本發(fā)明屬于模擬集成電壓基準(zhǔn)源電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬輸入范圍高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電壓源。

背景技術(shù)：

基準(zhǔn)電壓源將電源電壓轉(zhuǎn)換為與溫度和電源電壓近似無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓，其作用主要在于向電路中的其他模塊提供穩(wěn)定的偏置和參考電壓。基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性直接關(guān)系到電路的工作狀態(tài)，為了使電路系統(tǒng)在外部環(huán)境(例如工作溫度、電源電壓)變化的情況下正常工作，低溫漂系數(shù)、高電源電壓抑制比是電壓基準(zhǔn)源的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)采用一個(gè)具有負(fù)溫度特性的pn結(jié)電壓和具有正溫度特性的熱電壓vt＝kt/q來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如圖1，但由于vbe并不是與溫度線性相關(guān)的，故此種技術(shù)只能對(duì)vbe中的一階溫度分量進(jìn)行補(bǔ)償，而vbe中包含的二階和更高階溫度分量依然存在，因此必須采用高階溫度補(bǔ)償技術(shù)消去vbe中的非線性溫度分量，以減小帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)?，F(xiàn)有的高階溫度補(bǔ)償技術(shù)有：二階曲率補(bǔ)償技術(shù)、指數(shù)曲率補(bǔ)償技術(shù)等。

現(xiàn)有技術(shù)中，一種采用二階曲率補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)(見(jiàn)文獻(xiàn)songbs,graypr.aprecisioncurvature-compensatedcmosbandgapreference[j].ieeejournalofsolid-statecircuits,1983,18(6):634-643.)通過(guò)采用線性溫度補(bǔ)償校正電壓項(xiàng)ptat與二階溫度補(bǔ)償校正電壓項(xiàng)ptat²相結(jié)合的方式對(duì)vbe進(jìn)行補(bǔ)償，但是這種技術(shù)用來(lái)產(chǎn)生ptat²的電路比較復(fù)雜，靜態(tài)功耗較大且需要占用大量的芯片面積，故這種技術(shù)只適合產(chǎn)生單片基準(zhǔn)或者被應(yīng)用于混合集成電路中，并不適合作為芯片上的參考電壓。

現(xiàn)有技術(shù)中，一種采用指數(shù)曲率補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)(見(jiàn)文獻(xiàn)leei,kimg,kimw.exponentialcurvature-compensatedbicmosbandgapreferences[j].ieeejournalofsolid-statecircuits,1994,29(11):1396-1403.)利用二極管的電流增益β隨溫度呈指數(shù)變化的特性對(duì)vbe進(jìn)行補(bǔ)償，該種技術(shù)相比于二階曲率補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是功耗較低、占用芯片面積較小。但采用這種技術(shù)的基準(zhǔn)電路的缺點(diǎn)是電源電壓不能太低，而且在cmos標(biāo)準(zhǔn)工藝中制造的pnp管的β的值很難控制。

電源、電阻的噪聲會(huì)限制帶隙基準(zhǔn)電壓源的精度，在這其中，電源噪聲是主要影響因素，因此必須要提高帶隙基準(zhǔn)電壓源對(duì)電源噪聲的抑制能力，以使得帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠適用于高速高精度的應(yīng)用場(chǎng)合。電源抑制比越高，表示電路對(duì)噪聲的抑制越強(qiáng)。目前，提高電源電壓抑制比的技術(shù)有多種，例如，共源共柵技術(shù)，電源紋波前饋技術(shù)等。

現(xiàn)有技術(shù)中，一種采用共源共柵提高電源電壓抑制比的技術(shù)(見(jiàn)文獻(xiàn)huis,xiaobow,xiaolangy.aprecisebandgapreferencewithhighpsrr[c].electrondevicesandsolid-statecircuits,2005ieeeconferenceon.ieee,2005:267-270.)通過(guò)增加輸出節(jié)點(diǎn)到電源的阻抗降低了電源噪聲在輸出點(diǎn)的電壓分量，從而提高了電源電壓抑制性能，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是這種技術(shù)增加了凈空電壓(最小穩(wěn)態(tài)工作電源電壓)，不適用于低電源電壓系統(tǒng)。

