一种应用于智能移动设备电源系统的小体积带隙基准电压源集成电路的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，具体而言，涉及一种应用于智能移动设备电源系统的小体积带隙基准电压源集成电路。


背景技术：

2.智能移动设备的电源系统通常应具备稳电压、长续航、小体积、低功耗等特征，以满足智能移动设备的应用环境需求。带隙基准电压源集成电路是智能移动设备的电源系统的常见组成模块，可为电源系统提供稳定的基准电压，进而保证电源系统输出电压的稳定。带隙基准电压源集成电路对生产工艺偏差、电源电压波动以及环境温度变化具有较强的鲁棒性，是一种输出性能优良的基准源集成电路。但是，传统带隙基准电压源集成电路中通常包含多个双极结型晶体管，使得带隙基准电压源集成电路具有较大的体积，并且需要较高的电源电压维持电路正常工作，增大了系统的功耗，不符合智能移动设备电源系统的小体积、低功耗的应用需求。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是提出了一种应用于智能移动设备电源系统的小体积带隙基准电压源集成电路，电路结构中仅包含一个双极结型晶体管，并具有频率补偿设计和抗干扰设计，使电路系统在具有优良性能的同时，又具有较小的体积和较低的功耗。
4.为解决上述问题，本发明提供一种应用于智能移动设备电源系统的小体积带隙基准电压源集成电路包括ptat电压产生电路和vref电压产生电路。
5.ptat电压产生电路主要用于产生正比例温度系数电压和偏置电压，并输出到vref电压产生电路中。vref电压产生电路可产生反比例温度系数电压，并将其与正比例温度系数电压进行叠加，进而产生不受环境温度变化影响的基准电压。
6.ptat电压产生电路包含有频率补偿设计，使电路系统能够在较宽频带范围内稳定工作。vref电压产生电路包含有抗干扰设计，有效消除了电源电压波动对输出基准电压的影响，使电路系统具有较高的精准度。
7.ptat电压产生电路中不包含双极结型晶体管，vref电压产生电路中仅包含1个双极结型晶体管。ptat电压产生电路和vref电压产生电路在保证电路优良性能的同时，又具有较简单的电路结构，使得本发明的电路系统具有较小的体积和较低的功耗。
8.ptat电压产生电路包括端口vb1、vp1、vt1、vs1和vm1。
9.vref电压产生电路包括端口vb2、vp2、vt2、vs2、vm2和vref。
10.端口vb1与端口vb2连接，用于传输vref电压产生电路所需的偏置电压vb。
11.端口vp1与端口vt1间的电压差vpt具有正比例温度系数特性。端口vp1与端口vp2连接，端口vt1与端口vt2连接，用于传输正比例温度系数电压vpt。
12.端口vs1与端口vs2连接，用于形成负反馈回路。
13.端口vm1与端口vm2连接，用于形成频率补偿回路。
14.进一步的，ptat电压产生电路包括偏置电路、正比例温度系数电压电路和频率补偿电路。
15.偏置电路与正比例温度系数电压电路连接，偏置电路为正比例温度系数电压电路提供偏置电压，维持其正常工作。
16.频率补偿电路与正比例温度系数电压电路连接，并通过端口vm1和端口vm2，与vref电压产生电路连接。
17.频率补偿电路对电路系统进行频率补偿，使电路系统在较宽频率范围内能够稳定工作。
18.正比例温度系数电压电路用于产生正比例温度系数电压vpt，并输出到vref电压产生电路中。
19.进一步的，偏置电路包括mos管m1至m7。
20.进一步的，mos管m1的源极连接电源vdd，mos管m1的栅极连接mos管m12的栅极，mos管m1的漏极连接mos管m2的漏极。mos管m2的漏极连接mos管m1的栅极，mos管m2的栅极连接mos管m5的栅极，mos管m2的源极连接mos管m3的漏极。mos管m3的漏极连接mos管m2的源极，mos管m3的栅极连接mos管m7的漏极，mos管m3的源极连接mos管m4的漏极。mos管m4的漏极连接mos管m3的源极，mos管m4的栅极连接mos管m4的漏极，mos管m4的源极连接地。
21.进一步的，mos管m5的漏极连接电源vdd，mos管m5的栅极连接mos管m5的漏极，mos管m5的源极连接mos管m6的漏极。mos管m6的漏极连接mos管m5的源极，mos管m6的栅极连接mos管m6的漏极，mos管m6的源极连接mos管m7的漏极。mos管m7的漏极连接mos管m7的栅极，mos管m7的栅极连接mos管m3的栅极，mos管m7的源极接地。
22.进一步的，正比例温度系数电压电路包括mos管m9、m10、m12、m13、m14和m15，端口vb1，端口vp1，端口vt1，端口vs1。
