负载驱动能力的，而这种负载驱动能力的获得正是采用了电源系统中常见的 反馈调节结构。因此，基准可以看作一种特殊的稳压源，稳压源则是基准的一类主要应用。 电压基准电路应能为系统提供不随环境温度、电源电压变化的高精度高稳定可调节的参考 电压。基准电压有多种结构类型，其中带隙基准最大优点是与深亚微米和纳米CMOS工 艺相兼容，存在的主要问题是电压模带隙基准输出电压固定且不可调，电流模带隙基准电 压虽输出可调，但电源抑制比明显下降，基准输出的工艺的敏感度明显增加。因此，对于高 精度基准，温度稳定性和电源电压稳定性是两个最核心的要求，其中基准的温度稳定性即 温度系数与工艺的变化有较密切的关系，而且温度系数越小，受工艺漂移的影响也越大。因 此，抑制带隙基准温度系数在不同工艺角下的变化，在降低基准温度温度的同时提高其工 作稳定性，对高精度基准的应用有重要意义。在-40°C 125°C温度范围内，现有经典线性补偿带隙电压基的温度系数理论上 可降低到10ppm/°C以内，在此基础上基于分段非线性补偿原理的各类高阶补偿基准结构， 其温度系数可降至3 5ppm/°C，若继续降低温度系数不但难度明显增大，而且随着温度系 数的降低其工艺敏感度提高，工艺漂移对电路性能的影响增大，增加了基准修调的难度。当 基准温度系数最大工艺漂移后的性能退化到比相应一阶线性补偿基准温度特性更差时，基 准高阶补偿结构的实用价值难以体现。为满足电路系统对基准电压高精度高稳定性的要 求，需要采用新的高阶补偿方法，这种方法不但能够带来温度系数的进一步降低，同时还能 有效抑制工艺漂移对高精度基准带来的波动和变化。
发明内容
本发明首先对传统高阶补偿基准电路结构做进一步的拓展和完善，目的在于实现 对温度特性曲线分布和变化的自由调节和控制，采用的基本方法是利用负反馈环路控制 DVbe偏置电路中的电流失配量，进而转化为非线性电压失调量并用于电压模带隙基准的高 阶补偿控制，在开口向下的一阶补偿曲线基础上在常温附近引入一个峰谷，形成“M”型温度 特性曲线；基准结构除利用失配补偿外，还可利用一个单管补偿结构完成高阶补偿，该管可 调制DVbe偏置电路中的电流定义电阻，改变支路电流的温度特性，通过补偿管栅压的控制使其在高温段开启，实现高温下的分段补偿。此时，若失配补偿与单管分段补偿能够相互配 合，可以在一阶开口向下温度特性曲线的基础上获得“W”温度补偿特性曲线。本发明基于高阶温度补偿互补叠加的高精度带隙基准电路，包括“M”型与“W”型 温度特性曲线子电路以及叠加模式选择子电路，“M”型与“W”型温度特性曲线子电路互补 对称设置，“M”型与“W”型温度特性曲线子电路都包括反馈控制电路、电流产生电路和输出 电路，其中电流产生电路串接输出电路后接叠加模式选择子电路的输入端，输出电路的输 出端串接反馈控制电路后接电流产生电路的输入端。所述叠加模式选择子电路由两个NMOS管NA0、NA1和两个电阻RA0、RA1组成，NMOS 管NAO的漏极通过电阻RAO接基准输出VMf，NMOS管NAl的漏极通过电阻RAl接基准输出 Vref, NMOS管ΝΑΟ、NAl的漏极分别接接两个输出电路的输出端。“Μ”型温度特性曲线子电路的电流产生电路包括4个PMOS管ΡΜ1>Μ4，两个 匪OS管匪0、NMl，两个三极管QMO、QMl以及电阻RMO ；PMOS管PMl、ΡΜ3的源极相互连接， PMOS管PMl的栅极分别与PMOS管ΡΜ3的栅极、PMOS管ΡΜ2的漏极和NMOS管匪1的漏极， PMOS管PMl的漏极与PMOS管PMO的源极相互连接，PMOS管ΡΜ3的漏极与PMOS管ΡΜ2的源 极相互连接，PMOS管PMO的漏极分别与NMOS管NMO的栅极、反馈控制电路的输出端连接， NMOS管NMO的的源极串接电阻RMO后接三极管QMO的源极，NMOS管匪1的源极接三极管 QMl的源极，三极管QMO的基极分别与三极管QMO的基极和发射极以及三极管QMO的发射极 连接接地。