專利名稱：基于高階溫度補(bǔ)償互補(bǔ)疊加的高精度帶隙基準(zhǔn)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合型高階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路，屬于模擬電路技術(shù)領(lǐng)域，具 體涉及兩階非線性溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)產(chǎn)生、溫度特性曲線調(diào)整、基準(zhǔn)電壓的疊加或選擇控制。
背景技術(shù)：
基準(zhǔn)電壓與穩(wěn)壓源相近但不同，兩者的共同點(diǎn)是都能提供穩(wěn)定的電壓?；鶞?zhǔn)電壓 通常沒有負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，只能驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載，但對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求極高，主要有溫度穩(wěn)定 性和電源穩(wěn)定性。穩(wěn)壓源顧名思義，作為一種穩(wěn)定的電壓源具有很強(qiáng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，因此 更加關(guān)注電壓隨電源變化以及電源噪聲影響下的輸出穩(wěn)定性。實(shí)際上，也有一些多值輸出 基準(zhǔn)是有一定負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的，而這種負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的獲得正是采用了電源系統(tǒng)中常見的 反饋調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。因此，基準(zhǔn)可以看作一種特殊的穩(wěn)壓源，穩(wěn)壓源則是基準(zhǔn)的一類主要應(yīng)用。 電壓基準(zhǔn)電路應(yīng)能為系統(tǒng)提供不隨環(huán)境溫度、電源電壓變化的高精度高穩(wěn)定可調(diào)節(jié)的參考 電壓?；鶞?zhǔn)電壓有多種結(jié)構(gòu)類型，其中帶隙基準(zhǔn)最大優(yōu)點(diǎn)是與深亞微米和納米CMOS工 藝相兼容，存在的主要問題是電壓模帶隙基準(zhǔn)輸出電壓固定且不可調(diào)，電流模帶隙基準(zhǔn)電 壓雖輸出可調(diào)，但電源抑制比明顯下降，基準(zhǔn)輸出的工藝的敏感度明顯增加。因此，對(duì)于高 精度基準(zhǔn)，溫度穩(wěn)定性和電源電壓穩(wěn)定性是兩個(gè)最核心的要求，其中基準(zhǔn)的溫度穩(wěn)定性即 溫度系數(shù)與工藝的變化有較密切的關(guān)系，而且溫度系數(shù)越小，受工藝漂移的影響也越大。因 此，抑制帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)在不同工藝角下的變化，在降低基準(zhǔn)溫度溫度的同時(shí)提高其工 作穩(wěn)定性，對(duì)高精度基準(zhǔn)的應(yīng)用有重要意義。在-40°C 125°C溫度范圍內(nèi)，現(xiàn)有經(jīng)典線性補(bǔ)償帶隙電壓基的溫度系數(shù)理論上 可降低到10ppm/°C以內(nèi)，在此基礎(chǔ)上基于分段非線性補(bǔ)償原理的各類高階補(bǔ)償基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)， 其溫度系數(shù)可降至3 5ppm/°C，若繼續(xù)降低溫度系數(shù)不但難度明顯增大，而且隨著溫度系 數(shù)的降低其工藝敏感度提高，工藝漂移對(duì)電路性能的影響增大，增加了基準(zhǔn)修調(diào)的難度。