具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源，包括一階帶隙核電路和互補溫度系數電流產生電路。一階帶隙核電路為基本的一階溫度補償帶隙核電路或低壓電流模結構的一階溫度補償帶隙核電路，實現BJT晶體管射極?基極電壓的一階溫度補償；互補溫度系數電流產生電路從一階帶隙核電路中用于產生一階正溫度補償項的低電流密度BJT晶體管射極抽取互補溫度系數電流，從而在一階帶隙核電路中引入正的高階溫度項，補償BJT晶體管射極?基極電壓中所含有的負高階溫度項，獲得與溫度無關的輸出基準電壓。本發(fā)明電壓源輸出基準電壓的溫度系數低至1 ppm/℃，補償效果良好，結構簡單，適合低電源電壓，滿足電路和工藝兼容性強、生產后修調簡單的要求。
【專利說明】
具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源電路，具體涉及一種 基于互補溫度系數電流抽取的具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源電路，屬集 成電路設計技術領域。
【背景技術】
[0002] 帶隙基準電壓源作為模擬集成電路中最為普遍和重要的單元，主要用于提供不隨 溫度、電源、工藝等環(huán)境變化的基準電壓，它的性能直接決定著LD0、DAC以及ADC等模塊的精 確度。最早提出的帶隙基準電壓源采用一階溫度補償方式，稱為一階帶隙核電路，其電路原 理如圖1所示。其中，由運算放大器0/?構成的負反饋環(huán)路鉗制A、B兩點電壓相同，從而使得 流經PM0S晶體管MP1和MP2的漏極電流相等，且都為BJT晶體管ft和ft射極-基極電壓之差與 電阻佑的比值：
可以看出，該電流與溫度成正比例關系（Proportional To Absolute Temperature, PTAT)，記為Imr。最終的輸出基準電壓為：
通過調整電阻比例形/及，能夠使K部的負一階溫度系數項得到有效補償。但是需要指出 的是，BJT晶體管的射極-基極電壓作;并不是簡單的負一階溫度系數電壓，而是與溫度成互 補關系（Complementary To Absolute Temperature, CTAT)，它還包括系數為負的高階溫
因此，基于圖1的一階補償帶隙基準電壓源所能實現的溫度系數最低僅為20ppm/°C，溫 度漂移仍然較大，需要進行進一步的高階溫度補償。
[0003] 為了獲得更低（如低至lPPm/°C)的溫度系數，現有公知的高階溫度補償帶隙基準 電壓源所采用的技術方案均是集中于對Ks中的負71η( Τ/Γο)高階溫度項進行補償，或通過 向具有更小集電極電流密度的PNP型BJT晶體管射極注入互補溫度系數電流Λμγ，或者單獨 弓丨入非線性溫度系數電流I?，還有利用ΝΡΝ型BJT晶體管的共射電流增益淘溫度所呈的負 指數關系來得到與溫度呈高階關系的電流，進而獲得補償。但是這些方案均存在的不足之 處主要體現在:結構很復雜、需要多條支路來實現高階補償，同時可能對電源電壓有較高的 要求，且無法工作在低電源電壓壓情況下;或者對工藝和環(huán)境因素較為敏感，需要采用復雜 的生產后修調流程;或者需要采用特殊的深N阱工藝，不適合標準CMOS工藝環(huán)境等等。
[0004] 例如美國發(fā)明專利〈Bandgap voltage reference circuit and method for producing a temperature curvature corrected voltage reference)(US6828847B1 開了一種具有高階溫度補償電路的帶隙基準電壓源，如圖2所示，該發(fā)明是通過向具有更小 集電極電流密度(也即集電結面積更大）的BJT晶體管?注入互補溫度系數電流Imr，從而 在輸出電流io/r中引入正的Tin( 7/7b)高階溫度項，以對中的負高階溫度項進行補償。該 發(fā)明雖然能夠獲得低至1 Ppm/°C的溫度系數，但是它的缺點也非常明顯:為了維持負反饋 環(huán)路的正常工作，由Λ和低集電極電流密度BJT晶體管構成的負反饋支路的等效電阻必須 足夠大，以使負反饋增益大于正反饋環(huán)路增益。但向相應的低集電極電流密度BJT射極注入 電流后，其對應的射極一地等效電阻相應變小，從而降低了負反饋增益，負反饋環(huán)路具有失 效的風險。因此不能直接向ft注入而是需要另外再取一條低集電極電流密度的支路， 即向?注入為了保持對稱，還必須再引入由必構成的支路，如此電路變的極為復雜；另 外，運放的輸入端為兩個Kes的疊加 （Kaa + Κβ?)，而如圖1所不的一階溫度補償方式運放的輸 入電壓僅為一個Ks，因此，該發(fā)明對電源電壓有了更高的要求，電路無法工作在低電源電壓 情況下。
