专利名称：一种高阶温度补偿的带隙电压基准源的制作方法
技术领域：
本发明属于电源技术领域，特别涉及一种电压基准源(Voltage Reference)的设计。
背景技术：
电压基准源作为集成电路必不可少的部分，为整个芯片提供偏置电流以及提供一个基准电压。偏置电流的大小决定了整个芯片的功耗情况，同时在芯片中，很多误差放大器与比较器都是以基准电压作为参考电压，电压基准源的稳定程度在很大程度上决定了芯片的功能的实现与性能的优劣。在模拟、数模混合、甚至纯数字电路都需要高精度的电压基准源，如振荡器、锁相环、数据转换器、闪存控制电路等。电压基准源的稳定性直接决定了电路性能的优劣。描述电压基准源稳定性的指标主要有电源抑制比、温度系数。为了满足电路在恶劣的外界温度环境下正常工作的要求，电压基准必须具有非常小的温度系数，即非常高的温度稳定性。在恶劣的温度条件下，电压基准源的温度系数，直接影响到系统的稳定性工作。电源抑制比(PSRR，Power Supply Rejection Ratio)性能，决定了基准受电源电压干扰的严重性，具有很高PSRR的基准，在电源电压受到污染时，能够提供稳定的输出。线性调整性决定了基准输出对电源变化的抵抗能力。传统带隙电压基准源的工作原理是利用具有正温度系数的热电压Vt与具有负温度系数的双极型晶体管基极发射极电压Vbe相互抵消，即Vkef = VBE+a Vt，实现基准电压，其中补偿系数α通过修调电阻得到。在双极工艺中，VBE*VT很容易得到。但是，由于Vbe的非线性，只进行一阶补偿，带隙基准电压的温度系数较大，并且输出基准电压的PSRR较差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的带隙电压基准源存在的问题，提出了一种高阶温度补偿的带隙电压基准源。本发明的技术方案是一种高阶温度补偿的带隙电压基准源，其特征在于，包括启动电路、一阶带隙基准电路、高阶温度补偿电路和求和输出电路，所述启动电路用于为一阶带隙基准电路提供启动电流；所述一阶带隙基准电路用于产生一阶带隙基准电压和PTAT 电流；所述高阶温度补偿电路用于产生高阶温度补偿电流；所述求和输出电路用于将高阶温度补偿电路产生的高阶温度补偿电流转成电压，并对其与一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压进行求和，进而得到基准电压。所述一阶带隙基准电路包括三极管Ql，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q14，Q15，Q16，Q17，Q18， Q19，Q20，Q21，电阻Rl，R2，R4a，R4b，R5，R6，其中，Q16的发射极、Q17发射极、Q19的集电极共同接到外部电源；Q16的基极、Q17的基极和Q17的集电极接到一起，作为节点E ；Q19的基极、Q16的基极、Q20的集电极、Q20的发射极和Q15的集电极连接在一起，作为节点C ；Q18 的发射极、Q5的发射极和Q6的发射极接到一起，作为节点F ；Q5的基极与Q6的基极、Q5的集电极接到一起，共同接到Q3的发射极；Q3的基极与Q4的基极、Q4的集电极接到一起，共同接到Q2的集电极；Q3的集电极与Q20的基极，Q15的基极接到一起共同接到Ql的集电极，作为节点B ；Ql的基极和Q2的基极连接，作为节点A，并和电阻R4a的一端连接；Ql的发射极接到Rl的一端；Rl的另一端与Q2的发射极接到一起，共同接到R2的一端，R2的另一端接地；Q15的发射极接到R6的一端，R6的另一端与Q21的基极和集电极接到一起；Q21的发射极接地，Q19的集电极接外部电源，Q15的发射极接R5的一端，R5的另一端接R4b的一端并作为电压基准源的输出；R4b的另一端接Q14的集电极，共同连接到Ma的另一端；Q14 的发射极接地；所述高阶温度补偿电路包括三极管Q7、Q8、Q9、Q10、Ql 1、Q12、Q13、Q14，电阻R3， 其中，Q7与Q8的发射极共同接到F点；Q7、Q8的基极接到一起，共同接到Q6的基极；Q9的基极和集电极接到一起，共同接到Q7的集电极和QlO的基极；Q8的集电极和Q12的基极、 Q13的基极、Qll的集电极接到一起，Q12的集电极和Q13的集电极接到外部电源，Q12的发射极和Qll的基极、QlO的集电极接到一起；Q9的发射极、QlO的发射极、Qll的发射极、R3 的一端共同接地；R3的另一端和Q14的基极、Q13的发射极接到一起；所述启动电路包括三极管QS1、QS2，电阻R7，其中，电阻R7的一端连接到外部电源，另一端与三极管QSl的发射极、QS2的基极连接；QSl的基极与集电极相连，一起连接到 Q21的基极和集电极；QS2的集电极接到E点，QS2的发射极接到A点；所述电阻R4a、R4b、三极管Q14组成求和输出电路。本发明的有益效果本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源通过将一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压与高阶温度补偿电路产生高阶温度补偿电流转换的电压进行求和叠加，进而得到基准电压，通过引入指数补偿改善带隙基准电压源的温度系数，所设计的电路同时采用两条反馈环路，提高了基准电压的电源抑制比和线性调整性能。