當(dāng) 基準(zhǔn)溫度系數(shù)最大工藝漂移后的性能退化到比相應(yīng)一階線性補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度特性更差時(shí)，基 準(zhǔn)高階補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的實(shí)用價(jià)值難以體現(xiàn)。為滿足電路系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)電壓高精度高穩(wěn)定性的要 求，需要采用新的高階補(bǔ)償方法，這種方法不但能夠帶來溫度系數(shù)的進(jìn)一步降低，同時(shí)還能 有效抑制工藝漂移對(duì)高精度基準(zhǔn)帶來的波動(dòng)和變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明首先對(duì)傳統(tǒng)高階補(bǔ)償基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的拓展和完善，目的在于實(shí)現(xiàn) 對(duì)溫度特性曲線分布和變化的自由調(diào)節(jié)和控制，采用的基本方法是利用負(fù)反饋環(huán)路控制 DVbe偏置電路中的電流失配量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為非線性電壓失調(diào)量并用于電壓模帶隙基準(zhǔn)的高 階補(bǔ)償控制，在開口向下的一階補(bǔ)償曲線基礎(chǔ)上在常溫附近引入一個(gè)峰谷，形成“M”型溫度 特性曲線；基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)除利用失配補(bǔ)償外，還可利用一個(gè)單管補(bǔ)償結(jié)構(gòu)完成高階補(bǔ)償，該管可 調(diào)制DVbe偏置電路中的電流定義電阻，改變支路電流的溫度特性，通過補(bǔ)償管柵壓的控制使其在高溫段開啟，實(shí)現(xiàn)高溫下的分段補(bǔ)償。此時(shí)，若失配補(bǔ)償與單管分段補(bǔ)償能夠相互配 合，可以在一階開口向下溫度特性曲線的基礎(chǔ)上獲得“W”溫度補(bǔ)償特性曲線。本發(fā)明基于高階溫度補(bǔ)償互補(bǔ)疊加的高精度帶隙基準(zhǔn)電路，包括“M”型與“W”型 溫度特性曲線子電路以及疊加模式選擇子電路，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路互補(bǔ) 對(duì)稱設(shè)置，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路都包括反饋控制電路、電流產(chǎn)生電路和輸出 電路，其中電流產(chǎn)生電路串接輸出電路后接疊加模式選擇子電路的輸入端，輸出電路的輸 出端串接反饋控制電路后接電流產(chǎn)生電路的輸入端。所述疊加模式選擇子電路由兩個(gè)NMOS管NA0、NA1和兩個(gè)電阻RA0、RA1組成，NMOS 管NAO的漏極通過電阻RAO接基準(zhǔn)輸出VMf，NMOS管NAl的漏極通過電阻RAl接基準(zhǔn)輸出 Vref, NMOS管ΝΑΟ、NAl的漏極分別接接兩個(gè)輸出電路的輸出端。“Μ”型溫度特性曲線子電路的電流產(chǎn)生電路包括4個(gè)PMOS管ΡΜ1>Μ4，兩個(gè) 匪OS管匪0、NMl，兩個(gè)三極管QMO、QMl以及電阻RMO ；PMOS管PMl、ΡΜ3的源極相互連接， PMOS管PMl的柵極分別與PMOS管ΡΜ3的柵極、PMOS管ΡΜ2的漏極和NMOS管匪1的漏極， PMOS管PMl的漏極與PMOS管PMO的源極相互連接，PMOS管ΡΜ3的漏極與PMOS管ΡΜ2的源 極相互連接，PMOS管PMO的漏極分別與NMOS管NMO的柵極、反饋控制電路的輸出端連接， NMOS管NMO的的源極串接電阻RMO后接三極管QMO的源極，NMOS管匪1的源極接三極管 QMl的源極，三極管QMO的基極分別與三極管QMO的基極和發(fā)射極以及三極管QMO的發(fā)射極 連接接地。