专利名称：一种高阶温度补偿电流产生电路及电流连续调节方法
技术领域：
本发明涉及一种电流产生电路，尤其涉及一种高阶温度补偿的电流产生电路。本发明还涉及了高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法。
背景技术：
在模拟、数模混合，甚至纯数字电路中都需要温度传感电路和随温度变化稳定的参考电压源，其温度变化的线性和稳定性直接决定了整个电路的性能。存在许多方法来测量温度，比如热电偶，热电阻等等，但是热电偶存在信号小、需要冷端补偿等缺点，成本也较高。热电阻的线性不好，而基于半导体工艺的半导体温度传感器则具有精度高，线性好，量产成本低的特点，是一种上佳的温度感知器件。为了达到精确的温度测量目的，我们需要一个和绝对温度成正比的物理量进行量测。两个面积成1: N比例而集电极电流相同的双极型晶体管的Vbe之电压差AVbe是一个与绝对温度完全线性的物理量，对于它的量测是实现温度测量的基础。另外硅能隙基准Vbandgap可以由Δ Vbe与Vbe按一定比例相加而成，大约在1.2V左右，如果设计精确合理，Vbandgap可以达到几个ppm的精度 。AVbe与Vbandgap的比例值是一个可测量的物理量，用它对温度进行表征。除了温度传感电路，电压基准源也必须具有非常小的温度系数，而能隙参考电压源是目前具有最小温度系数的参考电压源，能隙参考电压源的原理描述如前硅能隙基准
Vbandgap 所述。对于温度传感物理量Λ Vbe与Vbandgap的比例R，我们可按照温度作泰勒展开可以表示成R = %+&1*Τ+&2*Τ2+83*Τ3+….精确的温度传感电路的设计就是使a2，a3，...温度的高阶系数尽可能最小，为此需要进行二阶补偿、三阶补偿甚至于更高阶的补偿。产生高阶项的原因是多方面的，比如产生Vbandgap的晶体管的Vbe与温度有指数关系；在集成电路中，电阻具有较大的温度系数，使的Iptat电流出现了高阶项，导致电路中的偏置电流出现了高阶项。同理，如果我们将基准电压源按照温度作泰勒展开可以表示成Vbandgap =k+bfT+bdT2+…，基准电压源的设计就是使温度的各阶系数b1; b2，....尽可能最小，为此需要进行一阶补偿、二阶补偿、...，普通的能隙基准电压源只进行了一阶补偿，为了进一步提高基准电压源的温度稳定性，还必须进行二阶补偿甚至更高阶的补偿。因此为了要获得精确的温度传感电路或者更好温度特性的基准电压源电路，必须对其进行二阶补偿、三阶补偿甚至更高阶的补偿。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服上面所述的技术缺陷，提供一种高阶温度补偿的电流产生电路，同时也提供一种高阶温度补偿的电流产生电路的电流连续调节方法。为了解决上面所述的技术问题，本发明采取以下技术方案:一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有至少一个二阶温度补偿电流产生电路，所述的二阶温度补偿电流产生电路进一步包括有通过电性连接的五个三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24和电阻R20及调节电阻R21，三极管Q20的集电极与基极连接恒流源Iptat ;三极管Q21的集电极与基极连接三极管Q20的发射极，三极管Q21的发射极接地；三极管Q22的基极与三极管Q20的基极相连后连接恒流源Iptat，三极管Q22的集电极连接电源VDD ;三极管Q23的基极与三极管Q21的基极相连后连接三极管Q20的发射极，三极管Q23的发射极接地；作为输出端的三极管Q24的集电极连接目标模块，三极管Q24的发射极连接调节电阻R21后接地，三极管Q24的基极与三极管Q23的集电极相连后连接三极管Q22的发射极，三极管Q24的基极连接电阻R20后接地。 恒流源Iptat是一个与绝对温度成正比的电流源。所述的三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24 的面积比为:Aq2q: AQ2i: A022: Aq23: Aq24=N0: N1: N2: N3: N4,其中比例系数Ni均为大于或等于I的自然数，i e
