一种带隙基准电压源   0    0

[0001] 本发明涉及一种带隙基准电压源，具体涉及一种具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源电路，属集成电路设计技术领域。

[0002] 带隙基准电压源用于提供不随温度、电源电压和工艺等变化的基准电压，它在低压差线性稳压源、数模转换器以及模数转换器等电路中起重要作用。最早的带隙基准电压源采用一阶温度补偿方式，其原理是利用负反馈环路获取两个电流密度不同的BJT晶体管射极-基极电压VEB之间的差值△VEB，该电压差值差与温度成正比例关系(Proportional To Absolute Temperature,PTAT)，因而可以用于对VEB的负温度系数项进行一阶补偿。但是由于VEB中负TlnT高阶温度项的存在，基于一阶温度补偿带隙基准电压源所能实现的温度系数(Temperature Coefficient,TC)最低为20ppm/℃，不能满足某些高精度电路对基准电压温度稳定性的要求。

[0003] 为了获得更低的温度系数，一种的可行方法是利用互补温度系数电流ICTAT获取正的TlnT高阶温度项，以对VEB中的负TlnT高阶温度项进行补偿。

[0004] 公开号为US6828847B1的美国发明专利〈Bandgap voltage reference circuit and method for producing a temperature curvature corrected voltage reference〉，公开了一种获取正TlnT高阶温度项的带隙基准电压源，如图1所示。该发明是通过向具有更小集电极电流密度(也即集电结面积更大)的BJT晶体管Q3注入互补温度系数电流ICTAT，从而在输出电流IOUT中引入正的Tln(T/T0)高阶温度项，以对VEB1中的负Tln(T/T0)高阶温度项进行补偿。该发明能够获得低至1ppm/℃的温度系数，温度漂移非常小，其不足之处在于：在负反馈主环路中，同时包含Q2、MP4构成的正反馈支路和R1、MP2、Q4构成的负反馈支路，为了维持负反馈主环路的正常工作，由R1和低集电极电流密度BJT晶体管Q4构成的负反馈支路的等效电阻必须大于由高集电极电流密度BJT晶体管Q2构成的正反馈支路的等效电阻，以使负反馈增益大于正反馈环路增益，进而钳制Q2射极和R1电阻上端电压相等，最终获取相应的温度补偿项。但若直接向相应的低集电极电流密度BJT晶体管Q4射极注入电流后，其对应的射极—地等效电阻相应变小，从而降低了负反馈支路增益，负反馈环路具有失效的风险。因此不能直接向Q4注入ICTAT，需另外再取一条低集电极电流密度的支路进行堆叠，也就是向Q3注入ICTAT，为了保持对称，还须再引入由Q1构成的支路，如此电路变的极为复杂。另一方面，由于BJT晶体管采用的是堆叠结构，从而使得运放的输入端为两个VEB的叠加(VEB1+VEB2)，约为1.2V，其所要求的电源电压至少需要1.2V+VTH+2Vdsat≈2.2V左右，因此，该发明对电源电压要求较高，电路无法工作在低电源电压情况下。

[0005] 综上所述，现有基于互补温度系数电流ICTAT注入以获取正TlnT高阶温度补偿项的技术方案存在：负反馈失效、需引入堆叠VJT支路、工作电源电压过高、结构复杂等问题。

[0006] 本发明针对背景技术所述问题，设计一种带隙基准电压源，是一种对只包含负反馈支路的主环路中的低电流密度BJT晶体管射极进行互补温度系数电流注入的带隙基准电压源结构，通过将传统包含正、负反馈支路的主环路分解成互补温度系数电压产生电路和只包含负反馈支路的输出主环路，当向输出主环路中BJT晶体管的射极注入互补温度系数电流时，能够实现良好的高阶温度补偿，同时由于输出主环路只存在负反馈支路，不会出现负反馈环路失效的问题，相比于现有技术方案，具有补偿效果好、环路稳定性高、适合低电源电压等优点。

[0007] 为了达到上述目的，本发明采用以下方案：

[0008] 一种带隙基准电压源，包括：互补温度系数电压产生电路、互补温度系数电流产生电路、输出主环路和输出支路；所述互补温度系数电压产生电路用于产生与电源电压、工艺无关的互补温度系数电压；所述互补温度系数电流产生电路检测互补温度系数电压产生电路产生的互补温度系数电压，并将产生的互补温度系数电压施加在一个电阻两端，得到流经所述电阻的互补温度系数电流，再向输出主环路BJT晶体管Q3射极注入该互补温度系数电流；其特征在于：

[0009] 所述输出主环路是仅由运算放大器OP3、PMOS晶体管MP5和电阻R2构成的负反馈支路，无正反馈支路；

[0010] 所述负反馈支路通过检测并引入互补温度系数电压产生电路产生的互补温度系数电压以及，互补温度系数电流产生电路注入的互补温度系数电流，同时获取包含PTAT和正TlnT的温度补偿项；

[0011] 所述输出支路通过引入输出主环路产生的同时包含PTAT和正TlnT的温度补偿项，用于对输出支路BJT晶体管Q4的射极—基极电压进行补偿。

[0012] 如上所述的一种带隙基准电压源，其特征在于：所述负反馈支路检测的互补温度系数电压是：运算放大器OP3负端连接至互补温度系数电压产生电路中BJT晶体管Q2的射极电压。

[0013] 如上所述的一种带隙基准电压源，其特征在于：所述互补温度系数电流通过对输出主环路中的BJT晶体管Q3的射极进行注入，获取输出主环路中正的PTAT和正TlnT温度补偿项。