图1为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的结构框图。图2为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源具体电路示意图。图3为本发明的高阶温度补偿项的温度系数示意图。图4为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的温度系数仿真结果示意图。图5为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的温度系数实际测试结果示意图。图6为本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的线性调整性能测试结果示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。本发明的高阶温度补偿的带隙电压基准源的结构框图如图1所示，包括启动电路、一阶带隙基准电路、高阶温度补偿电路和求和输出电路。所述启动电路用于为一阶带隙基准电路提供启动偏置电压；所述一阶带隙基准电路用于产生一阶带隙基准电压和 PTAT (Proportional To Absolute Temperature)电流Iptat ；所述高阶温度补偿电路用于产生高阶温度补偿电流；所述求和输出电路用于将高阶温度补偿电路产生的高阶温度补偿电流转成电压，并对其和一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压进行求和，进而得到基准电压VKEF。这里的一阶带隙基准电压通过对正温度系数的热电压Vt和负温度系数的三极管基极发射极电压Vbe加权求和得到。启动电路为整个电路提供启动偏置电压，当整个电路稳定工作之后，启动电路停止工作并与整个电路相隔离；一阶带隙基准电路，使用的电流镜采用cascode结构，有助于提高电压基准的PSRR，Iptat电流为一正温度系数电流，一阶带隙基准电压由Vbe和Vt加权求和得到，具有一阶温度特性；高阶补偿电路产生高阶温度补偿项，对一阶带隙基准电路产生的一阶温度特性基准进行补偿；求和电路输出电路，对一阶温度系数的基准和其高阶温度补偿项叠加求和输出。具体电路如图2所示。一阶带隙基准电路三极管Ql，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q14，Q15， Q16，Q17，Q18，Q19，Q20，Q21，电阻 Rl, R2，R4a，R4b，R5，R6，Q16 的发射极、Q17 发射极，Q19 的集电极共同接到外部电源VDD ；Q16的基极、Q17的基极和Q17的集电极接到一起，作为节点E ；Q19的基极、Q16的基极、Q20的集电极、Q20的发射极和Q15的集电极连接在一起，作为节点C ；Q18的发射极、Q5的发射极和Q6的发射极接到一起，作为节点F ；Q5的基极与Q6 的基极、Q5的集电极接到一起，共同接到Q3的发射极；Q3的基极与Q4的基极、Q4的集电极接到一起，共同接到Q2的集电极；Q3的集电极与Q20的基极，Q15的基极接到一起共同接到Ql的集电极，作为节点B;Q1的基极和Q2的基极连接，作为节点A，并和电阻R4a的一端连接；Ql的发射极接到Rl的一端；Rl的另一端与Q2的发射极接到一起，共同接到R2的一端，R2的另一端接地；Q15的发射极接到R6的一端，R6的另一端与Q21的基极和集电极接到一起；Q21的发射极接地，Q19的集电极接外部电源，Q15的发射极接R5的一端，R5的另一端接R4b的一端并作为电压基准源的输出Vkef ；R4b的另一端接Q14的集电极，共同连接到R4a的另一端；Q14的发射极接地。高阶温度补偿电路包括三极管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14，电阻R3。其中， Q7与Q8的发射极共同接到F点；Q7、Q8的基极接到一起，共同接到Q6的基极；Q9的基极和集电极接到一起，共同接到Q7的集电极和QlO的基极；Q8的集电极和Q12的基极、Q13的基极、Qll的集电极接到一起，Q12的集电极和Q13的集电极接到外部电源，Q12的发射极和 Qll的基极、QlO的集电极接到一起；Q9的发射极、QlO的发射极、Qll的发射极、R3的一端共同接地；R3的另一端和Q14的基极、Q13的发射极接到一起；启动电路包括三极管QS1、QS2，电阻R7。其中，电阻R7的一端连接到外部电源VDD， 另一端与三极管QSl的发射极、QS2的基极连接；QSl的基极与集电极相连，一起连接到Q21 的基极和集电极；QS2的集电极接到E点，QS2的发射极接到A点。这里一阶带隙基准电路和高阶温度补偿电路共用三极管Q14，而一阶带隙基准电路中的电阻R4a、R4b、三极管Q14又组成了求和输出电路。图2中A点电压具有Va = VBE2+(I^I2) ^R2的特征，其中由于电流镜的关系，I1 = I2,这样\的表达式就为= VBE2+2*lnN (kT/q) ( / )，是具有一阶温度特性的基准。这里 Vbe2表示三极管Q2的基极发射极电压，&表示电阻Rj的阻值，k表示波尔兹曼常数，T表示环境温度(单位开尔文)，q表示单个电子电荷量，N为Ql与Q2的发射极面积之比。同时 Ql、Q2的基极电流之和I8也对基准进行了补偿，I8 = 2*lnN(kT/q) (R1* β (T))，这里β (T)表示三极管在温度为T时的集电极电流和基极电流之比。 晶体管Q7、Q8、Q9、Q10、QlU Q12、Q13、Q14以及电阻R3构成高阶温度补偿电