“W”型溫度特性曲線子電路的電流產(chǎn)生電路包括4個(gè)PMOS管ΡΜΓΡΜ4，三個(gè) 匪OS管匪0、匪1，補(bǔ)償管匪4，兩個(gè)三極管QMO、QMl以及電阻RM0、RM3 ；PMOS管PM1、PM3的 源極相互連接，PMOS管PMl的柵極分別與PMOS管PM3的柵極、PMOS管PM2的漏極和NMOS 管匪1的漏極，PMOS管PMl的漏極與PMOS管PMO的源極相互連接，PMOS管PM3的漏極與 PMOS管PM2的源極相互連接，PMOS管PMO的漏極分別與NMOS管NMO的柵極、反饋控制電路 的輸出端連接，NMOS管NMO的的源極依次串接電阻RM3、RMO后接三極管QMO的源極，補(bǔ)償 管NM4的柵極接疊加模式選擇子電路的輸入端，補(bǔ)償管NM4的漏極和源極分別接電阻RM3 的兩端，NMOS管匪1的源極接三極管QMl的源極，三極管QMO的基極分別與三極管QMO的 基極和發(fā)射極以及三極管QMO的發(fā)射極連接接地。本發(fā)明提出的電路具有超低溫度系數(shù)、高電源抑制比和一定的工藝穩(wěn)定性。基于 SMIC 0. 13mm CMOS工藝的仿真結(jié)果表明，在_40°C 125°C溫度范圍內(nèi)，典型工藝條件下基 準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)的最低值可下降到0. 17ppm/°C，在低頻范圍內(nèi)平均電源抑制比可達(dá)SOdB 以上。


圖 1疊加模式高階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。圖 2 具有互補(bǔ)溫度特性基準(zhǔn)的疊加補(bǔ)償原理示意圖。圖 3 本發(fā)明提出的疊加選擇模式高階補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路圖。圖 4本發(fā)明基準(zhǔn)電路超低溫度系數(shù)的仿真結(jié)果。圖 5本發(fā)明基準(zhǔn)電路輸出電壓PSRR特性的仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明基于高階溫度補(bǔ)償互補(bǔ)疊加的高精度帶隙基準(zhǔn)電路，包括“M” 型與“W”型溫度特性曲線子電路以及疊加模式選擇子電路，“M”型與“W”型溫度特性曲線 子電路互補(bǔ)對(duì)稱設(shè)置，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路都包括反饋控制電路、電流產(chǎn)生 電路和輸出電路，其中電流產(chǎn)生電路串接輸出電路后接疊加模式選擇子電路的輸入端，輸 出電路的輸出端串接反饋控制電路后接電流產(chǎn)生電路的輸入端。如圖3所示，本發(fā)明電路包括兩個(gè)產(chǎn)生互補(bǔ)溫度特性曲線的子電路及一個(gè)疊加選 擇模式子電路。其中“M”型溫度特性子電路可細(xì)分為電流產(chǎn)生電路、反饋控制電路和輸出 電路三個(gè)部分，電流產(chǎn)生電路由四個(gè)PMOS管、兩個(gè)NMOS管、一個(gè)電阻和兩個(gè)PNP三極管構(gòu) 成，反饋控制電路由兩個(gè)PMOS管、兩個(gè)NMOS管和兩個(gè)PNP三極管構(gòu)成，輸出電路由兩個(gè) PMOS管、兩個(gè)電阻和一個(gè)PNP三極管構(gòu)成；“W”型溫度特性曲線子電路除增加一個(gè)由NMOS 管構(gòu)成的高溫段調(diào)節(jié)電路以及一個(gè)電阻外，其余部分與“M”型溫度特性曲線子電路完全相 同，但在電路參數(shù)設(shè)置方面存在差異，目的在于通過單管的高溫段補(bǔ)償與基本的失配控制 補(bǔ)償相結(jié)合，得到不同的基準(zhǔn)溫度特性，而且這種溫度特性與“M”型溫度特性近似反相位； 最后，疊加選擇模式子電路由兩個(gè)NMOS管和兩個(gè)電阻構(gòu)成，通過簡(jiǎn)單的邏輯控制，既可選 擇“M”型與“W”型基準(zhǔn)的疊加即平均值輸出，又可選擇兩者中具有較低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)輸 出ο由于“M”和“W”都是電壓模結(jié)構(gòu)的高階補(bǔ)償基準(zhǔn)，兩者具有相近的基準(zhǔn)電壓中心 值輸出，同時(shí)在全溫區(qū)范圍內(nèi)具有近似相同的溫度系數(shù)，而且在低溫段和高溫段兩類基準(zhǔn) 的溫度特性極性相反，可以通過簡(jiǎn)單相加的方法進(jìn)一步抵消兩階殘余的溫度系數(shù)，為此采 用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高基準(zhǔn)的精度。