一种低温度系数基准源的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种低温度系数基准源。


背景技术：

2.随着现代生活方式的改变,智能家居已成为主流发展趋势。智能家电结合了微处理器技术，高精度智能传感器技术以及网络通信技术，具有自动感知自身或周边环境状态调节自身工作方式的特点，与其他家居的互联实现智能家居。mcu芯片作为智能家居的关键技术之一，正日益受到更多的重视。mcu芯片内置了多个模块，高精度的直流参考电压是这些模块正常工作的必要条件。然而在这些模块工作的过程中，温度的波动和电源电压本身的波动会对参考电压造成影响，因此需要研发高低温度系数、高电源抑制比的基准源提供对温度和电源电压波动不敏感的基准电压和基准电流。
3.目前的芯片设计对基准源提出了高精度、高电源电压抑制比、低温度系数、低噪声、低功耗等需求。一般地，带隙电压基准源的工作原理是将具有相反温度系数的电压以合适的权重相加，最终获得零温度系数的基准电压，其中负温度系数电压由双极型晶体管的基极
‑
发射极电压提供，正温度系数电压由两个工作在不相等电流密度三极管的基极
‑
发射极电压之差提供。当温度系数为零时，带隙电压基准源的输出电压约为1.25v。传统的带隙电压基准源，例如widlar带隙基准源、brokaw带隙基准源等，基本属于一阶基准源，无法获得足够低的温度系数，输出基准电压受温度影响仍然较大。为此需要进一步改善基准源电路结构。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种低温度系数基准源，用以实现对低电压条件下的高阶温度补偿，以便获得足够低的温度系数。
5.为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种低温度系数基准源，包括开启电路和基准源电路核心，其中基准源电路核心用于产生基于三极管基级
‑
发射极电压的一阶基准电压；基准源电路核心包括mos管m1‑
m4、三极管q1‑
q3、运放op以及电阻r1、r3、r4；其中，r4包括第一r4和第二r4，m1‑
m4的源极与电源vdd连接，m1‑
m4的栅极与运放的输出端连接，q1‑
q3的基级和集电极与地连接；m1的漏极同时与op的正输入端、r1的一端、第一r4的一端连接，r1的另一端与q1的发射极连接；m2的漏极同时与op的负输入端、第二r4的一端、q2的发射极连接；m3的漏极同时与第一r4的另一端、第二r4的另一端、q3的发射极连接；m4的漏极与r3的一端连接，r3的另一端与地连接。
6.进一步的，上述基准源电路核心还可包括电阻r2,且r2包括第一r2和第二r2，其中，第一r2的一端与op的正输入端连接，第二r2的一端与op的负输入端连接，第一r2的另一端和第二r2的另一端均接地。
7.本发明的有益效果是：本发明中基准源核心电路基于传统的电压求和模式一阶带隙基准源结构，在不过度增加电路复杂性的前提下，仅通过增加了一个三极管和两个电阻
实现了高阶温度补偿，使基准源的温度系数相比仅具备一阶温度补偿结构的基准源几乎下降了一倍，其突出的效果是输出基准电压和基准电流对外部温度变化更不敏感。适用于对偏置电压和电流精度要求更高的环境。
附图说明
8.图1为发明中带隙基准源结构示意图；
9.图2为发明中高阶补偿基准源原理电路示意图；
10.图3为实施例中高阶补偿基准源电路示意图；
11.图4为实施例中温度系数仿真结果图。
具体实施方式
12.本发明提出一种基于传统的电压求和模式带隙基准源电路，区别于一阶基准源电路，通过vbe线性补偿，实现了在低电压条件下的高阶温度补偿；为了提高基准源的电源抑制比，使用了共源共栅电流镜，通过隔离电流镜与电源抑制了电源波动对基准源的影响。本发明应用于需要高精度、对电源电压和温度波动均不敏感参考电压的芯片中，具有一定的独特性。
13.本发明中的基准源包含开启电路和带隙核心电路。开启电路以基准源的输出为控制信号，通过对一系列mos管栅极及漏极电平的控制，防止基准源中的放大器出现因输入端电压均为零导致电路无法正常工作的情况，保证系统在上电时即可稳定工作。带隙核心电路基于传统的电压求和模式一阶带隙基准源结构，进行了vbe线性补偿，达到了较小的温度系数。其次，基准源的电流镜全部采用共源共栅结构，可以有效减少电源波动对输出基准电压的影响，提高电源抑制比。
14.结合图1所示，本发明的工作原理如下：在系统上电时，开启电路使基准源开始工作，基准源电路核心输出零温度系数电压并通过电流镜输出零温度系数电流。本设计核心是基准源电路核心的设计，通过基准源电路核心获得零温度系数电压和电流作为芯片中各个模块的参考电压和电流。另外，为了防止基准源电路核心中放大器的注入端电压均为0导致输入差动对关断的问题，需要设计一个启动电路保证运放在上电时正常工作。