，且1为整数。所述的目标模块为温度传感器、高精度基准稳压源、或数据转换器等等。还包括有在二阶温度补偿电流产生电路的基础上形成的三阶温度补偿电流产生电路，所述的三阶温度补偿电流产生电路还包括有五个三极管Q30、Q31、Q32、Q33、Q34和电阻R30及调节电阻R31，三极管Q30的集电极与基极连接恒流源Iptat，三极管Q30的发射极连接三极管Q20的集电极；三极管Q22的基极和三极管Q20的基极相连后连接三极管Q30的发射极；三极管Q31的基极和三极管Q30的基极相连后连接恒流源Iptat，三极管Q31的集电极连接电源VDD，三极管Q31的发射极同时连接三极管Q32的基极及三极管Q22的集电极；三极管Q32的集电极连接电源VDD，三极管Q32发射极同时连接三极管Q34的基极及三极管Q33的集电极；三极管Q33的基极与三极管Q21的基极相连后连接三极管Q20的发射极，三极管Q33的发射极接地；作为输出端的三极管Q34的集电极连接目标模块，三极管Q34的基极连接电阻R30后接地，三极管Q`34的发射极连接调节电阻R31后接地。所述的三极管020、021、022、023、024、030、031、032、033、034的面积比为:AQ2(I: Aq21.A322.A323.Α 4.Ab0.A331.A332.A333.A334 — Na.N1..N3.N4.N5.N6.N7.N8.N9,其中比例系数Ni均为大于或等于I的自然数，i e
，且i为整数。还包括有在η阶温度补偿电流产生电路的基础上形成的η+1阶温度补偿电流产生电路，η彡3。一种如上面所述的高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，进行二阶温度补偿电流调节时，先通过调整比例系数Ni和电阻R20的值使得三极管Q22的集电极的电流Ιο21为不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数Ni和调节电阻R21，从而连续调节三极管Q24的集电极电流Ιο20的大小，使得集电极电流Ιο20的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配，其中i e
，且1为整数。在进行二阶温度补偿电流调节的基础上，进行三阶温度补偿电流调节，在进行三阶温度补偿电流调节时，先通过调整比例系数Ni和电阻R30、R20的值使得三极管Q32的集电极的电流131及三极管Q31的集电极的电流132均为不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数Ni和调节电阻R31，从而连续调节三极管Q34的集电极电流130的大小，使得集电极电流130的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配，其中i e
，且i为整数。
在进行η阶温度补偿电流调节的基础上，进行η+1阶温度补偿电流调节，η > 3，且η为整数。本发明提供的高阶温度补偿电流产生电路将三极管通过串并联的方式相连接，并在电路中加上电阻及调节电阻，通过调整调节电阻的阻值，从而使得与目标模块连接的三极管的集电极电流连续可调，使得补偿电流的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配。
图1为传统的二阶温度补偿电流产生电路的电路结构图。图2为本发明的二阶温度补偿电流产生电路的电路结构图。图3为本发明的三阶温度补偿电流产生电路的电路结构图。
具体实施例方式请参阅图1，如图所示，传统的二阶温度补偿电流产生电路包括有通过电性连接的五个三极管Q10、Ql1、Q12、Q13、Q14和电阻R10，三极管QlO的集电极与基极连接恒流源Iptat ;三极管QlI的集电极与基极连接三极管QlO的发射极，三极管QlI的发射极接地；三极管Q12的基极与三极管QlO的基极相连后连接恒流源Iptat，三极管Q12的集电极连接电源VDD ;三极管Q13的基极与三极管Qll的基极相连后连接三极管QlO的发射极，三极管Q13的发射极接地；作为输出端的三极管Q14的集电极连接目标模块1，进行温度补偿，三极管Q14的发射极接地，三极管Q14的基极与三极管Q13的集电极相连后连接三极管Q12的发射极，三极管Q14的基极连接电阻RlO后接地。传统的二阶温度补偿电流产生电路进行二阶温度补偿的原理如下:由图1中可知，从三极管QlO的集电极到接地GND的电压为等式1:
