一种高精度低温漂带隙基准电压源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度低温漂带隙基准电压源，正温度系数电流产生电路产生与绝对温度成正比的电流；负温度系数电流产生电路产生与绝对温度成反比的电流；2次温度探测与补偿电路，通过对正温度系数电流与负温度系数电流的相加补偿，使带隙基准在工作温度区间得到三个以上的温度拐点；启动电路，在电源上电过程中驱动正温度系数电流产生电路和负温度系数电流产生电路摆脱简并偏置点，建立正常工作点；电流求和电路，产生带隙基准电压。本发明的带隙基准电压源，引入2个温控电流比较器来实现多次温度补偿，在全温度范围内得到5个温度拐点，无需额外的偏置电路；无需运算放大器对电压钳位，降低了电路复杂程度。
【专利说明】
-种高精度低溫漂带隙基准电压源
技术领域
[0001] 本发明属于集成电路设计领域，尤其设及高精度带隙基准电压源电路。
【背景技术】
[0002] 很多高精度的电路诸如模数、数模转换器，锁相环、电源管理系统等都需要低溫漂 的带隙基准源作为参考电压使用。传统带隙电压电路通常采用一阶溫度补偿即对BE结溫度 系数的线性补偿，得到一个溫度拐点；或二阶曲率溫度补偿即在一阶补偿的基础上增加对 肥中的溫度系数的平方项补偿，溫度拐点在2~3个;但补偿后的带隙基准溫漂受加工工艺 影响较大，且溫度范围较窄，很难满足一些对应用溫度范围具有较宽要求的领域;一些基于 诸如双极和薄膜电阻等工艺的带隙基准源电路可W实现几个ppm的溫漂，但与标准CMOS工 艺不兼容，不能实现全片内集成。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度低溫漂带隙基准电压源，基于标准 CMOS工艺实现，整个电路无需额外的偏置电路;无需运算放大器对电压错位，可降低电路复 杂程度。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用W下技术方案：
[0005] -种高精度低溫漂带隙基准电压源，其特征是，包括：
[0006] 正溫度系数电流产生电路，产生与绝对溫度成正比的电流Iptat;
[0007] 负溫度系数电流产生电路，产生与绝对溫度成反比的电流Ictat;
[000引2次溫度探测与补偿电路，通过对正溫度系数电流与负溫度系数电流的相加补偿， 使带隙基准在工作溫度区间得到=个W上的溫度拐点；
[0009] 启动电路，在电源上电过程中驱动正溫度系数电流产生电路和负溫度系数电流产 生电路摆脱简并偏置点，建立正常工作点；
[0010] 电流求和电路，对正溫度系数电流与负溫度系数电流的电流求和，产生带隙基准 电压化ef。
[0011] 正溫度系数电流产生电路包括由MOS管Ml、M2、M3和M4构成的电流镜，电流镜对应 由MOS管M5、M6、M7和M8构成负反馈错位，使电流镜的节点3和节点4的电压相等。
[0012] 正溫度系数电流产生电路包括MOS管亂、]?2、]\0、]\14、]\15、]\16、]\17、]\18和?肥管91、92及 电阻Rl;
[OOK] MOS管M1、M2、M5和M6的源极接电源VDD;M1、M2的栅极及M2的漏极共连，M1、M2的漏 极分别连接M3、M4的漏极，M3的栅极连接M8的栅极和漏极，M4的栅极连接M7的栅极和漏极形 成节点11 ;M3的源极与M7的源极、电阻Rl的一端共接形成电流镜节点3，M4的源极与M8的源 极、PNP管Q2的发射极共接形成电流镜节点4;电阻Rl的另一端连接PNP管Ql的发射极，PNP管 Ql的集电极接地;PNP管Ql的基极与PNP管Q2的基极共连接地，PNP管Q2的集电极接地;M7、M8 的漏极分别与M5、M6的漏极连接;M5、M6的栅极与Ml的漏极共连形成节点1。
[0014] 负溫度系数电流产生电路包括由MOS管M1A、M2A、M3A和M4A构成的电流镜，电流镜 对应由MOS管M5A、M6A、M7A和M8A构成负反馈错位，使电流镜的节点5和节点4的电压相等。
[0015] 负溫度系数电流产生电路包括]\114、]\124、]\04、]\144、]\154、]\164、]\174、]\184和电阻尺2;
