一种用于带隙基准源的高低温补偿电路的制作方法

1.本发明属于带隙基准源领域，尤其是一种用于带隙基准源的高低温补偿电路。


背景技术：

2.在高精度大规模集成电路中，基准模块通常作为内部电源建立的重要参考模块，基准输出精度与整个系统的精度息息相关。带隙基准是目前应用最多，市场最广的基准类型，因其结构简单、性能优异、便于集成等优点，所以几乎可以在每一款大规模集成电路见到它的身影，通常在高性能模数转换电路中，内部供电电压要求精度低于
±
0.5％，但是传统一阶带隙基准源由于高阶温度项的影响使得工作温度区间内无法达到所要求精度式[1]，表现出离中心温度t0越远，误差越大，所以需要通过设置补偿电路消除温度有关高阶项对输出电压的影响，以上为补偿电路基本原理。
[0003]
式[1]v
be
＝v
g0
+α1(t
‑
t0)+α2(t
‑
t0)2+α3(t
‑
t0)3+l+α
n
(t
‑
t0)
n
[0004]
图1为传统带隙基准源电路结构图，由ptat产生支路、运放电路、镜像电路、基准产生支路构成，该基本结构使用了电流
‑
电压模叠加方法产生基准电压，但是不可避免引入了运放失调，电流镜失配等误差因素，基准精度受工艺影响严重。图2为采用分段补偿结构的带隙基准补偿结构图，在全工作温度区间内，三极管be结开启电压随温度以
‑
2mv/℃下降，基准电压相较于该值变化量可以忽略不计，通过设置两条补偿支路n2、n3，在基准电路进入高温后从基准核心抽出更多电流，从而达到补偿目的。但图2中的补偿方法存在低温无法补偿的限制性，补偿温度点受工艺影响严重，很容易造成超量或欠量的补偿。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于克服传统基准较低精度的缺点，提供一种用于带隙基准源的高低温补偿电路，本发明能够大幅提高带隙基准源在全温度范围内的输出精度。
[0006]
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0007]
一种用于带隙基准源的高低温补偿电路，包括高温电流比较器、低温电流比较器、ptat电流镜像电路、ctat电流镜像电路、ctat补偿电流源、ptat补偿电流源和电流求和电路；
[0008]
高温电流比较器的正极与ptat电流镜像电路的第一输出端连接，高温电流比较器的负极与ctat电流镜像电路的第一输出端连接，高温电流比较器的输出端通过高温补偿支路开关与ptat补偿电流源连接；
[0009]
低温电流比较器的正极与ptat电流镜像电路的第一输出端连接，低温电流比较器的负极与ctat电流镜像电路的第二输出端连接，低温电流比较器的输出端通过低温补偿支路开关与ctat补偿电流源连接；
[0010]
电流求和电路的第一输入端与高温补偿支路开关连接，电流求和电路的第二输入端与低温补偿支路开关连接，ptat电流镜像电路的第二输出端和ctat电流镜像电路的第三输出端均与电流求和电路的第三输入端连接。
[0011]
优选的，所述高温电流比较器包括第一电路单元和第二电路单元；
[0012]
第一电路单元包括相互连接的第一两级二极管短接的pmos和第一共源共栅接法的pmos，第一两级二极管短接的pmos漏端与ptat电流镜像电路的第一输出端连接；
[0013]
第二电路单元包括相互连接的第二两级二极管短接的nmos和第二共源共栅接法的nmos，第二两级二极管短接的nmos漏端与ctat电流镜像电路的第一输出端连接；
[0014]
第一共源共栅接法的nmos的输出端和第二共源共栅接法的nmos的输出端连接并共同作为高温电流比较器的输出端。
[0015]
优选的，所述低温电流比较器包括第三电路单元和第四电路单元；
[0016]
第三电路单元包括相互连接的第三两级二极管短接的pmos和第三共源共栅接法的pmos，第三两级二极管短接的pmos漏端与ptat电流镜像电路的第一输出端连接；
[0017]
第四电路单元包括相互连接的第四两级二极管短接的nmos和第四共源共栅接法的nmos，第四两级二极管短接的nmos漏端与ctat电流镜像电路的第二输出端连接；
[0018]
第三共源共栅接法的pmos的输出端和第四共源共栅接法的nmos的输出端连接并共同作为低温电流比较器的输出端。
[0019]
优选的，所述ptat电流镜像电路中设有两组共源共栅镜像电路和一组二极管接法共源共栅镜像源电路。
[0020]
优选的，所述ctat电流镜像电路中设有三组共源共栅镜像电路和一组二极管接法共源共栅镜像源电路。
[0021]
优选的，高温补偿支路开关采用大尺寸pmos晶体管，大尺寸pmos晶体管的源端接ptat补偿电流源，大尺寸pmos晶体管的栅端接高温电流比较器的输出端，大尺寸pmos晶体管的漏端连接电流求和电路的第一输入端。
[0022]
