一种带隙基准电路及高阶温度补偿方法与流程

本发明涉及电路技术领域，特别是涉及一种带隙基准电路及高阶温度补偿方法。

背景技术：

现有技术中，带隙基准电路是模拟集成电路中不可或缺的基本电路模块。其广泛用于led驱动电路、开关电源变换器、数模转换器、模数转换器和线性稳压器中。

图1为传统的带隙基准电压源，工作原理是利用两个具有相反温度系数的电压的求和来平衡：带有负温度系数vbe和带有正温度系数热电压vt。热电压由kt/q给出；其中k是玻尔兹曼常数，t是温度，q是电子电荷。高增益的运放使运放输入端电压相同，电阻r1上的电流i＝δveb/r1＝vt*ln(n)/r1，输出基准电压vref为；

veb的负温度系数为非线性，约为-2mv/摄氏度。vt的正温度系数约为+0.085mv/摄氏度，通过选取合适的r1与r2电阻值比例，可得到某一温度下的零温度系数的带隙基准电压。

图2为传统带隙基准的温度电压曲线图。虚线vt为热电压，虚线veb为三极管电压，实线vref为加权后的一阶温度系数的基准电压。通常具有20ppm/℃到100ppm/℃左右的温度漂移。

为了提高带隙基准的精度，人们提出了多种对带隙基准的高阶温度补偿。但常见的高阶温度补偿方案存在以下问题：1)补偿电路过于复杂，增加了工艺失配风险，加大了模块的功耗；2)需要特定的工艺，当使用常规工艺时，不能制造此模块。

经过检索，中国专利申请，申请号201711057698.0，公开日2018年3月30日，公开了一种mos管实现二极管的高阶温度补偿带隙基准电路，包括一阶带隙基准电路、高温区域温度曲率补偿电路、低温区域温度分段补偿电路以及启动电路。此发明采用源极、漏极与栅极短接的pmos管的漏极与衬底分别构成二极管的正向端与反向端，利用源极、漏极与栅极短接的pmos管的漏-衬底电压产生负温度系数电压vctat以及两个源极、漏极与栅极短接的pmos管的漏-衬底电压之差产生正温度系数电压vptat，负温度系数电压vctat与正温度系数电压vptat进行加权获得一阶带隙基准电压，将高温区域温度曲率补偿电压vnl1以及低温区域温度分段补偿电压vnl2引入到一阶带隙基准电路，获得低温度系数的带隙基准电压，从而获得了一种mos管实现二极管的高阶温度补偿带隙基准电路。但此电路是通过mos管来实现一阶带隙基准电压，使用复杂电路来实现高阶温度补偿。本发明是通过传统的三极管结构来产生带隙基准，使用nmos管的亚阈值电流来实现高阶补偿，过于复杂，增加了工艺失配风险，加大了模块的功耗、成本高、不良率高。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的补偿电路过于复杂，增加了工艺失配风险，加大了模块的功耗；有些需要特定的工艺，当使用常规工艺时，不能制造模块的问题，本发明提供了一种带隙基准电路及高阶温度补偿方法，它可以实现简便高效的提高带隙基准源精度，电路结构简单，不会增加模块的功耗或提高对电源电压的要求。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种利用亚阈值电流对高阶温度补偿的带隙基准电路包括：

高阶补偿的带隙基准电压产生电路，采用栅-源极短接的nmos管的亚阈值电流对基准电源电压的温度系数进行高阶补偿；

偏置电路，为所述高阶补偿的带隙基准电压产生电路的op运放提供偏置电流以及为启动电路提供下拉电流；

启动电路，用于为所述高阶补偿的带隙基准电压产生电路提供启动电流。

更进一步的，高阶补偿的带隙基准电压产生电路包括传统的带隙基准产生电路和2个nmos管mn1与mn2。

更进一步的，所述的传统的带隙基准产生电路包括电阻：r1、r2与r3；pnp管：q1与q2；pmos管：mp1和mp2；nmos管：mn1与mn2；运放：op；

其中mp1与mp2的源极连接vdd，mp1与mp2的栅极，以及运放op输出相连，mp1的漏极与r3的第一端相连，mp2的漏极与输出vref以及r2的第一端相连；r3的第二端连接op运放的第一端、mn1的漏端以及r1的第一端，r2的第二端与q2的发射极，以及mn2的漏极相连；r1的第二端与q1的发射极相连；q1与q2基极、集电极，以及mn1和mn2的源极均与vss地相连。

