專利名稱：高階溫度補償cmos帶隙基準(zhǔn)電壓源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基準(zhǔn)電壓源，特別是，一種高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源。
背景技術(shù)：
基準(zhǔn)電壓源是模擬電路中廣泛應(yīng)用的一個關(guān)鍵模塊，可提供高精度、高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電壓，其應(yīng)用非常廣泛，比如數(shù)模轉(zhuǎn)換器、傳感器、電源控制管理器和各種高精度測量儀表中，其精度直接影響到電路中各模塊的性能，具有非常重要的作用。產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的技術(shù)有很多，但帶隙基準(zhǔn)電壓技術(shù)以其低溫度系數(shù)、寬電源電壓范圍和與CMOS工藝兼容等特點已成為基準(zhǔn)電壓的主流技術(shù)?，F(xiàn)有的帶隙基準(zhǔn)電壓源是基于兩個三極管基極-發(fā)射極電壓的差Δ Vbe的正溫度系數(shù)電壓與三極管的基極-發(fā)射極負(fù)溫度系數(shù)電壓Vbe的線性補償?shù)脑?，但一階線性補償不完全，因為Vbe的溫度系數(shù)是非線性的。隨著精度要求的不斷提高，一階補償?shù)臏囟认禂?shù)指標(biāo)難以滿足高性能模擬電路的要求，高階溫度補償能實現(xiàn)較低的溫度系數(shù)，但通常的高階補償電路較復(fù)雜，芯片占用面積較大，如文獻(xiàn)“閉環(huán)曲率補償?shù)牡蛪簬痘鶞?zhǔn)源的設(shè)計”(范壽等電路與系統(tǒng)學(xué)報， 2009(08) :13-16)，介紹了一種超低溫漂帶隙基準(zhǔn)電壓源的實現(xiàn)方法，可以實現(xiàn)lppm/°C內(nèi)的溫度系數(shù)，但單路采用4個運算放大器進(jìn)行電壓鉗位，大大增加了電路的復(fù)雜程度和面積。另外，在已有的各類高階補償電路結(jié)構(gòu)中，均無法克服工藝漂移對系統(tǒng)性能的嚴(yán)重影響，尤其是采用亞閾值補償技術(shù)的方法，基準(zhǔn)溫度系數(shù)的漂移達(dá)到幾倍甚至是幾百倍，申請?zhí)枮?01010159179. 7的專利申請公開了一種高階溫度補償?shù)姆椒?，即通過處于亞閾值MOS 管的電壓電流的指數(shù)特性補償BE結(jié)溫度的非線性，但此方法受工藝影響非常大，工藝穩(wěn)定性還不如相應(yīng)的一階線性補償基準(zhǔn)，局限性較強，因此，較難得到實際的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，基于反饋工作點的可控來實現(xiàn)高階溫度系數(shù)補償?shù)姆€(wěn)定控制。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括啟動電路、帶隙主體電路、反饋控制回路及輸出電路，所述的啟動電路使該基準(zhǔn)電壓源在上電時擺脫簡并點的束縛而正常工作、并為所述的帶隙主體電路、所述的反饋控制回路提供啟動電壓，所述的帶隙主體電路產(chǎn)生一個帶正溫度系數(shù)電流，該帶正溫度系數(shù)電流由所述的帶隙主體電路鏡像至所述的反饋控制回路中而產(chǎn)生另一個帶負(fù)溫度系數(shù)電流，這兩個帶相反溫度系數(shù)電流同比鏡像至所述的反饋控制回路和所述的輸出電路中，所述的反饋控制回路中引入一個電阻以實現(xiàn)高階溫度補償，在該電阻上產(chǎn)生高階補償電流，兩個同比鏡像后的電流與高階補償電流疊加后鏡像至所述的輸出電路中的輸出負(fù)載電阻上而得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vref。