[0005] 中國發(fā)明專利《一種帶有非線性溫度補償的多路輸出帶隙基準電路》 (CN102591398A)公開了一種基于非線性溫度系數電流檢測單元的帶隙基準電壓源，如圖3 所示。由？18、?1^、匪8、匪4和匪2構成的溫度檢測單元對正溫度系數電流產生單元中三極管 基極與發(fā)射極之間的電壓進行溫度檢測，將檢測信號轉化為正的非線性溫度系數電流Im， 再經由〇Ρ2、ΜΝ1和R3、R4構成的負反饋環(huán)路與Ks中的負非線性溫度系數電流進行互補， 得到非線性電流補償的一階負溫度系數電流，該電流再與正溫度系數電流相結合，以實現 整個溫度系數的補償。專利文獻中并未給出該種溫度補償方式的效果，但是由圖3可以明顯 地看出：首先該種高階溫度補償方式電路較為復雜，需要同時使用溫度檢測單元和負溫度 系數產生單元;其次，用于產生正非線性溫度系數電流I?的溫度檢測單元全部由M0S晶體管 構成，而現實中M0S晶體管極易受工藝和環(huán)境因素的影響，實際生產后的性能會嚴重偏移設 計值，因此，該種補償方式還需要進行復雜的生產后修調，從而大大增加了電路成本。
[0006] 中國發(fā)明專利《一種指數溫度補償的低溫漂CMOS帶隙基準電壓源》 (CN102495659A)公開了利用NPN管的共射電流增益角溫度呈負指數關系而得到與溫度呈 高階關系的電流用以補償Ks中的高階溫度項，如圖4所示。通過從一階帶隙核電路中的 吸取負指數溫度關系的基極電流，能夠引入正的指數溫度系數，以對Ks中的負高階溫度項 進行有效補償。該種高階溫度補償方式能夠獲得1.32 ppm/°C的溫度系數，但是其缺點也非 常明顯：首先其必須采用NPN型BJT晶體管，而在標準或者Logic CMOS工藝中，要獲得NPN型 BJT晶體管，必須采用深N阱工藝，會額外增加成本，甚至有些工藝并不支持深N阱工藝，從而 限制了其通用性;其次，該種補償方式只靠 BJT進行高階溫度補償，而BJT晶體管在實際生產 過程中也會存在較大的偏移，因此只能通過對BJT進行生產后修調來達到高階溫度補償的 目的，但實際上BJT很難進行相關參數的修調，因此該種補償方式無法有效進行生產后修 調。
[0007] 綜上，現有高階溫度補償方式結構復雜，需要多條支路來實現高階補償，同時對電 源電壓、生產后修調和工藝有特殊的要求，因此，一種同時實現結構簡單、低電源電壓、工藝 兼容性強、且生產成本低的帶隙基準電壓源成為必需。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明針對【背景技術】所述問題，提出了一種基于對一階帶隙核電路中低電流密度 BJT晶體管的射極進行互補溫度系數電流抽取的高階溫度補償方式，所述方案包括新增的 運算放大器、電阻和CMOS電流鏡，結構簡單，不需要采用NPN型BJT晶體管，能夠同時適用于 基本一階帶隙核電路和低壓電流結構一階帶隙核電路，適合低電源電壓，工藝和電路兼容 性強；實際生產過程中只需對電阻進行修調，生產成本低，輸出基準電壓的溫度系數低至 lppm/°C，補償效果良好。
[0009] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下方案： 具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源，是一種基于互補溫度系數電流抽取 的具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源電路，包括:一階帶隙核電路和互補溫 度系數電流產生電路;所述一階帶隙核電路用于實現BJT晶體管射極一基極電壓的一階溫 度補償;其特征在于： 所述互補溫度系數電流產生電路包括:一個運算放大器、一個電阻和兩條CMOS電流鏡； 所述運算放大器和CMOS電流鏡構成負反饋環(huán)路； 所述互補溫度系數電流產生電路從一階帶隙核電路中用于產生一階正溫度補償項的 低電流密度BJT晶體管射極抽取互補溫度系數電流，從而在一階帶隙核電路中引入正的高 階溫度項，所述正的高階溫度項用于補償BJT晶體管射極-基極電壓中所含有的負高階溫度 項，獲得與溫度無關的輸出基準電壓。