“W”型温度特性曲线子电路的电流产生电路包括4个PMOS管ΡΜΓΡΜ4，三个 匪OS管匪0、匪1，补偿管匪4，两个三极管QMO、QMl以及电阻RM0、RM3 ；PMOS管PM1、PM3的 源极相互连接，PMOS管PMl的栅极分别与PMOS管PM3的栅极、PMOS管PM2的漏极和NMOS 管匪1的漏极，PMOS管PMl的漏极与PMOS管PMO的源极相互连接，PMOS管PM3的漏极与 PMOS管PM2的源极相互连接，PMOS管PMO的漏极分别与NMOS管NMO的栅极、反馈控制电路 的输出端连接，NMOS管NMO的的源极依次串接电阻RM3、RMO后接三极管QMO的源极，补偿 管NM4的栅极接叠加模式选择子电路的输入端，补偿管NM4的漏极和源极分别接电阻RM3 的两端，NMOS管匪1的源极接三极管QMl的源极，三极管QMO的基极分别与三极管QMO的 基极和发射极以及三极管QMO的发射极连接接地。本发明提出的电路具有超低温度系数、高电源抑制比和一定的工艺稳定性。基于 SMIC 0. 13mm CMOS工艺的仿真结果表明，在_40°C 125°C温度范围内，典型工艺条件下基 准电压温度系数的最低值可下降到0. 17ppm/°C，在低频范围内平均电源抑制比可达SOdB 以上。
图 1叠加模式高阶温度补偿带隙基准电路系统组成结构。图 2 具有互补温度特性基准的叠加补偿原理示意图。图 3 本发明提出的叠加选择模式高阶补偿带隙基准电路图。图 4本发明基准电路超低温度系数的仿真结果。图 5本发明基准电路输出电压PSRR特性的仿真结果。
具体实施例方式如图1所示，本发明基于高阶温度补偿互补叠加的高精度带隙基准电路，包括“M” 型与“W”型温度特性曲线子电路以及叠加模式选择子电路，“M”型与“W”型温度特性曲线 子电路互补对称设置，“M”型与“W”型温度特性曲线子电路都包括反馈控制电路、电流产生 电路和输出电路，其中电流产生电路串接输出电路后接叠加模式选择子电路的输入端，输 出电路的输出端串接反馈控制电路后接电流产生电路的输入端。如图3所示，本发明电路包括两个产生互补温度特性曲线的子电路及一个叠加选 择模式子电路。其中“M”型温度特性子电路可细分为电流产生电路、反馈控制电路和输出 电路三个部分，电流产生电路由四个PMOS管、两个NMOS管、一个电阻和两个PNP三极管构 成，反馈控制电路由两个PMOS管、两个NMOS管和两个PNP三极管构成，输出电路由两个 PMOS管、两个电阻和一个PNP三极管构成；“W”型温度特性曲线子电路除增加一个由NMOS 管构成的高温段调节电路以及一个电阻外，其余部分与“M”型温度特性曲线子电路完全相 同，但在电路参数设置方面存在差异，目的在于通过单管的高温段补偿与基本的失配控制 补偿相结合，得到不同的基准温度特性，而且这种温度特性与“M”型温度特性近似反相位； 最后，叠加选择模式子电路由两个NMOS管和两个电阻构成，通过简单的逻辑控制，既可选 择“M”型与“W”型基准的叠加即平均值输出，又可选择两者中具有较低温度系数的基准输 出ο由于“M”和“W”都是电压模结构的高阶补偿基准，两者具有相近的基准电压中心 值输出，同时在全温区范围内具有近似相同的温度系数，而且在低温段和高温段两类基准 的温度特性极性相反，可以通过简单相加的方法进一步抵消两阶残余的温度系数，为此采 用图1所示的系统结构，可进一步提高基准的精度。若由于工艺漂移导致叠加后的基准温 度系数反而变大，则选择两路基准中具有较小温度系数的一路基准输出。因此，这种高精度 基准的控制方法，同时对消除工艺漂移产生的影响有一定的作用。本发明另一项工作就是实现以上叠加选择模式高阶补偿方法，在保持较高电源抑 制比的基础上实现基准的超低温度系数，并提高其电路工艺实现的健壮性，满足电路系统 对高精度电压基准的应用需求。本发明所述叠加模式带隙基准的高阶温度补偿原理如图 2所示，先产生两个开口方向相反、互补对称且温度系数均较低的“M”型和“W”型二阶补偿 温度特性曲线，然后通过选通控制结构进行两路的线性叠加或选择其中一路直接输出，得 到高精度基准输出。在电压叠加时，无论选择的两个基准电压中心值相对大小关系如何，只 要温度特性近似反相关系，则叠加体现出改善的效果；如果温度特性近似同相关系，则叠加 反而使补偿结果变差，此时选择非叠加基准输出是很有必要的。下面结合附图，从四个方面对发明的技术方案进行详细说明。1、“M”型温度特性产生与控制
