專利名稱：一種低溫度系數(shù)高階溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種低溫度系數(shù)高階溫度補(bǔ)償?shù)膸痘?準(zhǔn)電壓源。
背景技術(shù)：
帶隙基準(zhǔn)電壓源在模擬集成電路中有著廣泛的應(yīng)用，是重要的電路模塊之一。 許多模擬集成電路都需要精確而穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、直流-直流電壓變換器(DC-DC)、交流-直流電壓變換器(AC-DC)、線性穩(wěn)壓器、開關(guān) 穩(wěn)壓器、溫度傳感器和充電電池芯片電路，等等。電壓基準(zhǔn)源是這些電路的關(guān)鍵模塊，它的 性能將直接影響整個系統(tǒng)的性能。例如，對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電壓源控制著模擬量轉(zhuǎn)化成 數(shù)字量的縮放倍數(shù)。電壓基準(zhǔn)源的精度是影響整個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精確度的關(guān)鍵因素。因 此，一個高精度的電壓基準(zhǔn)源是實(shí)現(xiàn)一個高性能ADC的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源常常采用一階溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ玫捷^精確的基準(zhǔn)電壓。 IEEE 的期刊((Solid-State Circuits))在 1973 年 6 月號刊登的 Karel E. Kuijk 的論文 “A Precision Reference Voltage Source”介紹了一種傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，如圖1所示。 在該電路中，電阻Rll與R12的電阻值相等，流過電阻R12的電流為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，N是三極管Qll與Q12的發(fā)射結(jié)面積之比。由圖1可知，流過電阻Rll和R12 的電流相等，再結(jié)合上式，可知流過電阻Rll和R12均為PTAT電流。則輸出電壓為<formula>formula see original document page 3</formula>
其中，Vbeii是三極管Qll的基極與發(fā)射極之間的電壓，I11是流過電阻Rll的電流， K是電阻Rll和電阻R13的比值，即K = Rn/R13, Vt是熱電壓。由于Vt是僅具有一階溫度系數(shù)的電壓，但是Vbeii是具有高階溫度系數(shù)的電壓。因 此，根據(jù)上述輸出電壓表達(dá)式可知，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源只進(jìn)行了一階溫度補(bǔ)償，輸出電 壓仍然存在一定的溫度系數(shù)。所以，在很多實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的一階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓 源的精度并不能滿足整個系統(tǒng)對基準(zhǔn)源的性能要求，而需要采取一些其他的技術(shù)對傳統(tǒng)的 帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能進(jìn)行優(yōu)化和提升，降低基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)，使基準(zhǔn)電壓源能夠 應(yīng)用于高性能要求的系統(tǒng)之中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種低溫度系數(shù)高階溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源，能夠提供較低溫 度系數(shù)、較高精度的基準(zhǔn)電壓。一種低溫度系數(shù)高階溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源，包括一個產(chǎn)生具有高階溫度系 數(shù)電壓的電路單元和一個基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路單元。
