低温漂低压低失调的带隙基准电压源和电子设备的制作方法

1.本发明属于基准电压源技术领域，尤其涉及一种低温漂低压低失调的带隙基准电压源和电子设备。


背景技术：

2.基准电压源具有低温漂、高精度被广泛应用在模拟和数字电路系统中。随着半导体工艺尺寸的大幅减少，目前的cmos工艺需要在较低的电源电压下工作，但是器件的阈值并没有随着尺寸的减小而大幅降低；另一方面为了减少电路的失配，如图1所示，传统的带隙基准电压源一般会带上误差放大器输入端来钳制三极管的基-射级电压。那么采用传统的带隙基准电压源就会面临当电源电压较低时，带隙基准电压源由于器件阈值电压过高无法保证误差放大器在全工艺、全温、全压(pvt)下都工作在合适区域，引起失配导致基准输出电压不精确。
3.传统的带隙基准电压源利用vbe电压表现为负温度系数，当两个三极管工作在不同电流密度时，它们的基极-射极之间电压的差值与绝对温度成正比，δvbe具有正温度系数，产生零温度系数的带隙基准电压，传统的带隙基准电压源只进行了一阶线性补偿，由于vbe存在高阶非线性项，导致传统的带隙基准电压源的温漂系数被限制在20ppm～100ppm/℃。难以达到当前低温漂的性能需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种低温漂低压低失调的带隙基准电压源，旨在解决传统的带隙基准电压源无法实现低温漂、低压和低失调的问题。
5.本发明实施例的第一方面提出了一种低温漂低压低失调的带隙基准电压源，包括启动电路、基准核心发生电路、高阶温度补偿电路、高温补偿电路和基准电压输出电路；
6.所述启动电路，在电源电压上电时，产生第一驱动电平至基准核心发生电路；
7.所述基准核心发生电路包括误差放大器、与所述误差放大器的输入端通过分压节点分别连接的分压电阻网络、分别与所述分压电阻网络两端连接的t型电阻网络和两个三极管电路，所述基准核心发生电路受所述第一驱动电平触发工作产生两路工作电流并输出至两个差分设置的所述三极管电路，以及输出第二驱动电平至所述基准电压输出电路，以触发所述基准电压输出电路输出基准电流和基准电压；
8.所述分压电阻网络，用于降低所述误差放大器的差分输入电压；
9.所述t型电阻网络，用于降低基准电压的失调电压；
10.所述高阶温度补偿电路，用于在所述基准核心发生电路产生工作电流时同步产生对数电流，并抵消所述三极管电路中高阶非线性项，所述对数电流与温度呈正比；
11.所述高温补偿电路，用于在所述高阶温度补偿电路的对数电流达到预设电流时触发导通，以对所述基准电压输出电路产生的基准电流进行高温电流补偿。
12.在一个实施例中，所述基准核心发生电路包括第一电子开关管、第二电子开关管、
第一三极管电路、第二三极管电路、分压电阻网络和t型电阻网络，所述第一三极管电路包括第一三极管，所述第二三极管电路包括第一电阻和第二三极管，所述分压电阻网络包括第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，所述t型电阻网络包括第六电阻、第七电阻和第八电阻；
13.所述第一电子开关管的源极和所述第二电子开关管的源极共接并与正电源端连接，所述第一电子开关管的栅极、所述第二电子开关管的栅极、所述误差放大器的输出端、所述启动电路的信号输出端、所述高阶温度补偿电路的受控端和所述基准电压输出电路的受控端共接，所述第一电子开关管的漏极、所述第六电阻的第一端、所述第二电阻的第一端和所述第一三极管的发射极共接，所述第二电子开关管的漏极、所述第七电阻的第一端、所述第四电阻的第一端和所述第一电阻的第一端共接，所述第二电阻的第二端、所述第三电阻的第一端和所述误差放大器的反相输入端共接，第四电阻的第二端、所述第五电阻的第一端和所述误差放大器的正相输入端共接，所述第六电阻的第二端、所述第七电阻的第二端和所述第八电阻的第一端共接，所述第三电阻的第二端、所述第一三极管的集电极、所述第一三极管的基极、所述第八电阻的第二端、所述第五电阻的第二端、所述第二三极管的集电极和所述第二三极管的基极共接并接地。
14.在一个实施例中，所述高阶温度补偿电路包括第三电子开关管、第四电子开关管、第五电子开关管、第三三极管和第九电阻；
