一种具有高阶温度补偿的带隙基准电压源的制作方法

本发明涉及模拟集成电路、带隙基准设计领域，具体涉及一种具有高阶温度补偿的带隙基准电压源。

背景技术：

带隙基准电压源是集成电路中一个基础单元模块，广泛应用于各种模拟集成电路芯片中，如LNA、Mixer、ADC、高精度比较器、稳压器、DC/DC变换器等，以及数模混合集成电路芯片中，如D-LDO、VCO、PLL等。

传统的带隙基准电压源包括双极晶体管T1、T2、T3，误差放大器A1，集成MOS晶体管MP1、MP2、MP3和电阻R1、R2，通过镜像MP1支路电流，使其流过电阻R2来获得与温度相关的电压项，再和T3串联，最后获得一个基本与温度无关的输出电压VREF。

传统的带隙基准电压源虽然能够通过线性组合较好地消去与温度相关的一次项，但由于双极晶体管基极-发射极电压表达式本身存在高阶项，导致其温度特性仍不够理想，尤其对于低电压输出基准源，其温度系数可以达到上百ppm；此外，由于传统带隙基准电压源结构需要采用运算放大器和较多电阻，所以电路复杂度较高，供电电压较高以及版图面积较大。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于开关电容结构具有高阶温度补偿的带隙基准电压源，在降低电路复杂度的同时，采用高阶补偿的方法，降低了带隙基准电压源的温度系数。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种具有高阶温度补偿的带隙基准电压源，包括三输出开关电容变换器、开关电容模块一和开关电容模块二，其中，输入电压V_CC连接到所述三输出开关电容变换器的输入端，三输出开关电容变换器输出端分别输出三路偏置电压V_EB1、V_EB2和V_EB3，第一路偏置电压V_EB1连接到所述开关电容模块一的第一输入端，第二路偏置电压V_EB2连接到所述开关电容模块一的第二输入端和所述开关电容模块二的第二输入端，第三路偏置电压V_EB3连接到所述开关电容模块二的第三输入端，所述开关电容模块一的输出端连接到所述开关电容模块二的第一输入端，所述开关电容模块二的输出端输出基准电压V_REF。

进一步地，所述三输出开关电容变换器包括三输出电容升压模块、钳位电路模块一、钳位电路模块二和钳位电路模块三，输入电压V_CC连接到所述三输出电容升压模块的输入端，三输出电容升压模块的第一输出端输出V_CC1，并连接到所述钳位电路模块一的输入端，钳位电路模块一的输出端输出电压V_EB1；所述三输出电容升压模块的第二输出端输出V_CC2，并连接到所述钳位电路模块二的输入端，钳位电路模块二的输出端输出电压V_EB2；所述三输出电容升压模块的第三输出端输出V_CC3，并连接到所述钳位电路模块三的输入端，钳位电路模块三的输出端输出电压V_EB3。

进一步地，所述三输出电容升压模块包含八个开关S₁₃₁、S₁₃₂、S₁₃₃、S₁₃₄、S₂₃₁、S₂₃₂、S₂₃₃、S₂₃₄和三个电容C_C1、C_C2、C_C3，其中，输入电压V_CC连接到所述开关S₁₃₁、S₁₃₂、S₁₃₄和S₂₃₃的第一连接端，开关S₁₃₁的第二连接端连接到所述电容C_C2的第一连接端和所述开关S₂₃₁的第一连接端，所述电容C_C2的第二连接端连接到所述开关S₂₃₃的第二连接端，所述开关S₂₃₁的第二连接端作为三输出电容升压模块的第一输出端并输出V_CC1；所述开关S₁₃₂第二连接端连接到所述开关S₂₃₂的第一连接端和所述电容C_C1的第一连接端，所述电容C_C1的第二连接端连接到所述开关S₂₃₃的第二连接端，所述开关S₂₃₃的第二连接端连接到所述电容C_C3的第一连接端和所述开关S₁₃₃的第一连接端，所述开关S₂₃₂的第二连接端作为三输出电容升压模块的第三输出端并输出V_CC3；所述开关S₁₃₃的第二连接端接地，所述电容C_C3的第二连接端连接到所述开关S₁₃₄的第二连接端和所述开关S₂₃₄的第一连接端，所述开关S₂₃₄的第二连接端作为三输出电容升压模块的第二输出端并输出V_CC2。

