一种具有高温补偿功能的带隙基准电路的制作方法

1.本发明涉及半导体集成电路领域，特别是涉及一种具有高温补偿功能的带隙基准电路。


背景技术：

2.带隙基准电路作为集成电路内部的基准模块，要求具有较高的稳定性及对温度不敏感性，传统的p衬底n阱工艺，由于寄生pn结在高温下反向饱和漏电流增大，导致流过带隙基准电路中所使用的npn的集电极电流不成比例，最终导致带隙基准电压不准确。
3.目前对于一些需要高温应用的环境中，在带隙基准产生电路中通常有如下做法：
4.一种是使用pnp做带隙基准单元输出，此方法由于需要较大的输出电阻因此需要叠加多组电流镜对于供电电压较低时无法满足需求；或者采用运算放大器提高阻抗，但这样就增加了电路的复杂程度。
5.第二种则为采用npn做带隙基准单元输出，然后按漏电流比例叠加npn确保带隙基准npn管集电极电流保持一定比例，缺点是需要增加较大的面积，导致寄生电容过大，带隙基准建立及响应时间变慢，不适合高速开关应用场合。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种具有高温补偿功能的带隙基准电路，以解决现有技术中npn三极管制程造成的寄生二极管在高温下反向饱和漏电流增大，引起的带隙基准电压不准的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种具有高温补偿功能的带隙基准电路，包括带隙基准产生电路和高温补偿电路；所述带隙基准产生电路与所述高温补偿电路连接；所述带隙基准产生电路用于产生带隙基准电压；所述高温补偿电路用于在高温下对所述带隙基准电压进行补偿；
9.所述高温补偿电路包括第三npn三极管、第四npn三极管、第二电流镜单元以及第三电流镜单元；
10.所述第三npn三极管的集电极以及所述第四npn三极管的集电极与所述带隙基准产生电路连接；所述第三npn三极管的基极与所述第三npn三极管的集电极连接；所述第四npn三极管的基极与所述第四npn三极管的集电极连接；所述第三npn三极管的发射极以及所述第四npn三极管的发射极均与所述第二电流镜单元的一端连接；所述第二电流镜单元的一端与所述第三电流镜单元的一端连接；所述第三电流镜单元的另一端与所述带隙基准产生电路连接。
11.可选地，所述带隙基准产生电路包括第一电流镜单元、第一npn三极管、第二npn三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第一nmos管；
12.所述第一电流镜单元分别与所述第一npn三极管的集电极、所述第二npn三极管的集电极、所述第三npn三极管的集电极以及所述第四npn三极管的集电极连接，所述第一电
流镜单元还与所述第一nmos管的栅极连接；所述第二npn三极管的集电极还与所述第三电流镜单元的另一端连接；所述第一npn三极管的基极、所述第二npn三极管的基极以及所述第一nmos管的源极依次连接，所述第一nmos管的源极还与所述第三电阻的一端连接；所述第三电阻的另一端接地；所述第一npn三极管的发射极与所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端以及所述第二npn三极管的发射极连接；所述第二电阻的另一端接地；所述第一nmos管的漏极与直流电压源连接。
13.可选地，所述第一电流镜单元用于将输入电流按比例镜像到所述第二npn三极管、所述第三npn三极管以及所述第四npn三极管；所述输入电流为所述第一npn三极管的基极和发射极间的电压与第二npn三极管的基极和发射极间的电压的差值除以第一电阻的阻值后的电流。
14.可选地，所述第二电流镜单元用于将所述第三npn三极管的集电极电流与所述第四npn三极管的集电极电流相减。
15.可选地，所述第三电流镜单元用于将所述第二电流镜单元的输出电流按比例镜像到所述第二npn三极管的集电极；所述输出电流为所述第三npn三极管的集电极电流与所述第四npn三极管的集电极电流的差值。
16.可选地，所述第一nmos管为共漏放大器。
17.可选地，所述第一电流镜单元包括第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管以及第四pmos管；