其中，所述的啟動電路為電阻R8連接在供電電壓VCC與NMOS管M23的漏極之間，NMOS管M23的柵極與PMOS管M25的柵極共接至NMOS管M23的漏極，PMOS管M25的源極接至供電電壓VCC，NM0S管M23的源極接至NMOS管M24的漏極，NMOS管M24的源極接至地端，NMOS管M24的柵極接至帶隙基準(zhǔn)電壓Vref。其中，所述的帶隙主體電路為PM0S管M9的柵極與PMOS管MlO的柵極共接，PMOS 管M9的源極、PMOS管MlO的源極共接至供電電壓VCC，PMOS管M9的漏極接至PMOS管M17 的源極，PMOS管MlO的漏極接至PMOS管M18的源極，PMOS管M17的柵極與PMOS管M18的柵極共接，PMOS管M17的漏極通過電阻R6接至NMOS管Ml的漏極，PMOS管M18的漏極通過電阻R5接至NMOS管M2的漏極，NMOS管Ml的柵極與NMOS管M2的柵極共接，NMOS管Ml 的源極接至NMOS管M4的漏極，NMOS管M2的源極接至NMOS管M5的漏極，NMOS管M4的柵極與NMOS管M5的柵極，NMOS管M4的源極接至三極管Ql的發(fā)射極，三極管Ql的基極和集電極共接至地端，NMOS管M5的源極通過電阻Rl接至三極管Q2的發(fā)射極，三極管Q2的基極和集電極共接至地端，PMOS管M18的漏極與PMOS管M9的柵極相短接，NMOS管M2的漏極與PMOS管M17的柵極相短接，PMOS管M17的漏極與匪OS管Ml的柵極相短接，匪OS管Ml 的漏極與NMOS管M4的柵極相短接，PMOS管M17的漏極接至PMOS管M25的漏極。其中，所述的反饋控制回路為PM0S管M8的柵極與PMOS管Mll的柵極共接、并與PMOS管M9共柵，PMOS管M16的柵極與PMOS管M19的柵極共接、并與PMOS管M17共柵， PMOS管M8的源極接至供電電壓VCC、漏極接至PMOS管M16的源極，PMOS管Mll的源極接至供電電源VCC、漏極接至PMOS管M19的源極，PMOS管M12的源極接至供電電壓VCC、柵極接至PMOS管M19的漏極，PMOS管M13的源極接至供電電壓VCC、柵極接至PMOS管M12的柵極共接，PMOS管MO的源極接至供電電壓VCC、柵極接至PMOS管M12的漏極、漏極通過電阻R7 接至地端，PMOS管M20的柵極接至PMOS管MO的漏極、源極接至PMOS管M12的漏極，PMOS 管M21的源極接至PMOS管M13的漏極、柵極與PMOS管M20的柵極共接，NMOS管M3的漏極接至PMOS管M19的漏極、柵極與NMOS管Ml的柵極共接，NMOS管M6的漏極接至NMOS管M3 的源極、柵極與NMOS管M4的柵極共接，NMOS管M6的源極通過電阻R2接至地端，NMOS管 M3的漏極與NMOS管M6的源極之間連接有頻率補償電容CO，PMOS管M21的漏極接至三極管Q3的發(fā)射極，三極管Q3的基極和集電極共接至地端，PMOS管M20的漏極通過電阻R3接至三極管Q3的發(fā)射極，PMOS管M20的漏極接至匪OS管M6的源極，PMOS管M16的漏極與 PMOS管M21的漏極相短接。其中，所述的輸出電路為PM0S管M7的源極接至供電電壓VCC、柵極與PMOS管M9 的柵極共接，PMOS管M15的源極接至PMOS管M7的漏極、柵極與PMOS管M17的柵極共接， PMOS管M14的源極接至供電電壓VCC、柵極與PMOS管M12的柵極共接，PMOS管M22的源極接至PMOS管M14的漏極、柵極與PMOS管M20的柵極共接，PMOS管M22的漏極通過電阻R4 接至地端，PMOS管M15的漏極接至PMOS管M22的漏極，從電阻R4的兩端輸出與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vref。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明基于負(fù)反饋工作點的可控設(shè)計來實現(xiàn)高階溫度系數(shù)補償?shù)姆€(wěn)定控制，通過對可調(diào)節(jié)共源共柵MOS管和電阻的參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)了高精度高穩(wěn)定性的帶隙基準(zhǔn)源，以克服現(xiàn)有高階溫度補償基準(zhǔn)電壓源工藝要求高、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面積大和適用范圍小等局限。