15.所述第三电子开关管的源极、所述第四电子开关管的源极和所述第五电子开关管的源极共接并与正电源端连接，所述第三电子开关管的栅极与所述误差放大器的输出端连接，所述第三电子开关管的漏极、所述第三三极管的发射极、所述第五电子开关管的漏极和所述第二电子开关管的漏极共接，所述第四电子开关管的栅极、所述第三三极管的基极、所述第九电阻的第一端和所述第五电子开关管的栅极共接，所述第三三极管的集电极和所述第九电阻的第二端均接地。
16.在一个实施例中，所述高温补偿电路包括第六电子开关管、第七电子开关管、第八电子开关管和第十电阻；
17.所述第六电子开关管的源极与所述正电源端连接，所述第六电子开关管的栅极和所述第五电子开关管的栅极连接，所述第六电子开关管的漏极、所述第十电阻的第一端、所述第七电子开关管的栅极和所述第八电子开关管的栅极共接，所述第七电子开关管的漏极和所述第二电子开关管的漏极连接，所述第七电子开关管的源极和所述第八电子开关管的漏极连接，所述第八电子开关管的源极接地。
18.在一个实施例中，所述高温补偿电路还包括二极管，所述二极管的阴极与所述第七电子开关管的漏极连接，所述二极管的阳极接地。
19.在一个实施例中，所述基准电压输出电路包括第九电子开关管和第十一电阻；
20.所述第九电子开关管的源极与所述正电源端连接，所述第九电子开关管的栅极与所述误差放大器的输出端连接，所述第九电子开关管的漏极与所述第十一电阻的第一端共接构成所述基准电压输出电路的输出端，所述第十一电阻的第二端接地。
21.在一个实施例中，所述启动电路包括第十电子开关管、第十一电子开关管、第十二电子开关管和第十三电子开关管；
22.第十电子开关管的源极与正电源端连接，所述第十电子开关管的栅极接地，所述
第十电子开关管的漏极与所述第十一电子开关管的源极连接，所述第十一电子开关管的栅极、所述第十一电子开关管的漏极、所述第十二电子开关管的栅极和所述第十三电子开关管的漏极共接，所述第十三电子开关管的栅极用于接收启动电压，所述第十三电子开关管的源极和所述第十二电子开关管的源极均接地，所述第十二电子开关管的漏极构成所述启动电路的信号输出端。
23.在一个实施例中，所述第一电子开关管的宽度和长度比值、第二电子开关管的宽度和长度比值、第三电子开关管的宽度和长度比值和所述第九电子开关管的宽度和长度比值相等。
24.在一个实施例中，第四电子开关管的宽度和长度比值、第五电子开关管的宽度和长度比值和所述第六电子开关管的宽度和长度比值相等。
25.本发明实施例的第二方面提出了一种电子设备，包括如上所述的低温漂低压低失调的带隙基准电压源。
26.本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：低温漂低压低失调的带隙基准电压源通过设置高阶温度补偿电路，产生对数特性的电流，直接抵消三极管电路中高阶非线性项，实现高阶温度补偿，同时，利用正温度特性的工作电流控制高温补偿电路的开启，进行分流，减少非线性项在高温阶段所占比重会大幅增大引起基准电流增加导致基准电压增大的问题，同时，增加t型电阻网络降低基准电压的失调，提高基准电压的输出精度，以及增加分压电阻网络，降低误差放大器的差分输入电压，确保基准电压在更低的电源电压下工作，扩展带隙基准电压源的电压工作范围。
附图说明
27.图1为传统的带隙基准电压源的电路结构示意图；
28.图2为本发明实施例提供的低温漂低压低失调的带隙基准电压源的电路结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.本发明实施例的第一方面提出了一种低温漂低压低失调的带隙基准电压源。
32.如图1所示，图1为本发明实施例提供的低温漂低压低失调的带隙基准电压源的电路结构示意图，本实施例中，带隙基准电压源包括启动电路10、基准核心发生电路20、高阶温度补偿电路30、高温补偿电路40和基准电压输出电路50；
33.启动电路10，在电源电压上电时，产生第一驱动电平至基准核心发生电路20；
34.基准核心发生电路20包括误差放大器u1、与误差放大器u1的输入端通过分压节点
