温度补偿带隙基准电路的制作方法

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种高阶温度补偿带隙基准电路。

背景技术：

带隙基准电路是模拟集成电路设计中常见和重要的集成电路模块，其功能是产生稳定的电压作为基准电压，供给其他模块作为参考电压使用。集成电路中对于参考电压的要求是输出精度高，并且输出电压不随温度、工艺等条件变化。由此可见，如何保证带隙基准电路的输出电压值精度高、大小恒定、随温度变化特性小是带隙基准电路的设计关键所在。

图1为现有技术中的带隙基准电压源结构的一个示例性示意图。如图所示，利用两个三极管t1和t2的发射极-基极电压的差值δube(即ube1-ube2)来产生正温度系数的电压，利用t2的ube2来产生负温度系数的电压，从而可实现对从运算放大器op输出的基准电压uref由于温度变化而产生的电压偏移的一定程度的补偿。如图1b示出经过该温度补偿的基准电压uref的曲线图。然而可以看到，经过该温度补偿的基准电压uref的输出在低温时受到温度影响较大，随后温度升高而趋于输出平稳，但进入高温区区后电压稳定性又快速下降。

技术实现要素：

本实用新型提出一种根据温度范围而进行分别补偿的带隙基准电路，从而使得该带隙基准电路可以在各个温度范围下均实现良好的稳定输出。

按照本发明，提供一种温度补偿带隙基准电路，包括：带隙基准核心电路，用于产生基准电压；第一温度补偿电路，连接到所述带隙基准核心电路的第一补偿输入端，用于产生分别对应于第一温度范围与第二温度范围的第一补偿电流；第二温度补偿电路，连接到所述带隙基准核心电路的第二补偿输入端，用于基于来自所述第一温度补偿电路的采样电压产生对应于第三温度范围的第二补偿电流；其中，所述带隙基准核心电路基于所述第一补偿电流与第二补偿电流而输出可对所述第一、二、第三温度范围内的温度产生的电压飘移进行补偿的所述基准电压。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1a是根据现有技术的带隙基准电路的示例性示意图；

图1b是图1a所示的带隙基准电路输出的基准电压随温度变化曲线图；

图2是根据本发明的带隙基准电路的示意图；

图3是根据本发明的一个示例的带隙基准电路的示意图；

图4a示意性示出由第一温度补偿电路对基准电压单独作用的电压-温度变化曲线图；

图4b示意性示出由第二温度补偿电路输出的电流-温度变化曲线图；

图4c示意性示出温度补偿带隙基准电路输出的基准电压的综合电压-温度变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是用于说明本发明为目的，而非限制性的。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2示出了根据本发明的带隙基准电路的示意图。如图所示，该带隙基准电路包括带隙基准核心电路100，第一温度补偿电路200，以及第二温度补偿电路300。带隙基准核心电路100用于基于例如外部电源产生初始基准电压uref，这里带隙基准核心电路100可以由现有技术已知的任何电路实现，例如，在本例中可由图1所示的电路实现。第一温度补偿电路200可连接到带隙基准核心电路100的第一补偿输入端，用于产生分别对应于第一温度范围与第二温度范围的第一补偿电流。第二温度补偿电路300连接到带隙基准核心电路100的第二补偿输入端，并接收来自第一温度补偿电路200的采样电压，从而产生对应于第三温度范围的第二补偿电流。从第一温度补偿电路200接收的采样电压是一个与带隙基准电路的工作温度有关的测量电压。由此，带隙基准核心电路100基于第一补偿电流与第二补偿电流而对初始基准电压uref进行补偿，从而消除由于第一、二、第三温度范围内的温度导致的电压飘移对初始基准电压uref的影响。按照本发明的一个示例，第一温度补偿电路200可设计为消除大约-40℃～20℃的低温区内以及大约90℃～150℃的高温区内电压漂移对基准电压uref的影响，而第二温度补偿电路300可设计为对大约20℃～90℃的正常工作温度区内电压漂移对基准电压uref的影响。

