一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源的制作方法

1.本发明涉及带隙基准电压源，特别涉及一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源。


背景技术：

2.带隙基准电压源作为模拟集成电路和混合集成电路的核心单元，以其高精度、低温漂、高稳定性等特点，被广泛应用于各种模数转换器(adc)中。随着adc精度的提高，其对带隙基准电压源的性能要求也越来越高，有的甚至要求带隙基准电压温度系数小于几个ppm/℃。传统的带隙基准电压源通常采用一阶温度补偿技术，其温度系数被限制在20～100ppm/℃，难以满足高精度adc的系统要求。因此，为改善带隙基准电压的温度特性，提出了高阶温度补偿技术。目前，常用的高阶温度补偿技术有：指数曲率补偿技术、分段温度补偿技术、电阻比例补偿技术和v
be
线性化补偿技术等。
3.图1所示是采用v
be
线性化补偿技术的一种典型带隙基准电路结构，通过电阻r1产生正温度系数ptat电流，通过电阻r2产生负温度系数ctat电流，通过电阻r4产生非线性补偿电流，在镜像管mp4的复制作用下这三路电流共同注入电阻r3产生零温度系数的电压。这种电路结构有几个缺点，一是使用了两个相同的电阻r2和两个相同的电阻r4，对电阻的匹配性要求很高；二是使用运算放大器进行电压钳位，运放的失调电压会对基准输出电压产生很大的影响，要想获得好的性能必须减小运放的失调电压，常用的方法是对运放进行斩波，但这需要额外的时钟电路而且会在输出电压中引入纹波。


技术实现要素：

4.本发明目的是：针对上述问题，本发明提供一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源。
5.本发明的技术方案是：
6.一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源，包括启动电路模块、ptat电流模块、ctat电流模块、曲率补偿模块和输出驱动模块，其中：
7.所述启动电路模块为电压源提供启动电压，防止进入简并工作点；
8.ptat电流模块通过自偏置共源共栅电流镜结构产生正温度系数的电流i
ptat
；
9.ctat电流模块通过共源共栅电流镜和负反馈结构产生负温度系数的电流i
ctat
；
10.曲率补偿模块利用三极管基极-发射极电压v
be
中的非线性项v
t
ln(t)的系数与其集电极偏置电流有关的特性，产生与v
t
ln(t)成线性关系但开口曲率方向与v
be
开口曲率相反的补偿电流i
cc
；
11.输出驱动模块通过共源共栅电流镜对电流i
ptat
、i
ctat
和i
cc
进行不同比例系数的镜像复制，镜像电流注入电阻r3最终产生基准输出电压vbg。
12.优选的，所述ptat电流模块包括三极管q2～q6、mos管m1～m19以及电阻r1；
13.mos管m7、m6、m5、m2、m1和三极管q2依次串接在电源正负极之间；mos管m10、m9、m8、m4、m3、电阻r1和三极管q3依次串接在电源正负极之间；mos管m13、m12、m11和三极管q4依次
串接在电源正负极之间；mos管m16、m15、m14和三极管q5依次串接在电源正负极之间；mos管m19、m18、m17和三极管q6依次串接在电源正负极之间；
14.mos管m7、m10、m13的栅极共接；mos管m6、m9、m16的栅极共接；mos管m5、m8、m19的栅极共接；mos管m2、m4、m12、m15、m18的栅极共接；mos管m1、m3、m14、m17的栅极共接；mos管m11、m12、m13、m19的栅极分别与自身漏极短接；mos管m10的栅极与m8的漏极短接，mos管m1的栅极与m2的漏极短接；三极管q2～q6的基极分别连接电源负极。
15.优选的，所述三极管q2、q3、q4、q5、q6的面积比为1:n:1:1:1，mos管m1和m3、m2和m4、m5和m8、m6和m9、m7和m10的宽长比相同。