[0010] 如上所述具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源，其特征在于:所述一 階帶隙核電路為基本一階溫度補償帶隙核電路，或者是低壓電流模結構的一階溫度補償帶 隙核電路，所述基本一階溫度補償帶隙核電路或低壓電流模結構的一階溫度補償帶隙核電 路，均是基于采用負反饋環(huán)路獲得具有不同電流密度的兩個BJT晶體管射極-基極之間的電 壓差值，所述電壓差值具有一階線性正溫度系數，電壓差值用于對BJT晶體管的射極-基極 電壓的一階負溫度項進行補償。
[0011] 如上所述具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源，其特征在于:所述負 反饋環(huán)路完整地或者部分地檢測一階帶隙電路中BJT晶體管的射極-基極電壓，并將該BJT 晶體管的射極-基極電壓完整地或者部分地施加在電阻兩端，形成通過所述電阻的互補溫 度系數電流。
[0012] 本發(fā)明具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源的原理是:一階帶隙核電 路對基于采用負反饋環(huán)路獲得具有不同電流密度的兩個BJT晶體管射極一基極之間的電壓 差值進行采集;所述電壓差值具有一階線性正溫度系數，電壓差值用于對BJT晶體管射極一 基極電壓的一階負溫度項進行補償;互補溫度系數電流產生電路采集一階帶隙核電路中的 BJT晶體管的射極一基極電壓，并將其施加在電阻上，由于BJT晶體管的射極一基極電壓為 互補溫度系數電壓，因此通過該電阻的電流也將為互補溫度系數電流，由M0S管構成的電流 鏡將復制該互補溫度系數電流并從一階帶隙核電路中用于產生一階正溫度補償項的低電 流密度BJT晶體管的射極抽取該互補溫度系數電流，從而在該BJT晶體管的射極電流中引入 正高階溫度項。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源，提出了一種基于對一階帶隙 核電路中低電流密度BJT晶體管的射極進行互補溫度系數電流抽取的高階溫度補償方式， 輸出基準電壓的溫度系數低至1 ppm/°c，補償效果良好；只額外增加一個運算放大器、一個 電阻和兩條CMOS電流鏡，結構非常簡單;不需要采用NPN型BJT晶體管，能夠同時適用于基本 一階帶隙核電路或低壓電流結構一階帶隙核電路，工藝和電路兼容性強;不會造成一階帶 隙核電路中主反饋環(huán)路失效的問題，適合低電源電壓;實際生產過程中只需對電阻進行修 調，生產成本低。從而能夠同時滿足現有方法無法同時實現的補償效果良好、結構簡單、適 合低電源電壓、電路和工藝兼容性強、生產后修調簡單等要求。
【附圖說明】
[0014] 圖1是現有基本一階帶隙核電路示意圖； 圖2是專利US6828847B1公開的高階溫度補償帶隙基準電壓源示意圖； 圖3是專利CN102591398A公開的高階溫度補償帶隙基準電壓源示意圖； 圖4是專利CN102495659A公開的高階溫度補償帶隙基準電壓源示意圖； 圖5是本發(fā)明適用于基本一階帶隙核電路的高階溫度補償原理示意圖； 圖6是本發(fā)明適用于基本一階帶隙核電路的高階溫度補償仿真結果圖； 圖7是本發(fā)明適用于低壓電流模結構一階帶隙核電路的高階溫度補償原理示意圖； 圖8是本發(fā)明適用于低壓電流模結構一階帶隙核電路的高階溫度補償仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0015] 以下結合附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，所述實施例的示例在附圖中示出， 其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下 面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明 的限制，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本 發(fā)明的權利要求范圍之內，本技術方案中未詳細述及的，均為公知技術。附圖5和附圖7是本 發(fā)明分別適用于基本一階帶隙核電路和低壓電流模結構一階帶隙核電路的兩個實施例。
