專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高精度電壓基準(zhǔn)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬集成電壓基準(zhǔn)電路的技術(shù)領(lǐng)域，是一種高精度電壓基準(zhǔn)電路，用于各類(lèi)電源IC、ADC等系統(tǒng)中，也可作為一個(gè)獨(dú)立的IP核。

背景技術(shù)：
目前對(duì)于模擬IC的性能要求越來(lái)越高，希望在寬溫度范圍的環(huán)境下，能提供高精度的電壓和電流，同時(shí)為節(jié)省功耗，對(duì)電源電壓值也要求越來(lái)越低，這樣就勢(shì)必要求有高精度和低電壓值的基準(zhǔn)。
目前有兩種電壓基準(zhǔn)，一種是電壓?；鶞?zhǔn)，另一種是電流?；鶞?zhǔn)。電壓?；鶞?zhǔn)將二極管PN結(jié)導(dǎo)通壓降VBE(負(fù)溫度系數(shù))，與兩個(gè)PN結(jié)的導(dǎo)通電壓之差ΔVBE(正溫度系數(shù))按特定的比例相加，消除正負(fù)溫度系數(shù)，即可得到與溫度近似無(wú)關(guān)的電壓基準(zhǔn)。
這種以電壓求和模式得到基準(zhǔn)電壓為 其中溫度T0為300K，JC是三極管集電極電流密度，VG0是溫度為0K時(shí)的帶隙電壓，JC0是溫度在300K時(shí)集電極電流密度，κ是波爾茲曼常數(shù)，η為工藝系數(shù)。此基準(zhǔn)電壓Vref一般情況下大約為1.25V，與溫度、電源電壓和工藝近似無(wú)關(guān)，但溫度系數(shù)較大約為10～20ppm/℃，而這不能滿(mǎn)足高精度產(chǎn)品的要求，而且其值比較大，也不能應(yīng)用于低基準(zhǔn)電壓系統(tǒng)。
傳統(tǒng)電流模基準(zhǔn)如圖1所示，電流?；鶞?zhǔn)能有效地降低基準(zhǔn)電壓值，其基本原理為分別將電壓VBE和ΔVBE通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化為電流，得到負(fù)溫度系數(shù)和正溫度系數(shù)的電流，將這兩種溫度系數(shù)的電流按合適比例相加，得到溫度系數(shù)接近于零的電流。再經(jīng)電阻將此電流轉(zhuǎn)化為電壓，即可得到數(shù)值可調(diào)的低電壓基準(zhǔn)。這種結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)雖然可以根據(jù)需要方便的調(diào)節(jié)值的大小，從而應(yīng)用于各種場(chǎng)合，但是其溫度系統(tǒng)通常也是10～20ppm/℃，同樣面臨精度不夠的問(wèn)題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種高精度電壓基準(zhǔn)電路。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明一種高精度電壓基準(zhǔn)電路，包括第一、第二三極管、第一至第三MOS管、放大器和第一至第四電阻，其中第一至第三MOS管的源極分別接電源，第一至第三MOS管的柵極分別接放大器的輸出端，第一MOS管的漏極分別接第一電阻的一端、第二電阻一端和放大器的正輸入端，第一電阻的另一端分別與第一三極管的集電極和基極、第二三極管的集電極和基極、第三電阻一端以及第四電阻一端連接接地，第二電阻另一端接第一三極管的發(fā)射極，第二MOS管的漏極分別接放大器的負(fù)輸入端、第三電阻另一端和第二三極管發(fā)射極，第三MOS管的漏極接第四電阻另一端； 其特征在于還包括第四至第六MOS管和第五至第七電阻，其中第四MOS管的源極接電源，第四MOS管的柵極接放大器的輸出端，第四MOS管的漏極分別接第五電阻的一端和第六MOS管的柵極，第五電阻的另一端分別接第六電阻的一端和第六MOS管的漏極，第六電阻的另一端分別接第六MOS管的源極、第七電阻的一端和第五MOS管的漏極，第七電阻的另一端分別接第五MOS管的柵極和第四電阻一端，第五MOS管的源極接第三MOS管的漏極，其中第四MOS管的漏極作為電壓基準(zhǔn)的輸出端。
所述第一至第五MOS管為P型MOS管。
所述第六MOS管為N型MOS管。
本發(fā)明通過(guò)補(bǔ)償電路，使基準(zhǔn)的電路的溫度系數(shù)大幅度降低，同時(shí)具有由于在電流模的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，因此基準(zhǔn)電壓值遠(yuǎn)小于1.25V，可以工作在低壓系統(tǒng)中。



圖1為傳統(tǒng)的電流模基準(zhǔn)電路。
圖2為傳統(tǒng)電流?；鶞?zhǔn)溫度特性圖。