23.进一步的，mos管m9的源极连接mos管m14的源极，mos管m9的栅极连接端口vt1，mos管m9的漏极连接mos管m10的漏极。mos管m10的漏极连接mos管m9的漏极，mos管m10的栅极连接mos管m15的栅极，mos管m10的源极连接mos管m11的漏极。mos管m12的源极连接电源vdd，mos管m12的栅极连接mos管m1的漏极，mos管m12的漏极连接mos管m13的源极。。
24.进一步的，mos管m13的源极连接mos管m12的漏极，mos管m13的栅极连接mos管m13的漏极，mos管m13的漏极连接端口vb1。mos管m14的源极连接mos管m13的漏极，mos管m14的栅极连接端口vp1，mos管m14的漏极连接mos管m15的漏极。mos管m15的漏极连接端口vs1，mos管m15的栅极连接mos管m10的漏极，mos管m15的源极连接mos管m16的漏极。
25.进一步的，频率补偿电路包括mos管m8、m11和m16，电容c1，端口vm1。
26.进一步的，mos管m8的漏极连接mos管m11的漏极，mos管m8的栅极连接mos管m11的栅极，mos管m8的源极接地。mos管m11的漏极连接mos管m11的栅极，mos管m11的栅极连接mos管m16的栅极，mos管m11的源极接地。mos管m16的漏极连接mos管m15的源极，mos管m16的栅极连接电容c1的下端，mos管m16的源极接地。电容c1的下端连接mos管m8的栅极，电容c1的上端连接端口vm1。
27.进一步的，vref电压产生电路包括耦合电路和基准电压电路。
28.耦合电路与基准电压电路连接，耦合电路有效消除了电源电压波动对基准电压电
路的影响，使电路系统具有较高的精准度。
29.基准电压电路用于产生不受环境温度变化影响的基准电压vref，并通过端口vref输出。
30.进一步的，耦合电路包括mos管m17至m20，电容c2，端口vb2，端口vs2。
31.进一步的，mos管m17的源极连接电源vdd，mos管m17的栅极连接mos管m21的栅极，mos管m17的漏极连接mos管m18的漏极。mos管m18的漏极连接mos管m17的栅极，mos管m18的栅极连接端口vb2，mos管m18的源极连接mos管m19的漏极。电容c2的上端连接mos管m18的漏极，电容c2的下端连接mos管m18的源极。mos管m19的漏极连接mos管m18的源极，mos管m19的栅极连接端口vs2，mos管m19的源极连接mos管m20的漏极。mos管m20的漏极连接mos管m19的源极，mos管m20的栅极连接mos管m20的漏极，mos管m20的源极接地。
32.进一步的，基准电压电路包括mos管m21和m22，电阻r1和r2，双极结型晶体管q1，端口vm2，端口vp2，端口vt2，端口vref。
33.进一步的，mos管m21的源极连接电源vdd，mos管m21的栅极连接mos管m17的漏极，mos管m21的漏极连接mos管m22的源极。mos管m22的源极连接端口vm2，mos管m22的栅极连接mos管m22的漏极，mos管m22的漏极连接电阻r1。电阻r1的上端连接端口vref，电阻r1的下端连接电阻r2的上端。电阻r2的上端连接端口vp2，电阻r2的下端连接端口vt2。双极结型晶体管q1的发射极连接电阻r2的下端，双极结型晶体管q1的基极接地，双极结型晶体管q1的集电极接地。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种应用于智能移动设备电源系统的小体积带隙基准电压源集成电路，包括ptat电压产生电路和vref电压产生电路。ptat电压产生电路中不包含双极结型晶体管，vref电压产生电路中仅包含1个双极结型晶体管。ptat电压产生电路1和vref电压产生电路2在保证电路优良性能的同时，又具有较简单的电路结构，使得本发明的电路系统具有较小的体积和较低的功耗。ptat电压产生电路包括偏置电路、正比例温度系数电压电路和频率补偿电路。vref电压产生电路包括耦合电路和基准电压电路。其中，偏置电路与正比例温度系数电压电路连接，偏置电路为正比例温度系数电压电路提供偏置电压，维持其正常工作。频率补偿电路与正比例温度系数电压电路连接，并通过端口vm1和端口vm2，与vref电压产生电路连接。频率补偿电路对电路系统进行频率补偿，使电路系统在较宽频率范围内能够稳定工作。正比例温度系数电压电路用于产生正比例温度系数电压，并输出到vref电压产生电路中。耦合电路与基准电压电路连接，耦合电路有效消除了电源电压波动对基准电压电路的影响，使电路系统具有较高的精准度。基准电压电路用于产生不受环境温度变化影响的基准电压并输出。
