一种指数型温度补偿带隙基准电压源及其补偿方法与流程

1.本发明属于电源管理技术领域，具体地，涉及一种指数型温度补偿带隙基准电压源及其补偿方法。


背景技术：

2.带隙基准电路作为电子线路中必不可少的部分，是adc(analog to digital converter，模拟数字转换器)、dac(digital to analog converter，数字模拟转换器)、线性稳压模块等模拟器件以及众多数模混合电路中不可或缺的模块，并且由于这些电路的指标要求越来越高，同时也对带隙基准电路提出了更高的要求。传统的带隙基准电路利用具有不同发射结面积的两个发射结之间的电压差具有正温度系数的特性，与具有负温度系数的基极-发射极电压进行加权求和，得到一个具有低温度系数的基准电压。
3.带隙基准电路的最大特点是输出的基准电压随着温度大范围变化而不会产生很大的变化，即低温漂。现有技术中，带隙基准电路实现了一阶温度系数的补偿，该电路中使用了运放来实现较小的温漂，但是忽略了基极-发射极电压v
be
中的高阶项，因此采用一阶温度补偿的传统带隙基准电路往往还是具有比较高的温漂。基于传统带隙基准电路的缺点，现在的带隙基准电路已经开始采用多种高阶温度补偿的方式进一步减小温漂。1983年gray等人提出了平方曲率补偿技术，1994年inyeol lee等人提出了指数型温度补偿方式，1998年allen等人提出了分段线性补偿方式。但是，现有的指数型温度补偿方式中输出电路中的电流受到其他三极管基极电流的影响而不够精确，导致一阶项的补偿与指数项的补偿无法相互分开，因此补偿效果不够理想，温漂抑制效果不够理想，输出的基准电压在-40～125℃范围内有2mv的电压偏差。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种指数型温度补偿带隙基准电压源及其补偿方法，基于指数型温度补偿技术，利用三极管的电流放大系数与温度呈指数型关系，与基极-发射极电压中的高阶非线性项进行曲率补偿，从而达到较低的温漂。
5.本发明采用如下的技术方案。
6.本发明一方面提出了一种指数型温度补偿带隙基准电压源，带隙基准电压源包括：启动电路，ptat产生电路，指数补偿电路，求和输出电路；其中，ptat产生电路包括第一三极管和第二三极管，指数补偿电路包括第三三极管，求和输出电路包括第四三极管和两个电阻；
7.启动电路，用于启动ptat产生电路；ptat产生电路，用于基于第一三极管的基极-发射极电压与第二三极管的基极-发射极电压的差值产生第一电流；第一电流在求和输出电路中形成第二电流，第一电流在指数补偿电路中形成第三电流；指数补偿电路，用于基于第一电流和第三三极管的电流放大倍数与温度的关系生成第四电流；求和输出电路，用于利用第二电流在一个电阻上形成的电压、第二电流与第四电流的差值在另一个电阻上形成
的电压和第四三极管的基极-发射极电压，产生基准电压；
8.其中，第一电流是与绝对温度成正比的电流，第四电流是指数型温度系数的电流。
9.ptat产生电路包括：第一mos管，第二mos管，第三mos管，第四mos管，第一三极管，第二三极管，第一电阻；其中，ptat产生电路通过第一mos管的漏极与启动电路的输出端连接；
10.第一mos管和第二mos管的源极均接入参考电压vdd，第一mos管的栅极连接第二mos管的栅极，第一mos管的漏极连接第三mos管的漏极，第二mos管的漏极与栅极短接，第三mos管的栅极和漏极短接，第三mos管的栅极连接第四mos管的栅极，第三mos管的源极连接第一三极管的发射极，第四mos管的漏极连接第二mos管的漏极，第四mos管的源极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第二三极管的发射极，第一三极管和第二三极管的基极、集电极均接地；
11.第一电阻上流过第一电流。
12.第一mos管和第二mos管的宽长比相同。
13.指数补偿电路包括：第五mos管，第六mos管，第七mos管，第三三极管；其中，指数补偿电路通过第五mos管的栅极连接第一mos管和第二mos管的栅极；
14.第五mos管的源极和第三三极管的集电极均接入参考电压vdd，第五mos管的漏极连接第六mos管的漏极，第六mos管的栅极和漏极短接，第六mos管和第七mos管构成电流镜形式，第七mos管的漏极连接第三三极管的发射极，第三三极管的基极连接求和输出电路的输入端；第六mos管和第七mos管的源极均接地；
15.第一电流流入指数补偿电路后，第三三极管的发射极上流过与第一电流成比例的第三电流，第三电流在第三三极管的基极产生第四电流。