16.优选的，所述mos管m1～m10构成自偏置电流镜，q4、q5、q6支路为自偏置电流镜提供偏置电压；其中m5～m10为pmos镜像管，采用三层共源共栅结构；m1～m4为nmos镜像管，采用两层共源共栅结构；
17.在电流镜镜像作用下mos管m1和m3管的漏极电流相等，因此其栅源电压相等，即mos管m1、三极管q2的连接节点a和mos管m3、电阻r1的连接节点b等电位；流过电阻r1形成的ptat电流表示为：
[0018][0019]
其中，v
be2
、v
be3
分别为三极管q2、q3的基极-发射极电压；v
t
为热力学电压，等于kt/q，k为玻尔兹曼常数，t为热力学温度，q为单位电荷量；n为q3和q2的面积比。
[0020]
优选的，所述ctat电流模块包括mos管m20～m27、电阻r2和电容cc；
[0021]
mos管m24、m23、m22、m21、m20和电阻r2依次串接在电源正负极之间；mos管m27、m26、m25依次串接在电源正极和电阻r2之间；弥勒补偿电容cc跨接在m27的栅极和m25的漏极之间；
[0022]
mos管m24的栅极与m13的栅极共接；mos管m23、m26的栅极与m16的栅极共接；mos管m22、m25的栅极与m19的栅极共接；mos管m27的栅极连接mos管m22的漏极；
[0023]
mos管m20～m24构成共源共栅电流镜，对ptat电流进行复制，其中m20～m24与m3、m4、m8～m10对应镜像管的宽长比比例为1:n1。
[0024]
优选的，由于镜像管的镜像复制，mos管m20的源极与电阻r2的连接节点c电压与节点b、节点a的电位相同，因此流过电阻r2的电流为：
[0025][0026]vbe2
的温度系数为负，流过r2的电流i
ctat
有负温度系数。而m20～m24镜像复制的电流有正温度系数，两者之间是矛盾的，因此必须要有额外的支路来承接这部分差异电流才能确保c节点电压与a、b节点电压完全相等；
[0027]
mos管m25、m26、m27、m20和m21构成负反馈结构来承接正温度系数镜像复制电流与负温度系数的i
ctat
之间的部分差异电流并维持节点c电压的稳定。
[0028]
优选的，所述曲率补偿模块包括三极管q7、mos管m28～m33和电阻r
cc
；
[0029]
mos管m30、m29、m28和三极管q7依次串接在电源正负极之间；mos管m33、m32、m31依次串接在电源正极和三极管q7之间；电阻r
cc
连接在节点c与mos管m28、m31的漏极和三极管q7的连接节点d之间；
[0030]
mos管m30的栅极与m24的栅极共接；mos管m33的栅极与m27的栅极共接；mos管m29、m32的栅极与m26的栅极共接；mos管m28、m31的栅极与m25的栅极共接；三极管q7的基极连接电源负极。
[0031]
三极管q7的面积与q2的面积比为2:1；mos管m28～m30与m22～m24构成电流镜，对应管子的宽长比比值为n2:1；mos管m31～m33与m25～m27构成电流镜，对应管子的宽长比比值为m:1。
[0032]
优选的，所述输出驱动模块包括mos管m34～m39和电阻r3；
[0033]
mos管m36、m35、m34和电阻r3依次串接在电源正负极之间；mos管m39、m38、m37依次串接在电源正极和电阻r3之间；mos管m36的栅极与m30的栅极共接；mos管m39的栅极与m33的栅极共接；mos管m35、m38的栅极与m32的栅极共接；mos管m34、m37的栅极与m31的栅极共接；mos管m34、m37与电阻r3的连接节点输出基准输出电压vbg；
[0034]
mos管m34～m36与m22～m24构成电流镜，对应管子的宽长比比值为n2:1；mos管m37～m39与m25～m27构成电流镜，对应管子的宽长比比值为m:1。
[0035]
优选的，所述启动电路模块包括三极管q1和mos管m40～m44；
[0036]
mos管m41、m40和三极管q1依次串接在电源正负极之间；mos管m40的栅极连接mos管m1、m3的栅极；mos管m41的栅极连接mos管m2、m4的栅极；mos管m41、m40之间的连接节点e同时连接mos管m42、m43、m44的栅极，mos管m42、m43、m44的源极同时连接三极管q1，漏极分别连接mos管m7、m6、m5的栅极。