图3作为一个示例示出了带隙基准电路的示例性具体电路的配置图。如图所示，带隙基准电路包括带隙基准核心电路100、第一温度补偿电路200以及第二温度补偿电路300。带隙基准核心电路100包括运算放大器op，运算放大器op的第一输入端即负向输入端通过电阻r1与外部电源连接、而第二输入端即正向输入端通过电阻r2与外部电源连接。运算放大器op的输出端提供初始参考电压uref。带隙基准核心电路100还包括初级温度补偿电路，如图所示，该初级温度补偿电路包括基极-发射极电压随温度变化的三极管t1与t2以及电阻r3、r4、r5、r6。具体地，如图所示，三极管t1的集电极连接到放大器op的第一输入端并进一步通过电阻r1与外部电源连接，以接受供电。三极管t1的发射极通过串联的电阻r3与电阻r4接地。三极管t2的集电极连接到放大器op的第二输入端，并且发射极连接到电阻r3与电阻r4之间的节点n1。在本例中，参考电压uref通过串联的电阻r5与r6接地，并且三极管t1、t2的基极均连接到电阻r5与r6之间的节点n2。由此，带隙基准核心电路100输出的参考电压uref可以确定为：

uref＝[ube2+δube*(r4/r3)]*(1+r5/r6)。

其中ube2代表三极管t2中的基极-发射极之间的电压，而δube代表三极管t1中的基极-发射极之间的电压ube1与三极管t2中的基极-发射极之间的电压ube2之间的电压差。如前所述，δube是具有正温度系数的电压，即随着温度的升高而增加且随着温度的降低而下降。ube2是具有负温度系数的电压，随着温度的升高而下降且随着温度的降低而上升。由此借助于如此构造的初级温度补偿电路，带隙基准核心电路100可实现在整个温度范围内初步地补偿温度变化对参考电压uref的影响，图1b示出了在仅存在带隙基准核心电路100情况下参考电压uref的电压-温度特性示。由图1b可以看到，在低温区与高温区参考电压仍受到温度的较大影响。

根据本例，采用第一温度补偿电路200来补偿带隙基准核心电路100中的初级温度补偿电路对低温与高温的补偿不足的缺陷。如图所示，第一温度补偿电路200包括mos管m1，mos管m2以及三极管t3。三极管t3的基极与集电极相连并通过电阻r8接收参考电流lb，由此在电阻r8的二端节点thnh与tkn分别产生电压vtknh、vtkn。三极管t3的发射极接地。mos管m2的栅极连接到电阻r9与电阻r7之间，电阻r9的另一端接收参考电流lb，而电阻r7的另一端接地。由此，参考电流lb流过电阻r9与r7并在电阻r9的二端节点tkph与tkp上产生电压降vtkph、vtkp。mos管m2的源极与mos管m1的源极相连，用于接收随温度而变化的测量电流ipat1，并且漏极接地。在本例中，mos管m1，mos管m2可以为pmos类型，并且测量电流ipat1可以是由带隙基准核心电路100产生的与绝对温度成正比的ptat电流。

mos管m1的栅极连接到三极管t3的基极与集电极，源极接收测量电流iptat1，而漏极连接到带隙基准核心电路100的节点n2，用于向带隙基准核心电路100提供温度补偿电流icomp2，电流icomp2是一种ptat电流，即会随着温度的升高而增加以及随着温度的下降而下降，电流icomp2可表示为：

icomp2＝[ipat1-(ube3-ib*r7)*gm]/2

其中ube3表示三极管t3的基极-发射极电压，具有负温度系数，即反比于温度变化，gm为mos管m1与m2之间的跨导。电流icomp2注入带隙基准核心电路100，从而实现对低、高温区域内温度漂移的进一步补偿。如下式所示，在仅第一温度补偿电路200作用下，补偿后的参考电压uref可表示为：

由此，当处于低温区域例如-40℃～20℃之间时，节点tkp上的电压vtkp小于节点tkn上的电压vtkn，由此m2导通而m1截止，因此m1的漏极上几乎没有电流产生，即icomp2接近于零，由此可输出零温系数的基准电压uref，从而实现低温补偿。而当处于高温区域例如90℃～150℃之间时，节点tkp上的电压高于节点tkn上的电压，由此m1导通而m2截止，因此电流ipat1几乎全部流过m1的漏极，产生补偿电流icomp2，即此时的icomp2接近于ipat1。由此，在高温下的ube2、δube以及icomp2的综合作用下，仍可输出零温系数的基准电压uref，从而实现高温补偿。图4a示出了在带隙基准核心电路100仅由第一补偿电路200作用下可实现的参考电压uref相对于温度(t)的补偿变化曲线图。从图4a中可以看到，对于低温区与高温区，在第一补偿电路200作用下，均实现几乎一致的补偿效果。但同时，在中间温度区即通常的正常工作温度下例如大约20℃～90℃的区间内，温度补偿性能有所下降。为此，在本例中，通过第二温度补偿电路300来对中间温度区的电压漂移进行补偿。第二温度补偿电路300本质上是一个电流的温度过滤电路，即在低温和高温下输出0电流，即icomp3为零，对基准电压uref不产生影响，而在中间温度区输出补偿电流icomp3从而提升正常工作区的温度补偿效果。