[0016] MOS管M1A、M2A、M5A和M6A的源极接电源VDD;M1A、M2A的栅极及M2A的漏极共连， M1A、M2A的漏极分别连接M3A、M4A的漏极，M3A、M4A的栅极分别连接M8AA、M7A的栅极和漏极， M3A的源极与M7A的源极、电阻R2的一端共接形成电流镜节点5，M4A的源极与M8A的源极共接 形成电流镜节点4;电阻R2的另一端接地;M7A、M8AA的漏极分别与M5A、M6A的漏极连接;M5A、 M6A的栅极与MlA的漏极共接形成节点2。
[0017] 2 次溫度探测与补偿电路包括 MOS 管亂1、]?12、]\113、]\114、]\115、]\116、]\117、]\118、]\119和 M20；
[0018] 111、]?13、]\114、]\115、]\117、]\118和]\119源极接电源￥00;]\111的栅极连接至节点1，]\111的 漏极连接至M12的漏极与栅极形成节点6;M13的栅极连接至节点2，M13的漏极与M14的漏极 和栅极、Ml 5的栅极、Ml 6的漏极共连形成节点7; Ml 7的栅极连接至节点2，Ml 7的漏极与Ml 8的 漏极和栅极、M19的栅极、M20的漏极共连形成节点8;M15的漏极与M19的漏极共连形成节点 10;M12、M16、M20的源极共连至地。
[0019] 启动电路包括MOS管M21、M22、M23和M24;
[0020] M21的源极接电源VDD，M21的栅极接地，M21的漏极与M22的漏极、M23的栅极、M24的 栅极共连形成节点12;M22的栅极连接至节点11;M23的漏极连接至节点1;M24的漏极连接至 节点2;M22、M23和M24的源极接地。
[0021] 电流求和电路包括MOS管M9、M10、电阻R3、电阻R4、电阻R5;
[0022] M9、M10的源极接电源VDD;M9、M10的栅极分别连接至节点2和节点1;M10的漏极与 电阻R3-端共接形成带隙基准电压化ef;电阻R3另一端与M9的漏极、电阻R4的一端共接形 成节点9;电阻R4的另一端与电阻R5的一端共接形成节点10;电阻R5的另一端接地。
[0023] 本发明所达到的有益效果：
[0024] 本发明的基于标准CMOS工艺实现的高精度低溫漂带隙基准电压源，引入2个溫控 电流比较器来实现多次溫度补偿，在全溫度范围内得到5个溫度拐点，整个电路无需额外的 偏置电路;通过简单的环路负反馈电压错位得到高精度的正溫度系数和负溫度系数电流， 因而无需运算放大器对电压错位，降低了电路复杂程度。
【附图说明】
[0025] 图1本发明的高精度低溫漂带隙基准电压源；
[0026] 图2本发明的高精度低溫漂带隙基准电压源溫度曲线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步描述。W下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能W此来限制本发明的保护范围。
[0028] 如图1和图2所示，本发明的电路组成：
[0029] (1)]?05管亂、]\12、]\〇、]\14、]\15、]\16、]\17、]\18和衬底?肥管91、92及电阻1?1构成高精度正溫 度系数电流产生电路，即产生与绝对溫度成正比的电流Iptat。
[0030] 设MOS管Ml和M2、M3和M4、M5和M6，M7和M8宽W、长L比分别相同，即：
[0031]
[0032] MOS管M5、M6、M7和M8构成负反馈错位，使由MOS管M1、M2、M3和M4构成的电流镜节点 3和节点4的电压精确相等，即V3 = V4;同时保证V3和V4不受电源VDD和沟道调制效应的影响。
[0033] MOS管M1、M2、M5和M6的源极接电源VDD;M1、M2的栅极及M2的漏极共连，M1、M2的漏 极分别连接M3、M4的漏极，M3的栅极连接M8的栅极和漏极，M4的栅极连接M7的栅极和漏极形 成节点11 ;M3的源极与M7的源极、电阻Rl的一端共接形成电流镜节点3，M4的源极与M8的源 极、PNP管Q2的发射极共接形成电流镜节点4;电阻Rl的另一端连接PNP管Ql的发射极，PNP管 Ql的集电极接地;PNP管Ql的基极与PNP管Q2的基极共连接地，PNP管Q2的集电极接地。M7、M8 的漏极分别与M5、M6的漏极连接;M5、M6的栅极与Ml的漏极共连形成节点1。