18.所述第一pmos管的源极、所述第二pmos管的源极、所述第三pmos管的源极以及所述第四pmos管的源极均与所述直流电流源连接；所述第一pmos管的栅极分别与所述第二pmos管的栅极、所述第三pmos管的栅极以及所述第四pmos管的栅极连接；所述第一pmos管的栅极还与所述第一pmos管的漏极连接；所述第一pmos管的漏极与所述第一npn三极管的集电极连接；所述第二pmos管的漏极与所述第二npn三极管的集电极连接；所述第三pmos管的漏极与所述第三npn三极管的集电极连接；所述第四pmos管的漏极与所述第四npn三极管的集电极连接。
19.可选地，所述第二电流镜单元包括第二nmos管和第三nmos管；
20.所述第二nmos管的漏极与所述第三npn三极管的发射极连接；所述第二nmos管的栅极与所述第三nmos管的栅极连接；所述第二nmos管的栅极还与所述第二nmos管的漏极连接；所述第三nmos管的漏极与所述第四npn三极管的发射极连接；所述第二nmos管的源极和所述第三nmos管的源极均接地。
21.可选地，所述第三电流镜单元包括第四nmos管和第五nmos管；
22.所述第四nmos管的漏极与所述第三nmos管的漏极连接；所述第四nmos管的栅极与所述第五nmos管的栅极连接；所述第四nmos管的栅极还与所述第四nmos管的漏极连接；所述第五nmos管的的漏极与所述第二npn三极管的集电极连接；所述第四nmos管的源极和所述第五nmos管的源极均接地。
23.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
24.本发明提供的一种具有高温补偿功能的带隙基准电路，当npn三极管制程造成寄生二极管在高温下反向饱和漏电流增大，从而导致带隙基准电压不准确时，通过高温补偿电路对带隙基准电压进行补偿，改善了带隙基准电压的稳定性，实现了带隙基准电压在高
温下的恒定。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明提供的一种具有高温补偿功能的带隙基准电路的原理图；
27.图2为本发明提供的一种具有高温补偿功能的带隙基准电路的优选方案电路原理图；
28.图3为本发明提供的造成高温下漏电的寄生二极管剖面示意图；
29.图4为本发明提供的造成高温下漏电的寄生二极管等效电路示意图；
30.图5为未加入高温补偿电路的带隙基准温漂曲线；
31.图6为加入高温补偿电路的带隙基准温漂曲线。
32.符号说明：101-第一电流镜单元；110-第二电流镜单元；111-第三电流镜单元；102-第一npn三极管；103-第二npn三极管；104-第三npn三极管；105-第四npn三极管；106-第一nmos管；107-第一电阻；108-第二电阻；109-第三电阻；301-第一pmos管；302-第二pmos管；303-第三pmos管；304-第四pmos管；313-第二nmos管；314-第三nmos管；315-第四nmos管；316-第五nmos管。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种具有高温补偿功能的带隙基准电路，以解决现有技术中npn三极管制程造成的寄生二极管在高温下反向饱和漏电流增大，引起的带隙基准电压不准的问题。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.图1为本发明提供的一种具有高温补偿功能的带隙基准电路的原理图，如图1所示，一种具有高温补偿功能的带隙基准电路，包括带隙基准产生电路和高温补偿电路；所述带隙基准产生电路与所述高温补偿电路连接；所述带隙基准产生电路用于产生带隙基准电压；所述高温补偿电路用于在高温下对所述带隙基准电压进行补偿。
37.进一步地，所述带隙基准产生电路包括第一电流镜单元101、第一npn三极管102、第二npn三极管103、第一电阻107、第二电阻108、第三电阻109以及第一nmos管106。其中，所述第一电流镜单元101用于将输入电流按比例镜像到所述第二npn三极管103、所述第三npn三极管104以及所述第四npn三极管105；所述输入电流为所述第一npn三极管102的基极和发射极间的电压与第二npn三极管103的基极和发射极间的电压的差值除以第一电阻107的
阻值后的电流。
38.所述高温补偿电路包括第三npn三极管104、第四npn三极管105、第二电流镜单元110以及第三电流镜单元111。其中，所述第二电流镜单元110用于将所述第三npn三极管104的集电极电流与所述第四npn三极管105的集电极电流相减。所述第三电流镜单元111用于将所述第二电流镜单元110的输出电流按比例镜像到所述第二npn三极管103的集电极；所述输出电流为所述第三npn三极管104的集电极电流与所述第四npn三极管105的集电极电流的差值。