Vbe(QlO)+Vbe(Qll) — \e (Q12)+\e (Q14)因为Vbe= (k*T/q)*ln(Ic/Is),其中:k为玻尔兹曼常数,T为温度,q为电子电量，Ic为晶体管集电极电流，Is为晶体管饱和电流。因此得到等式2:(k*T/q)*ln(Ic(_/Is(_) + (k*T/q)*ln(Ic(Q11)/Is(Q1)) = (k*T/q) *ln (Ic(Q⑵/I s (Q12)) + (k*T/q) * I η (I c (Q14) /1 s (Q14))进而得到等式3:(Ic(Q10)*Ic(Q11)) / (Is(Q10)*Is(Q11)) — (Ic(Qi2)*Ic(Ql4)) / (Is(Q12)*Is(Q14))在电路原理中，Ic(Q10)= Ic(Q11) = Iptat,设定三极管 Q10、Ql1、Q12、Q13、Q14 的面积比为 A_: A011: A012: A013: A014 = Mq: M1: M2: M3: M4,因此Is(Q10): Is(Q11): Is(Q12: Is(Q14)=M0: M1: M2: M4，这样我们可以得到等式 4:Iptat2 = [(Mc^M1)/(M2 *M4)]*Ic(Q⑵*Ic(Q14)由于M。、M1, M2、M4的比值是固定的，因此(MfM1V(M2^M4)的值也是固定的，假设(MfM1) / (Μ2*Μ4)的值为Μ,我们得到等式5:IPTAT — I c (Q12) I c (Q14)由图1 可知:Ic(Q12) = loll, Ic(Q14) = 1lO
因为Ic(Q12) = Ic(Q13)+Vbe(Q14)/R10，由于 Q13 与 Qll 的面积比为 Aq13.Aqii=M3.M1,得到Ic(Q13) = (M3ZM1)^Iptat,由于Iptat - k*T/q，且M3ZiM1的值是固定的，假设M3Z^M1的值为M’，所以Ic_ = M’ *IPTAT，Ic(Q13)是随温度T的增大而上升的;Vbe_/R10的值是温度T的增大而下降的；因此我们可以通过调整M’值和电阻RlO的值，使得Ic_即1ll不随温度变化。这样由等式5得到等式6:Iptat2 = M*1ll*1lO由于M值是恒定的，且I ο 11不随温度变化，所以I ο IO与IPTAT2成正比，S卩I ο IO ^ T2。传统的二阶温度补偿电流产生电路中，虽然得到了 1lO与温度T2成正比的关系，使其能得到二阶温度补偿，不过由于RlO与M值是匹配关系，即随着M值的变化，RlO也要随着变化，且该变化是跳跃性的变化，因此1lO的值也是呈跳跃性变化，导致1lO值的大小不能随意调节。实施例一:请参阅图2，如图所示，一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有至少一个二阶温度补偿电流产生电路，二阶温度补偿电流产生电路进一步包括有通过电性连接的五个三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24和电阻R20及调节电阻R21，三极管Q20的集电极与基极连接恒流源Iptat三极管Q21的集电极与基极连接三极管Q20的发射极，三极管Q21的发射极接地；三极管Q22的基极与三极管Q20的基极相连后连接恒流源Iptat，三极管Q22的集电极连接电源VDD ;三极管Q23的基极与三极管Q21的基极相连后连接三极管Q20的发射极，三极管Q23的发射极接地；作为输出端的三极管Q24的集电极连接目标模块1，进行温度补偿，三极管Q24的发射极连接调节电阻R21后接地，三极管Q24的基极与三极管Q23的集电极相连后连接三极管Q22的发射极，三极管Q24的基极连接电阻R20后接地。三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24 的面积比为:Aq2q: Aq21: Aq22: Aq23: Aq24 = N0: N1: N2: N3: N4，其中比例系数Ni均为大于或等于I的自然数，i e
，且i为整数。在恒流源Iptat不变的情况下，输出电流120可根据比例系数Ni的值以及调节电阻R21进行调整。本发明实例一进行的是二阶温度补偿，其原理如下:由图1中可知，从三极管Q20的集电极到接地GND的电压为等式1:Vbe(Q20)+Vbe(Q21) — Vbe (Q22)+Vbe (Q24)+I C (Q24) I因为Vbe= (k*T/q)*ln(Ic/Is),其中:k为玻尔兹曼常数,T为温度,q为电子电量，Ic为晶体管集电极电流，Is为晶体管饱和电流。因此得到等式2:(k*T/q)*ln(Ic(_/Is(_) + (k*T/q)*ln(Ic(Q21)/Is(Q21)) = (k*T/q) *ln (Ic(Q22)/