[0016] 需要特別強調的是:本發(fā)明通過對一階帶隙核電路中用于產生一階正溫度補償項 的低電流密度BJT晶體管射極進行互補溫度系數電流的抽取，實現了 BJT晶體管射極-基極 電壓的高階溫度補償，相比于現有的從低電流密度BJT晶體管射極注入互補溫度系數電流 的補償方式，本發(fā)明的補償效果更好，且結構簡單，工藝和電路兼容性強，不會造成主反饋 環(huán)路失效問題，適合低電源電壓，生產成本低。
[0017] 實施例一： 適用于基本一階帶隙核電路的高階溫度補償原理如圖5所示。該電路由互補溫度系數 電流產生電路和基本一階帶隙核電路構成，其中基本一階帶隙核電路由運算放大器0P1、 PNP型BJT晶體管QrQ3、電阻Rrfc以及PM0S晶體管MP1-MP3構成;互補溫度系數電流產生電路 由運算放大器0P 2、電阻R3、PMO S晶體管Mp4~Mp5以及NMO S晶體管Mni~Mn2構成。在互補溫度系數 電流產生電路中，首先由運算放大器0P2和PM0S晶體管脅5構成的負反饋環(huán)路鉗制C、B兩點電 壓相同，從而將&的射極-基極電壓V EB1施加在電阻R3上，因此通過電阻R3的電流將為VEB1/ R3,由于VEB1為互補溫度系數電壓，因此該電流也與溫度呈互補系數關系，記ICTAT=V EB1/R3;然 后，由MN1和MN2構成的電流鏡將從具有低電流密度的BJT晶體管〇2射極中抽取互補溫度系 數電流I cm，從而在輸出電流I out中引入正的高階溫度項，以對BJT晶體管Q3射極-基極電壓 VEB3中的負高階溫度項進行補償。接下來將其補償原理進行詳細的理論分析。
[0018] 首先，對分析過程中公式上用到的一些參數定義如下:及表示基本一階帶隙核電 路中第一電阻的阻值;形表示基本一階帶隙核電路中第2電阻的阻值;7?表示互補溫度系數 電流產生電路中的電阻阻值；必為基本一階帶隙核電路中高電流密度PNP型BJT晶體管，ft為 基本一階帶隙核電路中低電流密度PNP型BJT晶體管，N表示?與必的集電極面積之比，ft為 基本一階帶隙核電路中輸出PNP型BJT晶體管；表示PNP型BJT晶體管的射極與基極電壓之 差。A表不波爾茲曼常數；<7表不一個電子的電荷量；是〇Κ溫度時娃的帶隙電壓；堤與娃迀 移率與溫度相關性的參數；7b為室溫，一般為27°C;I C?邊互補溫度系數電流產生電路產生 的互補溫度系數電流;ioe為?的集電極電流（由于忽略基極電流，因此集電極電流=射極電 流）；io/r為一階帶隙核電路產生的輸出電流。
[0019] 在圖5中，輸出電流為：
由式(2)可以看出，要獲得高階溫度補償的輸出基準電壓，Iwr中必須同時含有一階正 PTAT項和正的高階溫度項。因此，接下來對1?/7進行分析，由于BJT晶體管的射極-基極電壓 為：
在式（4)中，用于對中的一階負溫度項進行補償，而 聽:/興賴轉猶正是通過從沾射極抽取雨f引入的，它將帶來正的高 階溫度系數項。首先：
其中Icwr由互補溫度系數電流產生電路產生:運算放大器0/?鉗制B點和C點電壓相等， 因此7?兩端的電壓也為ft的射極-基極電壓，因此有：
結合(4M7)式，可以分別得到Ι?/ΚΓ)的一階溫度系數和二階溫度系數為： ，繼 ：.八3: .七3
當滿足以下關系時，IwK Γ)的二階溫度系數為等為正，可以對Kss的負高階溫度系數進 行補償：
在實際設計過程中，通過調整形/Λ和沾/Λ的值，就可以實現良好的溫度補償:仿真驗 證結果如圖6所示，當溫度從-40 °C到125 °C變化時，輸出基準電壓約為1.033 V，本發(fā)明高 階溫度補償方式能夠獲得1 ppm/°c的溫度系數，具有良好的溫度補償效果；同時，與基本一 階帶隙核電路相比，該高階溫度補償方式僅額外增加了一個運放、一個電阻和兩條電流鏡 支路，結構非常簡單;此外，運放和0/?的輸入電壓僅為一個BJT的射極-基極電壓，不會 額外增加對電源電壓的要求;最后，不需要采用NPN型BJT晶體管，工藝兼容性強，且在芯片 生產后，只需對電阻形和你進行修調，無需對MOS晶體管和BJT晶體管進行修調，生產成本大 大降低。
