本發(fā)明涉及電子技術領域，尤其涉及一種具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐贰?/p>

背景技術：

現(xiàn)有技術中，帶隙基準源作為模擬集成電路中應用最廣泛的基本電路，大量應用于高精度模擬集成電路中，如led驅動電路，dc/dc變換器，ac/dc變換器、高精度adc或dac中，隨著模擬集成電路的不斷發(fā)展，對帶隙基準源的精度、低溫漂、穩(wěn)定性等特性提出越來越高的要求，有些電路中的帶隙基準源的特性甚至直接影響系統(tǒng)最重要參數(shù)的性能和精度。

集成電路中集成的功率開關管工作時發(fā)熱會導致芯片內(nèi)部溫度升高，那么帶隙基準的溫度特性會影響系統(tǒng)性能與溫度的關系，傳統(tǒng)一階帶隙基準電路通常是由具有正溫度系數(shù)的基極-發(fā)射極電壓之差(△vbe)和具有負溫度系數(shù)的基極-發(fā)射極電壓(vbe)按一定比例相加，抵消二者的溫度系數(shù)得到零溫度的帶隙基準電壓源，理論中可知△vbe是隨溫度線性上升，而vbe中包含溫度線性項和溫度高階項，高階溫度補償可以抵消vbe中的溫度高階項，使基準電壓具有更低的溫度漂移。

圖1和圖2分別示出了一個示例性的帶隙基準電壓一階溫度補償原理和高階溫度補償原理的示意圖。

如圖1所示，兩條虛線分別為兩個面積不同的三極管vbe電壓之差△vbe和一個三極管vbe電壓，利用具有正溫度系數(shù)的△vbe和具有負溫度系數(shù)的vbe按照一定比例相加，得到一階帶隙基準溫度補償電路vref，即圖1中實線，一階帶隙基準通常具有十幾ppm/℃到幾十ppm/℃的溫度漂移。

如圖2所示，三條虛線中除了利用vbe和△vbe形成一階帶隙基準電壓，還利用了一個非線性項vnl對vbe中的非線性項進行補償，非線性補償電壓vnl通?？梢圆捎脺囟鹊闹笖?shù)、對數(shù)或二次項進行補償，通常能達到幾個ppm/℃甚至更低。由于vbe中的非線性項為t*lnt形式。

然而，現(xiàn)有的帶隙基準高階溫度補償方案存在以下問題：1)補償電路元器件過多，增加了補償量隨工藝、溫度、失配波動的風險；2)電路設計本身會隨失配導致補償?shù)木容^差；3)某些電路的過多粗糙的理論近似結果帶來的實際帶隙基準高階溫度補償精度差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐贰?/p>

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐?，其特征在于，包括啟動電路、偏置電路、正溫度電流產(chǎn)生電路、負溫度電流產(chǎn)生電路、高階溫度補償電流產(chǎn)生電路、電流疊加電路及帶隙基準電壓產(chǎn)生電路；

其中，所述高階溫度補償電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生高階溫度補償電流，通過將高階溫度補償電流產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的電壓與一階帶隙基準電壓中非線性溫度項相抵消，得到具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐贰?/p>

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：根據(jù)本發(fā)明的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐吠ㄟ^在一階帶隙基準電壓源基礎上增加高階溫度補償電路，使其產(chǎn)生的高階補償電壓能有效抵消一階帶隙基準電壓中的非線性項溫度系數(shù)，從而得到具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐罚徊⑶?，根?jù)本發(fā)明的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐穬H在一階帶隙基準電壓源基礎上增加了少量元器件，極大的簡化了高階溫度補償電路，從而避免由于引入更多的由工藝、溫度、失配而引入的偏差，在保證一階精度的基礎上，有效的進行高階溫度補償，并且成本較低。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1示出了一個示例性的帶隙基準電壓一階溫度補償原理的示意圖；

圖2示出了一個示例性的帶隙基準電壓高階溫度補償原理的示意圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐返氖疽鈭D。