16.启动电路包括：第八mos管，第九mos管，电容；其中，第八mos管、第九mos管的源极均接入参考电压vdd，并且第八mos管的栅极和漏极短接，第九mos管的栅极连接第八mos管的漏极，第九mos管的漏极与第一mos管的漏极、第三mos管的漏极均连接；电容的一端接第一mos管的漏极，电容的另一端接地。
17.求和输出电路包括：第十mos管，第四三极管，第二电阻，第三电阻；其中，第二电阻的一端与第三电阻的一端均连接第三三极管的基极；
18.第十mos管的源极接入参考电压vdd，第十mos管的栅极连接第一mos管的栅极，第十mos管的漏极连接第三电阻的另一端，第二电阻的另一端连接第四三极管的发射极，第四三极管的基极和集电极均接地；第十mos管的漏极输出基准电压；
19.第三电阻上流过第二电流。
20.本发明另一方面还提出了一种使用指数型温度补偿带隙基准电压源的补偿方法，包括：
21.步骤1，电路接入参考电压时刻，启动电路中电容充电；启动电路使得ptat产生电路导通启动；
22.步骤2，ptat产生电路中，流过第一三极管集电极的电流和流过第二三极管集电极的电流相等，在第三mos管和第四mos管的源极电位的钳位作用下，第一三极管的基极-发射极电压和第二三极管的基极-发射极电压之间的电压差值在第一电阻上产生第一电流；
23.步骤3，从第三三极管的基极-发射极电压的非线性项之中提取高阶项；
24.根据高阶项以及第一电流的第一比例系数计算得到第二电流，其中，第一比例系数是第一电流经过第二mos管、第十mos管的分流比例系数；
25.根据高阶项以及第一电流的第二比例系数计算得到第三电流，其中，第二比例系数是第一电流经过第二mos管、第五mos管、第六mos管和第七mos管的分流比例系数；
26.步骤4，基于第三三极管的电流放大倍数与温度的关系，计算第三电流在第三三极管的基极产生的第四电流；
27.步骤5，利用第四三极管的基极-发射极电压、第二电阻、第三电阻、第二电流和第四电流，以如下关系式计算得到基准电压：
[0028]vref
＝v
be4
+i2r3+(i
2-i4)r2[0029]
式中，
[0030]vref
为基准电压，
[0031]vbe4
为第四三极管的基极-发射极电压，
[0032]
i2为第二电流，
[0033]
i4为第四电流，
[0034]
r2为第二电阻阻值，
[0035]
r3为第三电阻阻值；
[0036]
步骤6，第四电流i4以t为补偿项，通过调节第一比例系数k1、第二比例系数k2、第一电阻的阻值、第二电阻的阻值以及第三电阻的阻值，使得输出的基准电压温漂为零；其中，δeg为硅带隙缩减因子，k为玻尔兹曼常数，t为温度。
[0037]
优选地，步骤1包括：
[0038]
步骤1.1，电路接入参考电压时刻，第八mos管接成二极管连接形式，电容开始充电；
[0039]
步骤1.2，第九mos管导通，形成一条从参考电压vdd流经第九mos管、第三mos管、第一三极管到地的电流通路，ptat产生电路导通；
[0040]
步骤1.3，ptat产生电路中的其他部分电路元件均脱离零简并态；
[0041]
步骤1.4，ptat产生电路中电流稳定后，启动电路中的电容充电至高电平，使得第八mos管和第九mos管均关断，ptat产生电路启动完毕。
[0042]
优选地，步骤2中，第一三极管的基极-发射极电压v
be1
满足如下关系式：
[0043][0044]
第二三极管的基极-发射极电压v
be2
满足如下关系式：
[0045][0046]
式中，
[0047]vt
为热电压，常温下为26mv，
[0048]ic1
为流过第一三极管的集电极电流，
[0049]ic2
为流过第二三极管的集电极电流，
[0050]is1
为流过第一三极管的发射结的反向饱和电流，
[0051]is2
为流过第一三极管的发射结的反向饱和电流；
[0052]
在第三mos管和第四mos管的源极电位的钳位作用下，i
c1
＝i
c2
。
[0053]
优选地，流过第一电阻的电流i1满足如下关系式：
[0054][0055]
式中，
[0056]
r1为第一电阻阻值，
[0057]
n为第二三极管、第一三极管的发射结面积的比值。
[0058]
优选地，步骤3中，从三极管的基极-发射极电压的非线性项满足如下关系式：
[0059][0060]
式中，
[0061]vref
(t)为温度t时的带隙基准电压，
[0062]vg
为参考温度tr下硅的带隙电压，
[0063]
t为温度，
[0064]
tr为参考温度，
[0065]vbe
(tr)为在参考温度tr下的基极-发射极电压，
[0066]
η为硅中电子迁移率随着温度变化的指数项系数，