[0014] 本发明的有益效果是：

[0015] 本发明将传统带隙基准电压源中包含正、负反馈支路的主环路分解成互补温度系数电压产生电路和仅包含负反馈支路的输出主环路，无正反馈支路；通过向只包含负反馈支路的输出主环路中的BJT晶体管射极注入互补温度系数电流，能够获得极低温度系数的输出基准电压，且不造成负反馈失效的问题，不引入堆叠BJT支路，能够工作在低电源电压条件。

[0019] 以下结合附图对本发明一种带隙基准电压源具体实施例作进一步说明：

[0020] 本发明提出的一种对只包含负反馈支路的主环路中BJT晶体管射极进行互补温度系数电流注入的高阶温度补偿带隙基准电压源原理如图2所示。该电路由互补温度系数电压产生电路、互补温度系数电流产生电路、输出主环路和输出支路构成，其中互补温度系数电压产生电路由运算放大器OP1、PNP型BJT晶体管Q1～Q2、电阻R1以及PMOS晶体管MP1-MP2构成，互补温度系数电流产生电路由运算放大器OP2、电阻R4以及PMOS晶体管MP3-MP4构成，输出主环路由运算放大器OP3、PNP型BJT晶体管Q3、电阻R2以及PMOS晶体管MP5构成，输出支路由PNP型BJT晶体管Q4、电阻R1以及PMOS晶体管MP6构成。

[0021] 在互补温度系数电压产生电路中，由OP1、MP1-MP2、Q1-Q2和R3构成的负反馈环路钳制A、B两点电压相同，从而使得经过Q1和Q2射极的电流为(VEB2-VBE1)/R3，其与电源和工艺无关，因此Q2的射极-基极电压也将与电源和工艺无关，互补温度系数电压产生电路将获得与电源和工艺无关的CTAT电压VEB2。

[0022] 在互补温度系数电流产生电路中，由OP2、MP3和R4构成的负反馈环路，用于钳制C、B两点电压相同，从而将由互补温度系数电压产生电路产生的与电源和工艺无关的CTAT电压VEB2施加在电阻R4上，因此通过电阻R4的电流为VEB2/R4，由于VEB4为互补温度系数电压，因此电阻R4的电流也与温度呈互补系数关系，记ICTAT＝VEB2/R4；然后，由MP4和MP3构成的电流镜将向输出主环路中的BJT晶体管Q3射极注入互补温度系数电流ICTAT，以在输出电流IOUT中引入正的高阶温度项，进而对输出支路中的BJT晶体管Q4射极-基极电压VEB3中的负高阶温度项进行补偿。

[0023] 在输出主环路中，只包含由OP3、MP5、Q3和R2构成的负反馈支路，它将钳制A、D两点电压相同，从而使得输出电流IOUT为(VEB2-VBE3)/R3，该电流中将首先包含PTAT项，同时由于Q3射极中互补温度系数电流ICTAT的注入，它还将包括正的TlnT高阶温度补偿项。

[0024] 在输出支路中，由输出主环路产生的输出电流IOUT注入到电阻R1中，从而使得R1两端的电压也将同时包含一阶正温度PTAT项和正TlnT高阶温度补偿项，可以实现对Q4射极-基极电压有效的高阶温度补偿。

[0025] 接下来将结合实例对其补偿原理进行详细分析。

[0026] 首先，对分析过程中公式上用到的一些参数定义如下：N1表示Q2与Q1的集电极面积之比；K表示波尔兹曼常数；q表示一个电子的电荷量；VG0是0K温度时硅的带隙电压；η是与硅迁移率与温度相关性的参数；m为BJT晶体管集电极电流的温度系数；T0为室温，一般为27℃；ICTAT是互补温度系数电流产生电路产生的互补温度系数电流；VEB1～VEB4分别为Q1～Q4的射极-基极电压；IPTAT为互补温度系数电压产生电路支路电流；IOUT为输出电流；VREF为输出电压；

[0027] 在图2中，Q2与Q1的偏置电流均为PTAT电流：

[0028]

[0029] 输出电流IOUT为：

[0030]

[0031] 可以得到输出电流与温度的关系为：

[0032]

[0033] 其中N2为T0温度下IPTAT与IOUT的比例：

[0034]

[0035] 同时可以分别写出Q2和Q3集电极电流与温度的关系为：

[0036]

[0037]

[0038] 由于Q2由IPTAT偏置，因此m2≈1，而Q3由ICTAT+IOUT偏置，且ICTAT的温度系数为负，因此有：

[0039] m3＜m2(7)

[0040] 其中ICTAT为VEB2与R4的比值，即：

[0041]

[0042] 因此，由于m3

[0043] VREF＝IOUT×R1+VEB4  (9)

[0044] 在实际设计过程中，通过调整R2/R1和R4/R1的值，就可以实现良好的温度补偿：验证结果如图3所示，当温度从-40℃到125℃变化时，输出基准电压约为1.011V。

[0045] 本发明能够获得0.7ppm/℃的温度系数，具有良好的温度补偿效果。

[0046] 同时，输出主环路只包括由Q3、R2和MP5构成的负反馈支路，在对Q3射极进行ICTAT注入后，也不会带来负反馈环路失效的问题，且运放OP1～OP4的输入电压均为一个BJT晶体管的射极-基极电压(约为0.6V)，不会额外增加对电源电压的要求，实际所能工作的最低电压约为1.6V，能够工作在较低电压环境下。

[0047] 可以看出，与现有技术相比，本发明提出的基于对只包含负反馈支路的主环路中低电流密度BJT晶体管射极进行互补温度系数电流注入的高阶温度补偿带隙基准电压源具有补偿效果好、负反馈环路稳定性高、适合低电源电压等优点。

[0048] 以上仅为本发明的实施例，但并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。