現(xiàn)有技術(shù)中，一種采用電源紋波前饋技術(shù)提高電源電壓抑制比的技術(shù)(見(jiàn)文獻(xiàn)mehrmaneshs,vahidfarmb,aslanzadehha,etal.a1-volt,highpsrr,cmosbandgapvoltagereference[c].circuitsandsystems,2003.iscas'03.proceedingsofthe2003internationalsymposiumon.ieee,2003,i:381-384.)通過(guò)采用預(yù)調(diào)節(jié)的電流源給帶隙基準(zhǔn)核電路供電并通過(guò)采用反饋回路以減少帶隙基準(zhǔn)核電路對(duì)電源電壓的依賴，從而提高了電源電壓抑制性能。與共源共柵技術(shù)相比，這種技術(shù)雖然沒(méi)有增加凈空電壓，但是頻率特性較差，穩(wěn)定性能不好，實(shí)用性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種寬輸入范圍高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電壓源，寬輸入范圍體現(xiàn)在寬溫度范圍內(nèi)保證低溫度系數(shù)。本發(fā)明通過(guò)電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生一個(gè)低溫漂、高電源抑制比的電壓給帶隙基準(zhǔn)核電路供電，帶隙基準(zhǔn)核電路在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的基礎(chǔ)上加了非線性電流產(chǎn)生電路，通過(guò)采用兩個(gè)mos管的柵源電壓之差δvgs對(duì)vbe中包含的二階和更高階溫度分量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，大大降低了基準(zhǔn)電壓輸出vref的溫度系數(shù)。本發(fā)明通過(guò)采用電壓預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)電源噪聲進(jìn)行抑制，有效提高了帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比，使帶隙基準(zhǔn)電壓源可以適應(yīng)高精度的應(yīng)用需求。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種寬輸入范圍高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于：包括電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路和帶隙基準(zhǔn)核電路，電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路包括第一啟動(dòng)電路、偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和運(yùn)算放大器電路，第一啟動(dòng)電路的輸出連接偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出連接運(yùn)算放大器電路，運(yùn)算放大器電路輸出預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg對(duì)帶隙基準(zhǔn)核電路進(jìn)行供電，同時(shí)運(yùn)算放大器電路的輸出還反饋至運(yùn)算放大器電路的輸入端，以提高偏置和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的低溫漂電壓源的電源抑制性能；帶隙基準(zhǔn)核電路包括第二啟動(dòng)電路、負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路、非線性電流inl產(chǎn)生電路和電流電壓轉(zhuǎn)換電路，第二啟動(dòng)電路的輸出分別連接負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路和非線性電流inl產(chǎn)生電路，負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路的輸出及非線性電流inl產(chǎn)生電路的輸出經(jīng)過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換電路疊加后轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)電壓vref輸出，其中：

電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路中：

第一啟動(dòng)電路包括pmos管p1、pmos管p2及電容cst1；pmos管p1和p2的源極均連接電源vdd，pmos管p1的漏極分別與pmos管p2的柵極和電容cst1的一端連接在一起，電容cst1的另一端連接地；

偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括pmos管p3、pmos管p4，nmos管n1、nmos管n2、nmos管n3、nmos管n4及電阻r1；pmos管p3和p4的源極連接電源vdd，pmos管p3的柵極與pmos管p4的柵極互連并與pmos管p3的漏極、nmos管n1的漏極以及第一啟動(dòng)電路中pmos管p1的柵極連接在一起，nmos管n1的柵極與nmos管n2的柵極互連并與nmos管n2的漏極、pmos管p4的漏極以及第一啟動(dòng)電路中pmos管p2的漏極連接在一起，nmos管n1的源極連接nmos管n3的漏極，nmos管n2的源極分別與電阻r1的一端和nmos管n4的柵極連接，電阻r1的另一端分別與nmos管n3的柵極和nmos管n4的漏極連接，nmos管n3和n4的源極均接地；

運(yùn)算放大器電路設(shè)有兩級(jí)運(yùn)算放大器，包括pmos管p5、pmos管p6、pmos管p7、nmos管n5、nmos管n6、nmos管n7、電阻r2和r3以及電容cm1，其中pmos管p5、pmos管p6、nmos管n5、nmos管n6、nmos管n7構(gòu)成第一級(jí)雙端輸入單端輸出差分放大器，pmos管p7構(gòu)成第二級(jí)共源放大器，電阻r2和r3為反饋網(wǎng)絡(luò)，將第二級(jí)共源放大器的輸出反饋至第一級(jí)雙端輸入單端輸出差分放大器的同相輸入端，電容cm1為密勒補(bǔ)償電容；pmos管p5、p6、p7的源極連接電源vdd，pmos管p5的柵極與pmos管p6的柵極互連并連接pmos管p6的漏極和nmos管n6的漏極，pmos管p5的漏極與nmos管n5的漏極互連并連接pmos管p7的柵極和電容cm1的一端，電容cm1的另一端連接pmos管p7的漏極和電阻r2的一端，電阻r2的另一端與電阻r3的一端互連并連接nmos管n6的柵極，nmos管n5的柵極與nmos管n7的柵極互連并連接偏置及基準(zhǔn)產(chǎn)生電路中nmos管n2的源極，nmos管n5的源極與nmos管n6的源極互連并連接nmos管n7的漏極，nmos管n7的源極和電阻r3的另一端均接地，pmos管p7的漏極為運(yùn)算放大器電路的輸出端同時(shí)也是電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路的輸出端，輸出預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg；

帶隙基準(zhǔn)核電路中：

第二啟動(dòng)電路包括pmos管p8、pmos管p9及電容cst2，pmos管p8和p9的源極連接電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路輸出的預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，pmos管p8的漏極連接pmos管p9的柵極和電容cst2的一端，電容cst2的另一端連接地；