附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

圖3示意出了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐返氖疽鈭D。

參照圖3，所述帶隙基準電壓源電路包括啟動電路1、偏置電路2、正溫度電流產(chǎn)生電路3、負溫度電流產(chǎn)生電路4、高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5和電流疊加電路及帶隙基準電壓產(chǎn)生電路6。

其中，所述啟動電路1用于在電源上電時，啟動電路幫助基準電路脫離“零”兼并點，使其進入正常工作狀態(tài)，基準建立后，將啟動電路關斷。

其中，所述啟動電路1包括啟動電阻r1，nmos管：mn1、mn2和mn5。其中，mn1和mn2組成電流鏡，mn5為下拉管。

其中，啟動電阻r1的一端與電源相連，另一端與mn1的漏極和柵極，以及mn2的柵極相連；mn2的漏極與偏置電路2中mp1的柵極、正溫度電流產(chǎn)生電路3中mp3和mp5的柵極相連；mn5的漏極與mn1和mn2的柵極相連，mn5的柵極與基準電壓vbg相連；mn1、mn2和mn5的源極與地相連。

其中，所述偏置電路2用于為基準電路中的pmos共源共柵電路中的共柵級提供柵極偏置電壓。所述偏置電路2包括pmos管：mp1和mp2，nmos管：mn3和mn4。其中，mn3和mn4組成電流鏡。

其中，mp1和mp2的源極與電源相連，mp1的漏極與mn3的柵極、漏極以及mn4的柵極相連；mn3和mn4的源極與地相連，mn4的漏極與mp2的柵極和漏極相連。

其中，所述正溫度電流產(chǎn)生電路3用于產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流iptat。所述正溫度電流產(chǎn)生電路3包括pmos管mp3、mp4、mp5和mp6，放大器op1，pnp管：q1和q2，以及電阻r2。其中，mp3和mp4、mp5和mp6分別組成共源共柵電路。

其中，op1的正相輸入端與電阻r2的一端、mp4的漏極相連，op1的負相輸入端與q2的發(fā)射極、mp6的漏極相連，op1的輸出端與mp3和mp5的柵極、啟動電路1中mn2的漏極、偏置電路2中mp1的柵極相連；mp4和mp6的柵極與啟動電路1中mp2的柵極、漏極相連；mp3和mp5的漏極分別與mp4和mp6的源極相連；電阻r2的另一端與q1的發(fā)射極相連；q1和q2的基極和集電極都與地相連。

其中，所述負溫度電流產(chǎn)生電路4用于產(chǎn)生負溫度系數(shù)電流ictat。所述負溫度電流產(chǎn)生電路4包括放大器op2，pmos管：mp7和mp8，以及電阻r3，所述負溫度電流產(chǎn)生電路4復用了正溫度電流產(chǎn)生電路3中的q2。

其中，op2的正相輸入端與電阻r3的一端、mp8的漏極，以及高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5中的電阻r4的一端相連，r3的另一端與地相連；放大器op2的負相輸入端與正溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路3中q2的發(fā)射極、op1的負相輸入端、以及mp6的漏極相連，op2的輸出端與mp7的柵極、mp9，以及mp13相連；mp7的源極與電源相連，其漏極與mp8的源極相連；mp8的柵極與mp2的柵極相連。

其中，所述高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5用于產(chǎn)生高階溫度補償電流，通過將高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5所產(chǎn)生的電壓與一階帶隙基準電壓中非線性溫度項相抵消，得到具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐贰?/p>

具體地，所述高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5通過復用一階帶隙基準電路中流過正溫度電流產(chǎn)生電路3中的三極管與高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5中流過零溫度系數(shù)的三極管的電壓的差值，使得該差值與一階帶隙基準電壓中非線性溫度項相抵消，從而得到具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐贰?/p>

