专利名称：一种三阶补偿带隙基准电压源的制作方法
技术领域：
本发明属于电源技术领域，具体涉及ー种带隙基准电压源的设计。
背景技术：
高精度的电压源在集成电路中的应用非常广泛，是许多模拟和混合电路中不可缺少的部分，比如模数转换器(ADC)、开关电源技术(DC-DC)、低压差线性稳压器(LD0)。在这些电路中电压源作为比较的基准，其精度直接影响到整个电路的精度和性能。在诸多产生基准电压的电路中，带隙基准具有温度系数小、电源抑制比高、精度高、与CMOSエ艺兼容等优点，具体原理是通过具有正的温度系数的电压和具有负的温度系数的电压相加得到温度系数很小的输出电压。传统的带隙基准源如图I所示，由三个场效 应晶体管MpM2、M3，三个三极管Qi、Q2、Q3 (其中Q2和Q1的发射极面积比为N)，两个电阻R1,R2和一个运算放大器Al组成，运放通过反馈使M1. M2管的漏极电压相等，所以电阻R1上的电压为Vri-Vbei _VBE2-VT InN-IcRi上式中中，Vt为热电压，为Vt =-
qK为热力学常熟，T为绝对温度，q为电子电荷量。所以
r KT1C=-^-输出电压 Vout-IcR2+Vbe3Ic 的值正比于温度，称为 PTAT (Proporational To Absolute Temperature)电流，具有正的温度系数，Ic和R2相乘就得到了ー个正比于温度的电压，用这个正比于温度的电压补偿具有负的温度系数的电压Vbe的一次项，从而实现最终输出电压的低温度系数，其中，Vbe表示三极管发射极和基极之间的电压差。实际上Vbe不仅存在负的一次项，还存在负的高次项，而图I的基准源只考虑了其ー阶项，所以随着温度的上升，最终输出的温度系数是由正变负的。基于上述原因，提出了很多二次或高次补偿结构，也取得了比较好的效果，但是这些补偿结构比较复杂，不仅需要在传统带隙基准源的基础上增加很多的电阻、晶体管等元器件，而且还需要对图I所示的基本框架做一定的改变，増加了电路设计的难度以及成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的带隙基准源结构复杂的问题，提出了ー种三阶补偿带隙基准电压源。
本发明的技术方案是一种三阶补偿带隙基准电压源，包括第一 PMOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第一放大器，其中，第一 PMOS管的源极接外部电源，栅极接第一放大器的输出端，漏极接第一电阻第一端子、第二电阻的第一端子、第七电阻的第一端子和第三三极管的集电极；第一三极管的集电极接第一电阻的第二端子，第二三极管的集电极接第二电阻的第二端子，第一三极管的基极连接第二三极管的基极和第七电阻的第二端子并作为所述基准电压源的输出端，第二三极管的发射极接第三电阻的第一端子，第一三极管的发射极连接第三电阻的另一端同时连接第四电阻的第一端子，第四电阻的第二端子接第五电阻的第一端子，第五电阻的第二端子连接于地电位，第一放大器的正输入端接第二三极管的集电极，负输入端接一三极管的集电极；第三三极管的基极接第一三极管的发射极，发射极连接第六电阻的第一端子，第六电阻的第二端子接接第五电阻的第一端子。本发明的有益效果本发明的三阶补偿带隙基准电压源，提供了一种简单的三阶补偿方式，第四电阻的电流为PTAT电流，所以第四电阻上的压降会随着温度的升高而增カロ，从而使得第六电阻的电流也随温度的升高而增加，并且第五电阻的电流为第四电阻的电流和六电阻的电流之和，这就等价于第五电阻的电阻值随着温度的升高而增加，即通过这种方式补偿了 Vbe的ニ阶和三阶项，这种补偿方式不需要改变传统的带隙基准的总体框 架，简化了设计过程，节约了成本。
图I为现有的传统的带隙基准示意图。图2为本发明带隙基准的结构框架示意图。图3为本发明带有启动电路的带隙基准实施例的示意图。图4为本发明实施例中带隙基准源输出基准电压随温度的变化的示意图。图5为本发明实施例中带隙基准源输出电压的电源抑制比的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
做进ー步的说明。本发明呈现的带隙基准源用非常简单的方式实现了三阶补偿，并且只需对传统带隙基准源的结构稍作改动，只需增加了很少的元器件，实现简单，却可以实现较好的补偿效果。为了使本发明的目的、技术方案和相对于其他的基准电压的有点更加清晰，下面结合附图对本发明做进ー步详细的说明。图2是本发明基准的结构示意图，具体包括带隙基准部分、补偿部分，其中，带隙基准部分包含第一 PMOS M1、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及ー个运放。M1的源极和衬底接电源VDD，栅极接运放的输出，漏极接R1和R2的一端，QN1的集电极接R1的另一端，Q2的集电极接R2的另一端，Q1的基极连接Q2的基板，Q2的发射极接电阻R3的一端，Q1的发射极连接R3另一端同时连接R4的一端，R4的另一端接R5的一端，R5的另一端接地，运放的正输入端接Q2的集电极，负输入端接Q1的集电极。补偿部分包含第三三极管Q3、第六电阻R6、第七电阻R7, Q3的集电极接M1的漏端，基极接Q1的发射极，发射极节点R6的一端，R6的另一端接连接R4和R5的交点，R7的一端连接M1的漏端，另一端连接Q1的基板。具体补偿原理为流过R4的电流随着温度的升高而线性増加，即是PTAT电流，那么R4上的电压也会随着电流的增加而增加，而随着R4上电压的增加，流过Q3的电流也会增カロ，从而使得流过R5的电流大于流过R4，等价于R5的值随着温度的上升而增加。可以看出通过这种方式，补偿了 Vbe中负的高阶项，即可用非常简单的方式实现了三阶补偿。R7为Q1和Q2提供基极偏置电流，Q3和R6组成补偿主体，在温度很低的时候Q3处于截止状态，所以和传统的带隙基准和一祥，随着温度的升高，R4上得电压逐渐增大，流过Q3的电流也逐渐增大流过ル的电流Ir5 =I0 +Ig4Iq3増加使得Ik5增加，因此R5实际有效值R5(EFFECT)变为