[0037]
优选的，mos管m40和m41构成反相器结构，mos管m40管的宽长》》mos管m41的宽长比。
[0038]
本发明的优点是：
[0039]
1.本发明的正温度系数ptat电流模块不使用运放钳位结构，而是采用三层套筒式共源共栅结构的自偏置电流镜来实现电流的精确复制和确保a、b两个节点电压的等电位，既简化了电路结构，减小了面积和功耗，又可避免运放失调电压的影响。
[0040]
2.本发明的负温度系数ctat电流模块只使用了一个电阻r2，降低了电阻匹配性要求。另外该模块提出了一个由m20、m21、m25、m26、m27、r2构成的负反馈结构，从而维持m27栅极电压和节点c电压的稳定。电容cc为弥勒补偿电容，提高反馈环路的稳定性。
[0041]
3.本发明的曲率补偿模块产生非线性补偿电流，只使用了一个电阻rcc，降低了电阻匹配性要求。
[0042]
4.本发明的输出驱动模块使用电流镜镜像复制ptat电流、ctat电流和非线性曲率补偿电流，镜像电流注入电阻r3形成低温度系数的基准电压。
附图说明
[0043]
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0044]
图1为现有技术中采用vbe线性化补偿技术的一带隙基准电路结构；
[0045]
图2为本发明的无运放型曲率补偿带隙基准电压源；
[0046]
图3本发明的无运放型曲率补偿带隙基准电压源仿真结果。
具体实施方式
[0047]
如图2所示，本发明的无运放型曲率补偿带隙基准电压源，包括启动电路模块、ptat电流模块、ctat电流模块、曲率补偿模块和输出驱动模块，其中：
[0048]
所述启动电路模块为电压源提供启动电压，防止进入简并工作点；
[0049]
ptat电流模块通过自偏置共源共栅电流镜结构产生正温度系数的电流i
ptat
；
[0050]
ctat电流模块通过共源共栅电流镜和负反馈结构实现对q2基极-发射极电压的复制，电压加载在电阻r2上产生负温度系数的电流i
ctat
；
[0051]
曲率补偿模块利用三极管基极-发射极电压v
be
中的非线性项v
t
ln(t)的系数与其集电极偏置电流有关的特性，产生与v
t
ln(t)成线性关系但开口曲率方向与v
be
开口曲率相反的补偿电流i
cc
；
[0052]
输出驱动模块通过共源共栅电流镜对电流i
ptat
、i
ctat
和i
cc
进行不同比例系数的镜像复制，镜像电流注入电阻r3最终产生基准输出电压vbg。
[0053]
ptat电流模块由三极管q2～q6、mos管m1～m19以及电阻r1组成。三极管q2、q3、q4、q5、q6的面积比为1:n:1:1:1，mos镜像管m1和m3、m2和m4、m5和m8、m6和m9、m7和m10的宽长比相同。
[0054]
mos管m1～m10构成自偏置电流镜，q4、q5、q6支路为自偏置电流镜提供偏置电压。pmos镜像管m5～m10采用三层共源共栅结构提高电源抑制比，同时降低沟道长度调制效应带来的影响以提高电流镜像复制的精度，nmos镜像管m1～m4采用两层共源共栅结构降低沟道长度调制效应带来的影响。
[0055]
在电流镜镜像作用下m1和m3管的漏极电流相等，因此其栅源电压相等，即节点a和b两点等电位。流过电阻r1形成的ptat电流可表示为：
[0056][0057]
其中v
t
为热力学电压，等于kt/q(k为玻尔兹曼常数，t为热力学温度，q为单位电荷量)；n为q3和q2的面积比。
[0058]
ctat电流模块由mos管m20～m27、电阻r2和电容cc组成。m20～m24为镜像管，对ptat电流进行复制，其中m20～m24与m3、m4、m8～m10对应镜像管的宽长比比例为1:n1。
[0059]
由于镜像管的镜像复制，c节点电压与b节点、a节点的电位相同，因此流过电阻r2的电流为：
[0060][0061]
由于v
be2