[0034] 设PNP管Ql发射极电流为Iptat:
[0035]
电1)
[0036] 其牛
封典电压，Kb为波尔兹曼常数，T为绝对溫度，q为一个电子的电量;N 为PNP管Ql和Q2的发射极面积比，M为PNP管Q2和Ql集电极电流值比;Rl为电阻Rl的阻值;Veb2 为PNP管Q2的发射结偏置电压，Vebi为PNP管Ql的发射结偏置电压。
[0037] 至
，a为比例系数，a〉0
[003引早为MOS管MlO的宽长比；
[0039] 则MOS管M5和MlO的电流为
[0040] (2)M0S管亂4、124、134、144、154、164、174、184和电阻32构成高精度负溫度系数电 流产生电路，即产生与绝对溫度成反比的电流ICTAT。
[0041] 鸣 Mnc 咎 Ml A 壬……A MQA;riM/lA M：^A;riMGA M7 A ;riMQ A 锭 W 4^1 ZV 岛 I 击FI 同，良口 .
[0042] 。
[0043] MOS管M5A、M6A、M7A和M8A构成负反馈错位，使由MOS管M1A、M2A、M3A和M4A构成的电 流镜节点5和节点4的电压精确相等，即Vs = V4;同时保证Vs和V4不受电源VDD和沟道调制效 应的影响。
[0044] MOS管M1A、M2A、M5A和M6A的源极接电源VDD;M1A、M2A的栅极及M2A的漏极共连， M1A、M2A的漏极分别连接M3A、M4A的漏极，M3A、M4A的栅极分别连接M8AA、M7A的栅极和漏极， M3A的源极与M7A的源极、电阻R2的一端共接形成电流镜节点5，M4A的源极与M8A的源极、PNP 管Q2的发射极共接形成电流镜节点4;电阻R2的另一端接地。M7A、M8AA的漏极分别与M5A、 M6A的漏极连接;M5A、M6A的栅极与MlA的漏极共接形成节点2。
[0045] 设电阻R2上的电流为ICTAT:
[0046]
(2)
[0047] 其中，R2为电阻R2的阻值；
[004引如J
,b为比例系数，b〉0
[0049] (―),,为MOS管M9的宽长比； L-I
[0050] 贝1JM5A和M9的电流戈
[0051] (3)M0S 管亂1、]?12、]\113、]\114、]\115、]\116、]\117、]\118、]\119、]\120构成2次溫度探测与补偿 电路。
[0化2] MOS 管 111、]\113、]\114、]\115、]\117、]\118和]\119源极接电源￥00。]\111的栅极连接至节点1， Ml 1的漏极连接至Ml 2的漏极与栅极形成节点6; Ml 3的栅极连接至节点2，Ml 3的漏极与M14的 漏极和栅极、M15的栅极、M16的漏极共连形成节点7;M17的栅极连接至节点2，M17的漏极与 M18的漏极和栅极、M19的栅极、M20的漏极共连形成节点8;M15的漏极与M19的漏极、电阻R4 的另一端、电阻R5的一端共连形成节点10;112、116、120的源极共连至地。
[0053]通过正溫度系数与负溫度系数电流的相加补偿，带隙基准得到一个溫度拐点To。 当电路的应用溫度范围较宽时，基准电压随溫度的变化相应增大。 IV W
[0化4] 设MOS管M5和Ml 1、M12和M16、M20的宽W、长L比分别相同，（一)，=(-)ii， Lj Lj
[005 引则 MOS 管 M5、M11、M12、M16 和 M20 的电流相等，Is = Iii = 112 = 116= 120 [0化6] 巧
[0057]则 MOS管 M13 的电流 Ii3 = cl 日a，M0S管 M17 的电流 Ii7 = dl 己A。
[005引因为Il3为负溫度系数电流，Il6为正溫度系数电流。当溫度较低时，Il3>Il6,所W M14和M15没有电流，处于截止状态，M15不在节点10注入电流。直到升高至溫度Tl时，当Ii3< Ii6，M15开始在节点10注入电流，电流为Il5 = kl(Il6-Il3)，其中ki是比例系数，此电流Iis具有 正溫度系数，因而得到第二个溫度拐点Ti。其中：