負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路包括pmos管p10、pmos管p11、pmos管p12、pmos管p13、pmos管p14、pmos管p15、nmos管n8、nmos管n9、nmos管n10，pnp三極管q1、pnp三極管q2，電阻r4、電阻r5、電阻r6和電容cm2；pmos管p10、p11、p12、p15的源極均連接電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路輸出的預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，pmos管p10、p11、p12、p15的柵極互連并與第二啟動(dòng)電路中pmos管p8的柵極連接，pmos管p12的漏極連接pmos管p13的源極和pmos管p14的源極，pmos管p13的柵極與pmos管p10的漏極、pnp三極管q1的發(fā)射極、電阻r4的一端以及第二啟動(dòng)電路中pmos管p9的漏極連接在一起，pmos管p14的柵極與pmos管p11的漏極、電阻r5的一端以及電阻r6的一端連接在一起，電阻r6的另一端連接pnp三極管q2的發(fā)射極，nmos管n8的柵極與nmos管n9的柵極互連并連接nmos管n8的漏極和pmos管p13的漏極，pmos管p14的漏極與nmos管n9的漏極、nmos管n10的柵極以及電容cm2的一端連接在一起，電容cm2的另一端與pmos管p15的漏極和nmos管n10的漏極連接在一起，pnp三極管q1的基極和集電極、pnp三極管q2的基極和集電極、nmos管n8、n9及n10的源極、電阻r4的另一端以及電阻r5的另一端均接地；

非線性電流inl產(chǎn)生電路包括pmos管p16、pmos管p17、pmos管p18、nmos管n11、pmos管n12、pmos管n13、pmos管n14及電阻r7；pmos管p16的源極、pmos管p17的源極和pmos管p18的源極均連接電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路輸出的預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，pmos管p16的柵極連接第二啟動(dòng)電路中pmos管p9的柵極，pmos管p16的漏極與pmos管p17的漏極、nmos管n11的漏極和柵極以及nmos管n12的柵極連接在一起，pmos管p17的柵極與pmos管p18的柵極互連并連接pmos管p18的漏極和nmos管n12的漏極，nmos管n11的源極連接nmos管n13的柵極和漏極，nmos管n12的源極通過(guò)電阻r7連接nmos管n14的柵極和漏極，nmos管n13的源極及nmos管n14的源極均接地；

電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括pmos管p19、pmos管p20及電阻r8，pmos管p19的源極和pmos管p20的源極均連接電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路輸出的預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，pmos管p19的柵極連非線性電流inl產(chǎn)生電路中pmos管p18的柵極，pmos管p20的柵極連接負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路中pmos管p11的柵極，pmos管p19的漏極與pmos管p20的漏極以及電阻r8的一端連接在一起并作為帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出端，輸出基準(zhǔn)電壓vref，電阻r8的另一端接地。

所述電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路中的偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中所有的mos管都工作于強(qiáng)反型飽和區(qū)；pmos管p3與pmos管p4的寬長(zhǎng)比為1:1，nmos管n1與nmos管n2的寬長(zhǎng)比為1:1，nmos管n3與nmos管n4的寬長(zhǎng)比為k:1。

所述帶隙基準(zhǔn)核電路中的負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路中，pmos管p10與pmos管p11的寬長(zhǎng)比為1:1，pnp三極管q1與q2的發(fā)射結(jié)面積之比為1:n，電阻r4和r5的阻值相同。

所述帶隙基準(zhǔn)核電路中的非線性電流inl產(chǎn)生電路中，nmos管p17與nmos管p18的寬長(zhǎng)比為1:1，nmos管n11與nmos管n12溝道寬長(zhǎng)比為1:1,nmos管n13與nmos管n14的寬長(zhǎng)比為1：k。

所述電流電壓轉(zhuǎn)換電路中的pmos管p19與非線性電流inl產(chǎn)生電路中的pmos管p18的寬長(zhǎng)比為1:1，電流電壓轉(zhuǎn)換電路中的pmos管p20與負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路中的pmos管p11的寬長(zhǎng)比為1:1。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：

(1)本發(fā)明采用了一種電壓預(yù)調(diào)節(jié)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，通過(guò)對(duì)電源電壓vdd進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生一個(gè)低溫漂、高電源抑制比的預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，由預(yù)調(diào)節(jié)電壓對(duì)帶隙基準(zhǔn)核電路進(jìn)行供電，這樣就大大減小了電源電壓噪聲和波動(dòng)對(duì)帶隙基準(zhǔn)核電路的影響，提高了帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源電壓抑制性能和線性調(diào)整性能。

