专利名称：电压基准源电路及电压基准源生成方法
技术领域：
本发明涉及集成电路，特别涉及集成电路中的电压基准源。
背景技术：
带隙电压基准源是模拟集成电路以及数模混合集成电路设计中重要的IP电路之 一。其主要作用是在低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，简称“LDO”)，DC-DC (直 流-直流转换)，模数转换器(Analog Digital Converter，简称“ADC”)/数模转换器 (Digital Analog Converter，简称“DAC”)以及系统级芯片(System on Chip，简称“SoC”) 系统中提供稳定的电压或电流，同时在精密测量仪表中也有广泛的应用。现有的带隙电压基准源基于两个三极管基极-发射极电压差Δ Vbe产生正温度系 数电压与三极管基极与发射极电压两端电压Vbe的负温度系数线性叠加的原理。随着电路 设计中精度要求的不断提高，由于基准电压线性补偿后仍残留一定的温度系数，其温度系 数指标难以满足高性能模拟电路的要求。因此采用高阶温度补偿技术实现较低温度系数的 基准电压，高阶温度补偿一般是利用额外高阶补偿电路产生非线性正温度系数电压与一阶 基准电压叠加以实现低温度系数的基准电路。具体地说，在目前的一种方案中，采用了数字开关控制接入校准电路中的PMOS 管(P型MOS管)的数目，调节分压管和控制管的等效沟道长度，从而获得低温度系数的 参考电压。这种带隙电压基准源电路尽管能够达到较低的非线性温度系数，如仿真结果 10. 6ppm/°C。但是由于运算放大器失调电压及其温度系数的影响，高精度系统中应用时必 然会对基准电压的温度系数和精度产生严重的影响。与此同时，要得到精确的基准电压，就 必须增加开关的数量来进行更为细致的沟道调控。这也增加了整个系统控制逻辑的复杂性 以及芯片管角的数量。在目前的另一种方案中，通过设计产生一阶、二阶、三阶正温度特性电流，通过比 例叠加后转换为非线性正温度特性电压，从而对基准电压中非线性负温度系数进行抵消。 其仿真最优温度系数为0. 7ppm/°C，尽管该结构能够实现温度系数为亚lppm/°c量级的基 准电压，但是其温度系数稳定性随着工艺角的变化，高阶正温度特性电流发生较大的变化， 由于其比例是固定的，因此其叠加之后的非线性正温度特性与理想值相比较会发生很大的 偏差，无法进行高阶自适应温度补偿，且由于运放的非理想特性，会使基准电压温度系数进 一步退化，同时也会影响输出电压的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电压基准源电路及电压基准源生成方法，以较简单的 结构实现具有超低温度系数并且温度系数较为稳定的电压基准源。为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电压基准源电路，包含基准核心电路，用于生成正温度系数电流；高阶温度系数补偿电路，用于生成电流大小随温度变化而变化的非线性正温度系数电流；基准电压输出电路，用于将基准核心电路生成的正温度系数电流转换为正温度系 数电压，并将一负温度系数电压与正温度系数电压进行叠加，得到一阶基准电压，将高阶温 度系数补偿电路生成的非线性正温度系数电流转换为非线性正温度系数电压，并将转换的 非线性正温度系数电压与一阶基准电压进行叠加，得到电压基准源。本发明的实施方式还提供了一种电压基准源生成方法，包含以下步骤生成正温度系数电流和负温度系数电压；将生成的正温度系数电流转换为正温度系数电压，并将生成的负温度系数电压与 转换后的正温度系数电压进行叠加，得到一阶基准电压；生成电流大小随温度变化而变化的非线性正温度系数电流；将生成的非线性正温度系数电流转换为非线性正温度系数电压，并将转换的非线 性正温度系数电压与一阶基准电压进行叠加，得到电压基准源。