分别为 MOS管M15、M14的宽W、长L比。
[0059] 随着溫度继续升，邸结电压下降占优，直到升至溫度T2时，出现第=个溫度拐点T2。
[0060] 同理，因为Il7为负溫度系数电流，120为正溫度系数电流，当溫度大于T2小于T3，Ii7 >l2〇，M18和M19没有电流，处于截止状态，因而M19不在节点10注入电流。直到溫度T3时，Ii7< l20，Ml 9开始在节点10注入电流，电流为119 = k2 (120-117 )，其中k2是比例系数，得到第四个溫 度拐点了3。
[0061 ] 其C8分别为MOS管M19、M18的宽W、长L比。
[0062] 运时总的补偿电流为
Ii日+119，甘八(1。
[0063] 随着溫度继续升高至T4时，邸结电压下降开始占优，出现第五个溫度拐点T4。其中， 溫度拐点 To<1\<T2<T3<T4。
[0064] 本电路在整个工作溫度区间出现5个溫度拐点，与传统的一阶溫度补偿的一个溫 度拐点或二阶溫度补偿的2~3个溫度拐点相比，大大降低了基准电压随溫度的变化。
[0065] (4)M0S管M21、M22、M23和M24构成启动电路，保证电源上电过程中驱动带隙基准源 电路摆脱简并偏置点，建立正常工作点。
[0066] MOS管M21的源极接电源VDD，M21的栅极接地，M21的漏极与M22的漏极、M23的栅极、 M24的栅极共连形成节点12;M22的栅极连接至节点11;M23的漏极连接至节点1;M24的漏极 连接至节点2;M22、M23和M24的源极接地。
[0067] 电源V孤从0升高初期，节点12的电压等于电源VDD，因此节点1的电压为0，M0S管M5 和M6导通给正溫度系数电流产生电路充电；同理，节点2的电压为0，M0S管M5A和M6A导通给 负溫度系数电流产生电路充电直到建立正常的工作点。当节点11的电压大于1个醒OS阔值 电压后，MOS管M22导通，节点12的电压被拉至0,因而MOS管M23和M24关断，启动完成。
[0068] (5)M0S管M9、M10、电阻R3、电阻R4、电阻R5构成电流求和电路，产生带隙基准电压 化efDM9、M10的源极接电源V孤。M9、M10的栅极分别连接至节点2和节点IdMIO的漏极与电阻 R3-端共接形成带隙基准电压化ef;电阻R3另一端与M9的漏极、电阻R4的一端共接形成节 点9;电阻R4的另一端与电阻R5的一端、M15的漏极与M19的漏极共接形成节点10;电阻R5的 另一端接地。
(3)
[0071] 其中，R3、R4、R5分别为电阻R3、电阻R4、电阻R5的阻值；
(4) (5)。：
[0076] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可W做出若干改进和变形，运些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，包括： 正温度系数电流产生电路，产生与绝对温度成正比的电流； 负温度系数电流产生电路，产生与绝对温度成反比的电流； 2次温度探测与补偿电路，通过对正温度系数电流与负温度系数电流的相加补偿，使带 隙基准在工作温度区间得到三个以上的温度拐点； 启动电路，在电源上电过程中驱动正温度系数电流产生电路和负温度系数电流产生电 路摆脱简并偏置点，建立正常工作点； 电流求和电路，对正温度系数电流与负温度系数电流的电流求和，产生带隙基准电压。2. 根据权利要求1所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，正温度系数电 流产生电路包括由MOS管M1、M2、M3和M4构成的电流镜，电流镜对应由MOS管M5、M6、M7和M8构 成负反馈钳位，使电流镜的节点3和节点4的电压相等。3. 根据权利要求1所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，正温度系数电 流产生电路包括 MOS 管組、]?2、]\〇、]\14、]\15、]\16、]\17、]\18和?