附圖1為本發(fā)明的高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路圖；附圖2為本發(fā)明的高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的參考電壓為1. 25V的輸出溫度特性曲線；附圖3為本發(fā)明的高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源在給定溫度范圍內(nèi)典型工藝角下的基準(zhǔn)溫度仿真曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖所示的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作以下詳細(xì)描述一種高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括啟動電路、帶隙主體電路、反饋控制回路及輸出電路，啟動電路使該基準(zhǔn)電壓源在上電時擺脫簡并點的束縛而正常工作、并為帶隙主體電路、反饋控制回路提供啟動電壓，帶隙主體電路產(chǎn)生一個帶正溫度系數(shù)電流， 該帶正溫度系數(shù)電流由帶隙主體電路鏡像至反饋控制回路中而產(chǎn)生另一個帶負(fù)溫度系數(shù)電流，這兩個帶相反溫度系數(shù)電流同比鏡像至反饋控制回路和輸出電路中，反饋控制回路中引入一個電阻以實現(xiàn)高階溫度補償，在該電阻上產(chǎn)生高階補償電流，兩個同比鏡像后的電流與高階補償電流疊加后鏡像至輸出電路中的輸出負(fù)載電阻上而得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vref。如附圖1所示，本發(fā)明的基準(zhǔn)電壓源的電路具體實現(xiàn)啟動電路為電阻R8連接在供電電壓VCC與NMOS管M23的漏極之間，NMOS管M23的柵極與PMOS管M25的柵極共接至NMOS管M23的漏極，PMOS管M25的源極接至供電電壓VCC，NMOS管M23的源極接至NMOS 管M24的漏極，NMOS管M24的源極接至地端，NMOS管M24的柵極接至參考電壓；帶隙主體電路為PM0S管M9的柵極與PMOS管MlO的柵極共接，PMOS管M9的源極、PMOS管MlO的源極共接至供電電壓VCC，PMOS管M9的漏極接至PMOS管M17的源極，PMOS管MlO的漏極接至PMOS管M18的源極，PMOS管M17的柵極與PMOS管M18的柵極共接，PMOS管M17的漏極通過電阻R6接至匪OS管Ml的漏極，PMOS管M18的漏極通過電阻R5接至匪OS管M2的漏極，NMOS管Ml的柵極與NMOS管M2的柵極共接，NMOS管Ml的源極接至NMOS管M4的漏極， NMOS管M2的源極接至NMOS管M5的漏極，NMOS管M4的柵極與NMOS管M5的柵極，NMOS管 M4的源極接至三極管Ql的發(fā)射極，三極管Ql的基極和集電極共接至地端，NMOS管M5的源極通過電阻Rl接至三極管Q2的發(fā)射極，三極管Q2的基極和集電極共接至地端，PMOS管 M18的漏極與PMOS管M9的柵極相短接，匪OS管M2的漏極與PMOS管M17的柵極相短接， PMOS管M17的漏極與匪OS管Ml的柵極相短接，匪OS管Ml的漏極與匪OS管M4的柵極相短接，PMOS管M17的漏極接至PMOS管M25的漏極；反饋控制回路為PM0S管M8的柵極與 