的温度系数为负，因此流过r2的电流有负温度系数。而m20～m24镜像复制的电流有正温度系数，两者之间是矛盾的，因此必须要有额外的支路来承接这部分差异电流才能确保c节点电压与a、b节点电压完全相等。
[0062]
本发明引入m25、m26、m27、m20和m21构成的负反馈结构来承接这部分差异电流并维持c节点电压的稳定。当m27的栅极电压升高时，m25的漏极电压降低，那么m21的漏极电压也降低，从而构成完整的负反馈闭环结构，维持m27栅极电压以及c节点电压的稳定。为保证闭环结构的相位稳定性，本发明引入了弥勒补偿电容cc跨接在m27的栅极和m25的漏极之间。
[0063]
曲率补偿模块由三极管q7、mos管m28～m3 3和电阻r
cc
组成。q7的面积与q2的面积比为2:1。mos管m28～m30与m22～m24构成电流镜，对应管子的宽长比比值为n2:1。mos管m31～m33与m25～m27构成电流镜，对应管子的宽长比比值为m:1。
[0064]
输出驱动模块由mos管m34～m39和电阻r3组成。mos管m34～m36与m22～m24构成电流镜，对应管子的宽长比比值为n2:1。mos管m37～m39与m25～m27构成电流镜，对应管子的宽长比比值为m:1。
[0065]
三极管基极-发射极电压v
be
有一般表达式：
[0066][0067]
其中，v
g0
表示0k时硅的带隙能量，为1.12ev，t表示任意热力学温度，tr表示某一特定的温度，η表示与载流子迁移率有关的常数，由工艺参数决定，α表示三极管集电极电流的温度依赖阶数。当集电极输入电流为ptat正温度系数电流时，α＝1；当集电极输入电流为零温度系数电流时，α＝0。
[0068]
分析三极管q2的集电极电流为ptat电流，因此：
[0069][0070]
由于曲率补偿镜像管的尺寸与输出驱动电路镜像管的尺寸完全相同，因此三极管q7的集电极电流近似等于vbg/r3，该电流温度系数很小，近似为零，因此q7的基极-发射极电压可表示为：
[0071][0072]
结合公式(4)和(5)可得出流过电阻r
cc
的曲率补偿电流为：
[0073][0074]
mos管m24的漏极电流为：
[0075][0076]
因此mos管m27的漏极电流为：
[0077][0078]
通过输出驱动电路镜像管的复制，流过电阻r3的电流为：
[0079][0080]
将(1)、(2)、(6)式代入公式(9)，并乘以电阻r3可以得到带隙基准输出电压表达式：
[0081][0082]
上式(10)中，等式右边第一项v
be,q2
表示q2的基极-发射极电压，具有公式(4)的表达式；右边第二项用于补偿v
be,q2
中的一阶温度系数项，要求n2》m；右边第三项拥有v
t
ln(t)
的非线性项，用于补偿v
be,q2
中的高阶非线性项。
[0083]
实际电路中，r1的阻值通常由系统功耗决定，通过调节r2的阻值可对基准电压的一阶温度系数进行修调，然后调节r
cc
的阻值可对基准电压的高阶温度系数进行修调，最后调节r3的阻值可改变基准输出电压的绝对值。
[0084]
ptat电流模块中的自偏置电流镜存在简并工作点，因此需要由启动电路帮助其脱离简并工作点，本发明的启动电路由三极管q1和mos管m40～m44组成。m40和m41构成反相器结构，当电路处于简并工作点时m1和m2的栅极电压小于nmos管阈值电压，因此e点电压接近电源电压，nmos管m42、m43和m44导通，电子电荷注入pmos管m5、m6、m7的栅极，使得栅极电压逐渐降低直至栅源电压小于pmos管阈值电压，此时自偏置电流镜脱离简并工作点，正常工作。此时m1和m2的栅极电压升高，由于m40管的宽长比远大于m41管的宽长比，因此e点电压变低，m42、m43、m44管关闭。
[0085]
图3所示是使用0.35μm bcd工艺模型，该带隙基准电压源在tt工艺角下的温度特性仿真结果，由图可知在-55℃至125℃温度范围内，基准电压源的温度系数为1.3ppm/℃。
[0086]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。