一种带隙基准电压源的制作方法
【专利摘要】本发明公一种带隙基准电压源，利用互补温度系数电压产生电路和仅包含负反馈支路的输出主环路代替传统带隙基准电压源中同时包含正、负反馈支路的主环路，从而在对输出主环路中BJT晶体管射极进行互补温度系数电流注入以获取一阶正温度补偿项和高阶正TlnT温度补偿项时，不会产生负反馈环路失效的问题，进而使基准电压源对电源电压没有特殊的要求。本发明在获得极低温度系数的同时，能够工作在更低的电源电压工况下，具有补偿效果好、负反馈环路稳定性高、适合低电源电压等优点。
【专利说明】
一种带隙基准电压源
技术领域
[0001] 本发明涉及一种带隙基准电压源，具体涉及一种具有高阶温度补偿的低温度系数 带隙基准电压源电路，属集成电路设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 带隙基准电压源用于提供不随温度、电源电压和工艺等变化的基准电压，它在低 压差线性稳压源、数模转换器以及模数转换器等电路中起重要作用。最早的带隙基准电压 源采用一阶温度补偿方式，其原理是利用负反馈环路获取两个电流密度不同的BJT晶体管 射极 -基极电压Veb之间的差值AVeb，该电压差值差与温度成正比例关系(Proportional To Absolute Temperature，PTAT)，因而可以用于对Veb的负温度系数项进行一阶补偿。但是由 于VEB中负TlnT高阶温度项的存在，基于一阶温度补偿带隙基准电压源所能实现的温度系数 (Temperature Coefficient, TC)最低为20ppm/°C，不能满足某些高精度电路对基准电压 温度稳定性的要求。
[0003] 为了获得更低的温度系数，一种的可行方法是利用互补温度系数电流ICTAT获取正 的TlnT高阶温度项，以对V EB中的负TlnT高阶温度项进行补偿。
[0004] 公开号为US6828847B1 的美国发明专利〈Bandgap voltage reference circuit and method for producing a temperature curvature corrected voltage reference〉，公开了一种获取正TlnT高阶温度项的带隙基准电压源，如图1所示。该发明是 通过向具有更小集电极电流密度(也即集电结面积更大）的BJT晶体管Q 3注入互补温度系数 电流I cm，从而在输出电流I out中引入正的T In (T/To)高阶温度项，以对VEB冲的负T In (T/To) 高阶温度项进行补偿。该发明能够获得低至1 Ppm/°C的温度系数，温度漂移非常小，其不足 之处在于:在负反馈主环路中，同时包含Q2、MP4构成的正反馈支路和RLMP2A4构成的负反 馈支路，为了维持负反馈主环路的正常工作，由心和低集电极电流密度BJT晶体管Q 4构成的 负反馈支路的等效电阻必须大于由高集电极电流密度BJT晶体管Q2构成的正反馈支路的等 效电阻，以使负反馈增益大于正反馈环路增益，进而钳制Q 2射极和心电阻上端电压相等，最 终获取相应的温度补偿项。但若直接向相应的低集电极电流密度BJT晶体管Q4射极注入电 流后，其对应的射极一地等效电阻相应变小，从而降低了负反馈支路增益，负反馈环路具有 失效的风险。因此不能直接向Q 4注入Ictat，需另外再取一条低集电极电流密度的支路进行堆 叠，也就是向Q3注入Ictat，为了保持对称，还须再引入由Qi构成的支路，如此电路变的极为复 杂。另一方面，由于BJT晶体管采用的是堆叠结构，从而使得运放的输入端为两个V EB的叠加 (Vebi+VEB2)，约为1.2 V，其所要求的电源电压至少需要1.2V+VTH+2Vdsat~2.2 V左右，因此， 该发明对电源电压要求较高，电路无法工作在低电源电压情况下。
[0005] 综上所述，现有基于互补温度系数电流ICTAT注入以获取正TlnT高阶温度补偿项的 技术方案存在:负反馈失效、需引入堆叠 VJT支路、工作电源电压过高、结构复杂等问题。
【发明内容】