附图说明
35.图1为本发明的整体原理结构示意图；
36.图2为本发明的ptat电压产生电路的原理结构示意图；
37.图3为本发明的vref电压产生电路的原理结构示意图。
38.附图标记说明：
39.1-ptat电压产生电路；2-vref电压产生电路；11-偏置电路；12-正比例温度系数电压电路；13-频率补偿电路；21-耦合电路；22-基准电压电路。
具体实施方式
40.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。
43.如图1所示，一种应用于智能移动设备电源系统的小体积带隙基准电压源集成电路包括ptat电压产生电路1和vref电压产生电路2。
44.需要说明的是，ptat电压产生电路1主要用于产生正比例温度系数电压和偏置电压，并输出到vref电压产生电路2中。vref电压产生电路2可产生反比例温度系数电压，并将其与正比例温度系数电压进行叠加，进而产生不受环境温度变化影响的基准电压。
45.ptat电压产生电路1包含有频率补偿设计，使电路系统能够在较宽频带范围内稳定工作。vref电压产生电路2包含有抗干扰设计，有效消除了电源电压波动对输出基准电压的影响，使电路系统具有较高的精准度。
46.ptat电压产生电路1中不包含双极结型晶体管，vref电压产生电路2中仅包含1个双极结型晶体管。ptat电压产生电路1和vref电压产生电路2在保证电路优良性能的同时，又具有较简单的电路结构，使得本发明的电路系统具有较小的体积和较低的功耗。
47.ptat电压产生电路1包括端口vb1、vp1、vt1、vs1和vm1。
48.vref电压产生电路2包括端口vb2、vp2、vt2、vs2、vm2和vref。
49.需要说明的是，端口vb1与端口vb2连接，用于传输vref电压产生电路2所需的偏置电压vb。端口vp1与端口vt1间的电压差vpt具有正比例温度系数特性。端口vp1与端口vp2连接，端口vt1与端口vt2连接，用于传输正比例温度系数电压vpt。端口vs1与端口vs2连接，用于形成负反馈回路。端口vm1与端口vm2连接，用于形成频率补偿回路。
50.如图1所示，ptat电压产生电路1包括偏置电路11、正比例温度系数电压电路12和频率补偿电路13。
51.需要说明的是，偏置电路11与正比例温度系数电压电路12连接，偏置电路11为正比例温度系数电压电路12提供偏置电压，维持其正常工作。频率补偿电路13与正比例温度系数电压电路12连接，并通过端口vm1和端口vm2，与vref电压产生电路2连接。频率补偿电路13对电路系统进行频率补偿，使电路系统在较宽频率范围内能够稳定工作。正比例温度系数电压电路12用于产生正比例温度系数电压vpt，并输出到vref电压产生电路2中。
52.如图1所示，vref电压产生电路2包括耦合电路21和基准电压电路22。
53.需要说明的是，耦合电路21与基准电压电路22连接，耦合电路21有效消除了电源
电压波动对基准电压电路22的影响，使电路系统具有较高的精准度。基准电压电路22用于产生不受环境温度变化影响的基准电压vref，并通过端口vref输出。
54.在本发明的一个实施例中，如图2所示，偏置电路11包括mos管m1至m7。
55.mos管m1的源极连接电源vdd，mos管m1的栅极连接mos管m12的栅极，mos管m1的漏极连接mos管m2的漏极。mos管m2的漏极连接mos管m1的栅极，mos管m2的栅极连接mos管m5的栅极，mos管m2的源极连接mos管m3的漏极。mos管m3的漏极连接mos管m2的源极，mos管m3的栅极连接mos管m7的漏极，mos管m3的源极连接mos管m4的漏极。mos管m4的漏极连接mos管m3的源极，mos管m4的栅极连接mos管m4的漏极，mos管m4的源极连接地。
56.mos管m5的漏极连接电源vdd，mos管m5的栅极连接mos管m5的漏极，mos管m5的源极连接mos管m6的漏极。mos管m6的漏极连接mos管m5的源极，mos管m6的栅极连接mos管m6的漏极，mos管m6的源极连接mos管m7的漏极。mos管m7的漏极连接mos管m7的栅极，mos管m7的栅极连接mos管m3的栅极，mos管m7的源极接地。
57.需要说明的是，mos管m1、m2、m5和m6工作于饱和区，mos管m3、m4和m7工作于弱反型区。mos管m2与m5的相关连接结构使mos管m2的源极节点电压与mos管m5的源极节点电压保持相等，有效抑制了电源电压波动对偏置电路11各支路电流的影响。mos管m6的相关连接结构用于抑制支路反向漏电流。mos管m7的相关连接结构为mos管m3提供偏置。mos管m3的源极与mos管m4的漏极的连接点的电压vbia的表达式如公式(1)所示。
