專利名稱：一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓的方法以及帶隙基準(zhǔn)電壓源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，尤其涉及一種具有曲率補(bǔ)償 電路的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓的方法。
背景技術(shù)：
在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及各種測(cè)量設(shè)備中，都需要高 精度、高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電壓源，并且基準(zhǔn)電壓源的精度和穩(wěn)定性決定了整個(gè) 系統(tǒng)的工作性能。電壓基準(zhǔn)源主要有基于正向VBE的電壓基準(zhǔn)、基于齊納二 極管反向擊穿特性的電壓基準(zhǔn)、帶隙電壓基準(zhǔn)等多種實(shí)現(xiàn)方式，其中帶隙基 準(zhǔn)電壓源具有低溫度系數(shù)、高電壓抑制比、低基準(zhǔn)電壓等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了 廣泛的應(yīng)用。一種傳統(tǒng)的CMOS帶隙基準(zhǔn)工作源的工作原理是利用雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE (具有負(fù)溫度系數(shù))和它們的差值^￡ (具有正溫度系數(shù))進(jìn)行相互補(bǔ)償，從而達(dá)到電路的溫度系數(shù)為零的目的。圖1顯示了這種現(xiàn)有技術(shù)的CMOS帶隙基準(zhǔn)工作源的電路圖。在圖中，運(yùn)算放大器OP 的作用是使電路處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，從而讓運(yùn)算放大器OP兩輸入端電壓相等。因此，在電路穩(wěn)定輸出時(shí)I!R!+V肥二V能2 公式(1)Vref=VBE3+I3R2 公式(2)由于基準(zhǔn)電壓輸出電路鏡像了基礎(chǔ)電路的電流，因此該基準(zhǔn)電壓輸出電路的電流13滿足下列關(guān)系式1,二l3 公式(3)通常，溫度對(duì)二極管的伏安特性有較大的影響，溫度升高，保持二極管電流不變時(shí)所需要的正向偏壓減小，艮口VBE=VTln(I/Is) 公式(4)其中VT表示溫度的電壓當(dāng)量。由上述公式(1) 、 (2) 、 (3)可以進(jìn)一步地推導(dǎo)出L二 (VBE2—VBE1) /R產(chǎn)VT/R!ln(Vl2) 公式(5)Vref二VBE3+R2/RlXVTXln(1,/12) 公式(6)其中，II和12的比值也應(yīng)當(dāng)為三極管Ql和Q2發(fā)射區(qū)面積的比值?？?見(jiàn)， 一方面，三極管Q1和Q2的兩個(gè)PN結(jié)電壓差在電阻R1上產(chǎn)生了與絕 對(duì)溫度成正比(PTAT)的電流；另一方面，基準(zhǔn)電壓只與PN結(jié)的正向壓 降、電阻的比值以及三極管Q1和Q2的發(fā)射極面積的比值有關(guān)，所以，在實(shí)際的工藝制作中將會(huì)有很高的精度。VBE3具有負(fù)的溫度系數(shù)，在室溫時(shí)大約為一2mV/。 C; Vt具有正的溫度系數(shù)，在室溫時(shí)大約為十0.085mV/。 C， 所以，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源得到的基準(zhǔn)電壓溫度漂移曲線為一個(gè)二階拋物 線，如圖2所示。通過(guò)設(shè)定合適的工作點(diǎn)，可以使兩項(xiàng)之和在某一溫度下達(dá)到零溫度系 數(shù)，從而得到具有較好溫度特性的基準(zhǔn)電壓。適當(dāng)?shù)剡x取R,、 R2，以及Q,和Q2發(fā)射區(qū)面積的比值即可得到具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。事實(shí)上，從實(shí)際的工作環(huán)境考慮，電源電壓的變化范圍是1.6V 2.0V， 溫度變化范圍是一20。 C 10(T C，讓所輸出的基準(zhǔn)電壓工作在零溫度系數(shù) 的狀態(tài)下也是理想的目標(biāo)，通常，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)應(yīng)盡可能地小。然而，這種傳統(tǒng)的帶隙式基準(zhǔn)電壓源僅僅利用了 PN結(jié)電壓,i的負(fù)溫 度特性和不同電流密度下的兩個(gè)PN結(jié)電壓差a^的正溫度系數(shù)相互補(bǔ)償， 使輸出電壓達(dá)到很低的溫度漂移。