(2)電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路的特點(diǎn)是采用負(fù)溫度系數(shù)電壓vgs和正溫度系數(shù)電壓δvgs做和運(yùn)算進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，?shí)現(xiàn)了一個(gè)低溫漂的預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，并且電壓vreg對(duì)電源電壓具有較強(qiáng)的噪聲抑制能力，降低了電源噪聲vdd對(duì)帶隙基準(zhǔn)核電路的影響，使得帶隙基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)輸出vref具有很強(qiáng)的電源電壓抑制性能。

(3)本發(fā)明采用了一種非線性電流inl產(chǎn)生電路，通過(guò)兩個(gè)mos管n13、n14的柵源電壓之差δvgs對(duì)vbe中包含的二階和更高階溫度分量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以完全抵消vbe的二階溫度分量，部分抵消vbe的三階、四階分量，從而減小了帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出基準(zhǔn)電壓vref的溫度系數(shù)，具有低溫漂的特性。

附圖說(shuō)明

圖1是傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路圖；

圖2是本發(fā)明提出的寬輸入范圍高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電壓源的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明近似零溫度系數(shù)電流的生成原理圖；

圖4是本發(fā)明提出的寬輸入范圍高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路圖；

圖5是本發(fā)明帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)(tc)仿真波形；

圖6是本發(fā)明帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出基準(zhǔn)(vref)隨電源電壓(vdd)變化的仿真波形；

圖7是本發(fā)明帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比(psrr)仿真波形。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉的實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖2，本發(fā)明包括電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路和帶隙基準(zhǔn)核電路，電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路包括啟動(dòng)電路1、偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和運(yùn)算放大器電路，啟動(dòng)電路1的輸出連接偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出連接運(yùn)算放大器電路，運(yùn)算放大器電路輸出一個(gè)高電源抑制比、低溫漂的預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg對(duì)帶隙基準(zhǔn)核電路進(jìn)行供電，同時(shí)運(yùn)算放大器電路的輸出還反饋至運(yùn)算放大器電路的輸入端，以提高偏置和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的低溫漂電壓源的電源抑制性能。帶隙基準(zhǔn)核電路包括啟動(dòng)電路2、負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路、非線性電流inl產(chǎn)生電路和電流電壓轉(zhuǎn)換電路，啟動(dòng)電路2的輸出分別連接負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路和非線性電流inl產(chǎn)生電路，負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路的輸出及非線性電流inl產(chǎn)生電路的輸出經(jīng)過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換電路疊加后轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)電壓vref輸出。

如圖4，電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路中的啟動(dòng)電路1包括pmos管p1、p2和電容cst1，啟動(dòng)電路1用來(lái)使偏置電路脫離零穩(wěn)態(tài)，轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。pmos管p3、p4、nmos管n1～n4和電阻r1構(gòu)成了偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，作為偏置電路為運(yùn)算放大器電路提供一個(gè)不隨電源電壓變化的近似穩(wěn)定的偏置電流，作為基準(zhǔn)源電路為帶隙基準(zhǔn)核電路提供一個(gè)低溫漂的電壓源。pmos管p5～p7、nmos管n5～n7構(gòu)成了兩級(jí)運(yùn)算放大器電路，密勒補(bǔ)償電容cm1跨接在第二級(jí)放大電路的輸入端與輸出端之間，使電路能夠穩(wěn)定工作。兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸出通過(guò)由電阻r2、r3構(gòu)成的電阻負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)連接至兩級(jí)運(yùn)算放大器的輸入，以提高偏置和基準(zhǔn)源電路產(chǎn)生的低溫漂電壓源的電源抑制性能。

pmos管p1、p2和電容cst1構(gòu)成了電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路中的啟動(dòng)電路1，pmos管p1、p2的源極都連接至電源vdd，pmos管p1的漏極分別與pmos管p2的柵極和電容cst1的一端連接在一起，電容cst1的另一端連接地。電路上電時(shí)p1的柵極電位為零狀態(tài)，故p1關(guān)斷，電容cst1上電壓也為零，p2的柵極相當(dāng)于接地，p2導(dǎo)通，因?yàn)閜2管的漏極連接偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中n2的柵極，故n2的柵極被抬高，電源通過(guò)p2、n2、r1、n4到地形成低阻通路，電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路的偏置電路開(kāi)始啟動(dòng)，當(dāng)偏置電路啟動(dòng)完成后，偏置及基準(zhǔn)源電壓產(chǎn)生電路將正常工作，pmos管p3、p4導(dǎo)通且工作在飽和區(qū)，因?yàn)閜3、p4的柵極與p1的柵極連接在一起，故p1導(dǎo)通且工作在飽和區(qū)，cst1上電壓為高電平，p2關(guān)斷，啟動(dòng)電路與偏置電路脫離聯(lián)系，啟動(dòng)電路不會(huì)對(duì)基準(zhǔn)源造成影響。