本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于通过高阶温度系数补偿电路产生一种自适应非线性PTAT(正温度系数)电流，将 该电流转化为一自适应非线性PTAT电压后与一阶基准电压进行叠加，产生一种近似零温 度系数的基准电压，作为电压基准源。由于该非线性自适应PTAT电压对一阶基准电压中的 非线性负温度系数进行了抵消，从而使得电压基准源具有更低的温度系数。也就是说，高 阶温度补偿技术在保留了一阶基准原有特性的基础上，具有自适应非线性温度系数补偿特 性，极大地改善了电压基准源的温度系数。而且，结构简单易于集成，补偿支路稳定性较好， 且对电压基准源初始精度影响较小。进一步地，利用两个三极管的基极-发射极电压差，生成正温度系数电流；利用一 个三极管的基极-发射极，生成负温度系数电压；利用一个PMOS管生成非线性正温度系数 电流。进一步保证了本发明的结构简单，易于实现。进一步地，电压基准源电路还包含反馈偏置环路，用于为生成正温度系数电流的 基准核心电路提供偏置电压和电流，与该基准核心电路构成反馈环路。由于该反馈偏置环 路可提供稳定的直流工作点，因此可以保证电路的稳定工作。
图1是根据本发明第一实施方式的电压基准源电路的示意图；图2是根据本发明第二实施方式的电压基准源电路的示意图；图3是根据本发明第二实施方式的电压基准源电路的具体结构图；图4是根据本发明第二实施方式中的用一 PTAT电流实现电流支路的具体结构 图；图5是根据本发明第二实施方式中的高阶温度系数补偿电路生成的非线性PTAT 电流示意图；图6是根据本发明第二实施方式中达到的温度补偿效果示意图；图7是根据本发明第三实施方式的电压基准源生成方法流程图。
具体实施例方式在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本 领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化 和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施 方式作进一步地详细描述。本发明的核心在于，电压基准源电路中包含基准核心电路，用于生成正温度系数电流；高阶温度系数补偿电路，用于生成电流大小随温度变化而变化的非线性正温度系 数电流；基准电压输出电路，用于将该基准核心电路生成的正温度系数电流转换为正温度 系数电压，并将该基准电压输出电路生成的一负温度系数电压与所述正温度系数电压进行 叠加，得到一阶基准电压，将所述高阶温度系数补偿电路生成的非线性正温度系数电流转 换为非线性正温度系数电压，并将转换的所述非线性正温度系数电压与所述一阶基准电压 进行叠加，得到电压基准源。本发明第一实施方式涉及一种电压基准源电路。在本实施方式中，通过将正温度 系数电压与负温度系数电压叠加后得到一阶基准电压，并利用一 PMOS管产生非线性正温 度系数电流，将该电流转化为一自适应非线性PTAT(正温度系数)电压后与一阶基准电压 进行叠加，产生一种近似零温度系数的基准电压，将产生的基准电压作为电压基准源。具体如图1所示，该电压基准源电路包含基准核心电路101，用于生成正温度系数电流。具体地说，基准核心电路通过利用 两个三极管的基极-发射极电压差Δ Vbe,生成正温度系数电流。基准电压输出电路102，用于将基准核心电路生成的正温度系数电流转换为正温 度系数电压，并将一负温度系数电压与正温度系数电压进行叠加，得到一阶基准电压。其 中，基准电压输出电路可利用一个三极管的基极-发射极，生成负温度系数电压。