专利名称：采用二阶温度补偿能隙基准电压的电压源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基准参考电压源，尤其涉及一种采用二阶温度补偿能隙基准电压的电压源。
图1给出了基本的能隙基准电压源电路，由于电流镜的作用，MOS管M1和MOS管M2中流过的电流相等，所以N1和N2点的电压相等，N2点的电压就是三极管T1的正向导通电压，三极管T1和三极管T2的正向导通电压差ΔVbe具有正的温度系数，它在电阻R1上产生具有正的温度系数的电流IPTAT，该电流通过电流镜的拷贝流过电阻R2，在该电阻上产生具有正的温度系数的电压VPTAT＝nΔVbe，其中n是比例因子。VPTAT和三极管T3、三极管T4的正向导通电压相叠加就得到了能隙基准电压输出Vout。图2给出了能隙基准电压源Vout的温度特性曲线。一般的普通的能隙基准电压源的温度特性可以达到50ppm/℃。
如果我们将基准电压源按照温度作泰勒展开可以表示成Vref＝a+bT+CT2+...，基准电压源的设计就是使温度的各阶系数尽可能最小，为此需要进行一阶、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系数，还必须进行二阶补偿。而产生二阶项的原因是多方面的，如电阻的温度特性，在集成电路中，电阻具有较大的温度系数，使得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，而PN结在不同的偏置电流下其正向导通电压会表现出不同的温度特性，最终影响基准电压的温度特性；PN结的正向导通电压本身和温度有复杂的关系，通过VPTAT的一阶补偿并不能抵消高阶项的影响。因此为了要获得具有更小温度特性的能隙基准电压，必须对它进行二次项补偿。
图3给出了现有的一种能隙基准电压源二次温度补偿技术，它将具有正温度系数的IPTAT电流和具有负温度特性的Ivbe电流的差作为高温补偿电流，在高温端对基准电压输出进行补偿，在低温端MOS管M2工作在线性区，MOS管M3截止，所以补偿电流为0，也就是说在低温端不进行二次项补偿。图4是它的补偿原理图，这种补偿的缺点是必须严格控制MOS管M2和MOS管M3的工作状态随温度变化的转换，在实际工艺上这可能会带来很多麻烦，同时它只能进行单边补偿。
本实用新型所要解决的另一技术问题是提供一种可进行二阶温度补偿的基准电压源，其可对经过一阶温度补偿的基准电压输出后在高温端及低温端均进行二阶温度补偿。
为了解决上述技术问题本实用新型采用了如下技术方案提供一种一阶-二阶电流转换电路，包括一个MOS管，所述MOS管的栅极连接一电阻，其漏极连接一MOS管镜像电流源电路。所述的MOS管镜像电流源电路括两管性能匹配的MOS管，且两MOS管输出电流成一定的比例关系。
提供一种可进行二阶温度补偿的能隙基准电压源，包括IPTAT产生电路、Ivbe产生电路、所述的IPTAT产生电路与一可在高温端对基准电压的二次项进行补偿的高温端补偿电路相连接，所述的Ivbe产生电路与一可在低温端对基准电压的二次项进行补偿的低温端补偿电路相连接，所述的高温端补偿电路及低温端补偿电路的输出端与一可将输入电流相叠加的补偿叠加电路的输入端连接，所述的补偿叠加电路的输出端与基准电压输出电路的输入端相连接，所述的高温端补偿电路及低温端补偿电路均为一阶-二阶电流转换电路。
该电源技术技术具有非常高的温度稳定性，可以应用在高精度数模转换ADC中。
图2是图1所示的能隙基准电压源的温度特性曲线。
图3是现有的具有二次补偿的能隙基准电压源的电路结构图。
图4是图3所示的能隙基准电压源温度补偿原理图。
图5是本实用新型的能隙基准电压源的一阶-二阶转换电路图6本实用新型高温端补偿电流产生电路结构图。
图7是图6所示的电路的补偿曲线图。
图8本实用新型低温端补偿电流产生电路结构图。
图9是图8所示的电路的补偿曲线图。
图10本实用新型高温和低温补偿电流叠加电路结构图。
图11是图10所示的电路的温度特性曲线图。
图12是本实用新型二次补偿能隙基准电压的输出电路图。
图13是图12所示的电路的输出温度特性曲线图。
图14是采用本实用新型二次补偿能隙基准电压源的一个电路实例。
如图5所示它是一个一阶电流-二阶电流转换电路，为了对经过一次补偿温度的基准电压输出进行二阶补偿，需要产生一个补偿电流，该电流是温度的二阶函数。我们知道IPTAT电流是温度的一阶函数，对Ivbe作泰勒展开，它的主要成分是常数项和温度的一次项，因此我们需要对这两个电流进行一阶-二阶转换。
本实用新型的基本原理是利用NMOS管饱和区漏源电流和栅源电压成二次项的关系，产生具有二次项特征的电流，将IPTAT和Ivbe在电阻两端产生的电压作为MOS管的栅源电压，实现IPTAT和Ivbe的一阶-二阶的转换，补偿基准电压源的二次项。