[0067]
q为电子电荷量；
[0068]
当参考温度tr为常数时，非线性项t ln(t)是待补偿的高阶项。
[0069]
优选地，根据高阶项以及第一电流的第一比例系数计算得到第二电流i2，满足如下关系式：
[0070][0071]
式中，
[0072]
k1为第一比例系数，
[0073]
k为玻尔兹曼常数。
[0074]
优选地，根据高阶项以及第一电流的第二比例系数计算得到第三电流i3，满足如下关系式：
[0075][0076]
式中，
[0077]
k2为第二比例系数，
[0078]
k为玻尔兹曼常数。
[0079]
优选地，步骤4中，第三电流在第三三极管的基极产生的第四电流i4，满足如下关系式：
[0080]
[0081]
式中，β(t)为第三三极管的电流放大倍数与温度的关系。
[0082]
优选地，β(t)满足如下关系式：
[0083][0084]
式中，
[0085]
β
∞
为β(t)随着温度变化而拟合出来的常数，
[0086]
δeg为硅带隙缩减因子。
[0087]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出了一种指数型温度补偿带隙基准电压源，其中指数型温度补偿电路结构简单，仅通过在输出支路增加一条与温度呈指数关系的三极管基极电流，在输出电压中引入指数非线性项，通过调整电路中的相关参数得到一个温漂很小的基准电压，基准电压在-40～125℃范围内的最大偏差仅为0.5mv，具有较小的温漂系数，温度特性非常好，可以使用在众多对温漂要求较高的场合中。
[0088]
本发明在一阶带隙基准电路的基础上进行改进，无需使用运放就达到较好的鲜果，如果使用运放就达到更好的抑制温漂效果。
[0089]
本发明提出的电路中使用的mosfet、bjt都是可以集成的器件，所以整个电路可以集成在一片芯片上，占用的面积较小。
[0090]
此外，本发明提出的电路仅需要调节mosfet的宽长比来改变输出电压的参数，使得输出的电压达到较小的温漂，调节便捷，操作灵活，可行性高。因此，较好的效果、简单的结构，较小的面积和简单的调节方式是本电路的显著优点。
附图说明
[0091]
图1是本发明提出的一种指数型温度补偿带隙基准电压源的电路图；
[0092]
图1中的附图标记说明如下：
[0093]
mp1-第一mos管，mp2-第二mos管，mn1-第三mos管，mn2-第四mos管，mp3-第五mos管，mn3-第六mos管，mn4-第七mos管，mp4-第八mos管，mp5-第九mos管，mp6-第十mos管，vdd-参考电压，c-电容，r1-第一电阻，r2-第二电阻，r3-第三电阻，i1-第一电流，i2-第二电流，i3-第三电流，i4-第四电流，gnd-地，q1-第一三极管，q2-第二三极管，q3-第三三极管，q4-第四三极管，vref-基准电压，100-启动电路，200-ptat产生电路，300-指数补偿电路，400-求和输出电路；
[0094]
图2是本发明实施例中未加入指数型温度补偿的输出结果图；
[0095]
图3是本发明实施例中指数型温度补偿带隙基准电压源的输出结果图。
具体实施方式
[0096]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本技术所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0097]
本发明一方面提出了一种指数型温度补偿带隙基准电压源，带隙基准电压源包括：启动电路100，ptat产生电路200，指数补偿电路300，求和输出电路400；其中，ptat产生
电路包括第一三极管q1和第二三极管q2，指数补偿电路包括第三三极管q3，求和输出电路包括第四三极管q4和两个电阻；
[0098]
启动电路，用于启动ptat产生电路；ptat产生电路，用于基于第一三极管的基极-发射极电压与第二三极管的基极-发射极电压的差值产生第一电流；第一电流在求和输出电路中形成第二电流，第一电流在指数补偿电路中形成第三电流；指数补偿电路，用于基于第一电流和第三三极管的电流放大倍数与温度的关系生成第四电流；求和输出电路，用于利用第二电流在一个电阻上形成的电压、第二电流与第四电流的差值在另一个电阻上形成的电压和第四三极管的基极-发射极电压，产生基准电压；
[0099]
其中，第一电流是与绝对温度成正比的电流，第四电流是指数型温度系数的电流。
[0100]
ptat产生电路包括：第一mos管mp1，第二mos管mp2，第三mos管mn1，第四mos管mn2，第一三极管q1，第二三极管q2，第一电阻r1；其中，ptat产生电路通过第一mos管的漏极与启动电路的输出端连接；