高阶温度系数补偿电路103，用于生成电流大小随温度变化而变化的非线性正温度 系数电流。该高阶温度系数补偿电路可通过利用一个PMOS管生成非线性正温度系数电流。基准电压输出电路102还用于将高阶温度系数补偿电路生成的非线性正温度系 数电流转换为非线性正温度系数电压，并将转换的非线性正温度系数电压与一阶基准电压 进行叠加，得到电压基准源。当然，本领域技术人员可以理解，转换后的非线性正温度系数 电压的非线性温度特性，在电路工作温度范围内应与基准电压输出电路102生成的负温度 系数电压的温度特性近似相同，以便于较好地实现超低温度系数特性的基准电压。在本实施方式中，通过高阶温度系数补偿电路产生一种自适应非线性PTAT (正温 度系数)电流，将该电流转化为一自适应非线性PTAT电压后与一阶基准电压进行叠加，产 生一种近似零温度系数的基准电压，作为电压基准源。由于该非线性自适应PTAT电压对生 成的负温度系数电压的非线性负温度系数进行了抵消，从而使得基准电压具有更低的温度 系数。也就是说，高阶温度补偿技术在保留了一阶基准原有特性的基础上，具有自适应非线 性温度系数补偿特性，极大地改善了基准电压温度系数。而且，由于结构简单易于集成，补 偿支路稳定性较好，且对基准电压初始精度影响较小。
本发明第二实施方式涉及一种电压基准源电路。本实施方式在第一实施方式的基 础上，进行了细节上的补充。 具体地说，本实施方式中的电压基准源电路还包含反馈偏置环路104和启动电路 105。该反馈偏置环路用于为基准核心电路提供偏置电压和电流，与基准核心电路构成反馈 环路；该启动电路用于启动基准核心电路，如图2所示。下面对本实施方式中的基准核心电 路101、基准电压输出电路102、高阶温度系数补偿电路103和反馈偏置环路104的具体组 成结构进行说明。如图3所示，基准核心电路101由2个三级管、一个电阻、2个NMOS管(N型MOS 管)、4个PMOS管构成。具体地说，基准核心电路101由三极管Ql，Q2 ；电阻Rl ;NM0S管 丽3，丽4 ；PMOS管MP4 MP7共同构成。其中Ql与Q2的发射结的面积之比为1 N。丽3 和MN4构成电流镜结构，使得两NMOS管的源极电位相等，从而在电阻Rl上产生一个Δ VBE 压降，从而基准核心电路中产生一个与绝对温度成正比的PTAT电流。ΜΡ4 ΜΡ7构成共源 共栅Cascode电流镜，基准核心电路中产生的PTAT电流通过PMOS (ΜΡ4 ΜΡ7) Cascode电 流镜进行成比例传输。其中，ΜΡ4与ΜΡ6源极均连接至电源电压，ΜΡ4的漏极连接到ΜΡ5的 源极，ΜΡ6的漏极连接到ΜΡ7的源极，ΜΡ5的漏极连接到丽3的漏极，ΜΡ7的漏极连接到ΜΝ4 的漏极，丽3和ΜΝ4的栅极相连，丽3的源极与Ql的发射极相连，ΜΝ4的栅极与漏极相连，源 极与Rl的一端相连，该Rl的另外一端接至Q2的发射极，Ql的基极和集电极相连并接至电 路最低电位GND，Q2的基极和集电极相连并接至电路最低电位GND。如图3所示，反馈偏置环路104由2个三极管、2个NMOS管、3个PMOS管构成。具体 地说，反馈偏置环路由三极管Q4，Q5 ；NMOS管丽1，丽2，PMOS管MPl ΜΡ3组成。偏置电路 通过自偏置的方式为基准核心电路101中的PMOS Cascode电流镜提供偏置电压和电流。同 时反馈偏置环路104与基准核心电路101构成反馈环路。其中，Q4的基极与集电极相连并接 至电路最低电位GND，Q5的基极与集电极相连并接至电路最低电位GNDJNl的栅极接至MN4 的栅极，MNl的源极与Q5的发射极相连，MNl的漏极接至MPl的栅极和漏极，MN2的栅极与所 述丽3的漏极相连，丽2的源极与Q4发射极相连，MN2的漏极与MP3的漏端相连，MPl的栅极 和漏极相连，并且MPl的栅极连接至MP5和MP7的栅极，MPl的源极与电源电压相连，MP2漏 极和栅极分别与MP3的源极和漏极相连，并且MP2的栅极连接至MP4与MP6的栅极，MP2的源 极接至电源电压，MP3的栅极与MPl的栅极相连。