[0020] 實施例二： 除了能夠對如圖5所示的基本一階帶隙核進行高階溫度補償之外，本發(fā)明提出的高階 溫度補償方式還可以對基于低壓電流模結構的一階帶隙核進行非線性補償。如圖7所示為 本發(fā)明除基于基本一階帶隙核電路之外另一種適用于低壓電流模結構一階帶隙核的實例。 其中，低壓電流模結構一階帶隙核由電阻形λ、形池、形a、奶?、7?，運放斯1，BJT晶體管ft~ft， PM0S晶體管Mpi~Mp3構成:運算放大器0/?鉗制B2、A2兩點電壓相等，由于7?251+奶? =奶51+奶52二 奶，因此匕丄兩點電壓也相等，進而有1^=Κ￡μ/7?2+(Κ￡μ- - )Μ，其將同時包含PTAT和CTAT 項;而互補溫度系數電流產生電路仍由運算放大器0^、電阻7?4、PM0S晶體管Mp4~ΜΡ5以及NM0S 晶體管Μνι~Μν2構成:運算放大器0/?和PM0S晶體管Mps構成的負反饋環(huán)路鉗制C、B2兩點電壓 相等，電阻你兩端電壓為X^2?/(奶M+奶?)，其產生的互補溫度系數電流為Km X Ihm/ilha+Ihm) / Ih。
[0021]與基于基本型一階帶隙核補償的原理相似，互補溫度系數電流產生電路同樣從具 有低集電極電流密度的BJT晶體管?射極抽取互補溫度系數電流Λμγ，從而在輸出電流中引 入正的高階溫度項，以對BJT晶體管必射極-基極電壓Kim中的負高階溫度項進行補償。通過 調整(形沿+奶^^/及和瓜/及的值，就可以實現良好的溫度補償:該種實例的仿真驗證結果如 圖8所示，該發(fā)明高階溫度補償方式同樣能夠獲得1 ppm/°C的溫度系數，具有良好的溫度補 償效果；同時，與低壓電流模結構一階帶隙核電路相比，該高階溫度補償方式僅額外增加了 一個運放、一個電阻和兩條電流鏡支路，結構非常簡單;此外，運放和0/?的輸入端電壓 為Kfa X7?2i2/(7?2a+7?2i2)，能夠工作在更低的電源電壓下，其實際仿真最低工作電源電壓僅 為0.9 V;最后，不需要采用NPN型BJT晶體管，工藝兼容性強，且在芯片生產后，仍只需對電 阻形和7?進行修調，無需對M0S晶體管和BJT晶體管進行修調，生產成本大大降低。
[0022]以上僅為本發(fā)明的實施例，但并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之 內所做的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發(fā)明的權利要求范圍之內。
【主權項】
1. 具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源，包括:一階帶隙核電路和互補溫 度系數電流產生電路;所述一階帶隙核電路用于實現BJT晶體管射極一基極電壓的一階溫 度補償;其特征在于： 所述互補溫度系數電流產生電路包括:一個運算放大器、一個電阻和兩條CMOS電流鏡； 所述運算放大器和CMOS電流鏡構成負反饋環(huán)路； 所述互補溫度系數電流產生電路從一階帶隙核電路中用于產生一階正溫度補償項的 低電流密度BJT晶體管射極抽取互補溫度系數電流，從而在一階帶隙核電路中引入正的高 階溫度項，所述正的高階溫度項用于補償BJT晶體管射極-基極電壓中所含有的負高階溫度 項，獲得與溫度無關的輸出基準電壓。2. 如權利要求1所述具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源，其特征在于:所 述一階帶隙核電路為基本一階溫度補償帶隙核電路，或者是低壓電流模結構的一階溫度補 償帶隙核電路，所述基本一階溫度補償帶隙核電路或低壓電流模結構的一階溫度補償帶隙 核電路，均是基于采用負反饋環(huán)路獲得具有不同電流密度的兩個BJT晶體管射極-基極之間 的電壓差值，所述電壓差值具有一階線性正溫度系數，電壓差值用于對BJT晶體管的射極-基極電壓的一階負溫度項進行補償。3. 如權利要求1所述具有高階溫度補償的低溫度系數帶隙基準電壓源，其特征在于:所 述負反饋環(huán)路完整地或者部分地檢測一階帶隙電路中BJT晶體管的射極-基極電壓，并將該 BJT晶體管的射極-基極電壓完整地或者部分地施加在電阻兩端，形成通過所述電阻的互補 溫度系數電流。
【文檔編號】G05F1/567GK105974991SQ201610519932
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月5日
【發(fā)明人】萬美琳, 顧豪爽
【申請人】湖北大學