圖3為本發(fā)明提出的二階曲線(xiàn)修正的基準(zhǔn)電路。
圖4二階曲線(xiàn)修正基準(zhǔn)的溫度特性圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明 圖1中，R3中的電流為VBE/R3。運(yùn)放虛短特性使得A、B兩點(diǎn)電位相等，則R1中的電流為VBE/R1，R2電流為ΔVBE/R2，因此流經(jīng)相同寬長(zhǎng)比的M1與M2的電流為 在忽略電阻溫度系數(shù)的條件下，為保證電流I是零溫度系數(shù)，因此必須滿(mǎn)足 可得 顯然R1/R2約束關(guān)系與電壓?；鶞?zhǔn)補(bǔ)償所需求電阻比例關(guān)系完全相同，將以上電流通過(guò)電流鏡復(fù)制到M3，并經(jīng)過(guò)電阻R4將電流轉(zhuǎn)化為電壓，因此基準(zhǔn)電壓為 將式(4)代入式(5)可得 因此只要選擇恰當(dāng)?shù)碾娮鑂4與R1的比值，就能得到所需要的電壓基準(zhǔn)電壓。同時(shí)也可對(duì)電阻R4分壓取樣以得到多路輸出基準(zhǔn)。此外，當(dāng)上式中各類(lèi)電阻均采用同類(lèi)型電阻時(shí)，由于電阻溫度系數(shù)相互抵消，因此即使電阻溫度系數(shù)存在，也與以上基于零溫度系數(shù)電阻下獲得的結(jié)論大致相當(dāng)。電流?；鶞?zhǔn)電壓仿真結(jié)果如圖2所示。
如圖2所示，從-50℃開(kāi)始的低溫段，基準(zhǔn)電壓隨溫度升高而下降；而在50℃以上的高溫段，電壓開(kāi)始隨溫度升高而上升。因此可以設(shè)想在-50℃時(shí)，給電阻R4注入附加的正溫度系數(shù)電流，減少基準(zhǔn)電壓在低溫段的負(fù)溫度系數(shù)。從圖2可知在50℃時(shí)，基準(zhǔn)電壓隨溫度升高而上升，又由于注入了正溫度系數(shù)電流，在高溫階段基準(zhǔn)電壓勢(shì)必隨溫度升高而升高得更加顯著，因此有必要在高溫段從電阻R4中抽出部分正溫度系數(shù)電流，使基準(zhǔn)電壓恒定。
基于一階補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電路，在-50℃到150℃的范圍內(nèi)Vref溫度系數(shù)TC大于10ppm/℃。為了得到溫度系數(shù)更低的基準(zhǔn)的電壓，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。
為了對(duì)電流?；鶞?zhǔn)進(jìn)行二階補(bǔ)償，需要兩個(gè)合適的正溫度系數(shù)電流。MOS管的開(kāi)啟電壓VTH為負(fù)溫度系數(shù)，因此可以通過(guò)合理的偏置，實(shí)現(xiàn)MOS管電流隨溫度升高而上升的溫度特性。二階修正的基準(zhǔn)電壓電路如圖3所示。
如圖3所示，本發(fā)明一種高精度電壓基準(zhǔn)電路，包括第一、第二三極管Q1、Q2、第一至第三MOS管M1～M3、放大器amp和第一至第四電阻R1～R4，其中第一至第三MOS管M1～M3的源極分別接電源Vdd，第一至第三MOS管M1～M3的柵極分別接放大器amp的輸出端，第一MOS管M1的漏極分別接第一電阻R1的一端、第二電阻R2一端和放大器amp的正輸入端，第一電阻R1的另一端分別與第一三極管Q1的集電極和基極、第二三極管Q2的集電極和基極、第三電阻R3一端以及第四電阻R4一端連接接地，第二電阻R2另一端接第一三極管Q1的發(fā)射極，第二MOS管M2的漏極分別接放大器amp的負(fù)輸入端、第三電阻R3另一端和第二三極管Q2發(fā)射極，第三MOS管M3的漏極接第四電阻R4另一端； 還包括第四至第六MOS管M4～M6和第五至第七電阻R5～R7，其中第四MOS管M4的源極接電源Vdd，第四MOS管M4的柵極接放大器amp的輸出端，第四MOS管M4的漏極分別接第五電阻R5的一端和第六MOS管M6的柵極，第五電阻R5的另一端分別接第六電阻R6的一端和第六MOS管M6的漏極，第六電阻R6的另一端分別接第六MOS管M6的源極、第七電阻R7的一端和第五MOS管M5的漏極，第七電阻R7的另一端分別接第五MOS管M5的柵極和第四電阻R4一端，第五MOS管M5的源極接第三MOS管M3的漏極，其中第四MOS管M4的漏極作為電壓基準(zhǔn)Vref的輸出端。
所述第一至第五MOS管M1～M5為P型MOS管。
所述第六MOS管M6為N型MOS管。
圖3中M5偏置在亞閾值區(qū)，其電流為 式(7)中n是亞閾值斜率因子，ID0是一個(gè)與工藝相關(guān)的參數(shù)。