39.所述第一电流镜单元101分别与所述第一npn三极管102的集电极、所述第二npn三极管103的集电极、所述第三npn三极管104的集电极以及所述第四npn三极管105的集电极连接，所述第一电流镜单元101还与所述第一nmos管106的栅极连接；所述第二npn三极管103的集电极还与所述第三电流镜单元111的另一端连接；所述第一npn三极管102的基极、所述第二npn三极管103的基极以及所述第一nmos管106的源极依次连接，所述第一nmos管106的源极还与所述第三电阻109的一端连接；所述第三电阻109的另一端接地；所述第一npn三极管102的发射极与所述第一电阻107的一端连接；所述第一电阻107的另一端与所述第二电阻108的一端以及所述第二npn三极管103的发射极连接；所述第二电阻108的另一端接地；所述第一nmos管106的漏极与直流电压源连接。
40.所述第三npn三极管104的基极与所述第三npn三极管104的集电极连接；所述第四npn三极管105的基极与所述第四npn三极管105的集电极连接；所述第三npn三极管104的发射极以及所述第四npn三极管105的发射极均与所述第二电流镜单元110的一端连接；所述第二电流镜单元110的一端与所述第三电流镜单元111的一端连接。
41.在实际应用中，第一npn三极管102、所述第二npn三极管103、所述第三npn三极管104以及所述第四npn三极管105的比例为2:1:2:1。
42.作为一个可选的实施方式，所述第一nmos管106为共漏放大器。
43.图2为本发明提供的一种具有高温补偿功能的带隙基准电路的优选方案电路原理图，如图2所示，所述第一电流镜单元101包括第一pmos管301、第二pmos管302、第三pmos管303以及第四pmos管304。在实际应用中，第一pmos管301、第二pmos管302、第三pmos管303以及第四pmos管304的比例为1:4:1:1。
44.所述第一pmos管301的源极、所述第二pmos管302的源极、所述第三pmos管303的源极以及所述第四pmos管304的源极均与所述直流电流源连接；所述第一pmos管301的栅极分别与所述第二pmos管302的栅极、所述第三pmos管303的栅极以及所述第四pmos管304的栅极连接，镜像所述第一pmos管301中的电流。所述第一pmos管301的栅极还与所述第一pmos管301的漏极连接；所述第一pmos管301的漏极与所述第一npn三极管102的集电极连接；所述第二pmos管302的漏极与所述第二npn三极管103的集电极连接；所述第三pmos管303的漏极与所述第三npn三极管104的集电极连接；所述第四pmos管304的漏极与所述第四npn三极管105的集电极连接。
45.所述第二电流镜单元110包括第二nmos管313和第三nmos管314。在实际应用中，第二nmos管313和第三nmos管314的比例为1:1。
46.所述第二nmos管313的漏极与所述第三npn三极管104的发射极连接；所述第二nmos管313的栅极与所述第三nmos管314的栅极连接；所述第二nmos管313的栅极还与所述
第二nmos管313的漏极连接；所述第三nmos管314的漏极与所述第四npn三极管105的发射极连接；所述第二nmos管313的源极和所述第三nmos管314的源极均接地。
47.所述第三电流镜单元111包括第四nmos管315和第五nmos管316。在实际应用中，第四nmos管315和第五nmos管316的比例为1:7。
48.所述第四nmos管315的漏极与所述第三nmos管314的漏极连接；所述第四nmos管315的栅极与所述第五nmos管316的栅极连接；所述第四nmos管315的栅极还与所述第四nmos管315的漏极连接；所述第五nmos管316的的漏极与所述第二npn三极管103的集电极连接；所述第四nmos管315的源极和所述第五nmos管316的源极均接地。
49.第一npn三极管102、所述第二npn三极管103的基极电压即为vbg电压。其工作原理分析如下：