丽3 — MNl — MPl — MP7 —丽4 — MN3为正 反馈环路，MN3 — MNl — MP1 — MP2 — MP6 — MN4 — MN3，MN3 — MN2 — MP2 — MP6 — MN4 — MN3 这两个环路均为负反馈环路。只要使负反馈环路增益大于正反馈环路增益，基准电路就可 以稳定工作。如图3所示，基准电压输出电路102由一个三级管、一个电阻、2个PMOS管构成。 具体地说，基准电压输出电路102由三极管Q3 ；电阻R2，PM0S管MP8，MP9构成，MP8，MP9构 成Cascode电流镜。三极管Q3为二极管B-C结短接呈二极管连接方式，产生一个具有负温 度系数(IPTAT)的电压Veb，MP8，MP9构成的PMOS Cascode电流镜将基准核心电路101产 生的PTAT电流传输到电阻R2上，将基准核心电路101产生的PTAT电流转化为具有正温度 系数的PTAT电压，因此该PTAT电压与具有IPTAT特性的Veb相叠加产生较低温度系数的一 阶基准电压。其中，MP8的栅极与所述MP2的栅极相连，MP8的源极与电源电压相连，MP8的 漏极与MP9的源极相连，MP9的栅极与MPl的栅极相连，MP9的漏极与R2的一端相连，R2的另一端与Q3的发射极相连，Q3的基极与集电极相连接并接至电路最低电位GND。如图3所示，高阶温度系数补偿电路103由一个PMOS管、一个N MOS管和带有正温 度系数的温度特性或者是零温度系数特性的电流支路构成。具体地说，高阶温度系数补偿 电路103由PMOS管MPC、一个二极管连接形式NMOS MN6以及一带有一定温度系数特性的电 流支路I⑴组成，。其中，MN6的栅极和漏极相连，MN6的源极接至电路最低电位GND，电流 支路注入至以二极管连接方式的MN6中，MPC的源极接至M N6的漏极，MPC的栅极与Q3的 发射极相连，MPC的漏极接至所述MP9的漏极。该I (T)为PTAT电流或者是零温度系数特性 的电流，用一 PTAT电流实现该电流支路I(T)的方式如图4所示，可将2个PMOS管(MP10、 MPl 1)实现的PTAT电流作为该电流支路I (T)，即MPlO和MPll以cascode方式连接，将所 述基准核心电路中生成的正温度系数电流镜像至所述电流支路中。随着温度的不断升高， 由于PMOS MPC管源端电压升高，栅端电位下降，从而使得该PMOS管中的电流随着温度的升 高而升高，且该电流具有非线性PTAT特性如图3所示，各种温度特性不同的电压在基准电压输出电路102中的R2两端叠加 产生基准电压。由高阶温度系数补偿电路103产生的非线性PTAT电流注入到基准电压输 出电路102中，在R2上形成一非线性PTAT电压，该电压与一阶基准电压叠加后输出超低温 度系数基准电压，作为电压基准源。通过灵活应用一 PMOS管产生非线性正温度系数电流， 该电流在基准电压输出电路102中的电阻上叠加为非线性正温度系数电压，且该电压随着 温度的增大其非线性特性变强，对一阶基准电压温度残余非线性量进行有效抵消，从而实 现了极低的温度系数。本实施方式中的启动电路105是为了使基准核心电路101在电路上电后正常工作 而加入的，由于启动形式多样，而且对本实施方式并不造成实质的影响，在此不再赘述。需要说明的是，如图3所示的电路结构中，各PMOS管的衬底既可以与自己源极相 连，亦可以接至电源电压，NMOS管衬底接至电路最低电平GND。以图3所示的电路结构为例，下面针对本实施方式能够达到的技术效果进行具体 分析。假设Ql和Q2的发射结面积之比为1 N，一阶补偿基准电压表达式为