若由于工藝漂移導(dǎo)致疊加后的基準(zhǔn)溫 度系數(shù)反而變大，則選擇兩路基準(zhǔn)中具有較小溫度系數(shù)的一路基準(zhǔn)輸出。因此，這種高精度 基準(zhǔn)的控制方法，同時(shí)對(duì)消除工藝漂移產(chǎn)生的影響有一定的作用。本發(fā)明另一項(xiàng)工作就是實(shí)現(xiàn)以上疊加選擇模式高階補(bǔ)償方法，在保持較高電源抑 制比的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)的超低溫度系數(shù)，并提高其電路工藝實(shí)現(xiàn)的健壯性，滿足電路系統(tǒng) 對(duì)高精度電壓基準(zhǔn)的應(yīng)用需求。本發(fā)明所述疊加模式帶隙基準(zhǔn)的高階溫度補(bǔ)償原理如圖 2所示，先產(chǎn)生兩個(gè)開口方向相反、互補(bǔ)對(duì)稱且溫度系數(shù)均較低的“M”型和“W”型二階補(bǔ)償 溫度特性曲線，然后通過選通控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩路的線性疊加或選擇其中一路直接輸出，得 到高精度基準(zhǔn)輸出。在電壓疊加時(shí)，無論選擇的兩個(gè)基準(zhǔn)電壓中心值相對(duì)大小關(guān)系如何，只 要溫度特性近似反相關(guān)系，則疊加體現(xiàn)出改善的效果；如果溫度特性近似同相關(guān)系，則疊加 反而使補(bǔ)償結(jié)果變差，此時(shí)選擇非疊加基準(zhǔn)輸出是很有必要的。下面結(jié)合附圖，從四個(gè)方面對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。1、“M”型溫度特性產(chǎn)生與控制
首先考慮圖3中的“M”型溫度特性曲線子電路。若電流產(chǎn)生電路中完全匹配的電流鏡 使QMO與QMl兩支路中的電流相等，得到的為一階線性補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)，定義Vms為線性補(bǔ)償 后基準(zhǔn)中殘留的由Vbe引入的非線性溫度項(xiàng)；此外，實(shí)際電路中的失調(diào)或失配不可避免，若 因電流鏡失配而引入的失調(diào)量為Vam，則以上兩非線性溫度項(xiàng)構(gòu)成了基準(zhǔn)線性補(bǔ)償后的總 誤差。通常條件下需要通過引入非線性補(bǔ)償量。使VN“+(Vm—m+Vres)=0，達(dá)到高階補(bǔ)償?shù)?目的。如果電路結(jié)構(gòu)與工作點(diǎn)設(shè)置相配合，能夠有效且精確控制失調(diào)電壓Va m的極性和大小，則該失調(diào)量可直接用于基準(zhǔn)的高階補(bǔ)償，并可省去常規(guī)的外加補(bǔ)償電壓，此時(shí)高階非線 性補(bǔ)償約束簡(jiǎn)化為Vam=-Vrestj因此，得到基準(zhǔn)經(jīng)一階線性補(bǔ)償后殘留的溫度系數(shù)，即可獲 得失配補(bǔ)償調(diào)節(jié)的控制要求。根據(jù)Kbe的非線性溫度特性
權(quán)利要求
1.一種基于高階溫度補(bǔ)償互補(bǔ)疊加的高精度帶隙基準(zhǔn)電路，其特征在于包括“M”型 與“W”型溫度特性曲線子電路以及疊加模式選擇子電路，“M”型與“W”型溫度特性曲線子 電路互補(bǔ)對(duì)稱設(shè)置，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路都包括反饋控制電路、電流產(chǎn)生電 路和輸出電路，其中電流產(chǎn)生電路串接輸出電路后接疊加模式選擇子電路的輸入端，輸出 