优选的，低温补偿支路开关采用大尺寸pmos晶体管，大尺寸pmos晶体管的源端接ctat补偿电流源，大尺寸pmos晶体管的栅端接低温电流比较器的输出端，大尺寸pmos晶体管的漏端连接电流求和电路的第二输入端。
[0023]
优选的，电流求和电路包括第一共源共栅电流镜、第二共源共栅电流镜和一阶带隙基准电流源，第一共源共栅电流镜的输入端与高温补偿支路开关连接，第二共源共栅电流镜的输入端与低温补偿支路开关连接，ptat电流镜像电路的第二输出端和ctat电流镜像电路的第三输出端均与一阶带隙基准电流源的输入端连接，第一共源共栅电流镜的输出端、第二共源共栅电流镜的输出端和一阶带隙基准电流源的输出端连接并作为整个电流求和电路的输出端。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0025]
本发明用于带隙基准源的高低温补偿电路，采用高、低温电流比较器，能够比较不同温度系数的电流，两者产生控制信号能够用于控制对应支路对输出节点进行补偿。在低温区域，ptat电流小于ctat电流，由于高、低温电流比较器上下拉电流不匹配导致输出节点使能变高，选通ctat电流支路对输出节点进行曲率补偿，使得电流求和电路中的一阶带隙基准在低温区域得到补偿，温度与补偿量互为反比关系，采用合适的电流比例可以极大的带隙基准低温温度漂移系数；在高温区域，过程类似，ptat电流大于ctat电流，选通ptat电流支路对输出节点进行补偿，与低温区域不同，高温区域使用的是一阶正温度系数电流进行补偿，这是考虑了在传统工艺中，高温偏离中心参考温度值更远，在原本一阶补偿带隙基
准电流的基础上，再引入一阶正温度系数电流，减少了高温误差对基准电流的影响；本发明的高低温温度补偿电路采用电流模补偿基准电流，使得低压高精度基准可实现。
附图说明
[0026]
图1为传统一阶带隙基准电路结构图；
[0027]
图2为传统采用分段补偿结构的带隙基准补偿结构图；
[0028]
图3为本发明用于带隙基准源的高低温补偿电路的结构示意图；
[0029]
图4为本发明中高、低温电流比较器的电路图；
[0030]
图5为本发明中电流比较器工作原理图；
[0031]
图6为本发明中系统补偿原理图；
[0032]
图7为本发明中电流求和电路结构图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0034]
本发明属于基准电流源领域，本发明中的高低温温度补偿电路补偿区间大、实现精度高、适用性优异，可配套使用在大多数电流模基准源上。本发明提出了一种使用电流比较结构的补偿方案，在高、低温两个区间范围内对一阶带隙基准电流进行补偿，极大的降低了基准电流的温度漂移系数，结构灵活，可适用于大多数高精度电源中的带隙基准电流源。
[0035]
参见图3
‑
图7，本发明用于带隙基准源的高低温补偿电路，其特征在于，包括高温电流比较器、低温电流比较器、ptat电流镜像电路、ctat电流镜像电路、补偿支路开关、ctat补偿电流源、ptat补偿电流源、电流求和电路；所述高温电流比较器和低温电流比较器分别用于比较高、低温区k1i
ctat
电流、k2i
ctat
与mi
ptat
电流的大小，根据比较结果输出高电平和低电平，该控制信号经过两个非门缓冲器后产生hen和len信号，该信号直接输出至各自对应的补偿支路开关，控制补偿支路打开，ptat补偿电流源和ctat补偿电流源对输出节点进行补偿；如图3所示，其中的放大倍数k1、k2、m是经三组共源共栅电流镜对ptat电流、ctat电流镜像而得到的，镜像后电流用于输入至电流比较器icomp1(即所述高温电流比较器)、比较器icomp2(即所述低温电流比较器)中；m、k1、k2数值由补偿温度点tl、th决定。保证最优精度的前提下，tl、th应设置为全温度区间(最高使用温度减最低使用温度)的四分之一、四分之三，根据实际电路，细微调整k1、k2(参见图6，改变共源共栅电流镜数量达到该数值的调整)满足最优化温度系数的需求。hen、len信号是经两个电流比较器比较后输出的高低电平信号，用于控制补偿支路开关；
[0036]
当高温电流比较器icomp1输出信号hen为高时，高温电流比较器输入端的mi
ptat
小于k1i
ctat
，比较器输出高电平，在此阶段内，所控制补偿支路开关不开启，ptat电流源不对输出节点进行补偿；随着温度继续升高，高温电流比较器输入端mi
ptat
大于k1i
ctat
，高温电流比较器输出低电平，在此阶段内，所控制补偿支路开关s1开启，ptat补偿电流源对输出节点进行补偿。
[0037]
当低温电流比较器icomp2输出信号len为高时，低温电流比较器输入端mi
ptat
大于k2i
ctat
，低温电流比较器输出高电平，在此阶段内，所控制补偿支路开关s2不开启，ctat电流源不对输出节点进行补偿；随着温度继续降低，低温电流比较器输入端mi