所述的產(chǎn)生具有高階溫度系數(shù)電壓的電路單元包括一個運(yùn)算放大器，第三PMOS管、第四PMOS管、PNP型的第三三極管和第五電阻，其中其中運(yùn)算放大器的正、負(fù)輸入端分 別連接第五電阻的一端和第三三極管的發(fā)射極，第五電阻的另一端和第三三極管的基極、 集電極均接地，運(yùn)算放大器的輸出端連接第三PMOS管、第四PMOS管的柵極，第三PMOS管的 襯底、源極和第四PMOS管的襯底、源極均接工作電壓VDD，第三PMOS管的漏極連接運(yùn)算放大 器的負(fù)輸入端，第四PMOS管的漏極連接運(yùn)算放大器的正輸入端。所述的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路單元包括一個雙差分對運(yùn)算放大器、PNP型的第一三極 管、PNP型的第二三極管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻，其中雙差分對運(yùn)算放大 器的第一正輸入端連接第二三極管的發(fā)射極，雙差分對運(yùn)算放大器的第二正輸入端連接第 一三極管的發(fā)射極，第一三極管的基極、集電極和第二三極管的基極、集電極均接地，雙差 分對運(yùn)算放大器的第一負(fù)輸入端通過第一電阻與第一三極管的發(fā)射極相連，雙差分對運(yùn)算 放大器的第二負(fù)輸入端連接第三三極管的發(fā)射極，第四電阻通過第二電阻連接雙差分對運(yùn) 算放大器的第一負(fù)輸入端，第四電阻通過第三電阻連接第二三極管的發(fā)射極。所述的雙差分對運(yùn)算放大器包括兩個NMOS管和六個PMOS管，其中第五PMOS管、 第六PMOS管的柵極均接外加的偏置電壓，第五PMOS管的襯底、源極和第六PMOS管的襯底、 源極均接工作電壓VDD，第五PMOS管的漏極與第七PMOS管的襯底、源極，第八PMOS管的襯 底、源極相連，第七PMOS管的柵極和第八PMOS管的柵極分別作為雙差分對運(yùn)算放大器的第 二負(fù)輸入端、第二正輸入端引出，第七PMOS管的漏極與第二 NMOS管的漏極、第九PMOS管 的的漏極相連，第八PMOS管的漏極與第二 NMOS管的柵極，第三NMOS管的柵極、漏極，第十 PMOS管的漏極相連，第二 MOS管的襯底、源極和第三NMOS管的襯底、源極均接地，第六PMOS 管的漏極與第九PMOS管的襯底、源極，第十PMOS管的襯底、源極相連，第九PMOS管的柵極 和第十PMOS管的柵極分別作為雙差分對運(yùn)算放大器的第一負(fù)輸入端、第一正輸入端引出。所述的雙差分對運(yùn)算放大器的輸出端接第一 NMOS管的柵極，第一 NMOS管的源極 和襯底均接地，第一 NMOS管的漏極接第一 PMOS管的柵極、漏極和第二 PMOS管的柵極，第一 PMOS管的襯底、源極和第二 PMOS管的襯底、源極均接工作電壓VDD，第二 PMOS管的漏極與 第四電阻相連。所述的第一三極管和第二三極管的發(fā)射結(jié)面積成比例，所述的第一電阻、第二電 阻、第三電阻、第四電阻的電阻值成比例。本發(fā)明的電路采用了兩個發(fā)射結(jié)面積成比例的PNP型三極管，即第一三極管和第 二三極管，用它們射極與基極之間的電壓之差來生成具有一階溫度系數(shù)的電壓，用第一三 極管和第三三極管射極與基極之間的電壓之差來生成具有高階溫度系數(shù)的電壓，雙差分對 運(yùn)算放大器檢測到這兩個電壓，并耦合到輸出的基準(zhǔn)電壓上完成對其一階和高階溫度補(bǔ) 償，通過對第一三極管和第二三極管的發(fā)射結(jié)面積比例和第一電阻、第二電阻、第三電阻、 第四電阻的電阻值比例的調(diào)節(jié)來獲得一個具有較低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，它比傳統(tǒng)電路的 溫度系數(shù)要小得多。


圖1是傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路圖；圖2是本發(fā)明的電路圖3是雙差分對運(yùn)算放大器的電路圖。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，本發(fā)明提供一種低溫度系數(shù)高階溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源，包括 一個產(chǎn)生具有高階溫度系數(shù)電壓的電路單元11和一個基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路單元12。所述的產(chǎn)生具有高階溫度系數(shù)電壓的電路單元11包括一個運(yùn)算放大器，兩個 PMOS管M3、M4，一個PNP型三極管Q3，一個電阻R5，其中運(yùn)算放大器的正、負(fù)輸入端分別連 接電阻R5的一端和Q3的發(fā)射極，電阻R5的另一端和Q3的基極、集電極均接地，運(yùn)算放大 器的輸出端連接PMOS管M3、M4的柵極，PMOS管M3的襯底、源極和PMOS管M4的襯底和源 極均連接工作電壓VDD，PMOS管M3的漏極連接運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，PMOS管M4的漏極 連接運(yùn)算放大器的正輸入端。