電路的輸出端串接反饋控制電路后接電流產(chǎn)生電路的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階溫度補(bǔ)償互補(bǔ)疊加的高精度帶隙基準(zhǔn)電路，其特征 在于所述疊加模式選擇子電路由兩個(gè)NMOS管NA0、NA1和兩個(gè)電阻RA0、RA1組成，NMOS管 NAO的漏極通過電阻RAO接基準(zhǔn)輸出Vref，NMOS管NAl的漏極通過電阻RAl接基準(zhǔn)輸出Vref, NMOS管ΝΑΟ、NAl的漏極分別接接兩個(gè)輸出電路的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階溫度補(bǔ)償互補(bǔ)疊加的高精度帶隙基準(zhǔn)電路，其特征 在于“Μ”型溫度特性曲線子電路的電流產(chǎn)生電路包括4個(gè)PMOS管ΡΜΓΡΜ4，兩個(gè)NMOS管 ΝΜ0, NMl，兩個(gè)三極管QMO、QMl以及電阻RMO ；PMOS管PMl、ΡΜ3的源極相互連接，PMOS管 PMl的柵極分別與PMOS管ΡΜ3的柵極、PMOS管ΡΜ2的漏極和NMOS管匪1的漏極，PMOS管 PMl的漏極與PMOS管PMO的源極相互連接，PMOS管ΡΜ3的漏極與PMOS管ΡΜ2的源極相互 連接，PMOS管PMO的漏極分別與NMOS管NMO的柵極、反饋控制電路的輸出端連接，NMOS管 NMO的的源極串接電阻RMO后接三極管QMO的源極，NMOS管匪1的源極接三極管QMl的源 極，三極管QMO的基極分別與三極管QMO的基極和發(fā)射極以及三極管QMO的發(fā)射極連接接 地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階溫度補(bǔ)償互補(bǔ)疊加的高精度帶隙基準(zhǔn)電路，其特征 在于“W”型溫度特性曲線子電路的電流產(chǎn)生電路包括4個(gè)PMOS管ΡΜΓΡΜ4，三個(gè)NMOS管 匪0、NMl，補(bǔ)償管ΝΜ4，兩個(gè)三極管QMO、QMl以及電阻RMO、RM3 ；PMOS管PMl、ΡΜ3的源極相 互連接，PMOS管PMl的柵極分別與PMOS管ΡΜ3的柵極、PMOS管ΡΜ2的漏極和NMOS管NMl 的漏極，PMOS管PMl的漏極與PMOS管PMO的源極相互連接，PMOS管ΡΜ3的漏極與PMOS管 ΡΜ2的源極相互連接，PMOS管PMO的漏極分別與NMOS管NMO的柵極、反饋控制電路的輸出 端連接，NMOS管NMO的的源極依次串接電阻RM3、RMO后接三極管QMO的源極，補(bǔ)償管ΝΜ4 的柵極接疊加模式選擇子電路的輸入端，補(bǔ)償管ΝΜ4的漏極和源極分別接電阻RM3的兩端， NMOS管匪1的源極接三極管QMl的源極，三極管QMO的基極分別與三極管QMO的基極和發(fā) 射極以及三極管QMO的發(fā)射極連接接地。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于高階溫度補(bǔ)償互補(bǔ)疊加的高精度帶隙基準(zhǔn)電路，包括“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路以及疊加模式選擇子電路，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路互補(bǔ)對(duì)稱設(shè)置，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路都包括反饋控制電路、電流產(chǎn)生電路和輸出電路，其中電流產(chǎn)生電路串接輸出電路后接疊加模式選擇子電路的輸入端，輸出電路的輸出端串接反饋控制電路后接電流產(chǎn)生電路的輸入端。本發(fā)明通過非線性溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和方法，最大程度地降低輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)，滿足高精度系統(tǒng)應(yīng)用。
文檔編號(hào)G05F3/30GK102073334SQ201010557600
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者吳金, 李 浩, 渠寧, 龍寅 申請(qǐng)人:東南大學(xué)