所述高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5包括電阻r4、pnp管q3、pmos管：mp9、mp10、mp11和mp12，所述高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5復用了正溫度電流產(chǎn)生電路3中的q2和負溫度電流產(chǎn)生電路4中的放大器op2。其中，mp9、mp10、mp11和mp12組成共源共柵電路。

其中，電阻r4的一端與r3的一端、放大器op2正相輸入端、以及mp8的漏極相連，電阻r4的另一端與q3的發(fā)射極、mp10和mp12的漏極相連；q3的基極和集電極與地相連；mp10和mp12的柵極與mp8的柵極、mp4的柵極、mp6的柵極、以及mp2的柵極和漏極相連，mp10與mp12的源極分別與mp9和mp11的漏極相連；mp9的柵極與mp7的柵極、放大器op2的輸出端連接在一起；mp11的柵極與mp1、mp3、mp5的柵極、mn2漏極以及放大器op1的輸出端相連，mp9和mp11的源極與電源相連。

其中，所述電流疊加電路及帶隙基準電壓產(chǎn)生電路6用于將負溫度系數(shù)電流、正溫度系數(shù)電流以及補償電流按照一定比例疊加，并流過電阻r5產(chǎn)生帶隙基準電壓vbg。

其特征在于，所述電流疊加電路及帶隙基準電壓產(chǎn)生電路包括pmos管：mp13、mp14、mp15、mp16，和電阻r5。其中，mp13、mp14、mp15和mp16組成共源共柵電路。

其中，mp13的柵極與mp7和mp9的柵極相連；mp15的柵極與mp1、mp3、mp5、mp11的柵極相連；mp13和mp15的源極與電源相連，mp13的漏極和mp15的漏極分別與mp14的源極和mp16的源極相連；mp14和mp16的柵極與mp2、mp4、mp6、mp8、mp10、mp12的柵極相連，mp14和mp16的漏極與電阻r5的一端、mn5的柵極相連；電阻r5的另一端與地相連。

下面結合圖3來詳細闡述根據(jù)本發(fā)明的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐返母唠A溫度補償原理及實現(xiàn)方法。

參照圖3，啟動時，電源電壓上升，r1支路電流通過電流鏡鏡像到mn2，mn2將mp3與mp5的柵極電壓拉低，使正溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路脫離“零”兼并點，正溫度電流產(chǎn)生電路建立，vbe2電壓為0.7v左右，此時放大器op2的正向輸入端電壓為零，放大器op2輸出端將mp7和mp9以及mp13的柵極電壓拉低，負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路建立。同時，mp2為共源共柵電路的共柵級提供柵極偏置，基準電壓vbg建立后，mn5開啟將mn1和mn2的柵極拉低，啟動完成。

工作時，放大器op1的輸出端通過調(diào)整mp3和mp5的柵極使得放大器op1正、負相輸入端電壓相等，因此可得到通過r2的電流，即具有正溫度系數(shù)電流iptat為：

其中n為q1和q2的個數(shù)比。

同理，放大器op2通過調(diào)整mp7的柵極使得放大器op2的正相輸入端電壓與負相輸入端電壓vbe2相等，因此電阻r3的電流，即具有負溫度系數(shù)的電流ictat為：

若無高階溫度補償電流產(chǎn)生電路5，則通過電流疊加電路將iptat電流和ictat相加，再流過電阻r5得到一階溫度補償帶隙基準電壓為：

vbe電壓與溫度的關系為：

其中，vg0表示硅的帶隙基準電壓；t0表示室溫；vbe0表示室溫時的vbe電壓；γ表示與工藝相關的溫度系數(shù)，取值為3.6～4；jc表示bjt集電極電流密度。jc和溫度的關系為：

將jc帶入公式(4)中得到：

因此可知公式(3)中，vbe2項中含有溫度高階項。

若bjt流過的電流為零溫度系數(shù)電流，則α＝0，若bjt流過iptat電流則α＝1。r4電阻的一端電壓值與流過iptat電流的q2管的vbe電壓值相等，r4電阻的另一端電壓等于流過零溫度系數(shù)電流的q3的vbe電壓，因此，流過電阻r4的電流，即補償電流為：