进一步地，所述钳位电路模块一包括电容C₃₁和第一双极晶体管Q₁，所述电容C₃₁的第一连接端连接到所述第一双极晶体管Q₁的发射极，所述电容C₃₁的第二连接端接地，所述第一双极晶体管Q₁的基极和集电极接地，所述第一双极晶体管Q₁的发射极作为钳位电路模块一的输出端，并输出电压V_EB1。

进一步地，所述钳位电路模块二包括电容C₃₂和第二双极晶体管Q₂，所述电容C₃₂的第一连接端连接到所述第二双极晶体管Q₂的发射极，所述电容C₃₂的第二连接端接地，所述第二双极晶体管Q₂的基极和集电极接地，所述第二双极晶体管Q₂的发射极作为钳位电路模块二的输出端，并输出电压V_EB2。

进一步地，所述钳位电路模块三包括与温度呈正相关的电阻R_T、电容C₃₃和第三双极晶体管Q₃，所述与温度呈正相关的电阻R_T的第二连接端连接到所述第三双极晶体管Q₃的发射极和电容C₃₃的第一连接端，电容C₃₃的第二连接端接地，第三双极晶体管Q₃的基极和集电极接地，第三双极晶体管Q₃的发射极作为钳位电路模块三的输出端，并输出电压V_EB3。

进一步地，所述开关电容模块一包括开关S₁₄和b个相同开关电容单元，b为任意正整数，其中，所述三输出开关电容变换器的第一输出端输出V_EB1，并连接到所述开关电容单元的第一输入端和所述开关S₁₄的第二连接端，所述开关S₁₄的第一连接端连接到所述开关电容单元的第二输入端；所述三输出开关电容变换器的第二输出端输出V_EB2，并连接到所述开关电容单元的第三输入端；所述b个开关电容单元依次级联，第b个所述开关电容单元的输出端作为所述开关电容模块一的输出端，并输出电压bΔV_EB12+V_EB1；

进一步地，所述开关电容模块二包括c个相同开关电容单元，c与b意义相同，其中，所述三输出开关电容变换器的第一输出端输出V_EB1，并连接到所述开关电容单元的第一输入端，所述开关电容模块一的输出端连接到所述开关电容单元的第二输入端，所述三输出开关电容变换器的第三输出端输出V_EB3，并连接到所述开关电容单元的第三输入端，所述c个开关电容单元依次级联，第c个开关电容单元的输出端作为所述开关电容模块二的输出端，并输出基准电压V_REF。

进一步地，所述开关电容单元包括：三个开关S₂₄₁、S₂₄₂、S₁₄和电容C₄₁，其中，所述开关电容单元的第一输入端连接到所述开关S₂₄₁的第二连接端，并作为所述开关电容单元的第一输出端，所述开关S₂₄₁的第一连接端连接所述电容C₄₁的第一连接端和所述开关S₁₄的第一连接端，所述开关S₁₄的第二连接端作为所述开关电容单元的第二输出端，所述开关电容单元的第二输入端连接到所述电容C₄₁的第二连接端和所述开关S₂₄₂的第二连接端，所述开关电容单元的第三输入端连接到所述开关S₂₄₂的第一连接端，并作为所述开关电容单元的第三输出端。

进一步地，所述开关S₁₃₁、S₁₃₂、S₁₃₃、S₁₃₄、S₁₄必须同时关闭或同时打开；所述开关S₂₃₁、S₂₃₂、S₂₃₃、S₂₃₄、S₂₄₁、S₂₄₂的开关状态与所述开关S₁₃₁、S₁₃₂、S₁₃₃、S₁₃₄、S₁₄的开关状态相反。

进一步地，所述开关电容模块一和开关电容模块二的输出端都需要额外并联一个电容，对所述开关电容模块一和开关电容模块二的输出电压bΔV_EB12+V_EB1和V_REF进行稳压滤波处理。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