分别连接的分压电阻网络、分别与分压电阻网络两端连接的t型电阻网络21和两个三极管电路，基准核心发生电路20受第一驱动电平触发工作产生两路工作电流并输出至两个差分设置的三极管电路，以及输出第二驱动电平至基准电压输出电路50，以触发基准电压输出电路50输出基准电流iref和基准电压vref；
35.分压电阻网络，用于降低误差放大器u1的差分输入电压，包括分别与两个三极管电路连接的第一分压电阻网络221和第二分压电阻网络222；
36.t型电阻网络21，用于降低基准电压vref的失调电压；
37.高阶温度补偿电路30，用于在基准核心发生电路20产生工作电流时同步产生对数电流，并抵消三极管电路中高阶非线性项，对数电流与温度呈正比；
38.高温补偿电路40，用于在高阶温度补偿电路30的对数电流达到预设电流时触发导通，以对基准电压输出电路50产生的基准电流iref进行高温电流补偿。
39.本实施例中，差分设置的三极管电路与传统电路结构相同，两个三极管电路工作在不同电流密度时，两个三极管电路的基极-发射极之间电压的差值和绝对温度成正比，δvbe具有正温度系数，通过一定的比例，产生零温度系数的带隙基准电压。
40.同时，为了提高基准电压vref的输出精度，增加误差放大器u1差分输入对三极管电路的基极-发射极之间电压进行钳制，减少电路的失配。
41.但是，由于差分设置的三极管电路只对基准电压vref的一阶温度项进行补偿，对于高阶非线性项并未进行温度补偿，其温度系数会因为高阶非线性项的干扰一般被限制在20ppm～100ppm/℃以内，为了解决此问题，带隙基准电压源中设置了高阶温度补偿电路30，高阶温度补偿电路30基于带隙基准电压源对数补偿技术原理，设置另一路三极管电路，利用三极管基极-发射极电压差作用在电阻上产生对数电流，直接抵消原三极管电路中vbe高阶非线性项，实现对基准电压vref高阶温度补偿。
42.并且，在高温时，由于vbe的非线性项在高温阶段所占比重会大幅增大，引起基准电流iref的正温度系数电流所占比例增大，导致基准电压vref偏高，为了解决此问题，利用正温度特性的工作电流控制高温补偿电路40的开启，对基准电流iref进行分流，从而调节基准电压vref至预设值。
43.以及带隙基准电压源容易受到内部晶体管阈值电压过大导致误差放大器u1无法正常工作，导致失配增加，影响基准电压vref输出精度，为了解决此问题，增加了分压电阻网络，分压电阻网络设置在工作电流的路径上，进行分压，降低误差放大器u1的差分输入电压，同时，增加了t型电阻网络21，降低基准电压vref的失配电压，从而实现低温漂、低压、低失配的带隙基准电压源，提高了基准电压vref的输出精度。
44.各电路结构可根据功能需求对应设置，如图2所示，可选地，基准核心发生电路20包括第一电子开关管m1、第二电子开关管m2、第一三极管电路、第二三极管电路、分压电阻网络和t型电阻网络21，第一三极管电路包括第一三极管q1，第二三极管电路包括第一电阻r1和第二三极管q2，分压电阻网络包括第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4和第五电阻r5，t型电阻网络21包括第六电阻r6、第七电阻r7和第八电阻r8；
45.第一电子开关管m1的源极和第二电子开关管m2的源极共接并与正电源端vdd连接，第一电子开关管m1的栅极、第二电子开关管m2的栅极、误差放大器u1的输出端、启动电路10的信号输出端、高阶温度补偿电路30的受控端和基准电压输出电路50的受控端共接，
第一电子开关管m1的漏极、第六电阻r6的第一端、第二电阻r2的第一端和第一三极管q1的发射极共接，第二电子开关管m2的漏极、第七电阻r7的第一端、第四电阻r4的第一端和第一电阻r1的第一端共接，第二电阻r2的第二端、第三电阻r3的第一端和误差放大器u1的反相输入端共接，第四电阻r4的第二端、第五电阻r5的第一端和误差放大器u1的正相输入端共接，第六电阻r6的第二端、第七电阻r7的第二端和第八电阻r8的第一端共接，第三电阻r3的第二端、第一三极管q1的集电极、第一三极管q1的基极、第八电阻r8的第二端、第五电阻r5的第二端、第二三极管q2的集电极和第二三极管q2的基极共接并接地。
46.高阶温度补偿电路30包括第三电子开关管m3、第四电子开关管m4、第五电子开关管m5、第三三极管q3和第九电阻r9；