Is(Q22)) + (k*T/q) *ln (Ic(q24)/Is(Q24)) +Ic(Q24)*R21进而得到等式3:In [ ( I C (Q2CI) * I C (Q21) * I S (Q22) * I S (Q24) ) / ( I C (Q22) * I C (Q24) * I S (Q2CI) * I S (Q21) ) ] — (1 /kT)*Ic(_*R21在电路原理中，Ic_ = Ic_ = Iptat，，三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24的面积比为
Aq20.Aq2I.Aq22.Aq23.Aq24 — Ng.Nj.Ng.N3.N4，因此 I S.I S(Qg1).I S (Q22).I S (Q24)=N0: N1: N2: N4，这样我们可以得到等式4:
In {[ (N2*N4) / (Nc^N1) ]* [Iptat2/(Ic(Q22)*Ic(Q24))]} = (q/kT) *Ic(Q24)*R21由于N。、N1, N2, N4的比值是固定的，因此(N2^N4V(NfN1)的值也是固定的，假设(N2^N4)/(N0^N1)的值为P，我们得到等式5:I η [P* IPTAT2/ (I c (Q22) * I c (Q24)) ] = (q/kT) *Ic_*R21从而得到等式6:ln{l+[(P*IPTAT2-1c(Q22)*Ic(Q24))/(Ic(Q22)*Ic_)]} = (q/kT) *Ic(Q24)*R21由于(P*Iptat2-1c_*Ic(Q24))/(Ic(Q22)*Ic_)趋向于零，由泰勒展开式得到等式7:(P*IpTAT _Ic(Q22)*Ic(Q24)) / (Ic(Q22)*Ic(Q24)) (q/kT) * IC (Q24) *R2 I进而得到等式8:P*Iptat _Ic(q22)*Ic(q24) (q/kT) *R2 I * IC (Q22) * IC (q24)由于Ic_与Ic_的值很小，因此(q/kT)*R21*IC_*IC(Q24)2的值为高阶小量，可以忽略，所以得到等式9:IPTAT IC(Q22)*IC(Q24)由图2 可知:IC(Q22) = 121, Ic(q24) = 120因为Ic(Q22) = Ic(Q23)+Vbe(_/R20，由于 Q23 与 Q21 的面积比为 Aq23.Aqii = N3.N1,得到Ic(Q23) = (VN1)Wptat,由于Iptat - k*T/q，且N3ZiN1的值是固定的，假设N3Z^N1的值为P’，所以Ic_ = P’ *IPTAT，Ic_是随温度T的增大而上升的；Vbe(Q24)/R20的值是随温度T的增大而下降的；因此我们可以通过调整P’值和电阻R20的值，使得Ic_即121不随温度变化。这样可以得到等式10:P*IPTAT2 ^ 121*120由于P值是恒定的，且121不随温度变化，所以120与Iptat2成正比，即120°^T2。此时，由于加入了调节电阻R21，使得Ιο20的值会随着调节电阻R21的增大而减小，但不影响Ιο20与温度T2成正比的关系。这样就可以通过调节电阻R21，连续调整输出电流Ιο20的大小。实施例二:请参阅图3，如图所示，一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有在二阶温度补偿电流产生电路的基础上形成的三阶温度补偿电流产生电路，三阶温度补偿电流产生电路还包括有五个三极管Q30、Q31、Q32、Q33、Q34和电阻R30及调节电阻R31，三极管Q30的集电极与基极连接恒流源Iptat，三极管Q30的发射极连接三极管Q20的集电极；三极管Q22的基极和三极管Q20的基极相连后连接三极管Q30的发射极；三极管Q31的基极和三极管Q30的基极相连后连接恒流源Iptat，三极管Q31的集电极连接电源VDD，三极管Q31的发射极同时连接三极管Q32的基极及三极管Q22的集电极；三极管Q32的集电极连接电源VDD，三极管Q32发射极同时连接三极管Q34的基极及三极管Q33的集电极；三极管Q33的基极与三极管Q21的基极相连后连接三 极管Q20的发射极，三极管Q33的发射极接地；作为输出端的三极管Q34的集电极连接目标模块，进行温度补偿，三极管Q34的基极连接电阻R30后接地，三极管Q34的发射极连接调节电阻R31后接地。