而閾值電壓|VTP|對(duì)時(shí)間T求導(dǎo)為 式(8)中Eg為是溫度T＝0K下硅元素的能帶間隙，φf(shuō)為費(fèi)米電勢(shì)，γ為MOS管的體效應(yīng)系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度上升，VTH減少，這樣圖4.3中M5電流上升，使電阻R7的電壓增加，可以補(bǔ)償在-50℃～50℃基準(zhǔn)電壓隨溫度升高而下降。由于M3管電流恒定，當(dāng)M5的電流增加后，A點(diǎn)電壓應(yīng)略有下降。也就是M5的源極電壓略有下降。這就對(duì)電路來(lái)說(shuō)是有利的，因?yàn)樗梢允筂5電流隨溫度的增加而上升得不至過(guò)大。
M6也偏置在亞閾值區(qū)，用來(lái)減緩原電流?；鶞?zhǔn)在50℃時(shí)電壓逐漸上升以及由M5在高溫時(shí)帶來(lái)的電壓上升。當(dāng)溫度升高，M6管電流增加，對(duì)電阻R6分流，使得R6的壓降減少，從而有效抑制了基準(zhǔn)電壓隨溫度升高而上升。由于電流?；鶞?zhǔn)電壓在全溫區(qū)范圍內(nèi)偏差電壓約1.2mV，因此高階補(bǔ)償電壓值調(diào)整范圍應(yīng)在1mV左右，設(shè)R6和R7為40KΩ，則M5和M6電流應(yīng)在幾十納安的數(shù)量級(jí)。
圖3的二階曲線(xiàn)修正基準(zhǔn)的仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出溫度系數(shù)為2.57ppm/℃，最大的偏差電壓ΔVMAX約為160μV。該基準(zhǔn)電路的溫度特性完全可以滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用需要。
權(quán)利要求
1.一種高精度電壓基準(zhǔn)電路，包括第一、第二三極管(Q1、Q2)、第一至第三MOS管(M1～M3)、放大器(amp)和第一至第四電阻(R1～R4)，其中第一至第三MOS管(M1～M3)的源極分別接電源(Vdd)，第一至第三MOS管(M1～M3)的柵極分別接放大器(amp)的輸出端，第一MOS管(M1)的漏極分別接第一電阻(R1)的一端、第二電阻(R2)一端和放大器(amp)的正輸入端，第一電阻(R1)的另一端分別與第一三極管(Q1)的集電極和基極、第二三極管(Q2)的集電極和基極、第三電阻(R3)一端以及第四電阻(R4)一端連接接地，第二電阻(R2)另一端接第一三極管(Q1)的發(fā)射極，第二MOS管(M2)的漏極分別接放大器(amp)的負(fù)輸入端、第三電阻(R3)另一端和第二三極管(Q2)發(fā)射極，第三MOS管(M3)的漏極接第四電阻(R4)另一端；
其特征在于還包括第四至第六MOS管(M4～M6)和第五至第七電阻(R5～R7)，其中第四MOS管(M4)的源極接電源(Vdd)，第四MOS管(M4)的柵極接放大器(amp)的輸出端，第四MOS管(M4)的漏極分別接第五電阻(R5)的一端和第六MOS管(M6)的柵極，第五電阻(R5)的另一端分別接第六電阻(R6)的一端和第六MOS管(M6)的漏極，第六電阻(R6)的另一端分別接第六MOS管(M6)的源極、第七電阻(R7)的一端和第五MOS管(M5)的漏極，第七電阻(R7)的另一端分別接第五MOS管(M5)的柵極和第四電阻(R4)一端，第五MOS管(M5)的源極接第三MOS管(M3)的漏極，其中第四MOS管(M4)的漏極作為電壓基準(zhǔn)(Vref)的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度電壓基準(zhǔn)電路，其特征在于所述第一至第五MOS管(M1～M5)為P型MOS管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度電壓基準(zhǔn)電路，其特征在于所述第六MOS管(M6)為N型MOS管。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種高精度電壓基準(zhǔn)電路，包括第一、第二三極管、第一至第三MOS管、放大器和第一至第四電阻，還包括第四至第六MOS管和第五至第七電阻。本發(fā)明利用了PMOS和NMOS管閾值電壓溫度系數(shù)為負(fù)值的原理，設(shè)計(jì)了兩個(gè)正溫度系數(shù)微小電流，通過(guò)在不同溫度段內(nèi)往基準(zhǔn)電流中分別注入和抽出微小電流，實(shí)現(xiàn)的精密的溫度補(bǔ)償，從而得到溫度系數(shù)低電壓基準(zhǔn)。本發(fā)明降低了基準(zhǔn)的電路的溫度系數(shù)，基準(zhǔn)電壓值遠(yuǎn)小于1.25V，可以工作在低壓系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G05F3/30GK101763138SQ20091026457
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者謝凌寒 申請(qǐng)人:無(wú)錫芯朋微電子有限公司