[0006] 本发明针对【背景技术】所述问题，设计一种带隙基准电压源，是一种对只包含负反 馈支路的主环路中的低电流密度BJT晶体管射极进行互补温度系数电流注入的带隙基准电 压源结构，通过将传统包含正、负反馈支路的主环路分解成互补温度系数电压产生电路和 只包含负反馈支路的输出主环路，当向输出主环路中BJT晶体管的射极注入互补温度系数 电流时，能够实现良好的高阶温度补偿，同时由于输出主环路只存在负反馈支路，不会出现 负反馈环路失效的问题，相比于现有技术方案，具有补偿效果好、环路稳定性高、适合低电 源电压等优点。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采用以下方案： 一种带隙基准电压源，包括：互补温度系数电压产生电路、互补温度系数电流产生电 路、输出主环路和输出支路;所述互补温度系数电压产生电路用于产生与电源电压、工艺无 关的互补温度系数电压;所述互补温度系数电流产生电路检测互补温度系数电压产生电路 产生的互补温度系数电压，并将产生的互补温度系数电压施加在一个电阻两端，得到流经 所述电阻的互补温度系数电流，再向输出主环路BJT晶体管Q 3射极注入该互补温度系数电 流;其特征在于： 所述输出主环路是仅由运算放大器0P3、PM0S晶体管MP5和电阻R2构成的负反馈支路， 无正反馈支路； 所述负反馈支路通过检测并引入互补温度系数电压产生电路产生的互补温度系数电 压以及，互补温度系数电流产生电路注入的互补温度系数电流，同时获取包含PTAT和正 TlnT的温度补偿项； 所述输出支路通过引入输出主环路产生的ΡΤΑΤ和正TlnT温度补偿项，用于对输出支路 BJT晶体管Q4的射极一基极电压进行补偿。
[0008] 如上所述的一种带隙基准电压源，其特征在于:所述负反馈支路检测的互补温度 系数电压是:运算放大器0P3负端连接至互补温度系数电压产生电路中BJT晶体管Q 2的射极 电压。
[0009] 如上所述的一种带隙基准电压源，其特征在于:所述互补温度系数电流通过对输 出主环路中的BJT晶体管Q3的射极进行注入，获取输出主环路中正的PTAT和正TlnT温度补 偿项。
[0010] 本发明的有益效果是： 本发明将传统带隙基准电压源中包含正、负反馈支路的主环路分解成互补温度系数电 压产生电路和仅包含负反馈支路的输出主环路，无正反馈支路;通过向只包含负反馈支路 的输出主环路中的BJT晶体管射极注入互补温度系数电流，能够获得极低温度系数的输出 基准电压，且不造成负反馈失效的问题，不引入堆叠 BJT支路，能够工作在低电源电压条件。
【附图说明】
[0011]图1是现有专利US6828847B1公开的带隙基准电压源原理图； 图2是本发明一种带隙基准电压源原理图； 图3是本发明一种带隙基准电压源温度特性图。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图对本发明一种带隙基准电压源具体实施例作进一步说明： 本发明提出的一种对只包含负反馈支路的主环路中BJT晶体管射极进行互补温度系数 电流注入的高阶温度补偿带隙基准电压源原理如图2所示。该电路由互补温度系数电压产 生电路、互补温度系数电流产生电路、输出主环路和输出支路构成，其中互补温度系数电压 产生电路由运算放大器0 P 1、PNP型BJT晶体管0 ~0 2、电阻7?!以&PM0S晶体管MP1-MP2构 成，互补温度系数电流产生电路由运算放大器2、电阻7?4以及PM0S晶体管Mp3_Mp4构成， 输出主环路由运算放大器OP 3、PNP型BJT晶体管03、电阻7?2以及PM0S晶体管MP5构成，输出 支路由PNP型BJT晶体管0 4、电阻7? !以及?105晶体管MP6构成。
[0013] 在互补温度系数电压产生电路中，由0 /M、MP1-MP2、^-心和R3构成的负反馈环路 钳制A、B两点电压相同，从而使得经过0 !和0 2射极的电流为（Kss- Km)/R3，其与电源和工 艺无关，因此的射极-基极电压也将与电源和工艺无关，互补温度系数电压产生电路将获 得与电源和工艺无关的CTAT电压Kss。
[0014] 在互补温度系数电流产生电路中，由0P2、Mp3和R4构成的负反馈环路，用于钳制C、 B两点电压相同，从而将由互补温度系数电压产生电路产生的与电源和工艺无关的CTAT电 压施加在电阻7? 4上，因此通过电阻7? 4的电流为4,由于为互补温度系数电 压，因此电阻4的电流也与温度呈互补系数关系，记1 K ￡62/7? 4 ;然后，由Mp4和Mp3构成的 电流镜将向输出主环路中的BJT晶体管0 3射极注入互补温度系数电流Imr，以在输出电流 I 冲引入正的高阶温度项，进而对输出支路中的BJT晶体管0 4射极-基极电压K S3中的负 高阶温度项进行补偿。