[0101]
第一mos管和第二mos管的源极均接入参考电压vdd，第一mos管的栅极连接第二mos管的栅极，第一mos管的漏极连接第三mos管的漏极，第二mos管的漏极与栅极短接，第三mos管的栅极和漏极短接，第三mos管的栅极连接第四mos管的栅极，第三mos管的源极连接第一三极管的发射极，第四mos管的漏极连接第二mos管的漏极，第四mos管的源极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第二三极管的发射极，第一三极管和第二三极管的基极、集电极均接地；
[0102]
第一电阻上流过第一电流i1。
[0103]
第一mos管和第二mos管的宽长比相同。
[0104]
指数补偿电路包括：第五mos管mp3，第六mos管mn3，第七mos管mn4，第三三极管q3；其中，指数补偿电路通过第五mos管的栅极连接第一mos管和第二mos管的栅极；
[0105]
第五mos管的源极和第三三极管的集电极均接入参考电压vdd，第五mos管的漏极连接第六mos管的漏极，第六mos管的栅极和漏极短接，第六mos管和第七mos管构成电流镜形式，第七mos管的漏极连接第三三极管的发射极，第三三极管的基极连接求和输出电路的输入端；第六mos管和第七mos管的源极均接地；
[0106]
第一电流流入指数补偿电路后，第三三极管的发射极上流过与第一电流成比例的第三电流i3，第三电流在第三三极管的基极产生第四电流i4。
[0107]
启动电路包括：第八mos管mp4，第九mos管mp5，电容；其中，第八mos管、第九mos管的源极均接入参考电压vdd，并且第八mos管的栅极和漏极短接，第九mos管的栅极连接第八mos管的漏极，第九mos管的漏极与第一mos管的漏极、第三mos管的漏极均连接；电容的一端接第一mos管的漏极，电容的另一端接地。
[0108]
求和输出电路包括：第十mos管mp6，第四三极管q4，第二电阻r2，第三电阻r3；其中，第二电阻的一端与第三电阻的一端均连接第三三极管的基极；
[0109]
第十mos管的源极接入参考电压vdd，第十mos管的栅极连接第一mos管的栅极，第十mos管的漏极连接第三电阻的另一端，第二电阻的另一端连接第四三极管的发射极，第四三极管的基极和集电极均接地；第十mos管的漏极输出基准电压；
[0110]
第三电阻上流过第二电流i2。求和输出电路中，第三电阻上流过指数型补偿电流，而第二电阻上却没有电流，这令电路中的电流更加精确，完全没有其他三极管基极电流的
影响。使得一阶项的补偿与指数项的补偿可以分开，相对独立，从而使电路的调节简单。
[0111]
本发明另一方面还提出了一种使用指数型温度补偿带隙基准电压源的补偿方法，包括：
[0112]
步骤1，电路接入参考电压时刻，启动电路中电容充电；启动电路使得ptat产生电路导通启动。
[0113]
具体地，步骤1包括：
[0114]
步骤1.1，电路接入参考电压时刻，第八mos管接成二极管连接形式，电容开始充电；
[0115]
步骤1.2，第九mos管导通，形成一条从参考电压vdd流经第九mos管、第三mos管、第一三极管到地的电流通路，ptat产生电路导通；
[0116]
步骤1.3，ptat产生电路中的其他部分电路元件均脱离零简并态；
[0117]
步骤1.4，ptat产生电路中电流稳定后，启动电路中的电容充电至高电平，使得第八mos管和第九mos管均关断，ptat产生电路启动完毕。
[0118]
步骤2，ptat产生电路中，流过第一三极管集电极的电流和流过第二三极管集电极的电流相等，在第三mos管和第四mos管的源极电位的钳位作用下，第一三极管的基极一发射极电压和第二三极管的基极一发射极电压之间的电压差值在第一电阻上产生第一电流。
[0119]
具体地，步骤2中，第一三极管的基极-发射极电压v
be1
满足如下关系式：
[0120][0121]
第二三极管的基极-发射极电压v
be2
满足如下关系式：
[0122][0123]
式中，
[0124]vt
为热电压，常温下为26mv，
[0125]ic1
为流过第一三极管的集电极电流，
[0126]ic2
为流过第二三极管的集电极电流，
[0127]is1
为流过第一三极管的发射结的反向饱和电流，
[0128]is2
为流过第一三极管的发射结的反向饱和电流；
[0129]
在第三mos管和第四mos管的源极电位的钳位作用下，i
c1
＝i
c2
。
[0130]
进一步，流过第一电阻的电流i1满足如下关系式：
[0131][0132]
式中，
[0133]