由于^負(fù)溫度系數(shù)具有非線性，akb￡ = kT線性正溫度特性僅能抵消一階負(fù)溫度系數(shù)，因此在實(shí)際的高溫工作環(huán)境 中，現(xiàn)有技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源是無(wú)法使基準(zhǔn)電壓得到有效的補(bǔ)償。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提出一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓的方法以及 一種帶隙基準(zhǔn)電壓源，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的帶隙基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓在高 溫的工作環(huán)境下溫度漂移較大的問(wèn)題，來(lái)保證基準(zhǔn)電壓隨著溫度升高變化最 小。本發(fā)明的一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓的方法，包括提供一個(gè)基礎(chǔ)電流源，其 中該基礎(chǔ)電流具有正溫度系數(shù)特性；形成第一支路，通過(guò)鏡像該基礎(chǔ)電流而獲得第一電流，并利用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的元件和正溫度系數(shù)的元件輸出一基 準(zhǔn)電壓；形成用于檢測(cè)溫度變化的第二支路，通過(guò)鏡像該基礎(chǔ)電流而獲得一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例的電壓差；將該電壓差轉(zhuǎn)變成指數(shù)形式的電流補(bǔ)償給該 基準(zhǔn)電壓。本發(fā)明的一種帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括 一個(gè)基礎(chǔ)核心電路，用于提供一 個(gè)具有正溫度系數(shù)特性的基礎(chǔ)電流； 一個(gè)基準(zhǔn)電壓輸出電路，通過(guò)鏡像該基 礎(chǔ)電流而獲得第一鏡像電流，并利用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的元件和正溫度系數(shù)的 元件輸出 一基準(zhǔn)電壓； 一個(gè)曲率補(bǔ)償電路，用于檢測(cè)溫度變化，包括一 CMOS 管MS1，與該鏡像電路并聯(lián)，用于獲得第二鏡像電流，其中該CMOS管 MS1的源極回路接入一個(gè)電阻元件Rc，用于獲得一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例的 電壓差； 一個(gè)與該電阻元件Rc并聯(lián)的三極管Qc，用于將該電壓差轉(zhuǎn)變成指 數(shù)形式的電流，補(bǔ)償給該基準(zhǔn)電壓。本發(fā)明的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源可以動(dòng)態(tài)跟蹤溫度變化，并且同時(shí)對(duì) 隨溫度升高而降低的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行高階曲率補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓隨著溫 度升高變化更小。


下面結(jié)合附圖，通過(guò)對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述將使得本發(fā)明的技術(shù)方安和 其它優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。圖l是一種現(xiàn)有技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路圖；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓溫度漂移曲圖3顯示了本發(fā)明對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行高階曲率補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D； 圖4示出了本發(fā)明的具有曲率補(bǔ)償電路的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的電 路圖；圖5顯示了本發(fā)明的所獲得的與溫度成正比的電壓差的示意圖；以及 圖6示出了本發(fā)明的帶隙基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓溫度漂移曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。