[0058][0059]
其中，vm7为mos管m7的栅源极电压，t为温度，k为玻尔兹曼常数，m为弱反型区斜率因数，q为电子电荷，sm3为mos管m3的宽长比，sm4为mos管m4的宽长比。
[0060]
电压vbia决定了mos管m4的漏极电流im4。由公式(1)可知，通过调整mos管m3与m4的宽长比，可改变电流im4的电流值。电流im4作为偏置电流，通过mos管m1与m12连接构成的电流镜结构，输出到正比例温度系数电压电路中。
[0061]
与传统恒定跨导偏置电路结构相比，偏置电路11在保证电路稳定性及电路精度的同时，又具有较为简单的电路结构。
[0062]
在本发明的一个实施例中，如图2所示，正比例温度系数电压电路12包括mos管m9、m10、m12、m13、m14和m15，端口vb1，端口vp1，端口vt1，端口vs1。
[0063]
mos管m9的源极连接mos管m14的源极，mos管m9的栅极连接端口vt1，mos管m9的漏极连接mos管m10的漏极。mos管m10的漏极连接mos管m9的漏极，mos管m10的栅极连接mos管m15的栅极，mos管m10的源极连接mos管m11的漏极。mos管m12的源极连接电源vdd，mos管m12的栅极连接mos管m1的漏极，mos管m12的漏极连接mos管m13的源极。
[0064]
mos管m13的源极连接mos管m12的漏极，mos管m13的栅极连接mos管m13的漏极，mos管m13的漏极连接端口vb1。mos管m14的源极连接mos管m13的漏极，mos管m14的栅极连接端口vp1，mos管m14的漏极连接mos管m15的漏极。mos管m15的漏极连接端口vs1，mos管m15的栅极连接mos管m10的漏极，mos管m15的源极连接mos管m16的漏极。
[0065]
需要说明的是，mos管m12与mos管m1连接构成电流镜，用于传输偏置电流到正比例温度系数电压电路12中。mos管m13的漏极电压作为偏置电压vb通过端口vb1输出。
[0066]
mos管m9、m10、m14和m15均工作于弱反型区。mos管m15的漏极通过端口vs1与vref电压产生电路2连接，形成负反馈回路。mos管m9、m10、m14和m15的相关电路连接结构可产生正比例温度系数电压vpt。正比例温度系数电压vpt为mos管m14的栅极电压与mos管m9的栅极电压的电压差值，其表达式如公式(1)所示。
[0067][0068]
其中，t为温度，k为玻尔兹曼常数，m为弱反型区斜率因数，q为电子电荷，sm9为mos管m9的宽长比，sm10为mos管m10的宽长比，sm14为mos管m14的宽长比，sm15为mos管m15的宽长比。
[0069]
正比例温度系数电压vpt的表达式(1)对温度t求微分如公式(2)所示。
[0070][0071]
由公式(2)可知，正比例温度系数电压vpt与环境温度变化成正比。
[0072]
在本发明的一个实施例中，如图2所示，频率补偿电路13包括mos管m8、m11和m16，电容c1，端口vm1。
[0073]
mos管m8的漏极连接mos管m11的漏极，mos管m8的栅极连接mos管m11的栅极，mos管m8的源极接地。mos管m11的漏极连接mos管m11的栅极，mos管m11的栅极连接mos管m16的栅极，mos管m11的源极接地。mos管m16的漏极连接mos管m15的源极，mos管m16的栅极连接电容c1的下端，mos管m16的源极接地。电容c1的下端连接mos管m8的栅极，电容c1的上端连接端口vm1。
[0074]
需要说明的是，由于电路系统的小体积低功耗设计，以及反馈环路高阻抗节点的存在，系统产生了两个低频极点，一个高频极点，一对共轭复数极点和两个低频零点。为了保证系统在较宽频带范围内的稳定运行，mos管m8、mos管m11、mos管m16、电容c1以及端口vm1的相关电路连接对电路系统进行频率补偿。
[0075]
基于mos管m8、mos管m11、mos管m16、电容c1以及端口vm1的相关电路连接结构的频率补偿作用，电路系统极零图右半平面零点向高频位置移动，电路系统极零图左半平面产生一个新的零点，系统反馈环路单位增益频率增加正相位移，保证了系统在较宽频带范围内的稳定运行。
[0076]
在本发明的一个实施例中，如图3所示，耦合电路21包括mos管m17至m20，电容c2，端口vb2，端口vs2。
[0077]