r1为第一电阻阻值，
[0134]
n为第二三极管、第一三极管的发射结面积的比值。
[0135]
步骤3，从第三三极管的基极-发射极电压的非线性项之中提取高阶项；
[0136]
根据高阶项以及第一电流的第一比例系数计算得到第二电流，其中，第一比例系数是第一电流经过第二mos管、第十mos管的分流比例系数；
[0137]
根据高阶项以及第一电流的第二比例系数计算得到第三电流，其中，第二比例系
数是第一电流经过第二mos管、第五mos管、第六mos管和第七mos管的分流比例系数。
[0138]
具体地，步骤3中，从三极管的基极-发射极电压的非线性项满足如下关系式：
[0139][0140]
式中，
[0141]vref
(t)为温度t时的带隙基准电压，
[0142]vg
为参考温度tr下硅的带隙电压，
[0143]
t为温度，
[0144]
tr为参考温度，
[0145]vbe
(tr)为在参考温度tr下的基极-发射极电压，
[0146]
η为硅中电子迁移率随着温度变化的指数项系数，
[0147]
q为电子电荷量；
[0148]
当参考温度tr为常数时，非线性项t ln(t)是待补偿的高阶项。
[0149]
进一步，根据高阶项以及第一电流的第一比例系数计算得到第二电流i2，满足如下关系式：
[0150][0151]
式中，
[0152]
k1为第一比例系数，
[0153]
k为玻尔兹曼常数。
[0154]
进一步，根据高阶项以及第一电流的第二比例系数计算得到第三电流i3，满足如下关系式：
[0155][0156]
式中，
[0157]
k2为第二比例系数，
[0158]
k为玻尔兹曼常数。
[0159]
步骤4，基于第三三极管的电流放大倍数与温度的关系，计算第三电流在第三三极管的基极产生的第四电流。
[0160]
具体地，步骤4中，第三电流在第三三极管的基极产生的第四电流i4，满足如下关系式：
[0161][0162]
式中，β(t)为第三三极管的电流放大倍数与温度的关系。
[0163]
优选地，β(t)满足如下关系式：
[0164][0165]
式中，
[0166]
β
∞
为β(t)随着温度变化而拟合出来的常数，
[0167]
δeg为硅带隙缩减因子。
[0168]
步骤5，利用第四三极管的基极-发射极电压、第二电阻、第三电阻、第二电流和第四电流，以如下关系式计算得到基准电压：
[0169]vref
＝v
be
+i2r3+(i
2-i4)r2[0170]
式中，
[0171]vref
为基准电压，
[0172]vbe
为第四三极管的基极-发射极电压，
[0173]
i2为第二电流，
[0174]
i4为第四电流，
[0175]
r2为第二电阻阻值，
[0176]
r3为第三电阻阻值。
[0177]
步骤6，第四电流i4以t为补偿项，通过调节第一比例系数k1、第二比例系数k2、第一电阻的阻值、第二电阻的阻值以及第三电阻的阻值，使得输出的基准电压温漂为零；其中，δeg为硅带隙缩减因子，k为玻尔兹曼常数，t为温度。
[0178]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出了一种指数型温度补偿带隙基准电压源，其中指数型温度补偿电路结构简单，仅通过在输出支路增加一条与温度呈指数关系的三极管基极电流，在输出电压中引入指数非线性项，通过调整电路中的相关参数得到一个温漂很小的基准电压，基准电压在-40～125℃范围内的最大偏差仅为0.5mv，具有较小的温漂系数，温度特性非常好，可以使用在众多对温漂要求较高的场合中。
[0179]
本发明在一阶带隙基准电路的基础上进行改进，无需使用运放就达到较好的鲜果，如果使用运放就达到更好的抑制温漂效果。
[0180]
本发明提出的电路中使用的mosfet、bjt都是可以集成的器件，所以整个电路可以集成在一片芯片上，占用的面积较小。
[0181]
此外，本发明提出的电路仅需要调节mosfet的宽长比来改变输出电压的参数，使得输出的电压达到较小的温漂，调节便捷，操作灵活，可行性高。因此，较好的效果、简单的结构，较小的面积和简单的调节方式是本电路的显著优点。
[0182]
图2对应的是传统一阶带隙基准电路输出的基准电压，可以看到在-40～125℃范围内有2mv的电压偏差；图3对应的是本专利提出的指数型补偿的带隙基准电路，基准电压在-40～125℃范围内仅有0.5mv的偏差。大大减小了带隙基准电路输出的温漂，对温度的稳定性有了很大的提升，从而使电路可以使用在大部分应用场合。
[0183]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。