47.第三电子开关管m3的源极、第四电子开关管m4的源极和第五电子开关管m5的源极共接并与正电源端vdd连接，第三电子开关管m3的栅极与误差放大器u1的输出端连接，第三电子开关管m3的漏极、第三三极管q3的发射极、第五电子开关管m5的漏极和第二电子开关管m2的漏极共接，第四电子开关管m4的栅极、第三三极管q3的基极、第九电阻r9的第一端和第五电子开关管m5的栅极共接，第三三极管q3的集电极和第九电阻r9的第二端均接地。
48.高温补偿电路40包括第六电子开关管m6、第七电子开关管m7、第八电子开关管m8和第十电阻r10；
49.第六电子开关管m6的源极与正电源端vdd连接，第六电子开关管m6的栅极和第五电子开关管m5的栅极连接，第六电子开关管m6的漏极、第十电阻r10的第一端、第七电子开关管m7的栅极和第八电子开关管m8的栅极共接，第七电子开关管m7的漏极和第二电子开关管m2的漏极连接，第七电子开关管m7的源极和第八电子开关管m8的漏极连接，第八电子开关管m8的源极接地。
50.高温补偿电路40还包括二极管d1，二极管d1的阴极与第七电子开关管m7的漏极连接，二极管d1的阳极接地。
51.基准电压输出电路50包括第九电子开关管m9和第十一电阻r11；
52.第九电子开关管m9的源极与正电源端vdd连接，第九电子开关管m9的栅极与误差放大器u1的输出端连接，第九电子开关管m9的漏极与第十一电阻r11的第一端共接构成基准电压输出电路50的输出端，第十一电阻r11的第二端接地。
53.启动电路10包括第十电子开关管m10、第十一电子开关管m11、第十二电子开关管m12和第十三电子开关管m13；
54.第十电子开关管m10的源极与正电源端vdd连接，第十电子开关管m10的栅极接地，第十电子开关管m10的漏极与第十一电子开关管m11的源极连接，第十一电子开关管m11的栅极、第十一电子开关管m11的漏极、第十二电子开关管m12的栅极和第十三电子开关管m13的漏极共接，第十三电子开关管m13的栅极用于接收启动电压，第十三电子开关管m13的源极和第十二电子开关管m12的源极均接地，第十二电子开关管m12的漏极构成启动电路10的信号输出端。
55.本实施例中，第十电子开关管m10至第十三电子开关管m13构成启动电路10，电源开始上电时，启动电压为低电平，第一电子开关管m1和第二电子开关管m2的栅极电压为高电平，第十三电子开关管m13关断，第十二电子开关管m12导通，拉低第一电子开关管m1和第二电子开关管m2的栅极电压，基准电压vref开始建立稳态，启动电压被拉高，第十三电子开
关管m13导通，第十二电子开关管m12关断，基准电压vref启动完成，第九电子开关管m9受控导通并输出正常基准电压vref。
56.t型电阻网络21由第六电阻r6、第七电阻r7和第八电阻r8构成，利用戴维宁定理和节点电压、电流方程可知，第七电阻r7和第八电阻r8的等效阻抗为：
57.r0＝r7+2*r8
ꢀꢀ
(1)
58.其中，r7为第七电阻的阻抗，r8为第八电阻的阻抗。
59.在一个实施例中，第一电子开关管m1的宽度和长度比值、第二电子开关管m2的宽度和长度比值、第三电子开关管m3的宽度和长度比值和第九电子开关管m9的宽度和长度比值相等，第二电阻r2与第四电阻r4的阻抗相等，第三电阻r3和第五电阻r5的阻抗相等，因此，i0＝i1＝iref，n1为第二三极管q2和第一三极管q1的比值，因此，带隙基准电压源的基准电压vref为(不带高阶温度补偿模块时)：
60.vref＝iref*r11
ꢀꢀ
(2)
61.其中，iref为第十一电阻r11流经的基准电流。
62.根据公式(1)和(2)可得：
[0063][0064][0065][0066]
其中，v
eb_q1
为第一三极管q1的发射极和基极的电压差，v
t
lnn1为三极管电路的高阶非线性项，r1为第一电阻，r2为第二电阻，r3为第三电阻，r7为第七电阻，r8为第八电阻，r11为第十一电阻。
[0067]
基准电压vref的失配电压vos主要是由晶体管中阈值电压的局部失配导致的，将公式(3)带上失配电压vos后可得：
[0068][0069]