更进一步的，所述的偏置电路，包括pmos管：mp3；nmos管：mn3；mp3栅极与高阶补偿的带隙基准电压产生电路中mp1和mp2的栅极，以及启动电路mn5的漏极相连，mp3的源极与vdd相连，mp3的漏极与mn3的漏极和栅极，以及启动电路中的mn4的栅极相连；mn3的源极与vss地相连。

更进一步的，偏置电路中mp3与高阶补偿的带隙基准电压产生电路中mp1和mp2形成电流镜，mn3与启动电路中的mn4形成电流镜；

更进一步的，所述的启动电路包括pmos管：mp4和mp5；nmos管：mn4和mn5；

mp4的源极与vdd相连，mp4的漏极与mp5的源极相连；mp4与mp5的栅极与vss地相连；mp5的漏极与mn5的栅极及mn4的漏极相连，mn5的漏极与偏置电路2中mp3的栅极、以及高阶补偿的带隙基准电压产生电路中mp1和mp2的栅极相连，mn5的源极与vss地相连；mn4的栅极与偏置电路中mn3的栅极和漏极、以及mp3的漏极相连，mn4的源极与vss地相连。

更进一步的，所述的启动电路在电源vdd上电时，启动电路使得高阶补偿的带隙基准电压产生电路脱离“零”兼并点，使基准电压进入正常工作状态，基准建立后，将启动电路关断。

更进一步的，启动电路的mp4与mp5在启动时提供小电流，使得mn5打开，使得高阶补偿的带隙基准电压产生电路脱离“零”兼并点，基准建立后，mn4打开，mn5被关断。

一种带隙基准电路的高阶温度补偿方法，其步骤如下：

采用上述一种带隙基准电路，启动电路启动时，电源电压vdd上升，mp4和mp5支路产生小电流流向mn5的栅极，mn5打开后将mp1与mp2的栅极拉低，使带隙基准电压产生电路脱离“零”简并点，在运放op钳位的共同作用下，节点a与b的电压相等且等于vbe2；

调节器件大小，使得mp1与mp2相等，r2与r3相等，mn1与mn2相等；可得i1电流大小等于流过电阻r1的电流：i＝δveb/r1。

流过mn2的亚阈值电流为i2，随着温度的升高，i2的大小可由皮安变化到纳安，得到的具有高阶温度补偿的带隙基准电压为：

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明是一种简便高效的提高带隙基准源精度的补偿电路，该电路的补偿方法是利用cmos晶体管的亚阈值电流进行曲率校正，其温度系数可达6ppm/℃。该电路结构简单，不会增加模块的功耗或提高对电源电压的要求，并且可以在任何cmos工艺中实现。可通过不增加电路复杂度的方式实现；可大幅度提高带隙基准源的精度；并降低功耗，减小芯片面积，节约成本。

附图说明

图1为目前常用的一种带隙基准电压源的原理图。

图2为带隙基准电压一阶温度补偿原理的示意图。

图3为nmos的栅-源极短接的亚阈值电流的电流温度趋势示意图。

图4为本发明中高阶温度补偿原理的示意图。

图5为本发明提供的一种利用亚阈值电流对高阶温度补偿的带隙基准电路的示意图。

附图标记说明：

1、高阶补偿的带隙基准电压产生电路；2、偏置电路；3、启动电路。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

下面结合附图对本发明作详细说明。

由于带隙基准随温度的变化受到若干非理想效应的影响：电阻的温度系数，钳位运放的增益，寄生电流，沟道长度调制以及vbe温度系数的非线性。这些因数中，vbe温度系数的非线性是其主要原因。vbe随温度变化公式为：

其中，vg0是当温度为时三极管的基射极电压，tr为室温，η是一个与工艺有关的常数，与温度无关，大小为3～3.5，α是集电极电流温度t的指数。

公式(3)中等式右边第二项为温度的一阶函数，可以用带有正温度系数热电压vt来抵消，但等式右边的第三项vt*ln(t)为温度的高阶项，要得到一个高精度的带隙基准就必须对其进行高阶温度补偿。