其中，m為q3管和q2管的個數(shù)比；a2、a3分別為q2管和q3管的面積。從公式(7)中可以看出iptat+ictat+2inl為零溫度系數(shù)量，而iptat為正溫度系數(shù)量，因此補償電流inl具有t*lnt形式，可利用此項抵消vbe中非線性項。

通過公式(6)計算inl也可以得出inl與溫度的關系，利用流過iptat電流的q2的vbe2電壓減去流過零溫度系數(shù)的q3的vbe3電壓，有：

由于q2流過的電流為iptat，而q3流過的電流為iptat+ictat+2inl，所以vbe2_0不等于vbe3_0。

優(yōu)選地，為了使此兩項能相約，iq2和iq3分別表示流過q2和q3的電流，要保證iq2:iq3＝a2:a3＝1:m。通過對高階補償原理中的vbe2_0與vbe3_0相約條件進行了進一步的嚴格控制，即iq2：iq3＝a3:a2＝1:m，使得補償電流這種微小的電流盡可能少的受到失調(diào)或理論分析中不嚴謹?shù)慕茖е碌难a償電流精度很差的影響。

在調(diào)節(jié)一階帶隙基準時，iptat與ictat在常溫時近似相等，因此可以設置m的值為2，使得vbe2_0與vbe3_0相約，最后得到inl為：

由于補償電流inl與iptat和ictat相比很小，因此不宜用單獨的電流鏡鏡像，因為較小的電流使得電流鏡工作在亞閾值區(qū)，閾值電壓(vth)失配使得電流隨vgs呈指數(shù)關系增長，對電流的影響比工作在強反型區(qū)的影響更大，因為強反型區(qū)工作的mos管電流隨vgs呈平方關系增長，因此利用原有的負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路中的共源共柵管mp7和mp8，將inl與ictat相疊加并一起鏡像出去，這樣使得mp7和mp8都工作在強反型區(qū)。加入inl修正后的q3集電極電流為：

ic3＝iptat+ictat+2inl(10)

mp7中的電流為ictat+inl，并鏡像給電流疊加電路中的mp13；同時mp5中電流為iptat，并鏡像給電流疊加電路中的mp15，mp13電流和mp15電流經(jīng)過電流疊加后，并令r4＝r3后，得到零溫度系數(shù)電流iconstant為：

此電流流過電阻r5，并令r5＝r3后，得到的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷簽椋?/p>

根據(jù)本發(fā)明的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐吠ㄟ^在一階帶隙基準電壓源基礎上增加高階溫度補償電路，使其產(chǎn)生的高階補償電壓能有效抵消一階帶隙基準電壓中的非線性項溫度系數(shù)，從而得到具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐?；并且，根?jù)本發(fā)明的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐穬H在一階帶隙基準電壓源基礎上增加了少量元器件，極大的簡化了高階溫度補償電路，從而避免由于引入更多的由工藝、溫度、失配而引入的偏差，在保證一階精度的基礎上，有效的進行高階溫度補償，并且成本較低。

需要說明的是，圖3所示的具有高階溫度補償?shù)膸痘鶞孰妷涸措娐穬H為說明本發(fā)明的較佳示例，并非限制本發(fā)明保護范圍。任何依據(jù)本發(fā)明構思范圍進行的，包括對pnp管調(diào)換成npn管，pmos管調(diào)換成nmos管，對電路的局部構造的變更、在本發(fā)明提供構思下對電路實現(xiàn)方法的變更，以及其它非實質性的替換、修改或修飾等，均屬于本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。

對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化涵括在本發(fā)明內(nèi)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然“包括”一詞不排除其他單元或步驟，單數(shù)不排除復數(shù)。系統(tǒng)權利要求中陳述的多個單元或裝置也可以由一個單元或裝置通過軟件或者硬件來實現(xiàn)。第一，第二等詞語用來表示名稱，而并不表示任何特定的順序。