对比传统的带隙基准电压源，公式(4)中的比例因子r11/r1小于传统带隙基准电压源中的比例因子(1+r2/r1)，通过调节比例因子r11/r1的大小，降低基准电压vref的失配，提高基准电压vref的输出精度。
[0070]
同时，如图1所示，传统的结构需要采用较大的电源电压来保证整个电路正常工作，但较大电源电压会造成较大的功耗，而且难以满足当前低压下工作需求。如图2所示，本实施例中，通过增加第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4和第五电阻r5构成的分压电阻网络，降低了误差放大器u1差分输入电压，相比于传统的带隙基准结构相比，更低的差分输入电压，可以确保带隙基准电压源在更低的电源电压下工作，扩展了带隙基准电压源的工作电压范围。
[0071]
同时，基于对数补偿技术的原理，设置了高阶温度补偿电路30，其补偿原理是：利用第三三极管q3的基极-发射极的电压差作用在第九电阻r9上产生对数特性的电流，直接
抵消第二三极管q2基极-发射极的电压差中高阶非线性项tlnt。
[0072]
具体推导过程如下：
[0073][0074][0075]
根据公式(5)和(6)可得：
[0076][0077]
其中，i
nl
为流经第九电阻r9的对数电流，i0＝iref，iptat为流经第一电阻r1的电流并与温度呈正温度系数。k、q、n1等都是与温度无关的常数。
[0078]
根据公式(7)可知电流i
nl
与温度成对数关系，可以直接补偿基准电压vref中的高阶非线性项tlnt。将公式(3)加入i
nl
电流后，得到补偿后的基准电压vref为：
[0079][0080][0081][0082][0083]
令
[0084]
公式可简写为：
[0085][0086]
其中：
[0087][0088][0089]
其中，vgo为绝对零度下时，硅的外推能隙电压约为1.176v，tr为参考温度，vbe(tr)为参考温度下的基极-发射级电压，η是与工艺相关与温度无关的变量，δ为集电极的温度因子，q为电子电荷，k为玻尔兹曼系数。
[0090]
根据公式(9)和(10)可知，除了各电阻为变量外，其余参数都为确定值，即可以通过调整各电阻的比例关系使得l1和l2为零，完成低温阶段的高阶补偿。
[0091]
同时，在高温下，基准电压vref变大，在低温阶段的高阶补偿无法完全补偿到高温阶段时，基准电压vref发生温漂偏移，为了解决此问题，设置了高温补偿电路40，其中，第四电子开关管m4的宽度和长度比值、第五电子开关管m5的宽度和长度比值和第六电子开关管m6的宽度和长度比值相等。
[0092]
通过上述可知，i
nl
呈正温度系数，当温度升高时，第十电阻r10的节点电压vc随着温度升高而身高，当升高到第七电子开关管m7和第八电子开关管m8的阈值电压时，第七电子开关管m7和第八电子开关管m8导通，参考电流部分电流通过第七电子开关管m7和第八电子开关管m8到地，降低基准电压vref，实现高温补偿。
[0093]
同时，考虑到第七电子开关管m7和第八电子开关管m8阈值电压受工艺、温度变化影响，当采用当前的高温补偿电路40难以兼顾整个pvt下较好的补偿特性时，高温补偿电路40还设置有二极管d1，反向设置的二极管d1在高温阶段反向漏电流增加，降低基准电压vref，进一步实现高温补偿的功能。
[0094]
其中，根据各电子开关管的导通模式，在一个实施例中，第一电子开关管m1、第二电子开关管m2、第三电子开关管m3、第四电子开关管m4、第五电子开关管m5、第六电子开关管m6、第九电子开关管m9、第十电子开关管m10和第十一电子开关管m11均为pmos管。
[0095]
第七电子开关管m7、第八电子开关管m8、第十二电子开关管m12和第十三电子开关管m13均为nmos管。
[0096]
本发明还提出一种电子设备，该电子设备包括低温漂低压低失调的带隙基准电压源，该低温漂低压低失调的带隙基准电压源的具体结构参照上述实施例，由于本电子设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0097]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。