所述的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路單元12包括一個雙差分對運(yùn)算放大器，兩個PNP型三極 管Ql、Q2，四個電阻Rl、R2、R3、R4，其中雙差分對運(yùn)算放大器的第一正輸入端Pl連接三極 管Q2的發(fā)射極，雙差分對運(yùn)算放大器的第二正輸入端P2連接三極管Ql的發(fā)射極，三極管 Ql的基極、集電極與三極管Q2的基極、集電極將均接地，雙差分對運(yùn)算放大器的第一負(fù)輸 入端m通過電阻Rl與三極管Ql的發(fā)射極相連，雙差分對運(yùn)算放大器的第二負(fù)輸入端N2連 接三極管Q3的發(fā)射極，電阻R4分別通過電阻R2、R3與電阻R1、三極管Q2的發(fā)射極相連。所述的雙差分對運(yùn)算放大器的輸出端接NMOS管M5的柵極，NMOS管M5的源極和 襯底均接地，NMOS管M5的漏極接PMOS管Ml的柵極、漏極和PMOS管M2的柵極，PMOS管Ml 的襯底、源極和PMOS管M2的襯底、源極均接工作電壓VDD，PMOS管M2的漏極與電阻R4相 連。所述的PNP型三極管Q1、Q2的發(fā)射結(jié)面積成比例，所述的電阻R1、R2、R3、R4的電 阻值成比例。如圖3所示，所述的雙差分對運(yùn)算放大器包括兩個NMOS管M13、M14，六個PMOS管 M7、M8、M9、M10、M11、M12，其中PMOS管M7、M8的柵極接外加的偏置電壓Vbias，PMOS管M7的 襯底、源極和PMOS管M8的襯底、源極均接工作電壓VDD，PMOS管的漏極與PMOS管M9的襯 底、源極，PMOS管MlO的襯底、源極相連，PMOS管M9、MlO的柵極分別作為雙差分對運(yùn)算放 大器的第二負(fù)輸入端N2、第二正輸入端P2引出，PMOS管M9的漏極與NMOS管M13、PM0S管 Mll的漏極相連，PMOS管MlO的漏極與NMOS管M13的柵極，NMOS管M14的柵極、漏極，PMOS 管M12的漏極相連，NMOS管M13的襯底、源極和NMOS管M14的襯底、源極均接地，PMOS管 M8的漏極與PMOS管Mll的襯底、源極，PMOS管M12的襯底、源極相連，PMOS管Mil、M12的 柵極分別作為雙差分對運(yùn)算放大器的第一負(fù)輸入端Ni、第一正輸入端Pl引出。如圖3，雙差分對運(yùn)算放大器中的NMOS管M13和M14組成了電流鏡，則有IN1+IN2 = IP1+IP2 (1)其中Ini是流過PMOS管Ml 1的電流，In2是流過PMOS管M9的電流，Ipi是流過PMOS管M12的電流，Ip2是流過PMOS管MlO的電流。在電路正常工作時，PMOS管M9、M10、Mil、 M12均工作在飽和區(qū)，則式(1)可改寫為<formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>其中VGS, N1、VgsjN2、Vgs, P1、VGS, P2 分別是 PMOS 管 Ml 1、M9、Ml2、MlO 的柵源電壓，Vthp 是 它們的閾值電壓，且PMOS管M9、MlO的溝道長度、寬度相等，PMOS管M11、M12的溝道長度、
寬度相等。又因?yàn)镸OS管的跨導(dǎo)可寫為 ψgm = MCox — {VGS - Vm)(3)則式⑵可改寫為gml (VGS, N1-VTHP) +gm2 (VgsjN2-V) = gmi (Vgs, pi-Vthp) +gm2 (Vgs, F2-Vthp) (4)式(4)中，gml是PMOS管M11、M12的跨導(dǎo)，gm2是PMOS管M9、M10的跨導(dǎo)。由于Mll 管和M12管的源極電位，以及M9和MlO管的源電位相同，因此，式(4)可以改寫為gml (VG, N1-Vthp) +gm2 (VG, N2-VTHP) = gml (VG, P1-VTHP) +gm2 (VG, P2_VTHP) (5)結(jié)合圖2可看出，PMOS管Mil的柵源電壓Ve,N1即為雙差分對運(yùn)算放大器的第一負(fù) 輸入端m的端口電壓，它可以寫為VG, N1 = Veb^I1 . R1 (6)式(6)中的Vebi是三極管Ql的發(fā)射極與基極之間的電壓，I1是流經(jīng)電阻Rl的電 流。PMOS管M9的柵源電壓Ve,N2即為雙差分對運(yùn)算放大器的第二負(fù)輸入端N2的端口電壓， 它可以寫為VG,N2 = Veb3 (7)式(7)中的Veb3是三極管Q3的發(fā)射極與基極之間的電壓。PMOS管M12的柵源電 壓P1即為雙差分對運(yùn)算放大器的第一正輸入端Pl的端口電壓，它可以寫為VG, H = Veb2 (8)式(8)中的Veb2是三極管Q2的發(fā)射極與基極之間的電壓。PMOS管MlO的柵源電 壓Ve,P2即為雙差分對運(yùn)算放大器的第二正輸入端P2的端口電壓，它可以寫為VG, p2 = Vebi (9)將式(6)、(7)、(8)、(9)代入式(5)，可解出Il