陬管01、02及电阻1?1; MOS管Ml、M2、M5和M6的源极接电源VDD; Ml、M2的栅极及M2的漏极共连，Ml、M2的漏极分 别连接M3、M4的漏极，M3的栅极连接M8的栅极和漏极，M4的栅极连接M7的栅极和漏极形成节 点11;M3的源极与M7的源极、电阻R1的一端共接形成电流镜节点3，M4的源极与M8的源极、 PNP管Q2的发射极共接形成电流镜节点4;电阻R1的另一端连接PNP管Q1的发射极，PNP管Q1 的集电极接地;PNP管Q1的基极与PNP管Q2的基极共连接地，PNP管Q2的集电极接地;M7、M8 的漏极分别与M5、M6的漏极连接;M5、M6的栅极与Ml的漏极共连形成节点1。4. 根据权利要求1所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，负温度系数电 流产生电路包括由MOS管M1A、M2A、M3A和M4A构成的电流镜，电流镜对应由MOS管M5A、M6A、 M7A和M8A构成负反馈钳位，使电流镜的节点5和节点4的电压相等。5. 根据权利要求1所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，负温度系数电 流产生电路包括Ml A、M2A、M3A、M4A、M5A、M6A、M7A、M8A和电阻R2; MOS管M1A、M2A、M5A和M6A的源极接电源VDD ;M1A、M2A的栅极及M2A的漏极共连，M1A、M2A 的漏极分别连接M3A、M4A的漏极，M3A、M4A的栅极分别连接M8AA、M7A的栅极和漏极，M3A的源 极与M7A的源极、电阻R2的一端共接形成电流镜节点5，M4A的源极与M8A的源极共接形成电 流镜节点4;电阻R2的另一端接地;M7A、M8AA的漏极分别与M5A、M6A的漏极连接;M5A、M6A的 栅极与M1A的漏极共接形成节点2。6. 根据权利要求1、3或5所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，2次温度 探测与补偿电路包括 M0S 管組1、]?12、]\113、]\114、]\115、]\116、]\117、]\118、]\119和]\120; 111、113、114、115、117、118和組9源极接电源￥00;111的栅极连接至节点1，111的漏极 连接至M12的漏极与栅极形成节点6;M13的栅极连接至节点2，M13的漏极与M14的漏极和栅 极、M15的栅极、M16的漏极共连形成节点7;M17的栅极连接至节点2，M17的漏极与M18的漏极 和栅极、M19的栅极、M20的漏极共连形成节点8;M15的漏极与M19的漏极共连形成节点10; M12、M16、M20的源极共连至地。7. 根据权利要求1、3或5所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，启动电 路包括M0S管M21、M22、M23和M24; M21的源极接电源VDD，M21的栅极接地，M21的漏极与M22的漏极、M2 3的栅极、M24的栅极 共连形成节点12; M22的栅极连接至节点11; M23的漏极连接至节点1; M24的漏极连接至节点 2;M22、M23和M24的源极接地。8.根据权利要求1、3或5所述的一种高精度低温漂带隙基准电压源，其特征是，电流求 和电路包括MOS管M9、M10、电阻R3、电阻R4、电阻R5; M9、M10的源极接电源VDD;M9、M10的栅极分别连接至节点2和节点1;M10的漏极与电阻 R3-端共接形成带隙基准电压；电阻R3另一端与M9的漏极、电阻R4的一端共接形成节点9; 电阻R4的另一端与电阻R5的一端共接形成节点10;电阻R5的另一端接地。
【文档编号】G05F1/565GK106020318SQ201610608523
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】白涛, 刘小淮
【申请人】北方电子研究院安徽有限公司