首先考虑图3中的“M”型温度特性曲线子电路。若电流产生电路中完全匹配的电流镜 使QMO与QMl两支路中的电流相等，得到的为一阶线性补偿带隙基准，定义Vms为线性补偿 后基准中残留的由Vbe引入的非线性温度项；此外，实际电路中的失调或失配不可避免，若 因电流镜失配而引入的失调量为Vam，则以上两非线性温度项构成了基准线性补偿后的总 误差。通常条件下需要通过引入非线性补偿量。使VN“+(Vm—m+Vres)=0，达到高阶补偿的 目的。如果电路结构与工作点设置相配合，能够有效且精确控制失调电压Va m的极性和大小，则该失调量可直接用于基准的高阶补偿，并可省去常规的外加补偿电压，此时高阶非线 性补偿约束简化为Vam=-Vrestj因此，得到基准经一阶线性补偿后残留的温度系数，即可获 得失配补偿调节的控制要求。根据Kbe的非线性温度特性
权利要求
1.一种基于高阶温度补偿互补叠加的高精度带隙基准电路，其特征在于包括“M”型 与“W”型温度特性曲线子电路以及叠加模式选择子电路，“M”型与“W”型温度特性曲线子 电路互补对称设置，“M”型与“W”型温度特性曲线子电路都包括反馈控制电路、电流产生电 路和输出电路，其中电流产生电路串接输出电路后接叠加模式选择子电路的输入端，输出 电路的输出端串接反馈控制电路后接电流产生电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的基于高阶温度补偿互补叠加的高精度带隙基准电路，其特征 在于所述叠加模式选择子电路由两个NMOS管NA0、NA1和两个电阻RA0、RA1组成，NMOS管 NAO的漏极通过电阻RAO接基准输出Vref，NMOS管NAl的漏极通过电阻RAl接基准输出Vref, NMOS管ΝΑΟ、NAl的漏极分别接接两个输出电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的基于高阶温度补偿互补叠加的高精度带隙基准电路，其特征 在于“Μ”型温度特性曲线子电路的电流产生电路包括4个PMOS管ΡΜΓΡΜ4，两个NMOS管 ΝΜ0, NMl，两个三极管QMO、QMl以及电阻RMO ；PMOS管PMl、ΡΜ3的源极相互连接，PMOS管 PMl的栅极分别与PMOS管ΡΜ3的栅极、PMOS管ΡΜ2的漏极和NMOS管匪1的漏极，PMOS管 PMl的漏极与PMOS管PMO的源极相互连接，PMOS管ΡΜ3的漏极与PMOS管ΡΜ2的源极相互 连接，PMOS管PMO的漏极分别与NMOS管NMO的栅极、反馈控制电路的输出端连接，NMOS管 NMO的的源极串接电阻RMO后接三极管QMO的源极，NMOS管匪1的源极接三极管QMl的源 极，三极管QMO的基极分别与三极管QMO的基极和发射极以及三极管QMO的发射极连接接 地。
4.根据权利要求1所述的基于高阶温度补偿互补叠加的高精度带隙基准电路，其特征 在于“W”型温度特性曲线子电路的电流产生电路包括4个PMOS管ΡΜΓΡΜ4，三个NMOS管 匪0、NMl，补偿管ΝΜ4，两个三极管QMO、QMl以及电阻RMO、RM3 ；PMOS管PMl、ΡΜ3的源极相 互连接，PMOS管PMl的栅极分别与PMOS管ΡΜ3的栅极、PMOS管ΡΜ2的漏极和NMOS管NMl 的漏极，PMOS管PMl的漏极与PMOS管PMO的源极相互连接，PMOS管ΡΜ3的漏极与PMOS管 ΡΜ2的源极相互连接，PMOS管PMO的漏极分别与NMOS管NMO的栅极、反馈控制电路的输出 端连接，NMOS管NMO的的源极依次串接电阻RM3、RMO后接三极管QMO的源极，补偿管ΝΜ4 的栅极接叠加模式选择子电路的输入端，补偿管ΝΜ4的漏极和源极分别接电阻RM3的两端， NMOS管匪1的源极接三极管QMl的源极，三极管QMO的基极分别与三极管QMO的基极和发 射极以及三极管QMO的发射极连接接地。
全文摘要
本发明公布了一种基于高阶温度补偿互补叠加的高精度带隙基准电路，包括“M”型与“W”型温度特性曲线子电路以及叠加模式选择子电路，“M”型与“W”型温度特性曲线子电路互补对称设置，“M”型与“W”型温度特性曲线子电路都包括反馈控制电路、电流产生电路和输出电路，其中电流产生电路串接输出电路后接叠加模式选择子电路的输入端，输出电路的输出端串接反馈控制电路后接电流产生电路的输入端。本发明通过非线性温度补偿结构和方法，最大程度地降低输出基准电压的温度系数，满足高精度系统应用。
文档编号G05F3/30GK102073334SQ201010557600
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者吴金, 李 浩, 渠宁, 龙寅 申请人:东南大学