^Yebi ~ ^EB3 ) + (FEB2 ~ ^EBI )j = gm)__(I。)
1 _R1用V1表示電阻R4與電阻R2之間的節(jié)點(diǎn)電壓，則它可以寫為V1 = Veb^I1 ‘ (R^R2) (11)用I2表示流經(jīng)電阻R3的電流，則它可以寫為 <formula>formula see original document page 6</formula>則本電路輸出的基準(zhǔn)電壓Vkef可寫為Veef = V^Itotal · R4 (13)式(13)中的It。tal為流經(jīng)電阻R4的電流，它可表示為Itotal = I^I2 (14)將式(10)、(11)、(12)、(14)代入式(13)中，得到基準(zhǔn)電壓Veef的最終表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>上述的式(12)可以根據(jù)式(10)和式(11)寫成<formula>formula see original document page 7</formula>(16)在本發(fā)明中，可以使得gm2/gml << 1，則根據(jù)式(10)和式(16)可得<formula>formula see original document page 7</formula>則<formula>formula see original document page 7</formula>(18)其中，N為三極管Q1、Q2的發(fā)射結(jié)面積之比。將式(18)帶入式(17)，可得，<formula>formula see original document page 7</formula>(19)根據(jù)式(19)可知，流過三極管Q、Q2的電流均是PTAT電流，從而使它們發(fā)射極與 基極之間的電壓VEB1、Veb2之差Veb2-Vebi具有一階溫度系數(shù)，正如式(18)所示。通過雙差分 對運(yùn)算放大器的第一正輸入端P1、第二正輸入端P2將流過三極管Q2、Q1的電流相加，匯聚 到NMOS管M14，并流過NMOS管M13、M14組成的電流鏡負(fù)載，將這個電壓差耦合到輸出的基 準(zhǔn)電壓上，完成對輸出基準(zhǔn)電壓的一階溫度補(bǔ)償。用13表示流經(jīng)電阻R5的電流，由電路結(jié)構(gòu)可知，電阻R5兩端電壓即為三極管Q3 發(fā)射極與基極之間的電壓，則<formula>formula see original document page 7</formula>(20)由式(20)可見，電流I3是具有高階負(fù)溫度系數(shù)的電流，并且通過PMOS管M3、M4 組成的電流鏡注入到三極管Q3的射極，迭代地形成三極管Q3的發(fā)射極與基極之間的電壓 Veb30 Veb3具有與Vebi不同的高階溫度系數(shù)，從而Vebi與Veb3的差Vebi-Veb3仍具有高階溫度系 數(shù)，通過雙差分對運(yùn)算放大器的第一負(fù)輸入端Ni、第一負(fù)輸入端N2將流過三極管Q1、Q3的 電流相加，匯聚到NMOS管M13，并流過PMOS管M13、M14組成的電流鏡負(fù)載，將這個電壓差 耦合到輸出的基準(zhǔn)電壓上，完成對輸出基準(zhǔn)電壓的高階溫度補(bǔ)償。所以在式(15)中，第一項(xiàng)是三極管的帶隙電壓，第二項(xiàng)完成了輸出基準(zhǔn)電壓的 一階溫度補(bǔ)償，第三項(xiàng)完成了輸出基準(zhǔn)電壓的高階溫度補(bǔ)償。也就是說，雙差分對運(yùn)算 放大器檢測到具有一階溫度系數(shù)的電壓差Veb2-Vebi，也檢測到具有高階溫度系數(shù)的電壓差 Vebi-Veb3，并將這兩個電壓差按照一定比例同時與Veb2耦合，從而得到高階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn) 電壓，并且可以通過調(diào)節(jié)三極管Ql和三極管Q2的發(fā)射結(jié)面積之比，以及電阻R1、R2、R3、R4 的電阻值之比，來獲得一個具有較低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VKEF。
權(quán)利要求