与现有技术相比，本发明的带隙基准电压源无需传统带隙基准电压源中的高精度电流镜、启动电路和高电源抑制比运放，基于开关电容结构，不仅大大降低了电路复杂度，而且通过开关电容实现线性组合消去了高阶项，实现了带隙基准的高阶温度补偿，从而获得了较低的温度系数。

附图说明

图1为传统带隙基准电压源的结构示意图。

图2为本发明实施例的具有高阶温度补偿的带隙基准电压源的系统框图。

图3为本发明实施例三输出开关电容变换器的示意图。

图4为本发明实施例开关电容模块一的示意图。

图5为本发明实施例开关电容模块二的示意图。

图6为本发明实施例钳位电路模块一、钳位电路模块二和钳位电路模块三的输出电压V_EB1、V_EB2和V_EB3温度曲线示意图。

图7为本发明实施例温度曲线补偿效果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

传统带隙基准电压源的结构如图1所示，本实施例基于对传统带隙基准电压源的改进，提供了一种具有高阶温度补偿的带隙基准电压源，如图2所示，包括三输出开关电容变换器、开关电容模块一和开关电容模块二，其中，输入电压V_CC连接到所述三输出开关电容变换器的输入端，三输出开关电容变换器输出端分别输出三路偏置电压V_EB1、V_EB2和V_EB3，第一路偏置电压V_EB1连接到所述开关电容模块一的第一输入端，第二路偏置电压V_EB2连接到所述开关电容模块一的第二输入端和所述开关电容模块二的第二输入端，第三路偏置电压V_EB3连接到所述开关电容模块二的第三输入端，所述开关电容模块一的输出端连接到所述开关电容模块二的第一输入端，所述开关电容模块二的输出端输出基准电压V_REF。

其中，所述三输出开关电容变换器的作用是对单一输入电压进行升压处理，并使双极晶体管Q₁、Q₂、Q₃工作在二极管模式，然后进行三路输出。所述开关电容模块一的作用是对输入信号进行线性组合，输出消去温度一阶项的基准电压。所述开关电容模块二的作用是对输入信号进行线性组合，输出消去温度高阶项的基准电压。

进一步地，所述三输出开关电容变换器的示意图如图3所示，包括三输出电容升压模块、钳位电路模块一、钳位电路模块二和钳位电路模块三，输入电压V_CC连接到所述三输出电容升压模块的输入端，三输出电容升压模块的第一输出端输出V_CC1，并连接到所述钳位电路模块一的输入端，钳位电路模块一的输出端输出电压V_EB1；所述三输出电容升压模块的第二输出端输出V_CC2，并连接到所述钳位电路模块二的输入端，钳位电路模块二的输出端输出电压V_EB2；所述三输出电容升压模块的第三输出端输出V_CC3，并连接到所述钳位电路模块三的输入端，钳位电路模块三的输出端输出电压V_EB3。

其中，所述三输出电容升压模块包含八个开关S₁₃₁、S₁₃₂、S₁₃₃、S₁₃₄、S₂₃₁、S₂₃₂、S₂₃₃、S₂₃₄和三个电容C_C1、C_C2、C_C3，其中，输入电压V_CC连接到所述开关S₁₃₁、S₁₃₂、S₁₃₄和S₂₃₃的第一连接端，开关S₁₃₁的第二连接端连接到所述电容C_C2的第一连接端和所述开关S₂₃₁的第一连接端，所述电容C_C2的第二连接端连接到所述开关S₂₃₃的第二连接端，所述开关S₂₃₁的第二连接端作为三输出电容升压模块的第一输出端并输出V_CC1；所述开关S₁₃₂第二连接端连接到所述开关S₂₃₂的第一连接端和所述电容C_C1的第一连接端，所述电容C_C1的第二连接端连接到所述开关S₂₃₃的第二连接端，所述开关S₂₃₃的第二连接端连接到所述电容C_C3的第一连接端和所述开关S₁₃₃的第一连接端，所述开关S₂₃₂的第二连接端作为三输出电容升压模块的第三输出端并输出V_CC3；所述开关S₁₃₃的第二连接端接地，所述电容C_C3的第二连接端连接到所述开关S₁₃₄的第二连接端和所述开关S₂₃₄的第一连接端，所述开关S₂₃₄的第二连接端作为三输出电容升压模块的第二输出端并输出V_CC2。