、1Q + 1RR,{E1TH(T)=^^xR5输出电压Veef=Vbe+Iptat X R5 (EFFECT)通过的增加R5(EFFECT)来补偿随着Vbe中负的ニ阶项和三阶项，从而仅仅使用两个电阻和一个三级管就实现了三阶补偿，相对于其它的补偿方式更加简単。这里的带隙基准源还包括启动电路，启动电路的启动输出端与基准电压源的输出端相连接。图3给出了带有启动电路的带隙基准源实施例的示意图，启动电路部分包括第二PMOS管M2、第三PMOS管M3,第一 NMOS管M4、第二 NMOS管M5、第三NMOS管M6、第四NMOS管M7，第四三极管Q4以及第八电阻R8、第九电阻R9，其中，第二 PMOS管M2的源极接外部电源VDD、栅极和漏极接第四三极管Q4的集电极，第三PMOS管M3的源极和衬底接外部电源VDD、栅极接第四三极管Q4的集电极、漏极接第一 NMOS管M4的漏扱，M4的栅极和漏极相连、源极和衬底接地，第M5的栅极连接M4的栅极、源极和衬底接地、漏极连接M6的栅极，M6的源极和Q4的栅极相连接并作为所述启动电路的启动输出端，M6的漏极接M7的源极、衬底接地，M7的栅极和漏极连接外部电源VDD，衬底接地，R9的第一端子连接外部电源VDD、第二端子连接第ニ NMOS管M5的漏极；第四三极管Q4的漏极接R8的第一端子，R8的另一端接地。启动电路刚上电时，由M6、M7为整个电路提供电流，使得整个电路不会工作在零状态；到基准电压建立之后，就由基准产生的电流为运放提供偏置(图3中的IBIAS)，R9的存在 使得在基准电压建立之后M7截止，启动电路关断，不再影响基准的工作。图4是输出基准电压随温度的变化示意图，在-60到120度范围内，基准电压最大变化值为0. 67毫伏,约为3. 2ppm。相对于一般基准的十多ppm已经有较大改进,而且仅增加了很少的元件，即用简单的方式实现了三阶补偿。图5是输出电压的电源抑制比示意图，在频率为Ik的时候电源抑制比为63db，高于传统的带隙基准源。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的 普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种三阶补偿带隙基准电压源，包括第一 PMOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第一放大器， 其中， 第一 PMOS管的源极接外部电源，栅极接第一放大器的输出端，漏极接第一电阻第一端子、第二电阻的第一端子、第七电阻的第一端子和第三三极管的集电极；第一三极管的集电极接第一电阻的第二端子，第二三极管的集电极接第二电阻的第二端子，第一三极管的基极连接第二三极管的基极和第七电阻的第二端子并作为所述基准电压源的输出端，第二三极管的发射极接第三电阻的第一端子，第一三极管的发射极连接第三电阻的另一端同时连接第四电阻的第一端子，第四电阻的第二端子接第五电阻的第一端子，第五电阻的第二端子连接于地电位，第一放大器的正输入端接第二三极管的集电极，负输入端接一三极管的集电极；第三三极管的基极接第一三极管的发射极，发射极连接第六电阻的第一端子，第六电阻的第二端子接接第五电阻的第一端子。
2.根据权利要求I所述的带隙基准电压源，其特征在于，还包括启动电路，所述启动电路的启动输出端与基准电压源的输出端相连接。
3.根据权利要求I所述的带隙基准电压源，其特征在于，所述的启动电路包括第二PMOS管、第三PMOS管，第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管，第四三极管以及第八电阻、第九电阻， 其中， 第二 PMOS管的源极接外部电源、栅极和漏极接第四三极管的集电极；第三PMOS管的源极和衬底接外部电源、栅极接第四三极管的集电极、漏极接第一 NMOS管的漏极；第一 NMOS管的栅极和漏极相连、源极和衬底接地；第二 NMOS管的栅极连接第一 NMOS管M4的栅极、源极和衬底接地、漏极连接第三匪OS管的栅极；第三NMOS管的源极和第四三极管的栅极相连接并作为所述启动电路的输出端、第三NMOS管漏极接第四NMOS管的源极、衬底接地；第四NMOS管的栅极和漏极连接外部电源，衬底接地，第九电阻的第一端子连接外部电源、第二端子连接第二 NMOS管的漏极；第四三极管的漏极接第八电阻的第一端子，第八电阻的另一端接地。
全文摘要
本发明公开了一种三阶补偿带隙基准电压源，包括第一PMOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第一放大器。本发明的基准电压源，提供了一种简单的三阶补偿方式，所述的第四电阻的电流为PTAT电流，第四电阻上的压降会随着温度的升高而增加，从而使得第六电阻的电流也随温度的升高而增加，并且第五电阻的电流为第四电阻的电流和六电阻的电流之和，这就等价于第五电阻的电阻值随着温度的升高而增加，即通过这种方式补偿了VBE的二阶和三阶项，这种补偿方式不需要改变传统的带隙基准的总体框架，简化了设计过程，节约了成本。
文档编号G05F1/567GK102809979SQ20121024398
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者方健, 吴杰, 杨毓俊, 陶垠波, 臧凯旋, 唐莉芳, 黎俐, 潘福跃, 谷洪波 申请人:电子科技大学