一種低溫度系數(shù)高階溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源，包括一個產(chǎn)生具有高階溫度系數(shù)電壓的電路單元(11)，該電路單元(11)包括一個運(yùn)算放大器，第三PMOS管(M3)，第四PMOS管(M4)，PNP型的第三三極管(Q3)，第五電阻(R5)，其中運(yùn)算放大器的正、負(fù)輸入端分別連接第五電阻(R5)的一端和第三三極管(Q3)的發(fā)射極，第五電阻(R5)的另一端和第三三極管(Q3)的基極、集電極均接地，運(yùn)算放大器的輸出端連接第三PMOS管(M3)、第四PMOS管(M4)的柵極，第三PMOS管(M3)的襯底、源極和第四PMOS管(M4)的襯底、源極均接工作電壓VDD，第三PMOS管(M3)的漏極連接運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，第四PMOS管(M4)的漏極連接運(yùn)算放大器的正輸入端；一個基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路單元(12)，該電路單元(12)包括一個雙差分對運(yùn)算放大器，PNP型的第一三極管(Q1)，PNP型的第二三極管(Q2)，第一電阻(R1)，第二電阻(R2)，第三電阻(R3)，第四電阻(R4)，其中雙差分對運(yùn)算放大器的第一正輸入端(P1)連接第二三極管(Q2)的發(fā)射極，雙差分對運(yùn)算放大器的第二正輸入端(P2)連接第一三極管(Q1)的發(fā)射極，第一三極管(Q1)的基極、集電極和第二三極管(Q2)的基極、集電極均接地，雙差分對運(yùn)算放大器的第一負(fù)輸入端(N1)通過第一電阻(R1)與第一三極管(Q1)的發(fā)射極相連，雙差分對運(yùn)算放大器的第二負(fù)輸入端(N2)連接第三三極管(Q3)的發(fā)射極，第四電阻(R4)通過第二電阻(R2)連接雙差分對運(yùn)算放大器的第一負(fù)輸入端(N1)，第四電阻(R4)通過第三電阻(R3)連接第二三極管(Q2)的發(fā)射極；所述的雙差分對運(yùn)算放大器包括兩個NMOS管和六個PMOS管，其中第五PMOS管(M7)、第六PMOS管(M8)的柵極均接外加的偏置電壓，第五PMOS管(M7)的襯底、源極和第六PMOS管(M8)的襯底、源極均接工作電壓VDD，第五PMOS管(M7)的漏極與第七PMOS管(M9)的襯底、源極，第八PMOS管(M10)的襯底、源極相連，第七PMOS管(M9)的柵極和第八PMOS管(M10)的柵極分別作為雙差分對運(yùn)算放大器的第二負(fù)輸入端(N2)、第二正輸入端(P2)引出，第七PMOS管(M9)的漏極與第二NMOS管(M13)的漏極、第九PMOS管(M11)的的漏極相連，第八PMOS管(M10)的漏極與第二NMOS管(M13)的柵極，第三NMOS管(M14)的柵極、漏極，第十PMOS管(M12)的漏極相連，第二MOS管(M13)的襯底、源極和第三NMOS管(M14)的襯底、源極均接地，第六PMOS管(M8)的漏極與第九PMOS管(M11)的襯底、源極，第十PMOS管(M12)的襯底、源極相連，第九PMOS管(M11)的柵極和第十PMOS管(M12)的柵極分別作為雙差分對運(yùn)算放大器的第一負(fù)輸入端(N1)、第一正輸入端(P1)引出；所述的雙差分對運(yùn)算放大器的輸出端接第一NMOS管(M5)的柵極，第一NMOS管(M5)的源極和襯底均接地，第一NMOS管(M5)的漏極接第一PMOS管(M1)的柵極、漏極和第二PMOS管(M2)的柵極，第一PMOS管(M1)的襯底、源極和第二PMOS管(M2)的襯底、源極均接工作電壓VDD，第二PMOS管(M2)的漏極與第四電阻(R4)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于，所述的第一三極管(Ql)和第 二三極管(Q2)的發(fā)射結(jié)面積成比例，所述的第一電阻(Rl)，第二電阻(R2)，第三電阻(R3)， 第四電阻(R4)的電阻值成比例。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫度系數(shù)高階溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源，通過將具有高階負(fù)溫度系數(shù)的電流注入一個PNP型三極管，得到具有高階溫度系數(shù)的電壓，并將該電壓通過雙差分對運(yùn)算放大器耦合到最終的輸出基準(zhǔn)電壓之中，補(bǔ)償三極管帶隙電壓中的高階溫度分量，從而得到高階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓。由于傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源只采用了一階溫度補(bǔ)償，該基準(zhǔn)電壓通過高階溫度補(bǔ)償，較傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源有較大的性能提升，具有較低的溫度系數(shù)。
文檔編號G05F3/30GK101825912SQ201010162189
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者付大偉, 佀鴻偉, 何樂年, 寧志華, 徐碧野, 王煊, 陸燕鋒, 陳帥 申請人:浙江大學(xué)