由于NMOS管处于饱和区的必要条件是它的栅源电压必须大于它的开启电压，因此经过它转换的二次函数在坐标上并不是一个完整的函数，它只包含函数的半支。当进行IPTAT的一阶-二阶转换时，转换成的电流是温度的单调上升函数，它可以在高温端对基准电压进行补偿，当进行Ivbe的一阶-二阶转换时，转换成的电流是温度的单调下降函数，它可以在低温端对基准电压进行补偿，最后把这两个二次项叠加就得到了整个温度范围的补偿曲线。
由图2可见经过一次补偿的能隙基准电压温度曲线是一条开口向下的曲线，随着温度由常温向高低温两边延伸，基准电压减小，主要表现出二次项的特征，因此我们的想法是产生一个和它开口方向相反的二次曲线去补偿它，该曲线由两电路产生，在这里分别称为高温端补偿电路和低温端补偿电路。
图6给出了高温端补偿电路2的电路结构图。IPTAT电流在电阻R3上产生PTAT电压V3＝AT(A＞0)，V2作用在MOS管M3的栅上，如果MOS管M3工作在饱和区，则产生电流IDS3为IDS3=β3/2(V3-Vth3)2=β3/2(AT-Vth3)2---(1)]]>如果单纯考虑式(1)的数学含义，这是一条开口向上的抛物线，但是由于MOS管M3必须是开启的，所以在正常工作条件下总能满足V3＞Vth3，即AT-Vth3＞0，因此式(1)是抛物线的右半支，可以在坐标上表示成图7。
图8给出了低温端补偿电路4的电路结构图，由PNP管的基极-集电极电压在电阻上所产生的负温度系数的电流Ivbe，在电阻R4两端产生负温度系数的电压V4，V4＝IvbeR4，V4作用到MOS管M6的栅上，产生电流IDS6为IDS6=β6/2(V4-Vth6)2=β6/2(IvbeR4-Vth6)2---(2)]]>在一次近似下Ivbe可以写为Ivbe＝Ivbe0-BT(3)VBE0为常温下基极-集电极电压，B为比例系数，因此式(2)可以写IDS6=β6/2(R4Ivbe0-R4BT-Vth6)2=β62(R4BT-R4Ivbe0+Vth6)2---(4)]]>为正常工作条件下MOS管M4总是开启的，所以总能满足R4Ivbe0-R4BT-Vth6＞0，所以R4BT-R4Ivbe0+Vth6＜0，式(4)是二次曲线的左半支，可以在坐标上表示成图9表示。
图10所示的是高温和低温补偿叠加电路4的结构图，把IDS3和IDS6按照一定的比例用图10的方法相加，得到了补偿电流Icm，该电流经过电阻R5就得到了图11所示的用来进行二次补偿的电压-温度曲线。
把图11所示的电压-温度曲线和图2的电压-温度曲线通过图12的方法相加就得到了经过二次补偿的能隙基准电压，表示成图13，采用这种方法在-40℃-85℃的温度范围内，它的温度特性可达到7ppm/℃。
图14给出了采用本实用新型电路的能隙基准电压源的一个具体实施例，其包括可产生一具有正的温度系数的IPTAT产生电路1、高温端补偿电路2、可产生具有负的温度系数的Ivbe产生电路3、低温端补偿电路4、补偿叠加电路5、基准电压输出电路6。所述的IPTAT产生电路1与高温端补偿电路2相连接，所述的Ivbe产生电路3与低温端补偿电路4相连接，所述的补偿叠加电路5的输入端分别连接高温端补偿电路2及低温端补偿电路4的输出端、所述的补偿叠加电路5的输出端与基准电压输出电路6的输入端相连接。所述的基准电压输出电路6输出的电压即为经二阶补偿后的电压。
权利要求1.一种一阶-二阶电流转换电路，其特征在于，包括一MOS管(11)，所述MOS管(11)的栅极连接一电阻(12)，其漏极连接一MOS管镜像电流源电路(13)。
2.根据权利要求1所述的一阶-二阶电流转换电路，其特征在于，所述的MOS管镜像电流源电路(13)包括两管性能匹配的MOS管(14、15)，且两MOS管输出电流成-定的比例关系。IDS6=β6/2(R4Ivbe0-R4BT-Vth6)2=β62(R4BT-R4Ivbe0+Vth6)2]]>
3.一种采用二阶温度补偿能隙基准电压的电压源，包括IPTAT产生电路(1)、Ivbe产生电路(3)、其特征在于，所述的IPTAT产生电路(1)与一可在高温端对基准电压的二次项进行补偿的高温端补偿电路(2)相连接，所述的Ivbe产生电路(3)与一可在低温端对基准电压的二次项进行补偿的低温端补偿电路(4)相连接，所述的高温端补偿电路(2)及低温端补偿电路(4)的输出端与一可将输入电流相叠加的补偿叠加电路(5)的输入端连接，所述的补偿叠加电路(5)的输出端与基准电压输出电路(6)的输入端相连接，所述的高温端补偿电路(2)及低温端补偿电路(4)均为一阶-二阶电流转换电路。
4.根据权利要求3所述的采用二阶温度补偿能隙基准电压的电压源，其特征在于，补偿叠加电路(5)设有两个MOS管镜像电流源电路。
专利摘要一种可进行二阶温度补偿的新型能隙基准电压源，其包括I
文档编号G05F1/10GK2588431SQ0228346
公开日2003年11月26日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年12月20日
发明者刘家洲 申请人:上海贝岭股份有限公司