所述开关S₁₃₁、S₁₃₂、S₁₃₃、S₁₃₄同时闭合时，输入电压V_CC对所述电容C_C1、C_C2、C_C3进行充电，所述电容C_C1、C_C2、C_C3第一连接端将被充到V_CC；所述开关S₁₃₁、S₁₃₂、S₁₃₃、S₁₃₄同时断开时，所述开关S₂₃₁、S₂₃₂、S₂₃₃、S₂₃₄同时闭合时，所述电容C_C1、C_C2、C_C3的第一连接端电位被钳制在V_CC上，则所述电容C_C1、C_C2、C_C3的第二连接端电位将瞬间被充到2V_CC，并作为三输出电容升压模块的三路输出。

其中，所述钳位电路模块一包括电容C₃₁和第一双极晶体管Q₁，所述电容C₃₁的第一连接端连接到所述第一双极晶体管Q₁的发射极，所述电容C₃₁的第二连接端接地，所述第一双极晶体管Q₁的基极和集电极接地，所述第一双极晶体管Q₁的发射极作为钳位电路模块一的输出端，并输出电压V_EB1。所述钳位电路模块二包括电容C₃₂和第二双极晶体管Q₂，所述电容C₃₂的第一连接端连接到所述第二双极晶体管Q₂的发射极，所述电容C₃₂的第二连接端接地，所述第二双极晶体管Q₂的基极和集电极接地，所述第二双极晶体管Q₂的发射极作为钳位电路模块二的输出端，并输出电压V_EB2。其中，所述电容C₃₁的作用是滤除所述钳位电路模块一的输入电压纹波，保持双极晶体管Q₁的发射极电压被钳制在V_EB1上；所述电容C₃₂的作用是滤除所述钳位电路模块二的输入电压纹波，保持双极晶体管Q₂的发射极电压被钳制在V_EB2上。

所述钳位电路模块一和钳位电路模块二的输入电流，即所述双极晶体管Q₁、Q₂的发射极电流，与温度无关，可得：

其中V_g0表示二极管电压在温度为0K时的值；C、D表示与温度无关的常数；T表示热力学温度；η表示与工艺相关，与温度无关的常数；V_T表示热电压。

所述钳位电路模块三包括与温度呈正相关的电阻R_T、电容C₃₃和第三双极晶体管Q₃，所述与温度呈正相关的电阻R_T的第二连接端连接到所述第三双极晶体管Q₃的发射极和电容C₃₃的第一连接端，电容C₃₃的第二连接端接地，第三双极晶体管Q₃的基极和集电极接地，第三双极晶体管Q₃的发射极作为钳位电路模块三的输出端，并输出电压V_EB3。所述电容C₃₃的作用是滤除所述钳位电路模块三的输入电压纹波，保持双极晶体管Q₃的发射极电压被钳制在V_EB3上。所述与温度呈正相关的电阻R_T的作用是为双极晶体管Q₃发射极提供与温度呈正相关的输入电流，因此可以得到：

其中V_g0表示二极管电压在温度为0K时的值；C、D₁表示与温度无关的常数；T表示热力学温度；η表示与工艺相关，与温度无关的常数；V_T表示热电压。

进一步地，所述开关电容模块一的示意图如图4所示，包括开关S₁₄和b个相同开关电容单元，b为任意整数，其中，所述三输出开关电容变换器的第一输出端输出V_EB1，并连接到所述开关电容单元的第一输入端和所述开关S₁₄的第二连接端，所述开关S₁₄的第一连接端连接到所述开关电容单元的第二输入端；所述三输出开关电容变换器的第二输出端输出V_EB2，并连接到所述开关电容单元的第三输入端；所述b个开关电容单元依次级联，第b个所述开关电容单元的输出端作为所述开关电容模块一的输出端，并输出电压bΔV_EB12+V_EB1。所述开关电容模块二的示意图如图5所示，包括c个相同开关电容单元，其中，所述三输出开关电容变换器的第一输出端输出V_EB1，并连接到所述开关电容单元的第一输入端，所述开关电容模块一的输出端连接到所述开关电容单元的第二输入端，所述三输出开关电容变换器的第三输出端输出V_EB3，并连接到所述开关电容单元的第三输入端，所述c个开关电容单元依次级联，第c个开关电容单元的输出端作为所述开关电容模块二的输出端，并输出基准电压V_REF。