PMOS管Mll的柵極共接、并與PMOS管M9共柵，PMOS管M16的柵極與PMOS管M19的柵極共接、并與PMOS管M17共柵，PMOS管M8的源極接至供電電壓VCC、漏極接至PMOS管M16的源極，PMOS管Mll的源極接至供電電源VCC、漏極接至PMOS管M19的源極，PMOS管M12的源極接至供電電壓VCC、柵極接至PMOS管M19的漏極，PMOS管M13的源極接至供電電壓VCC、 柵極接至PMOS管M12的柵極共接，PMOS管MO的源極接至供電電壓VCC、柵極接至PMOS管 M12的漏極、漏極通過電阻R7接至地端，PMOS管M20的柵極接至PMOS管MO的漏極、源極接至PMOS管M12的漏極，PMOS管M21的源極接至PMOS管M13的漏極、柵極與PMOS管M20的
6柵極共接，NMOS管M3的漏極接至PMOS管M19的漏極、柵極與NMOS管Ml的柵極共接，NMOS 管M6的漏極接至NMOS管M3的源極、柵極與NMOS管M4的柵極共接，NMOS管M6的源極通過電阻R2接至地端，NMOS管M3的漏極與NMOS管M6的源極之間連接有頻率補償電容C0， PMOS管M21的漏極接至三極管Q3的發(fā)射極，三極管Q3的基極和集電極共接至地端，PMOS 管M20的漏極通過電阻R3接至三極管Q3的發(fā)射極，PMOS管M20的漏極接至NMOS管M6的源極，PMOS管M16的漏極與PMOS管M21的漏極相短接；輸出電路為PM0S管M7的源極接至供電電壓VCC、柵極與PMOS管M9的柵極共接，PMOS管M15的源極接至PMOS管M7的漏極、 柵極與PMOS管M17的柵極共接，PMOS管M14的源極接至供電電壓VCC、柵極與PMOS管M12 的柵極共接，PMOS管M22的源極接至PMOS管M14的漏極、柵極與PMOS管M20的柵極共接， PMOS管M22的漏極通過電阻R4接至地端，PMOS管M15的漏極接至PMOS管M22的漏極，從電阻R4的兩端輸出與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。帶隙主體電路產(chǎn)生PTAT (溫度系數(shù))電流。
Γ π ΓKT InnΙρτΑτ =--—
q Rl上式中η是三極管Q2和三極管Ql發(fā)射極面積的比值，K是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，q是電子的電荷。電流Iptat通過PMOS管M9和PMOS管MlO支路，鏡像到PMOS管Ml 1支路。在負(fù)反饋控制回路中，PMOS管MO、PMOS管Ml2、PMOS管M20、電阻R7和電阻R2組成調(diào)節(jié)型共源共柵放大器，NMOS管M3、NMOS管M6和電阻R2組成共柵放大器，通過共柵放大器的輸出節(jié)點A控制調(diào)節(jié)型共源共柵放大器的輸入節(jié)點，即PMOS管M12的柵極，電容CO 為頻率補償電容，這樣形成了一個高穩(wěn)定性的閉合環(huán)路，此環(huán)路在Iptat電流源的作用下，使節(jié)點D電位Vd = Vb = Vc,由于環(huán)路的自動調(diào)節(jié)作用，電阻R2的精度不用很高，因此對工藝敏感度不是很大。當(dāng)電阻R2比標(biāo)準(zhǔn)值小的時候，結(jié)點D電壓降低，因此結(jié)點A電壓降低，導(dǎo)致PMOS管M12電流增加，此電流通過電阻R2來抑制結(jié)點D電壓的降低；當(dāng)電阻R2比標(biāo)準(zhǔn)值大的時候，結(jié)點D電壓升高，因此結(jié)點A電壓升高，導(dǎo)致PMOS管M12電流減少，此電流通過電阻R2來抑制點D電壓的升高；同樣，此環(huán)路也可以克服MOS管寬長比失配帶來的影響。負(fù)溫度系數(shù)電流Ictat Icta — Vbei
…1 Rl 1
VGO (T) - (Feo - VEBO )^.νΑγ.α)ιηΙ_