R
VrefO = ^3 +-^-VrInN =Veb3+ mVT InN( 1 )其中，Vt = KT/q为热电压，K为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷量。m 为电阻比&/%。考虑到Vbe的非线性
Vai(T) =^,(7)-( -Vm)~ -VT{j-a)\J-( 2 )
-1O1O式2中Vetl为OK下硅材料的带隙电压，典型值为1. 205V,常温Ttl = 300K, γ、α分 别为与三极管基区空穴迁移率和集电极电流指数温度系数相关的系数。因此一阶基准电压 可以表示为
权利要求
1.一种电压基准源电路，其特征在于，包含基准核心电路，用于生成正温度系数电流；高阶温度系数补偿电路，用于生成电流大小随温度变化而变化的非线性正温度系数电流；基准电压输出电路，用于将所述基准核心电路生成的正温度系数电流转换为正温度系 数电压，并将该基准电压输出电路生成的一负温度系数电压与所述正温度系数电压进行叠 加，得到一阶基准电压，将所述高阶温度系数补偿电路生成的非线性正温度系数电流转换 为非线性正温度系数电压，并将转换的所述非线性正温度系数电压与所述一阶基准电压进 行叠加，得到电压基准源。
2.根据权利要求1所述的电压基准源电路，其特征在于，所述基准核心电路利用2个三 极管的基极-发射极电压差，生成所述正温度系数电流。
3.根据权利要求2所述的电压基准源电路，其特征在于，所述基准核心电路由2个三 级管 Q1、Q2、1 个电阻 Rl、2 个 NMOS 管 MN3、MN4、4 个 PMOS 管 MP4、MP5、MP6、MP7 构成；其中， Ql与Q2的发射结的面积之比为1 N，2个NMOS管构成电流镜结构，4个PMOS管构成共源 共栅Cascode电流镜；其中，MP4与MP6源极均连接至电源电压，MP4的漏极连接到MP5的源极，MP6的漏极连 接到MP7的源极，MP5的漏极连接到丽3的漏极，MP7的漏极连接到MN4的漏极，丽3和MN4 的栅极相连，丽3的源极与Ql的发射极相连，MN4的栅极与漏极相连，源极与Rl的一端相 连，该Rl的另外一端接至Q2的发射极，Ql的基极和集电极相连并接至电路最低电位GND， Q2的基极和集电极相连并接至电路最低电位GND。
4.根据权利要求3所述的电压基准源电路，其特征在于，所述电压基准源电路还包含 反馈偏置环路，用于为所述基准核心电路提供偏置电压和电流；所述反馈偏置环路由2个三极管Q4、Q5、2个NMOS管MNl和丽2、3个PMOS管MPl、MP2、 MP3构成，所述反馈偏置环路与所述基准核心电路构成反馈环路；其中，Q4的基极与集电极相连并接至电路最低电位GND，Q5的基极与集电极相连并接 至电路最低电位GNDJNl的栅极接至所述MN4的栅极，丽1的源极与Q5的发射极相连，MNl 的漏极接至MPl的栅极和漏极，MN2的栅极与所述MN3的漏极相连，丽2的源极与Q4发射极 相连，丽2的漏极与MP3的漏端相连，MPl的栅极和漏极相连，并且MPl的栅极连接至所述 MP5和所述MP7的栅极，MPl的源极与电源电压相连，MP2漏极和栅极分别与MP3的源极和 漏极相连，并且MP2的栅极连接至所述MP4与所述MP6的栅极，MP2的源极接至电源电压， MP3的栅极与MPl的栅极相连。
5.根据权利要求4所述的电压基准源电路，其特征在于，所述基准电压输出电路利用1 个三极管的基极-发射极，生成所述负温度系数电压。