如圖4所示，本發(fā)明提出的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源100包括 一基準(zhǔn)核心電路U0，用于產(chǎn)生一個(gè)作為基準(zhǔn)電流的恒定電流； 一基準(zhǔn)電壓輸出電 路120，利用一個(gè)正溫度系數(shù)元件R2，和一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)元件Q3輸出一個(gè) 基準(zhǔn)電壓Vref; —曲率補(bǔ)償電路130，和一啟動(dòng)電路140，用于保證電壓源 IOO可靠地工作，避免其陷入零狀態(tài)。本發(fā)明的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償該基準(zhǔn)電壓Vref的方法，如圖3所示，首先，在步驟 SIO，提供一個(gè)基礎(chǔ)電流源I,，其中該基礎(chǔ)電流I,具有正溫度系數(shù)特性。參閱圖4，基準(zhǔn)核心電路110是利用兩個(gè)相互匹配的CMOS管MP1和MP2組成鏡像電路， 一確保產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流Ip 12被稱為是I,的鏡像電流，因此，兩者相等。同時(shí)，本發(fā)明利用一個(gè)誤差放大器E/A1跨接在該鏡像電 路之間，在深度負(fù)反饋的情形下，其正、負(fù)端的電壓是相等的，即節(jié)點(diǎn)POl 和P02兩點(diǎn)電勢(shì)相等。與現(xiàn)有技術(shù)相同地，在其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)(P01)中接入 一個(gè)電阻元件Ri和一個(gè)三極管Q,，和在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)P02中接入一個(gè)三極管 Q2。那么，該基準(zhǔn)核心電路110中所得到的基準(zhǔn)電流I,具有正溫度系數(shù)。 此外，本發(fā)明的核心電路IIO還包括一第三支路，即利用CMOS管MP5鏡 像基礎(chǔ)電流Ip其源極反饋鏡像電流，供給該誤差放大器E/A1，以使該誤 差放大器E/A1處于深度負(fù)反饋狀態(tài)下。分別在鏡像電路中獲得兩個(gè)具有相 同電勢(shì)的節(jié)點(diǎn)POl和P02。其次，在歩驟S12，形成第一支路120，即準(zhǔn)電壓輸出電路120，通過(guò) 鏡像該基準(zhǔn)電流1,而獲得了電流13。在該準(zhǔn)電壓輸出電路120中接入一個(gè)電阻R2和一個(gè)三極管Q3，這樣，所輸出的基準(zhǔn)電壓Vref由具有負(fù)溫度系數(shù)特性的V服3和具有正溫度系數(shù)的13112相關(guān)。接下來(lái)，在步驟S14，形成用于檢測(cè)溫度變化的第二支路，即曲率補(bǔ)償 電路130，鏡像該基礎(chǔ)電流h以獲得一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例的電壓差VPQ6。最后，在步驟S16，將該電壓差轉(zhuǎn)變成指數(shù)形式的電流補(bǔ)償給該基準(zhǔn)電壓。特別的是，本發(fā)明的曲率補(bǔ)償電路130利用一個(gè)CMOS管MS1鏡像該 基礎(chǔ)電流Ii，其源極回路中首先接入一個(gè)電阻Rc，用于確保節(jié)點(diǎn)P06的電 壓差是隨溫度的升高而升高的PTAT電壓，因此，節(jié)點(diǎn)P06的電壓差可以用于檢測(cè)溫度的變化。然后，在該電阻Rc的兩端并聯(lián)一個(gè)三極管Qc，重要地， 該三極管Qc的柵極與基準(zhǔn)電壓輸出端P04節(jié)點(diǎn)相接，這樣，三極管Qc的柵極-發(fā)射極就接入基準(zhǔn)電壓輸出電路120的電阻R2和三極管Q3形成了回路。因此，從該曲率補(bǔ)償電路130得到關(guān)系式VP06=ICRC=VBEC 公式(7 )Qc發(fā)射極到柵極的電壓差VEB是一個(gè)隨溫度升高而升高的電壓，其變 化量，。,〉a^f，因此，溫度升高使Vebc増大，使Qc導(dǎo)通產(chǎn)生的補(bǔ)償電流也跟隨增大。Qc的柵極電流將會(huì)隨著Qc集電極電流的增加而增加，增加的電流再注入到Vref，在電阻R2上形成壓降，緩解了在高溫階段V^隨溫度增加而減小的趨勢(shì)，達(dá)到了高溫補(bǔ)償?shù)哪康摹］^佳的是，通過(guò)增大三極管Qc 與Q,的寬長(zhǎng)比而容易地獲得倍增于基礎(chǔ)電流L的鏡像電流，這樣可以給基準(zhǔn)電壓更多的補(bǔ)償。