ptat
小于k2i
ctat
，比
较器输出低电平，在此阶段内，所控制补偿支路开关开启，ctat补偿电流源对输出节点进行补偿。
[0038]
其中，所述ptat电流镜像电路包括两组共源共栅镜像电路；第一组共源共栅镜像电路，ptat电流源经二极管接法共源共栅电路镜像至高低温电流比较器输入端，产生mi
ptat
电流；第二组共源共栅镜像电路，ptat电流源经二极管接法共源共栅电路镜像至ptat补偿电流源，产生i
th
补偿电流。
[0039]
所述ctat电流镜像电路包括三组共源共栅镜像电路；第一组共源共栅镜像电路，ctat电流源经二极管接法共源共栅电路镜像至高温电流比较器输入端，产生k1i
ctat
电流；第二组共源共栅镜像电路，ctat电流源经二极管接法共源共栅电路镜像至低温电流比较器输入端，产生k2i
ctat
电流；第三组共源共栅镜像电路，ctat电流源经二极管接法共源共栅电路镜像至ctat补偿电流源，产生i
tl
补偿电流。
[0040]
所述补偿支路开关是由大尺寸pmos晶体管(宽长比大于等于5的pmos晶体管)s1、s2和稳压电容c1、c2构成，s1控制ptat补偿电流源，s2控制ctat补偿电流源；s1、s2源端接电流源，栅端接电流比较器输出，漏端直连输出补偿节点；c1、c2用来滤除hen、len信号中高频噪声，防止噪声通过栅端耦合至输出补偿节点。
[0041]
电流求和电路是由05电路、06电路以及一阶带隙基准电流源组成。05电路中共源共栅电流镜提供高温补偿电流i
th
为电流求和电路第一输入端；06电路中共源共栅电流镜提供低温补偿电流i
tl
，为电流求和电路第二输入端；一阶带隙基准电流源提供一阶未经补偿的基准电流，为电流求和电路第三输入端。三者通过导线互联，为整个发明的输出节点。
[0042]
系统中的所有比例系数均由高精度电流镜来实现，采用共源共栅电路，精确镜像电流，减少了设计与实际流片的工艺误差。
[0043]
参见图3，两个电流比较器的正负端分别接相反温度系数的电流，高温、低温电流比较器输出hen、len互为反信号，当hen＝0，len＝1时，高温补偿电流对输出节点进行补偿；当hen＝1，len＝0时，低温补偿电流对输出节点进行补偿。采用多组比较曲线新加入了一个不补偿区间，在该区间内hen＝len＝1。
[0044]
参见图4，本发明的电流比较器icomp1、icomp2电路图；使用不同温度系数的ctat、ptat电流输入电流比较器，01电路为两级二极管短接的pmos；02电路为共源共栅接法的pmos，接近电源的两个pmos管的比例决定了电流上拉大小；03电路与02电路、01电路类似，接近逻辑地的两个nmos管的比例决定了电流下拉大小。该结构利用电流上下拉的不匹配使得输出节点hen、len在不同输入比较结果下下降至逻辑地电压，上升至电源电压。
[0045]
参见图5，图5为本发明的电流比较器工作原理图；该功能模块利用多级共源共栅电流镜串联，通过设置正负温度系数电流交点tr为补偿温度点，在温度点tr两侧开关补偿电路以达到补偿效果。
[0046]
参见图6，图6为本发明的系统补偿原理图；依靠共源共栅电流镜电路镜像出两条不同幅值的i
ctat
电流k1i
ctat
、k2i
ctat
，使用电流比较器分别将上述i
ctat
电流同mi
ptat
比较，形成控制信号hen、len开启对应补偿支路，04电路中通过描述补偿电流解释了本发明的补偿方法与补偿区间，以及本发明的高低温区间内补偿电流的温度特性差异。
[0047]
参见图7，图7为本发明的电流求和电路结构图；补偿电流源采用使用外部偏置的共源共栅电流镜，这极大的减少了沟道长度效应并且保证了镜像精度，并且提升了输出节
点的摆幅边界。图7也直观解释了，最终输出电流是由三部分组成，分别是：一阶带隙基准电流源、高温补偿电流i
th
、低温补偿电流i
tl
。05电路中hen所连接pmos管为开关s1，当hen由高跳低，s1进入深度线性区，上方电流源对输出节点输出高温补偿电流i
th
，该电流表现出一阶正温度特性；06电路中len所连接pmos管为开关s2，当len由高跳低，s2进入深度线性区，上方电流源对输出节点输出低温补偿电流i
tl
，该电流表现出高阶负温度特性。电容c1、c2作为滤噪稳压电容过滤了开关控制信号中高频噪声，并使得下降沿缓变，防止迅速开关动作导致的电流过冲。
[0048]
综上，本发明在现有传统带隙基准源的基础上进行改进，提出的采用电流比较结构的高低温补偿电路，在低温、高温区域均对带隙基准源进行补偿，减少了带隙基准高阶温度系数对基准电流值的影响，减少了带隙基准源的温度漂移系数。本发明中，ctat与ptat不同的温度特性，控制补偿电流在不同温度区间对基准电流进行补偿，优化了基准源的高低温特性，大幅提高了带隙基准源在全温度范围内的输出精度。本发明尤其适用于温度敏感的高精度集成电路。