路，用以产生高阶补偿电流17，三极管Q14的基极发射极电压Vbei4的表达式为VBE14 = VBE11+VBE12-VBE13，这里 VBE11、VBE12、Vbe13 分别表示 Q11、Q12、Q13 的基极发射极电压。假设 I3 = α XI2, I4 = bXI2, I5 = c X I3，其中13、I4为图1中一阶带隙基准电路输出的正温度系数
电流Iptat。那么I7的表达式为Λ = dx^^，其中a、b、c分别代表Q7与Q6，Q8与Q6，QlO
与Q9的电流镜像关系。J = *11^是一个和温度无关的常数，只与晶体管发射极面积之
比有关，这里 分别表示三极管Q11、Q12、Q13、Q14的基极发射极反向饱和电流。
K T2假设I6 = VBE14/R3，民表示电阻R3的阻值，那么I7的表达式为/7 =。
其中
权利要求
1.一种高阶温度补偿的带隙电压基准源，其特征在于，包括启动电路、一阶带隙基准电路、高阶温度补偿电路和求和输出电路，所述启动电路用于为一阶带隙基准电路提供启动电流；所述一阶带隙基准电路用于产生一阶带隙基准电压和PTAT电流；所述高阶温度补偿电路用于产生高阶温度补偿电流；所述求和输出电路用于将高阶温度补偿电路产生的高阶温度补偿电流转成电压，并对其与一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压进行求和， 进而得到基准电压。
2.根据权利要求1所述的高阶温度补偿的带隙电压基准源，其特征在于，所述一阶带隙基准电路包括三极管 Ql, Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q14，Q15，Q16，Q17，Q18，Q19，Q20，Q21，电阻尺1，1 2，1 4￡1，1 413，1 5，1 6，其中，016的发射极、Q17发射极、Q19的集电极共同接到外部电源； Q16的基极、Q17的基极和Q17的集电极接到一起，作为节点E ；Q19的基极、Q16的基极、Q20 的集电极、Q20的发射极和Q15的集电极连接在一起，作为节点C ；Q18的发射极、Q5的发射极和Q6的发射极接到一起，作为节点F ；Q5的基极与Q6的基极、Q5的集电极接到一起，共同接到Q3的发射极；Q3的基极与Q4的基极、Q4的集电极接到一起，共同接到Q2的集电极； Q3的集电极与Q20的基极，Q15的基极接到一起共同接到Ql的集电极，作为节点B ;Q1的基极和Q2的基极连接，作为节点A，并和电阻R4a的一端连接；Ql的发射极接到Rl的一端；Rl 的另一端与Q2的发射极接到一起，共同接到R2的一端，R2的另一端接地；Q15的发射极接到R6的一端，R6的另一端与Q21的基极和集电极接到一起；Q21的发射极接地，Q19的集电极接外部电源，Q15的发射极接R5的一端，R5的另一端接R4b的一端并作为电压基准源的输出；R4b的另一端接Q14的集电极，共同连接到R4a的另一端；Q14的发射极接地；所述高阶温度补偿电路包括三极管Q7、Q8、Q9、Q10、Qll、Q12、Q13、Q14，电阻R3，其中， Q7与Q8的发射极共同接到F点；Q7、Q8的基极接到一起，共同接到Q6的基极；Q9的基极和集电极接到一起，共同接到Q7的集电极和QlO的基极；Q8的集电极和Q12的基极、Q13的基极、Qll的集电极接到一起，Q12的集电极和Q13的集电极接到外部电源，Q12的发射极和 Qll的基极、QlO的集电极接到一起；Q9的发射极、QlO的发射极、Qll的发射极、R3的一端共同接地；R3的另一端和Q14的基极、Q13的发射极接到一起；所述启动电路包括三极管QS1、QS2，电阻R7，其中，电阻R7的一端连接到外部电源，另一端与三极管QSl的发射极、QS2的基极连接；QSl的基极与集电极相连，一起连接到Q21的基极和集电极；QS2的集电极接到E点，QS2的发射极接到A点； 所述电阻R4a、R4b、三极管Q14组成求和输出电路。
全文摘要
本发明属于电源技术领域，公开了一种高阶温度补偿的带隙电压基准源。具体包括启动电路、一阶带隙基准电路、高阶温度补偿电路和求和输出电路。本发明带隙电压基准源通过将一阶带隙基准电路产生的一阶带隙基准电压与高阶温度补偿电路产生高阶温度补偿电流转换的电压进行求和叠加，进而得到基准电压，通过引入指数补偿改善带隙基准电压源的温度系数，所设计的电路同时采用两条反馈环路，提高了电源抑制比(PSRR)和线性调整性，同时由于满足低电压工作的要求，使得本发明的电压基准源有很广泛的应用范围。
文档编号G05F1/56GK102323842SQ20111012368
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者周泽坤, 张波, 明鑫, 朱培生, 欧雪春, 石跃 申请人:电子科技大学