15.本发明中基准源的基本结构采用传统电压求和模式带隙基准源结构，首先将具有正、负温度系数的电压相加进行一阶温度补偿，再通过两个电阻进行高阶温度补偿，最终将在理论上获得零温度系数电压。如图2为本发明提出的高阶补偿基准源原理电路示意图，其中，基准源电路核心包括包括mos管m1‑
m4、三极管q1‑
q3、运放op以及电阻r1、r3、r4；其中，r4包括第一r4和第二r4，m1‑
m4的源极与电源vdd连接，m1‑
m4的栅极与运放的输出端连接，q1‑
q3的基级和集电极与地连接；m1的漏极同时与op的正输入端、r1的一端、第一r4的一端连接，r1的另一端与q1的发射极连接；m2的漏极同时与op的负输入端、第二r4的一端、q2的发射极连接；m3的漏极同时与第一r4的另一端、第二r4的另一端、q3的发射极连接；m4的漏极与r3的一端连接，r3的另一端与地连接。
16.图2中，基准电压产生方法的原理为：三极管的基极
‑
发射极电压v
be
具有负的温度系数，两个工作在不同电流密度三极管的基极
‑
发射极电压之差δv
be
具有正的温度系数：
17.[0018][0019]
需要注意的是，这两个温度系数仅为两个参数对温度求导的一阶近似情况，实际上三极管的基极
‑
发射极电压v
be
与温度的关系式中含有对数项。如果去掉图中的两个r4和q3支路，原理图中的q1、q2和r1构成一阶基准源的核心，使基准源具备一阶温度补偿的功能，可以抵消v
be
与温度的关系式中温度的一次项。使用r2的好处是可以通过调节该电阻阻值实现任意想要的参考电压。此时基准电压v
ref
的表达式为：
[0020][0021]
为了实现对高阶温度系数的补偿，本发明中的基准源在运放输入端添加的两个电阻r4，当电阻r4两端的电压为δv
be
时，会产生lnt项的电流:
[0022][0023]
此时，可以通过选择合适的r2与r4的比值抵消高阶温度系数：
[0024][0025]
通过以上方案，本发明可有效解决基准源在应用于低功耗mcu芯片中需要高精度、低温度系数的问题，在一阶基准源的基础上进行了高阶温度补偿，极大地改善了基准源的温度系数，使该基准源可以为mcu芯片中的模块提供稳定的基准电压和基准电流。另外，用户可以通过简单修改电路结构提供更多的基准电流通道，具有较高的实用性。该设计具有结构简单，高精度，高温度稳定性、高电源抑制比等优势，更容易满足低功耗mcu芯片中各模块对高精度基准电压及电流的需求。下面通过实施例对本发明做进一步说明。
[0026]
实施提供一种低温度系数基准源的具体运用方案，如图3所示，实际设计的基准源包括开启电路、基准源电路核心、放大器和电流镜，并根据应用环境进行了改进。开启电路设计原理如下：最初基准源输出电压值为0，en信号为低电平。此时m1截止，m2导通，使m4的漏极处于高电平。en＝0使m30导通，使m4和m6的栅极为高电平，m4导通，使得pmos管m2、m3、m9、m11、m9、m13、m21、m24栅极为低，全部导通。m6栅极为高电平，处于导通状态，将其漏极电平拉低，使得m7导通并将m3源极电平拉高，则m3导通，使得m3、m7、m6线路导通，则m8、m10、m12、m20、m23也导通。这样基准源电路开始工作，输出基准电压vbg为高电平，则en信号变为高电平，使得m31和m30截止，m14和m6的栅极电平被拉低，电路保持稳定。同时，m3栅极变为高电平，使其处于稳定导通状态，最终保持系统输出稳定。m8、m9、m10、m11、m12、m13、m14、m15、m16、m17、m18、m19与q1、q2、r1、r2、r3构成与温度无关的基准电压。m30、m31与vbg构成自启动电压。
[0027]
图3中的基准源核心电路采用与图2相同的原理结构，其中q1，q2和r3构成一阶基准源，q3，r6和r7构成高阶温度补偿电路，通过电阻r4获得与温度无关的基准电压并输出。m12
‑
m18构成基本的差分放大器结构。电流镜采用共源共栅电流镜，这个结构可以有效隔离电源和基准源核心电路，减小了电源电压波动对基准源的影响，提高了系统的电源抑制比。
[0028]
图4为实施例的温度系数仿真结果。根据图4可以计算出该基准源在在
‑
40℃
‑
85℃的范围内温度系数为13.81ppm/℃。另外该基准源具有较好的电源抑制比：在低频情况下(1hz
‑
10hz)时，基准源的psrr为
‑
138.43db，高频情况下(1mhz
‑
100mhz)，基准源psrr为
‑
72.27db。由此可见，实施例实现了在保持电路结构较为简单的前提下在
‑
40℃
‑
85℃的温度范围提供稳定的基准电压和基准电流的功能。