1O1O
Rl式中Vetl為OK下硅材料的帶隙電壓，常溫TO = 300Κ，γ, α分別為與三極管基區(qū)空穴遷移率和集電極電流指數(shù)溫度系數(shù)相關(guān)的系數(shù)。因為三極管Ql為PTAT電流偏置，所以上式中α = 1。PMOS管Μ12支路電流I12 = Ictat-Iptat為具有負(fù)溫度系數(shù)的電流。選擇PMOS管Μ13、PMOS管Μ14和PMOS管Μ7、PMOS管Μ8分別為同比例鏡像，即I7
—工8 — a*IpTAT ；工13 — 114 — b*Ii2o因為PMOS管M13與PMOS管M8支路電流求和，PMOS管M14與PMOS管M7支路電流求和，則三極管Q3的發(fā)射極電流Ie3與電阻R4的電流Ik4完全相同，即若Ie3為零溫度系數(shù)，那么同樣，Ik4也為零溫度系數(shù)，且大小相等。
本發(fā)明通過引入一個電阻R3來實現(xiàn)高階補償，由于負(fù)反饋環(huán)路的對節(jié)點電壓D的鉗位，Vb = VD，所以得到高階補償電流Ia
權(quán)利要求
1.一種高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于包括啟動電路、帶隙主體電路、反饋控制回路及輸出電路，所述的啟動電路使該基準(zhǔn)電壓源在上電時擺脫簡并點的束縛而正常工作、并為所述的帶隙主體電路、所述的反饋控制回路提供啟動電壓，所述的帶隙主體電路產(chǎn)生一個帶正溫度系數(shù)電流，該帶正溫度系數(shù)電流由所述的帶隙主體電路鏡像至所述的反饋控制回路中而產(chǎn)生另一個帶負(fù)溫度系數(shù)電流，這兩個帶相反溫度系數(shù)電流同比鏡像至所述的反饋控制回路和所述的輸出電路中，所述的反饋控制回路中引入一個電阻以實現(xiàn)高階溫度補償，在該電阻上產(chǎn)生高階補償電流，兩個同比鏡像后的電流與高階補償電流疊加后鏡像至所述的輸出電路中的輸出負(fù)載電阻上而得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vref。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于所述的啟動電路為電阻R8連接在供電電壓VCC與NMOS管M23的漏極之間，NMOS管M23的柵極與 PMOS管M25的柵極共接至NMOS管M23的漏極，PMOS管M25的源極接至供電電壓VCC，NM0S 管M23的源極接至NMOS管MM的漏極，NMOS管M24的源極接至地端，NMOS管MM的柵極接至帶隙基準(zhǔn)電壓Vref。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于所述的帶隙主體電路為=PMOS管M9的柵極與PMOS管MlO的柵極共接，PMOS管M9的源極、PMOS管 MlO的源極共接至供電電壓VCC，PM0S管M9的漏極接至PMOS管M17的源極，PMOS管MlO的漏極接至PMOS管M18的源極，PMOS管M17的柵極與PMOS管M18的柵極共接，PMOS管M17 的漏極通過電阻R6接至NMOS管Ml的漏極，PMOS管M18的漏極通過電阻R5接至NMOS管 M2的漏極，NMOS管Ml的柵極與NMOS管M2的柵極共接，NMOS管Ml的源極接至NMOS管M4 的漏極，NMOS管M2的源極接至NMOS管M5的漏極，NMOS管M4的柵極與NMOS管M5的柵極， NMOS管M4的源極接至三極管Ql的發(fā)射極，三極管Ql的基極和集電極共接至地端，NMOS 管M5的源極通過電阻Rl接至三極管Q2的發(fā)射極，三極管Q2的基極和集電極共接至地端， PMOS管M18的漏極與PMOS管M9的柵極相短接，NMOS管M2的漏極與PMOS管Ml7的柵極相短接，PMOS管M17的漏極與匪OS管Ml的柵極相短接，NMOS管Ml的漏極與匪OS管M4的柵極相短接，PMOS管M17的漏極接至PMOS管M25的漏極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于所述的反饋控制回路為PM0S管M8的柵極與PMOS管Mll的柵極共接、并與PMOS管M9共柵，PMOS管 