6.根据权利要求5所述的电压基准源电路，其特征在于，所述基准电压输出电路由1个 三级管Q3、l个电阻R2、2个PMOS管MP8、MP9构成；其中，三极管为二极管B-C结短接呈二极管连接方式，用于生成所述负温度系数电压； 2个PMOS管构成Cascode电流镜，用于将所述基准核心电路生成的正温度系数电流传输到 所述基准电压输出电路中的电阻；其中，MP8的栅极与所述MP2的栅极相连，MP8的源极与电源电压相连，MP8的漏极与MP9的源极相连，MP9的栅极与所述MPl的栅极相连，M P9的漏极与R2的一端相连，R2的 另一端与Q3的发射极相连，Q3的基极与集电极相连接并接至电路最低电位GND。
7.根据权利要求6所述的电压基准源电路，其特征在于，所述高阶温度系数补偿电路 利用1个PMOS管生成所述非线性正温度系数电流。
8.根据权利要求7所述的电压基准源电路，其特征在于，所述高阶温度系数补偿电路 由1个PMOS管MPC、1个NMOS管MN6和带有正温度系数的温度特性或者是零温度系数特性 的电流支路构成；其中，MN6的栅极和漏极相连，MN6的源极接至电路最低电位GND，电流支路注入至以二 极管连接方式的MN6中，MPC的源极接至MN6的漏极，MPC的栅极与所述Q3的发射极相连， MPC的漏极接至所述MP9的漏极。
9.根据权利要求8所述的电压基准源电路，其特征在于，所述电流支路中的正温度系 数电流，通过2个PMOS管MPlO和MPll生成；其中，MPlO和MPll以cascode方式连接，将所述基准核心电路中生成的正温度系数电 流镜像至所述电流支路中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电压基准源电路，其特征在于，所述电压基准 源电路还包含启动电路，用于启动所述基准核心电路。
11.一种电压基准源生成方法，其特征在于，包含以下步骤生成正温度系数电流和负温度系数电压；将生成的正温度系数电流转换为正温度系数电压，并将所述生成的负温度系数电压与 所述转换后的正温度系数电压进行叠加，得到一阶基准电压；生成电流大小随温度变化而变化的非线性正温度系数电流；将生成的非线性正温度系数电流转换为非线性正温度系数电压，并将转换的所述非线 性正温度系数电压与所述一阶基准电压进行叠加，得到电压基准源。
12.根据权利要求11所述的电压基准源生成方法，其特征在于，在所述生成正温度系 数电流的步骤中，包含以下子步骤利用2个三极管的基极-发射极电压差，生成所述正温度系数电流。
13.根据权利要求11所述的电压基准源生成方法，其特征在于，在所述生成负温度系 数电压的步骤中，包含以下子步骤利用1个三极管的基极-发射极，生成所述负温度系数电压。
14.根据权利要求11所述的电压基准源生成方法，其特征在于，在所述生成电流大小 随温度变化而变化的非线性正温度系数电流的步骤中，包含以下子步骤利用1个PMOS管生成所述非线性正温度系数电流。
全文摘要
本发明涉及集成电路，公开了一种电压基准源电路及电压基准源生成方法。本发明中，通过高阶温度系数补偿电路产生一种自适应非线性PTAT(正温度系数)电流，将该电流转化为一自适应非线性PTAT电压后与一阶基准电压进行叠加，产生一种近似零温度系数的基准电压，作为电压基准源。由于该非线性自适应PTAT电压对一阶基准电压中的非线性负温度系数进行了抵消，从而使得电压基准源具有更低的温度系数。而且，由于结构简单，补偿支路稳定性较好，且对电压基准源初始精度影响较小。
文档编号G05F3/26GK102122190SQ20101061931
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者佘龙, 王永寿, 胡建国, 萧经华, 郎君 申请人:钜泉光电科技(上海)股份有限公司