本发明提出的技术使用栅极-源极电压(vgs)等于零的nmos晶体管的亚阈值电流来补偿温度系数。对于在漏极-源极电压高于0.1v时，工作在弱反型区的长沟道器件，漏极-源极电流ids由下式给出：

其中m为斜率因子，u为迁移率，cox为栅氧电容，s为(w/l)，vth为mos管阈值电压。可以计算出，ids的温度系数近似于指数，如图3所示。当亚阈值电流的温度系数近似于指数时，它可以用来补偿带隙基准的高阶项。

参照图5所示，本发明具体的一种利用亚阈值电流对高阶温度补偿的带隙基准电路，包括：高阶补偿的带隙基准电压产生电路1、偏置电路2与启动电路3。

所述的高阶补偿的带隙基准电压产生电路1包括电阻：r1、r2与r3；pnp管：q1与q2；pmos管：mp1和mp2；nmos管：mn1与mn2；运放：op；电阻r1、r2和r3，pnp管q1和q2，运放op以及pmos管mp1与mp2构成了传统的带隙基准产生电路；nmos管mn1与mn2提供了高阶温度补偿的亚阈值电流。

所述的高阶补偿的带隙基准电压产生电路1的mp1与mp2的源极连接vdd，mp1与mp2的栅极，以及运放op输出相连，mp1的漏极与r3的第一端相连，mp2的漏极与输出vref以及r2的第一端相连；r3的第二端连接op运放的第一端、mn1的漏端以及r1的第一端，r2的第二端与q2的发射极，以及mn2的漏极相连；r1的第二端与q1的发射极相连；q1与q2基极、集电极，以及mn1和mn2的源极均与vss地相连。

其中，所述的偏置电路2提供启动电路下拉管mn4的偏置电压，高阶补偿的带隙基准电压产生电路中运放的偏置电压。

所述的偏置电路2包括pmos管：mp3；nmos管：mn3；mp3与带隙基准电压产生电路中mp1和mp2形成电流镜，mn3与启动电路中的mn4形成电流镜。

所述的偏置电路2的mp3栅极与高阶补偿的带隙基准电压产生电路中mp1和mp2的栅极，以及启动电路mn5的漏极相连，mp3的源极与vdd相连，mp3的漏极与mn3的漏极和栅极，以及启动电路3中的mn4的栅极相连；mn3的源极与vss地相连。

其中，所述的高阶补偿的带隙基准电压产生电路1结合了δveb的线性正温度特性，vbe的非线性负温度特性与nmos栅-源极相连的亚阈值电流正温度指数特性，构建了一个高阶温度特性的补偿电路。

其中，所述的启动电路3用于电源vdd上电时，启动电路帮助基准电压产生电路脱离“零”兼并点，使其进入正常工作状态，基准建立后，将启动电路关断。

所述的启动电路3包括pmos管：mp4和mp5；nmos管：mn4和mn5，mp4与mp5在启动时提供小电流，使得mn5打开帮助电路脱离“零”兼并点，基准建立后，mn4打开，mn5被关断。

下面结合图5来描述本发明利用亚阈值电流对高阶温度补偿的带隙基准电路的方法。

根据图5，启动时，电源电压vdd上升，mp4和mp5支路产生纳安量级的小电流流向mn5的栅极，mn5打开后将mp1与mp2的栅极拉低，使带隙基准电压产生电路脱离“零”简并点，在运放op钳位的共同作用下，节点a与b的电压相等且等于vbe2，其值约为0.7v。

调节器件大小，使得mp1与mp2相等，r2与r3相等，mn1与mn2相等；可得i1电流大小等于流过电阻r1的电流：i＝δveb/r1。

流过mn2的亚阈值电流为i2，随着温度的升高，i2的大小可由皮安变化到纳安。得到的具有高阶温度补偿的带隙基准电压为：

图4即为本发明高阶补偿原理的示意图，先通过将电阻r2的值调小5％到10％之内，使其温度曲线的零点往左移动，图中虚线“一阶vref中心点向左移动”，再用亚阈值电流乘上电阻的正温度电压i2*r2来进行高阶补偿，其温度系数可达6ppm/℃。

以上所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围；凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。