M16的柵極與PMOS管M19的柵極共接、并與PMOS管M17共柵，PMOS管M8的源極接至供電電壓VCC、漏極接至PMOS管M16的源極，PMOS管Mll的源極接至供電電源VCC、漏極接至PMOS 管M19的源極，PMOS管M12的源極接至供電電壓VCC、柵極接至PMOS管M19的漏極，PMOS 管M13的源極接至供電電壓VCC、柵極接至PMOS管M12的柵極共接，PMOS管MO的源極接至供電電壓VCC、柵極接至PMOS管M12的漏極、漏極通過電阻R7接至地端，PMOS管M20的柵極接至PMOS管MO的漏極、源極接至PMOS管M12的漏極，PMOS管M21的源極接至PMOS管 M13的漏極、柵極與PMOS管M20的柵極共接，NMOS管M3的漏極接至PMOS管M19的漏極、柵極與NMOS管Ml的柵極共接，NMOS管M6的漏極接至NMOS管M3的源極、柵極與NMOS管M4 的柵極共接，NMOS管M6的源極通過電阻R2接至地端，NMOS管M3的漏極與NMOS管M6的源極之間連接有頻率補償電容CO，PMOS管M21的漏極接至三極管Q3的發(fā)射極，三極管Q3的基極和集電極共接至地端，PMOS管M20的漏極通過電阻R3接至三極管Q3的發(fā)射極，PMOS 管M20的漏極接至NMOS管M6的源極，PMOS管M16的漏極與PMOS管M21的漏極相短接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于所述的輸出電路為PM0S管M7的源極接至供電電壓VCC、柵極與PMOS管M9的柵極共接，PMOS管M15 的源極接至PMOS管M7的漏極、柵極與PMOS管M17的柵極共接，PMOS管M14的源極接至供電電壓VCC、柵極與PMOS管M12的柵極共接，PMOS管M22的源極接至PMOS管M14的漏極、 柵極與PMOS管M20的柵極共接，PMOS管M22的漏極通過電阻R4接至地端，PMOS管M15的漏極接至PMOS管M22的漏極，從電阻R4的兩端輸出與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vref。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高階溫度補償CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括啟動電路、帶隙主體電路、反饋控制回路及輸出電路，啟動電路在電源上電時擺脫簡并點的束縛而正常工作，帶隙主體電路產(chǎn)生一帶正溫度系數(shù)電流，該帶正溫度系數(shù)電流由帶隙主體電路鏡像至反饋控制回路中而產(chǎn)生另一帶負(fù)溫度系數(shù)電流，這兩帶相反溫度系數(shù)電流分別同比鏡像至反饋控制回路和輸出電路中，反饋控制回路中引入一個產(chǎn)生高階補償電流的補償電阻，兩同比鏡像后的電流與補償電流疊加后鏡像至輸出電路中的負(fù)載電阻上而得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。基于負(fù)反饋工作點的可控設(shè)計實現(xiàn)高階溫度系數(shù)補償?shù)姆€(wěn)定控制，實現(xiàn)了高精度的帶隙基準(zhǔn)源，工藝要求低、電路結(jié)構(gòu)簡單、面積小和適用范圍廣。
文檔編號G05F3/30GK102393786SQ20111033371
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者呂江平, 張瑾, 張紫乾, 武鳳芹, 白濤, 龍善麗 申請人:中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二一四研究所蘇州研發(fā)中心