VEB電壓與溫度是線性關(guān)系，同時(shí)VEB和Qc集電極電流是指數(shù)關(guān)系， Qc柵極電流與其集電極電流是線性關(guān)系(假設(shè)放大倍數(shù)p是一個(gè)常數(shù))。所 以注入到P04結(jié)點(diǎn)的電流與溫度近似成指數(shù)關(guān)系，可以形成高階溫度補(bǔ)償， 如圖5所示。溫度升高，基準(zhǔn)電壓下降越多，則補(bǔ)償電流也將越大，促使基 準(zhǔn)電壓在高溫時(shí)不會(huì)降低。較佳的是，為避免本發(fā)明的電壓源陷入零狀態(tài)，本發(fā)明還增加了一個(gè)啟 動(dòng)電路140，返回圖4。帶隙基準(zhǔn)電壓源存在兩個(gè)電路平衡點(diǎn)，即零點(diǎn)和正 常工作點(diǎn)。當(dāng)電路處在零點(diǎn)時(shí)，整個(gè)電路中沒(méi)有電流流過(guò)，電路不能正常工 作。啟動(dòng)電路140用于確?？偸怯呻娐妨髁鬟^(guò)參考源中的晶體管，使得零狀 態(tài)處的環(huán)路增益大于l，避免陷入零狀態(tài)，同時(shí)還確保電路啟動(dòng)后，該啟動(dòng) 電路本身不干擾參考源的正常工作。電路剛剛上電時(shí)，P03也跟著隨著電源電壓上升，啟動(dòng)管MS3開(kāi)啟， 電流注入到Qi的發(fā)射極，使其電位升高，同時(shí)也使POl和P02脫離零電位 工作點(diǎn)。當(dāng)P03電壓上升到一定數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)管MS3關(guān)斷，系統(tǒng)進(jìn)入正常 工作模式。完成了電路正常啟動(dòng)后，啟動(dòng)模塊自動(dòng)與主體電路脫離開(kāi)，并不 影響主體電路工作。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的 情況下，熟悉本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和 變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范 圍。
權(quán)利要求
1、一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓的方法，提供一個(gè)基礎(chǔ)電流源，其中該基礎(chǔ)電流具有正溫度系數(shù)特性；形成第一支路，通過(guò)鏡像該基礎(chǔ)電流而獲得第一電流，以利用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的元件和正溫度系數(shù)的元件輸出一基準(zhǔn)電壓；形成用于檢測(cè)溫度變化的第二支路，鏡像該基礎(chǔ)電流以獲得一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例的電壓差；將該電壓差轉(zhuǎn)變成指數(shù)形式的電流補(bǔ)償給該基準(zhǔn)電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，形成用于檢測(cè)溫度變化的 第二鏡像支路，以獲得一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例的電壓差的步驟包括在該第二鏡像支路中串聯(lián)第一電阻元件(Rc)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將該電壓差轉(zhuǎn)變成指數(shù)形 式的電流補(bǔ)償給該基準(zhǔn)電壓的步驟包括提供一個(gè)作為補(bǔ)償元件的三極管(Qc)，其中該三極管(Qc)并聯(lián)在該 電阻元件的兩端，基極和集電極與該基準(zhǔn)電壓形成回路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，還包括 在第二鏡像支路中獲得一個(gè)倍增的第二鏡像電流。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供一個(gè)基礎(chǔ)電流源的歩 驟包括利用兩個(gè)性能匹配的CMOS管(MP1和MP2)形成一個(gè)鏡像電路； 利用一個(gè)跨接在該鏡像電路之間的誤差放大器，分別在鏡像電路中獲得兩 個(gè)具有相同電勢(shì)的節(jié)點(diǎn)(P01和P02);在其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)(P01)中接入一個(gè)電阻元件(R》和一個(gè)三極管(Q,)，和在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)(P02)中接入一個(gè)三極管(Q2)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括 提供第三支路，用于鏡像該基準(zhǔn)電流并將其反饋給該誤差放大器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一鏡像支路中，負(fù) 溫度系數(shù)的元件為一三極管(Q3)，以及該正溫度系數(shù)的元件為一電阻元件200810057212.8權(quán)利要求書(shū)第2/2頁(yè)(R2)。