[0015] 在输出主环路中，只包含由0P3、MP5jdPR2构成的负反馈支路，它将钳制A、D两 点电压相同，从而使得输出电流1 wr为（K ss- K )/R3，该电流中将首先包含PTAT项，同时 由于h射极中互补温度系数电流I 的注入，它还将包括正的Γ ΙηΓ高阶温度补偿项。
[0016] 在输出支路中，由输出主环路产生的输出电流I 注入到电阻心中，从而使得办两 端的电压也将同时包含一阶正温度ΡΤΑΤ项和正Γ ΙηΓ高阶温度补偿项，可以实现对射 极-基极电压有效的高阶温度补偿。
[0017] 接下来将结合实例对其补偿原理进行详细分析。
[0018] 首先，对分析过程中公式上用到的一些参数定义如下表示与的集电极面 积之比；尤表不波尔兹曼常数；g·表不一个电子的电荷量；是0K温度时娃的带隙电压;η 是与硅迀移率与温度相关性的参数为BJT晶体管集电极电流的温度系数；为室温，一 般为27°C ;I cw邊互补温度系数电流产生电路产生的互补温度系数电流；Kfa~分别 为01~04的射极-基极电压；为互补温度系数电压产生电路支路电流;Iw/r为输出电 流；K 为输出电压； 在图2中，心与仏的偏置电流均为PTAT电流：
输出电流为：
其中#2为Γο温度下与7 α/Γ的比例：
同时可以分别写出02和03集电极电流与温度的关系为：
由于0 2由7 ?ri扁置，因此? ，而0 3由7 CM7+1 Oi/rf扁置，且7 CMr的温度系数为负，因 此有： m% <m:l(7) 其中/ CM71 为Κ ￡62与友4的比值，即：
因此，由于《3〈《2，可以看出式（3)中1離的女7/〇/3 0/7〇」系数将为正，1離注 入到1后，1两端电压将同时包含正一阶温度项和正高阶Γ ΙηΓ温度项，能够对Km进行 有效的补偿。最终的输出基准电压为：
在实际设计过程中，通过调整7? 4/7? i的值，就可以实现良好的温度补偿:验证 结果如图3所示，当温度从-40 °C到125 °C变化时，输出基准电压约为1.01IV。
[0019] 本发明能够获得0.7ppm/°C的温度系数，具有良好的温度补偿效果。
[0020] 同时，输出主环路只包括由0 3、友2和Mp5构成的负反馈支路，在对0 3射极进行/ 注入后，也不会带来负反馈环路失效的问题，且运放~的输入电压均为一个BJT 晶体管的射极-基极电压(约为0.6V)，不会额外增加对电源电压的要求，实际所能工作的最 低电压约为1.6V，能够工作在较低电压环境下。
[0021] 可以看出，与现有技术相比，本发明提出的基于对只包含负反馈支路的主环路中 低电流密度BJT晶体管射极进行互补温度系数电流注入的高阶温度补偿带隙基准电压源具 有补偿效果好、负反馈环路稳定性高、适合低电源电压等优点。
[0022]以上仅为本发明的实施例，但并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
【主权项】
1. 一种带隙基准电压源，包括:互补温度系数电压产生电路、互补温度系数电流产生电 路、输出主环路和输出支路;所述互补温度系数电压产生电路用于产生与电源电压、工艺无 关的互补温度系数电压;所述互补温度系数电流产生电路检测互补温度系数电压产生电路 产生的互补温度系数电压，并将产生的互补温度系数电压施加在一个电阻两端，得到流经 所述电阻的互补温度系数电流，再向输出主环路BJT晶体管Q 3的射极注入该互补温度系数 电流;其特征在于： 所述输出主环路是仅由运算放大器0P3、PM0S晶体管MP5和电阻R2构成的负反馈支路； 所述负反馈支路通过检测并引入互补温度系数电压以及，互补温度系数电流产生电路 注入的互补温度系数电流，同时获取包含PTAT和正TlnT的温度补偿项； 所述输出支路通过引入输出主环路产生的ΡΤΑΤ和正TlnT温度补偿项，用于对输出支路 BJT晶体管Q4的射极一基极电压进行补偿。2. 如权利要求1所述一种带隙基准电压源，其特征在于:所述负反馈支路检测的互补温 度系数电压是:运算放大器0P3负端连接至互补温度系数电压产生电路中BJT晶体管Q 2的射 极电压。3. 如权利要求1所述一种带隙基准电压源，其特征在于:所述互补温度系数电流通过对 输出主环路中的BJT晶体管Q3的射极进行注入，获取输出主环路中正的PTAT和正TlnT温度 补偿项。
【文档编号】G05F1/565GK106094960SQ201610520046
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】万美琳, 顾豪爽
【申请人】湖北大学