三极管020、021、022、023、024、030、031、Q32、Q33、Q34 的面积比为:Aq2。.Aq21.Aq22.Aq23.Aq2 4.Aq30.Aq31.Aq32.Aq33.Aq34=N0: N1: N2: N3: N4: N5: N6: N7: N8: N9，其中比例系数Ni均为大于或等于I的自然数，i e [O，9]，且i为整数，在恒流源Iptat不变的情况下，输出电流130可根据比例系数Ni以及调节电阻R31的值进行调整。本发明实施例二的三阶温度补偿的原理可以参照实施例一的原理推导，从而得到三阶温度补偿电流130 - T3。以此类推，可以得到四阶甚至更高阶的温度补偿电流产生电路，其温度补偿的原理也可以参照实施例一的原理推导，从而得到高阶温度补偿电流1 ~ Tn，其中η彡4且η为自然数。—种高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，进行二阶温度补偿电流调节时，先通过调整比例系数Ni和电阻R20的值使得三极管Q22的集电极的电流Ιο21为不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数Ni和调节电阻R21，从而连续调节三极管Q24的集电极电流Ιο20的大小，使得集电极电流Ιο20的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配,其中i e
，且丨为整数。一种高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，在进行二阶温度补偿电流调节的基础上，进行三阶温度补偿电流调节，在进行三阶温度补偿电流调节时，先通过调整比例系数Ni和电阻R30、R20的值使得三极管Q32的集电极的电流131及三极管Q31的集电极的电流132均为不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数Ni和调节电阻R31，从而连续调节三极管Q34的集电极电流130的大小，使得集电极电流130的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配，其中i e
，且i为整数。—种高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，在进行η阶温度补偿电流调节的基础上，进行η+1阶 温度补偿电流调节，n ^ 3，且η为整数。
权利要求
1.一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有至少一个二阶温度补偿电流产生电路，所述的二阶温度补偿电流产生电路进一步包括有通过电性连接的五个三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24和电阻R20及调节电阻R21，其特征在于:三极管Q20的集电极与基极连接恒流源Iptat ;三极管Q21的集电极与基极连接三极管Q20的发射极，三极管Q21的发射极接地；三极管Q22的基极与三极管Q20的基极相连后连接恒流源Iptat，三极管Q22的集电极连接电源VDD ;三极管Q23的基极与三极管Q21的基极相连后连接三极管Q20的发射极，三极管Q23的发射极接地；作为输出端的三极管Q24的集电极连接目标模块，三极管Q24的发射极连接调节电阻R21后接地，三极管Q24的基极与三极管Q23的集电极相连后连接三极管Q22的发射极，三极管Q24的基极连接电阻R20后接地。
2.如权利要求1所述的高阶温度补偿电流产生电路，其特征在于:所述的三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24 的面积比为:Aq2q: Aq21: Aq22: Aq23: Aq24 = N0: N1: N2: N3: N4,其中比例系数Ni均为大于或等于I的自然数，i e
，且i为整数。
3.如权利要求1所述的高阶温度补偿电流产生电路，其特征在于:所述的恒流源Iptat是一个与绝对温度成正比的电流源。