8、 一種帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括一個(gè)基礎(chǔ)核心電路，用于提供一個(gè)具有正溫度系數(shù)特性的基礎(chǔ)電流；一個(gè)基準(zhǔn)電壓輸出電路，通過(guò)鏡像該基礎(chǔ)電流而獲得第一鏡像電流，并利用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的元件和正溫度系數(shù)的元件輸出一基準(zhǔn)電壓；一個(gè)曲率補(bǔ)償電路，用于檢測(cè)溫度變化，包括一 CMOS管(MSI)，與 該鏡像電路并聯(lián)，用于獲得第二鏡像電流，其中該CMOS管(MSI)的源極 回路接入一個(gè)電阻元件(Rc)，用于獲得一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例的電壓差； 一個(gè)與該電阻元件(Rc)并聯(lián)的三極管(Qc)，用于將該電壓差 轉(zhuǎn)變成指數(shù)形式的電流，補(bǔ)償給該基準(zhǔn)電壓。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電壓源，其特征在于，該三極管(Qc)的發(fā)射 極和集電極并聯(lián)在該電阻元件(Rc)的兩端，基極和集電極與該基準(zhǔn)電壓形成 回路。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電壓源，其特征在于，該基礎(chǔ)核心電路包括 一個(gè)鏡像電路，包括兩個(gè)性能匹配的CMOS管(MP1和MP2); 一個(gè)誤差放大器，用于在兩個(gè)CMOS管(MP1和MP2)的源極所在回路獲得具有相同電勢(shì)的節(jié)點(diǎn)(P01禾口 P02)，輸入端跨接在該CMOS管(MP1 和MP2)的源極所在回路，輸出端與CMOS管(MPl禾nMP2)的柵極聯(lián)接；一個(gè)電阻(R。和一個(gè)三極管(Qi)，聯(lián)接在其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)(P01)，和一個(gè)三極管(Q2)，聯(lián)接在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)(P02)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電壓源，其特征在于，該三極管(Qc)具有 多倍于該三極管(Q2)的寬長(zhǎng)比。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電壓源，其特征在于，還包括一第三鏡像支路， 具有一CMOS管(MP5)，與該鏡像電路的CMOS管(MP2)并聯(lián)，其源極 反饋鏡像電流，供給該誤差放大器。
全文摘要
一種具有曲率補(bǔ)償電路CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括啟動(dòng)電路；基準(zhǔn)核心電路；曲率補(bǔ)償電路；以及，基準(zhǔn)電壓輸出電路。本發(fā)明的具有曲率補(bǔ)償電路的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源利用PTAT電流在電阻上形成PTAT電壓用于檢測(cè)溫度的變化，即ms1鏡像的電流在RC2上形成的電壓V(P06)為與溫度成正比的電壓，采用BJT三極管QC2發(fā)射極與基極的電壓差V_EB與BJT集電極電流的指數(shù)關(guān)系，以及集電極電流和基極電流的近似線性關(guān)系形成了將隨溫度線性變化的檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為指數(shù)形式的補(bǔ)償電流對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G05F3/24GK101226414SQ20081005721
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者鄭儒富 申請(qǐng)人:北京中星微電子有限公司