pmos管p3、p4、nmos管n1～n4和電阻r1構(gòu)成了電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路中的偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，pmos管p3、p4的源極連接電源vdd，pmos管p3的柵極與pmos管p4的柵極互連并連接pmos管p3的漏極、nmos管n1的漏極，nmos管n1的柵極與nmos管n2的柵極互連并連接nmos管n2的漏極、pmos管p4的漏極以及啟動(dòng)電路中p2的漏極，pmos管p3、p4、nmos管n1、n2構(gòu)成電流鏡，設(shè)pmos管p3和p4的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1:1，nmos管n1和n2的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1:1，則nmos管n1和n2流過(guò)相同的電流。nmos管n1的源極連接n3的漏極，n2的源極連接n4的柵極、電阻r1的一端，電阻r1的另一端與n3的柵極、n4的漏極相連，n3、n4的源極均接地。當(dāng)電路上電后，啟動(dòng)電流注入n1的柵極，剛開(kāi)始時(shí)電流比較微小，故電阻r1上的壓降可以被忽略，此時(shí)n4相當(dāng)于一個(gè)mos二極管，啟動(dòng)電流經(jīng)過(guò)n1的放大后，又經(jīng)過(guò)電流鏡(p3和p4)反饋回n1，形成了電流正反饋，使得電流鏡電路脫離電流為0的簡(jiǎn)并點(diǎn)。當(dāng)電流變大，出現(xiàn)過(guò)沖時(shí)，電阻r1的負(fù)反饋?zhàn)饔瞄_(kāi)始體現(xiàn)，電阻r1上的壓降變大使得n3的vgs電壓降低，從而減弱n1的電流，最終正反饋和負(fù)反饋維持在一個(gè)平衡狀態(tài)，電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。因?yàn)閚3的柵源電壓比n4的柵源電壓小，為保證n3與n4流過(guò)相同的偏置電流，故設(shè)計(jì)n3和n4的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為k:1，偏置電流ib由n3與n4的柵源電壓vgs的壓差和電阻r1共同決定，電阻r1上的電壓與n4的漏源電壓相加得基準(zhǔn)電壓vref1，令電路中所有的晶體管都工作于強(qiáng)反型飽和區(qū)，則有以下計(jì)算公式：

式中，μn為n型載流子遷移率,cox為單位面積的柵氧電容,w、l分別為nmos管n3和n4的溝道寬度及長(zhǎng)度，t表示工作溫度，t0表示參考電壓，t和t0均表示熱力學(xué)溫度；vth表示nmos管工作溫度為t時(shí)的開(kāi)啟電壓，kth表示開(kāi)啟電壓vth的溫度系數(shù)，vth0表示溫度為t0時(shí)的vth電壓。由公式3可知，在不考慮mos管的溝道調(diào)制效應(yīng)情況下，偏置電流ib與電源電壓無(wú)關(guān)，因此，該偏置電路具有較高的電源電壓抑制性能。由于遷移率μn具有負(fù)溫度特性，若不考慮電阻r1的溫度系數(shù)，則ib具有正溫度系數(shù)特性，故δvgs3，4具有正溫度系數(shù)特性；因?yàn)関th為負(fù)溫度系數(shù)的電壓，故vgs表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)的電壓。正溫度系數(shù)特性的δvgs3，4與負(fù)溫度系數(shù)的vgs相加得基準(zhǔn)電壓vref1，所以偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出vref1具有低溫漂特性。

令偏置電流ib＝kbt^η，kb為溫度無(wú)關(guān)量，η值為1左右；遷移率μn＝kut^-n，ku為溫度無(wú)關(guān)量，n值為1.5左右。對(duì)基準(zhǔn)電壓vref1進(jìn)行一階求導(dǎo)可以得到：

令vref1的一階導(dǎo)數(shù)在t1(在溫度-45～125℃范圍內(nèi))溫度點(diǎn)為零，即可以使vref1獲得溫度系數(shù)最小的電壓。

pmos管p5～p7、nmos管n5～n7構(gòu)成了電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路中的一個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器電路，其中，pmos管p5、p6、nmos管n5～n7構(gòu)成了第一級(jí)雙端輸入單端輸出差分放大器電路，pmos管p5、p6的源極連接電源電壓vdd，pmos管p5和p6的柵極互連并連接p6的漏極、nmos管n6的漏極，p5的漏極連接n5的漏極，為差分放大器的輸出端，n5的柵極是差分放大器的反相輸入端，n6的柵極是差分放大器的同相輸入端，偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出vref1與n5的柵極相連，為差分放大器電路提供一個(gè)低溫漂的電壓源。n5和n6的源極互連并連接n7的漏極，偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出vref1連接n7的柵極，為差分放大器電路提供一個(gè)不隨電源電壓變化的近似穩(wěn)定的偏置電流，pmos管p7構(gòu)成第二級(jí)放大器，為共源放大，第一級(jí)差分放大器電路的輸出連接p7的柵極，p7的漏極輸出預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，p7的漏極與電阻r2的一端連接在一起，r2的另一端與r3相連，并反饋連接第一級(jí)差分放大器的同相輸入端。在共源放大器p7的輸入端與輸出端之間跨接了一個(gè)密勒補(bǔ)償電容cm1，用來(lái)降低帶寬以提高增益裕度，避免運(yùn)放產(chǎn)生震蕩。