mos管m17的源极连接电源vdd，mos管m17的栅极连接mos管m21的栅极，mos管m17的漏极连接mos管m18的漏极。mos管m18的漏极连接mos管m17的栅极，mos管m18的栅极连接端口vb2，mos管m18的源极连接mos管m19的漏极。电容c2的上端连接mos管m18的漏极，电容c2的下端连接mos管m18的源极。mos管m19的漏极连接mos管m18的源极，mos管m19的栅极连接端口vs2，mos管m19的源极连接mos管m20的漏极。mos管m20的漏极连接mos管m19的源极，mos管m20的栅极连接mos管m20的漏极，mos管m20的源极接地。
[0078]
需要说明的是，mos管m19的栅极通过端口vs2与ptat电压产生电路1连接，并通过与mos管m18、m17、m21和m22的连接，构成负反馈回路。mos管m19采用高阈值电压mos管，并基
于mos管m19、mos管m20、端口vs2以及端口vs1的连接结构，使ptat电压产生电路1中的mos管m15和mos管m16具备工作于弱反型区的偏置条件，并使mos管m15的漏极具有较高的输出阻抗。
[0079]
mos管m18的栅极通过端口vb2与端口vb1的连接获得偏置电压vb。基于mos管m17、mos管m18、mos管m21以及电容c2的连接结构，mos管m21的栅极与电源电压vdd产生耦合关系，即mos管m21的栅极电压与电源电压vdd具有一致的增益。使电源电压vdd的波动不会通过mos管m21被放大，mos管m21的栅源极电压不受电源电压波动的影响，有效提高了电路系统的抗干扰能力，进而提高了电路的精度。
[0080]
在本发明的一个实施例中，如图3所示，基准电压电路22包括mos管m21和m22，电阻r1和r2，双极结型晶体管q1，端口vm2，端口vp2，端口vt2，端口vref。
[0081]
mos管m21的源极连接电源vdd，mos管m21的栅极连接mos管m17的漏极，mos管m21的漏极连接mos管m22的源极。mos管m22的源极连接端口vm2，mos管m22的栅极连接mos管m22的漏极，mos管m22的漏极连接电阻r1。电阻r1的上端连接端口vref，电阻r1的下端连接电阻r2的上端。电阻r2的上端连接端口vp2，电阻r2的下端连接端口vt2。双极结型晶体管q1的发射极连接电阻r2的下端，双极结型晶体管q1的基极接地，双极结型晶体管q1的集电极接地。
[0082]
需要说明的是，mos管m21的漏极与mos管m22的源极的连接节点，与端口vm2相连接，形成频率补偿回路。端口vp2和端口vt2分别连接电阻r2的上端和下端，用于传输正比例温度系数电压vpt，使电阻r2两端的压降vr2与正比例温度系数电压vpt相等。
[0083]
双极结型晶体管q1的基射极电压vbe为反比例温度系数电压，电阻r2的压降vr2等于正比例温度系数电压vpt，电压vbe与电压vr2的温度特性如公式(4)和公式(5)所示。
[0084][0085][0086]
其中，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷，m为弱反型区斜率因数，t为温度，eg为硅带隙能量，sm9为mos管m9的宽长比，sm10为mos管m10的宽长比，sm14为mos管m14的宽长比，sm15为mos管m15的宽长比。
[0087]
由公式(4)和公式(5)可知，双极结型晶体管q1的基射极电压vbe与环境温度变化成反比，电阻r2的压降vr2与环境温度变化成正比，即电压vbe随着环境温度的增加而减小，电压vr2随着环境温度的增加而增加。
[0088]
电阻r1的上端连接端口vref，基准电压vref通过端口vref输出。基准电压vref为双极结型晶体管q1的基射极电压vbe，电阻r1的压降vr1以及电阻r2的压降vr2之和。基准电压vref的表达式如公式(3)所示。
[0089][0090]
其中，vbe为双极结型晶体管q1的基射极电压，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷，m为弱反型区斜率因数，t为温度，sm9为mos管m9的宽长比，sm10为mos管m10的宽长比，sm14为mos管m14的宽长比，sm15为mos管m15的宽长比，r1为电阻r1的电阻值，r2为电阻r2的电阻
值。
[0091]
通过调整mos管m9、m10、m14和m15的宽长比，以及电阻r1和电阻r2的比值，可使基准电压vref的温度系数为0，即不受环境温度变化的影响。
[0092]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。