如图3所示，第二温度补偿电路300包括二级的mos管对，即第一mos管对m3-m4以及第二mos管对m5-m6，在本例中，mos管m3-m4以及mos管m5-m6可以为pmos管。第一级mos管对m3-m4分别被第一温度补偿电路200上的节点tkph与tknh上的采样电压vtkph、vtknh偏置，而第二级mos管对m5-m6分别被第一温度补偿电路200上的节点tkp与tkn上的采样电压vtkn、vtkp偏置。不难理解，由于电阻r8与r9，采样电压vtkph、vtknh分别比节点tkp、tkn上的采样电压vtkn、vtkp高，通常大约高于700mv左右。具体地，如图所示，第一mos管对中的mos管m3与mos管m4的源极相连，并接收温度变化的测量电流ipat2，mos管m3的栅极接收来自第一温度补偿电路200中的采样电压vtkph。此外，mos管m3的漏极接地。mos管m4的栅极接收补偿电路200中节点tknh处的采样电压vtknh。mos管对m5-m6中的mos管m5与mos管m6的源极连接到mos管m4的漏极，并且mos管m5的栅极接收补偿电路200中节点tkp处的电压vtkp，并且漏极输出温度补偿电流icomp3。mos管m6的栅极接收补偿电路200中节点tkn处的采样电压vtkn，并且漏极接地。在本发明的一个示例中，测量电流ipat2可以是由带隙基准核心电路100产生的与绝对温度成正比的ptat电流，电流ipat2与温度补偿电路200使用的电流ipat1可以相同或不同。

对于温度补偿电路300，当处于例如-40℃～20℃的低温区时，tkn处的采样电压高于tkp处的采样电压，同时，tknh处的采样电压高于tkph处的采样电压，因此mos管m3导通，因此电流ipat2被短接至地，因此不会有电流从m5的漏极产生，即此时的icomp3接近于0。当处于例如90℃～150℃的高温区时，tkn处的采样电压vtkn低于tkp处的采样电压vtkp，同时，tknh处的采样电压vtknh低于tkph处的采样电压vtkph，因此mos管m6导通，因此即使有电流ipat2通过m4流出，但也会被m6短接至地，因此仍不会有电流从m5的漏极产生，即此时的icomp3接近于0。而只有在中间温度范围例如大约20℃～90℃时，才会有非零的电流流过m4与m5，并作为温度补偿电流icomp3输出，该补偿电流icomp3可由下式确定：

icomp3＝{[ipat2-(ube3-ib*r7)*gm3]/2-(ib*r7-ube3)*gm5}/2

其中gm3表示mos管m3与m4之间的跨导，而gm5表示mos管m5与m6之间的跨导。

图4b示出温度补偿电路300产生的补偿电流icomp3随温度(t)变化曲线图。补偿电流icomp3注入到带隙基准核心电路100的节点n2，即电阻r5与r6之间，提升电阻r6上的电压降，从而实现对uref的在中间温度区内的漂移补偿。下面公式5示出了经过了温度补偿电路200、温度补偿电路300温度补偿处理所确定的参考电压uref:

图4c示出在温度补偿电路200、温度补偿电路300分别输出的补偿电流icomp2、icomp3综合作用下，所得到的参考电压uref的曲线图。与图4b相比，可以看到，在低温与高温范围内，温度补偿带隙基准电路保留了温度补偿电路200所产生的补偿效果，但同时利用温度补偿电路300提升了温度补偿电路200在中间温度区补偿效果不理想的问题。由此，本发明的温度补偿带隙基准电路可可取得在整个温度范围内输出更低温度漂移特性的稳定的基准电压uref。

上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例，本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中的代码审核手段得到本发明更多的实施例，这些实施例也在本发明的保护范围之内。