下面結(jié)合圖4敘述運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)提高電源電壓抑制比的工作原理，首先，對(duì)分析過(guò)程中公式用到的一些參數(shù)定義如下：psrrvreg為預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg的電源電壓抑制比，v1表示第一級(jí)差分放大器的輸出電壓，電阻rbgr表示帶隙基準(zhǔn)核電路的vreg到gnd之間的有效阻抗，gm1表示pmos管p7的跨導(dǎo)；ro1表示p7的輸出阻抗，a表示差分放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。第一級(jí)差分放大器電路與p7、r2和r3構(gòu)成了一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，當(dāng)vreg電壓升高時(shí)，節(jié)點(diǎn)vf電壓也會(huì)升高，第一級(jí)運(yùn)放輸出電壓v1升高，vreg電壓減小，因此電壓vreg將會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)固定的電壓值附近。由運(yùn)放虛短虛斷特性可以得出輸出預(yù)調(diào)節(jié)電壓為：

式中，vref1表示偏置及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出。由于vref1具有低溫漂特性，由公式6知vreg與vref1呈線性關(guān)系，故預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg具有低溫漂特性。

對(duì)p7進(jìn)行小信號(hào)電源電壓抑制比分析，根據(jù)電路中各節(jié)點(diǎn)電壓、電流關(guān)系可以得到如下關(guān)系表達(dá)式：

v1＝avf公式8

式中，vf、vreg、v1、vdd表示各節(jié)點(diǎn)電壓的小信號(hào)變化量。由公式10可知，在電阻r2和r3比值確定的情況下，預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg的電源電壓抑制比(psrrvreg)同運(yùn)放開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)a相關(guān)，a越大psrrvreg越負(fù)，即vreg的電源電壓抑制性能越強(qiáng)，由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)a一般很大，所以vreg具有高電源抑制比的特性。而帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出電壓vref的電源電壓抑制比(psrrvref)為：

psrrvref＝psrrvreg×psrrvref-vreg公式11

式中psrrvref-vreg表示帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出電壓vref對(duì)預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg的電源電壓抑制比?？梢钥闯觯妷侯A(yù)調(diào)節(jié)電路可以將帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源電壓抑制性能提高將近a倍。

如圖3，為近似零溫度系數(shù)電流的生成原理圖。為了獲得近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)輸出電壓，可以首先生成零溫度系數(shù)的電流，然后由零溫度系數(shù)電流轉(zhuǎn)化為零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)輸出電壓，零溫度系數(shù)的電流(iconstant)是負(fù)溫度系數(shù)電流(ictat)、正溫度系數(shù)電流(iptat)和非線性電流(inl)三者之和，ictat、iptat和inl由電壓-電流(v-i)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生。ictat、iptat和inl由不同的電壓來(lái)產(chǎn)生：ictat由三極管基-射極電壓(vbe)來(lái)產(chǎn)生；iptat由兩個(gè)vbe電壓之差δvbe來(lái)產(chǎn)生；inl由兩個(gè)vgs電壓之差來(lái)產(chǎn)生。

圖4中，pmos管p8、p9和電容cst2構(gòu)成了帶隙基準(zhǔn)核電路的啟動(dòng)電路2。pmos管p8、p9的源極都連接至預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，pmos管p8的漏極與pmos管p9的柵極和電容cst2的一端連接在一起，電容cst2的另一端連接地。電路上電時(shí)p8的柵極電位為零狀態(tài)，故p8關(guān)斷，因此電容cst2上電壓也為零，p9的柵極相當(dāng)于接地，故p9導(dǎo)通，iptat及ictat產(chǎn)生電路中，pnp管q1的基極與集電極連接在一起，故q1相當(dāng)于一個(gè)二極管，p9的漏極與q1的發(fā)射極連接在一起，故二極管正向?qū)?，電源通過(guò)p9、q1到地形成低阻通路，iptat及ictat產(chǎn)生電路開(kāi)始啟動(dòng)；當(dāng)iptat及ictat產(chǎn)生電路啟動(dòng)完成后，pmos管p10、p11導(dǎo)通且工作在飽和區(qū)，因?yàn)閜10、p11的柵極與p8的柵極連接在一起，故p8導(dǎo)通且工作在飽和區(qū)，p8的漏極為高電平，cst2上電壓為高電平，p9關(guān)斷，啟動(dòng)電路與iptat及ictat產(chǎn)生電路脫離聯(lián)系，啟動(dòng)電路不會(huì)對(duì)iptat及ictat產(chǎn)生電路造成影響。