50.在低温或常温下，由于npn三极管的漏电流相对于电路中的基准电流很小可以忽略，因此流过q1、q2、q3和q4的寄生二极管反向饱和漏电流与电流镜镜像电流相比可以忽略，故流过q3及q4的电流相等，那么第三电流镜单元111的第四nmos管315中的电流为0，icomp电流即为0，则流过q1、q2的集电极电流保持4倍的关系，流过q1、q2的发射极电流保持4倍的关系。图2中的q1、q2、q3和q4分别表示第一npn三极管、所述第二npn三极管、所述第三npn三极管以及所述第四npn三极管，r1、r2及r3分别表示第一电阻、第二电阻及第三电阻。
51.此时vbg电压计算如下：
[0052][0053]
式中，vt为热电压约为26mv，vbe_q2为q2的基极和发射极间的电压，a1、a2分别为q1、q2的发射极面积，5为流过电阻r2的总的电流倍数，i
q1c
、i
q2c
为流过q1和q2集电极的电流，通过调节r1及r2的比值就可以得到一个理想的温度特性曲线。
[0054]
现有p衬底n阱工艺中npn结构如图3所示，集电极与衬底间存在一个寄生二极管，等效电路图如图4所示，正常工作情况下，此寄生二极管处于反偏状态，反向饱和漏电流在温度较低时与集电极电流相比可以忽略，但是当温度升高时此电流将呈指数增长，高温状态下，该电流导致实际流过npn三极管集电极电流变小，寄生二极管的反向漏饱和电流与npn三极管面积成正比。
[0055]
如果在未加入icomp补偿电流时，高温条件下，寄生二极管反向饱和漏电流变大，此时则无法忽略漏电流的影响，设流过q1发射极的电流为i
q1e
，设单位面积寄生二极管的漏电流为is，由于q1的面积是q2的2倍，因此q1的漏电流为2is，而第一pmos管301中的电流设为i1，则有如下公式：
[0056]
i1＝i
q1e
+2is
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0057]
此电流通过第一电流镜单元101镜像后，设流过第二pmos管302的电流为i2，则此时有如下公式：
[0058]
i2＝4i
q1e
+8is
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0059]
由(2)、(3)式及npn三极管特性可知：
[0060]iq1c
＝i
q1e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0061]iq2c
＝4i
q1c
+7is
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062]
此时vbg的表达式如下：
[0063][0064]
将(4)(5)两式带入(6)式可得：
[0065][0066]
对比(7)式与(1)式可知，在不加入补偿电流时，vbg会在高温条件下会增加，如图5所示未加入高温补偿电路时vbg电压随温度变化曲线，随着温度的增加，vbg电压会在高温下发生上翘，上翘的幅度与is电流相关，由于is随温度呈指数变化，因此vbg在高温下也是呈指数增长。
[0067]
现考虑加入高温补偿电路，高温条件下流过q3发射极的电流为：
[0068]iq3e
＝i
q1e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0069]
高温条件下流过q4发射极的电流为：
[0070]iq4e
＝i
q1e
+is
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0071]
由(8)、(9)可知在高温条件下idif电流正好为一个寄生二极管的反向饱和漏电流is，通过第三电流镜单元111镜像后icomp等于7is，将此电流引入到第二pmos管302的漏极，则此时实际流入q2集电极电流如下：
[0072]iq2c
＝4i
q1c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0073]
因此vbg的表达式将继续保持为(1)式，不再与寄生二极管的反向饱和漏电流有关，vbg可以保持恒定，如图6所示，加入了高温补偿后的vbg随温度变化曲线，在高温状态下也可以保持vbg的稳定。
[0074]
本发明提供的一种具有高温补偿功能的带隙基准电路，解决了npn三极管制程造成的寄生二极管在高温下反向饱和漏电流增大，引起的带隙基准电压不准的问题，实现带隙基准电压在高温下的恒定。
[0075]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0076]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。