进一步地，所述开关电容单元包括：三个开关S₂₄₁、S₂₄₂、S₁₄和电容C₄₁，其中，所述开关电容单元的第一输入端连接到所述开关S₂₄₁的第二连接端，并作为所述开关电容单元的第一输出端，所述开关S₂₄₁的第一连接端连接所述电容C₄₁的第一连接端和所述开关S₁₄的第一连接端，所述开关S₁₄的第二连接端作为所述开关电容单元的第二输出端，所述开关电容单元的第二输入端连接到所述电容C₄₁的第二连接端和所述开关S₂₄₂的第二连接端，所述开关电容单元的第三输入端连接到所述开关S₂₄₂的第一连接端，并作为所述开关电容单元的第三输出端。

进一步地，所述钳位电路模块一、所述钳位电路模块二、所述钳位电路模块三的输出电压V_EB1、V_EB2、V_EB3的曲线图如图6所示，V_EB1、V_EB2、V_EB3与温度呈负相关关系，且V_EB1斜率大于V_EB3斜率大于V_EB2斜率。

在开关电容模块一中，所述开关电容单元的开关S₂₄₁、S₂₄₂闭合时，电容C₄₁两端的电压将被充电到V_EB1-V_EB2：

ΔV_BE＝V_EB1-V_EB2

由二极管伏安特性可得：

ΔV_BE＝V_Tln(n)

所述n为第一双极晶体管Q₁和第二双极晶体管Q₂的个数比，通常取8，此时，ΔV_BE是关于热力学温度T的一阶项。

所述开关电容单元的开关S₁₄闭合时，开关电容模块一的第二输入端输入电压被钳制在V_EB1,此时b个所述电容C₄₁串联，由于电容两端电压不能突变，所以所述开关电容模块一的输出电压为bΔV_EB12+V_EB1。

其中，k为玻尔兹曼常量，C、D表示与温度无关的常数,T为热力学温度，q表示电荷量的大小：

在开关电容模块二中，所述开关电容单元的开关S₂₄₁、S₂₄₂闭合时，所述电容C₄₁两端的电压将被充电到V_EB1-V_EB3，即：

所述电容C₄₁两端的电压V_EB1-V_EB3为温度的高阶项。

所述开关电容单元的开关S₁₄闭合时，开关电容模块二的第二输入端输入电压被钳制在bΔV_EB12+V_EB1，此时c个所述电容C₄₁串联，由于电容两端电压不能突变，所以所述开关电容模块二的输出电压为bΔV_EB12+V_EB1+c(V_EB1-V_EB3)，最后输出的基准电压为：

所以只要选取适当的b和c值就能消掉基准电压的温度一阶项和高阶项。

c＝η

当c＝0时，输出一阶补偿带隙基准电压；当c＝η时，输出高阶补偿带隙基准电压。其最终效果如图7所示，ΔV_EB12与温度呈正相关关系，V_EB1与温度呈负相关关系，ΔV_EB12与V_EB1根据b值进行线性组合，从而达到一阶温度补偿效果，其曲线主要呈抛物线型。ΔV_EB13与温度呈现高阶关系，将c倍ΔV_EB13与一阶温度补偿曲线进行线性组合，合成高阶温度补偿曲线，其形状主要呈波浪形。

综上所述，本发明的带隙基准电压源不含有运算放大器，基于开关电容结构，大大降低了电路复杂度，高阶补偿电路简单，通过与温度相关的电阻消去高阶项，实现了高阶温度补偿，获得了更低的温度系数，大大提高了带隙基准电压源的精度。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。