4.如权利要求1至3任一所述的高阶温度补偿电流产生电路，其特征在于:还包括有在二阶温度补偿电流产生电路的基础上形成的三阶温度补偿电流产生电路，所述的三阶温度补偿电流产生电路还包括有五个三极管Q30、Q31、Q32、Q33、Q34和电阻R30及调节电阻R31，三极管Q30的集电极与基极连接恒流源Iptat，三极管Q30的发射极连接三极管Q20的集电极；三极管Q22的基极和三极管Q20的基极相连后连接三极管Q30的发射极；三极管Q31的基极和三极管Q30的基极相连后连接恒流源Iptat，三极管Q31的集电极连接电源VDD，三极管Q31的发射极同时连接三极管Q32的基极及三极管Q22的集电极；三极管Q32的集电极连接电源VDD，三极管Q32发射极同时连接三极管Q34的基极及三极管Q33的集电极；三极管Q33的基极与三极管Q21的基极相连后连接三极管Q20的发射极，三极管Q33的发射极接地；作为输出端的三极管Q34的集电极连接目标模块，三极管Q34的基极连接电阻R30后接地，三极管Q34的发射极连接调节电阻R31后接地。
5.如权利要求4所述的高阶温度补偿电流产生电路，其特征在于:所述的三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24、Q30、Q31、Q32、Q33、Q34 的面积比为=A020: Aq21: Aq22: Aq23: Aq24: Aq30:Aq31: Aq32: Aq33: Aq34 = N0: N1: N2: N3: N4: N5: N6: N7: N8: N9，其中比例系数 Ni均为大于或等于I的自然数，i e
，且i为整数。
6.如权利要求4所述的高阶温度补偿电流产生电路，其特征在于:还包括有在η阶温度补偿电流产生电路的基础上形成的η+1阶温度补偿电流产生电路，η彡3，且η为整数。
7.—种如权利要求1至6任一所述的高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，其特征在于:进行二阶温度补偿电流调节时，先通过调整比例系数队和电阻R20的值使得三极管Q22的集电极的电流Ιο21为不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数Ni和调节电阻R21，从而连续调节三极管Q24的集电极电流Ιο20的大小，使得集电极电流Ιο20的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配，其中i e
，且i为整数。
8.如权利要求7所述的高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，其特征在于:在进行二阶温度补偿电流调节的基础上，进行三阶温度补偿电流调节，在进行三阶温度补偿电流调节时，先通过调整 比例系数Ni和电阻R30、R20的值使得三极管Q32的集电极的电流131及三极管Q31的集电极的电流132均为不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数Ni和调节电阻R31，从而连续调节三极管Q34的集电极电流130的大小，使得集电极电流130的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配，其中i e
，且i为整数。
9.如权利要求8所述的高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，其特征在于:在进行η阶温度补偿电流调节的基础上，进行η+1阶温度补偿电流调节，η > 3，且η为整 数。
全文摘要
本发明公开了一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有至少一个二阶温度补偿电流产生电路，所述的二阶温度补偿电流产生电路进一步包括有通过电性连接的五个三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24和电阻R20及调节电阻R21。本发明还公开了一种高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法。本发明提供的高阶温度补偿电流产生电路将三极管通过串并联的方式相连接，并在电路中加上电阻及调节电阻，通过调整调节电阻的阻值，从而使得与目标模块连接的三极管的集电极电流连续可调，使得补偿电流的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配。
文档编号G05F1/567GK103116381SQ20131005083
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月8日 优先权日2013年2月8日
发明者余浩, 潘志荣 申请人:余浩