pmos管p10～p15、nmos管n8～n10、pnp三極管q1、q2、電容cm2和電阻r4～r6構(gòu)成了負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路。pmos管p10、p11的源極連接預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，pmos管p12～p15、nmos管n8～n10和電容cm2構(gòu)成了運(yùn)算放大器op，其中p13的柵極為op的反相輸入端，p14的柵極為op的同相輸入端，運(yùn)算放大器op的輸出連接至p10、p11的柵極，pmos管p10的漏極與運(yùn)算放大器op的反相輸入端、pnp三極管q1的發(fā)射極，電阻r4的一端、啟動(dòng)電路中p9的漏極連接在一起，pmos管p11的漏極與運(yùn)算放大器op的正相輸入端、電阻r5、r6的一端連接在一起，電阻r6的另一端連接pnp三極管q2的發(fā)射極，pnp三極管q1、q2的基極與集電極連接在一起并且連接地，在電路中相當(dāng)于一個(gè)二極管。pmos管p10和p11的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1:1，三極管q1和q2的發(fā)射結(jié)面積之比為1:n，電阻r4和r5的阻值相同。利用運(yùn)算放大器虛短虛斷的特性保持節(jié)點(diǎn)電壓v2和v3相同，并且，為了維持電路穩(wěn)定，運(yùn)放的同相輸入端必須處于電阻r5的一側(cè)。pnp三極管q1的基極-集電極電壓vbe加在電阻r4兩端產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)電流ictat，由于節(jié)點(diǎn)電壓v2與v3相同，電阻r4與r5阻值相同，故流過(guò)電阻r4和r5的電流相等。pnp三極管q1的基極-集電極電壓與pnp三極管q2的基極-集電極電壓之差δvbe加在電阻r6兩端產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流iptat，流過(guò)三極管q1和q2的電流相等。由于pmos管p10和p11的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1:1，所以流過(guò)pmos管p10和p11的電流相等，為負(fù)溫度系數(shù)電流ictat和正溫度系數(shù)電流iptat之和，該電流通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換電路中pmos管p20拷貝，在電阻r8上轉(zhuǎn)換成電壓。

pnp三極管q1的基極-集電極電壓與pnp三極管q2的基極-集電極電壓之差δvbe為：

△vbe＝vtln(n)公式12

式中，vt表示溫度為t時(shí)的熱電壓；；n表示q2與q1的發(fā)射結(jié)面積之比。熱電壓vt可以表示為：

式中，k為波耳茲曼常數(shù)(1.38×10^–23j/k)，q為電子電荷(1.6×10^–19c)，t表示工作溫度，t0表示參考溫度，t和t0均為熱力學(xué)溫度，vt0表示溫度為t0時(shí)的熱電壓。

pnp三極管q1的基極-集電極電壓vbe與與溫度關(guān)系表達(dá)式為：

式中，vg0表示絕對(duì)零度時(shí)硅的帶隙電壓，約為1.2v；t表示工作溫度，t0表示參考溫度，vbe0表示溫度為t0時(shí)的vbe電壓，nq表示工藝因子，取值范圍為3.6～4；δ表示與集電極電流相關(guān)的參數(shù)。vt表示溫度為t時(shí)的熱電壓。

用正溫度系數(shù)的電壓δvbe補(bǔ)償負(fù)溫度系數(shù)的電壓vbe的方法稱為一階補(bǔ)償法，由公式14可知vbe與溫度成非線性關(guān)系，一階補(bǔ)償只能抵消掉vbe中的一階溫度分量，而二階及更高階的分量仍然存在，故一階補(bǔ)償?shù)玫降臏仄禂?shù)較高，因此要進(jìn)行高階補(bǔ)償。兩個(gè)同類(lèi)型器件飽和區(qū)的柵源電壓vgs之差是正溫度系數(shù)的電壓，其溫度系數(shù)受載流子遷移率控制，本發(fā)明利用載流子遷移率對(duì)vbe電壓中的非線性項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到高階補(bǔ)償?shù)哪康模旅鏀⑹龇蔷€性電流的產(chǎn)生原理。

pmos管p16～p18、nmos管n11～n14以及電阻r7構(gòu)成了非線性電流inl產(chǎn)生電路。pmos管p16～p18的源極連接預(yù)調(diào)節(jié)電壓vreg，pmos管p16為非線性電流inl產(chǎn)生電路提供啟動(dòng)信號(hào)，p16的柵極連接第二啟動(dòng)電路中p9的柵極，漏極連接n11的漏極和柵極、n12的柵極、p17的漏極，當(dāng)電路上電后，p16的柵極被拉低，故p16導(dǎo)通。因?yàn)閜16的漏極連接n12的柵極，故n12的柵極被抬高，電源通過(guò)p16、n12、r7、n14到地形成低阻通路，非線性電流產(chǎn)生電路inl開(kāi)始啟動(dòng)。pmos管p17與pmos管p18的柵極互連并連接p18的漏極、n12的漏極，pmos管p17、p18、nmos管n11、n12構(gòu)成了電流鏡，設(shè)計(jì)nmos管p17和p18的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1:1，nmos管n11和n12溝道寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1:1，故流過(guò)nmos管n11和n12的電流相等，nmos管n13的柵極與漏極連接在一起并與nmos管n11的源極相連，nmos管n12的源極連接電阻r7的一端，nmos管n14的柵極與漏極連接在一起并與電阻r7的另一端相連，當(dāng)電路上電后，啟動(dòng)電流注入n12的柵極，剛開(kāi)始時(shí)電流比較微小，故電阻r7上的壓降可以被忽略，啟動(dòng)電流經(jīng)過(guò)n12放大后，又經(jīng)過(guò)電流鏡(p17和p18)反饋回n12，形成了電流正反饋，使得電流鏡電路脫離電流為0的簡(jiǎn)并點(diǎn)。當(dāng)電流變大，出現(xiàn)過(guò)沖時(shí)，電阻r7的負(fù)反饋?zhàn)饔瞄_(kāi)始體現(xiàn)，電阻r7上的壓降變大使得n14的vgs電壓降低，從而減弱n12的電流，最終正反饋和負(fù)反饋維持在一個(gè)平衡狀態(tài)，電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。因?yàn)閚14的柵源電壓比n13的柵源電壓小，為保證n13與n14流過(guò)相同的偏置電流，故設(shè)計(jì)兩個(gè)增強(qiáng)型nmos管n13和n14的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1：k，令電路中所有的晶體管都工作于強(qiáng)反型飽和區(qū)，則有以下計(jì)算公式：

式中，vgs13為n13的柵源電壓，vgs14為n14的柵源電壓；μn為n型載流子遷移率；cox為單位面積的柵氧電容,w、l分別為nmos管n13和n14的溝道寬度及長(zhǎng)度；設(shè)非線性電流inl＝k1t^m，遷移率μn＝k2t^-n，m和n表示與溫度無(wú)關(guān)的值，約為1.5左右，k1和k2都是與溫度無(wú)關(guān)的系數(shù)。

電流電壓轉(zhuǎn)換電路由pmos管p19、p20和電阻r8組成，p19和p20的漏極電流分別是由非線性電流inl產(chǎn)生電路和負(fù)溫度系數(shù)電流ictat及正溫度系數(shù)電流iptat產(chǎn)生電路復(fù)制。其中pmos管p19與p18的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1:1，pmos管p20與p11的寬長(zhǎng)比(w/l)之比為1:1。經(jīng)過(guò)pmos管p19和p20的電流拷貝，將負(fù)溫度系數(shù)電流ictat、正溫度系數(shù)電流iptat和非線性電流inl相加就可以獲得近似與溫度無(wú)關(guān)的電流iconstant，iconstant經(jīng)過(guò)電阻r8后就轉(zhuǎn)化成了近似與溫度無(wú)關(guān)的電壓vref。因此，輸出基準(zhǔn)電壓有如下關(guān)系式：

將公式12、公式13、公式14、公式15代入公式16，公式14中的δ取1，可將vref化簡(jiǎn)為溫度t的函數(shù)：

分別對(duì)vref進(jìn)行一階、二階求導(dǎo)得：

式中，vg0表示絕對(duì)零度時(shí)硅的帶隙電壓，約為1.2v；t表示工作溫度，t0表示參考溫度，t和t0均表示熱力學(xué)溫度；vbe0表示溫度為t0時(shí)的vbe電壓；vt0表示溫度為t0時(shí)的熱電壓；n表示q2與q1的發(fā)射結(jié)面積之比；nq表示工藝因子，取值范圍為3.6～4；m和n表示與溫度無(wú)關(guān)的值，約為1.5左右。k表示nmos管n13和n14的寬長(zhǎng)比(w/l)之比。

若令基準(zhǔn)電壓vref溫度曲線的駐點(diǎn)為t1，拐點(diǎn)為t2，則有下列關(guān)系：

由以上兩個(gè)關(guān)系式可以獲得關(guān)鍵電阻(r4～r8)之間的關(guān)系，基準(zhǔn)電壓vref為了獲得更低的溫度系數(shù)，t1和t2要處于溫度范圍(-45～125℃)之內(nèi)，再根據(jù)電流大小，可以確定電阻(r4～r8)的值。

如圖5，為本發(fā)明帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)(tc)仿真波形，仿真結(jié)果顯示，本發(fā)明的帶隙基準(zhǔn)電壓源在溫度范圍為-45～125℃時(shí)的溫度系數(shù)僅為0.14ppm/℃，基準(zhǔn)的精度得到了顯著的提高。

如圖6，為本發(fā)明帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出基準(zhǔn)(vref)隨電源電壓(vdd)變化的仿真波形。仿真結(jié)果顯示，本發(fā)明帶隙基準(zhǔn)電壓源的最低的可穩(wěn)定工作的電壓為3v。

如圖7，為本發(fā)明帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比(psrr)仿真波形。仿真結(jié)果顯示，本發(fā)明的帶隙基準(zhǔn)電壓源的低頻psrr可達(dá)125db，電源電壓抑制性能好。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不限于本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。