專利名稱：基于高階溫度補償互補疊加的高精度帶隙基準電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種復合型高階溫度補償帶隙基準電路，屬于模擬電路技術領域，具 體涉及兩階非線性溫度補償基準產生、溫度特性曲線調整、基準電壓的疊加或選擇控制。
背景技術：
基準電壓與穩壓源相近但不同，兩者的共同點是都能提供穩定的電壓。基準電壓 通常沒有負載驅動能力，只能驅動容性負載，但對電壓的穩定性要求極高，主要有溫度穩定 性和電源穩定性。穩壓源顧名思義，作為一種穩定的電壓源具有很強的負載驅動能力，因此 更加關注電壓隨電源變化以及電源噪聲影響下的輸出穩定性。實際上，也有一些多值輸出 基準是有一定負載驅動能力的，而這種負載驅動能力的獲得正是采用了電源系統中常見的 反饋調節結構。因此，基準可以看作一種特殊的穩壓源，穩壓源則是基準的一類主要應用。 電壓基準電路應能為系統提供不隨環境溫度、電源電壓變化的高精度高穩定可調節的參考 電壓。基準電壓有多種結構類型，其中帶隙基準最大優點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輸出電壓固定且不可調，電流模帶隙基準電 壓雖輸出可調，但電源抑制比明顯下降，基準輸出的工藝的敏感度明顯增加。因此，對于高 精度基準，溫度穩定性和電源電壓穩定性是兩個最核心的要求，其中基準的溫度穩定性即 溫度系數與工藝的變化有較密切的關系，而且溫度系數越小，受工藝漂移的影響也越大。因 此，抑制帶隙基準溫度系數在不同工藝角下的變化，在降低基準溫度溫度的同時提高其工 作穩定性，對高精度基準的應用有重要意義。在-40°C 125°C溫度范圍內，現有經典線性補償帶隙電壓基的溫度系數理論上 可降低到10ppm/°C以內，在此基礎上基于分段非線性補償原理的各類高階補償基準結構， 其溫度系數可降至3 5ppm/°C，若繼續降低溫度系數不但難度明顯增大，而且隨著溫度系 數的降低其工藝敏感度提高，工藝漂移對電路性能的影響增大，增加了基準修調的難度。當 基準溫度系數最大工藝漂移后的性能退化到比相應一階線性補償基準溫度特性更差時，基 準高階補償結構的實用價值難以體現。為滿足電路系統對基準電壓高精度高穩定性的要 求，需要采用新的高階補償方法，這種方法不但能夠帶來溫度系數的進一步降低，同時還能 有效抑制工藝漂移對高精度基準帶來的波動和變化。
發明內容
本發明首先對傳統高階補償基準電路結構做進一步的拓展和完善，目的在于實現 對溫度特性曲線分布和變化的自由調節和控制，采用的基本方法是利用負反饋環路控制 DVbe偏置電路中的電流失配量，進而轉化為非線性電壓失調量并用于電壓模帶隙基準的高 階補償控制，在開口向下的一階補償曲線基礎上在常溫附近引入一個峰谷，形成“M”型溫度 特性曲線；基準結構除利用失配補償外，還可利用一個單管補償結構完成高階補償，該管可 調制DVbe偏置電路中的電流定義電阻，改變支路電流的溫度特性，通過補償管柵壓的控制使其在高溫段開啟，實現高溫下的分段補償。此時，若失配補償與單管分段補償能夠相互配 合，可以在一階開口向下溫度特性曲線的基礎上獲得“W”溫度補償特性曲線。本發明基于高階溫度補償互補疊加的高精度帶隙基準電路，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 對稱設置，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路都包括反饋控制電路、電流產生電路和輸出 電路，其中電流產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生電路的輸入端。所述疊加模式選擇子電路由兩個NMOS管NA0、NA1和兩個電阻RA0、RA1組成，NMOS 管NAO的漏極通過電阻RAO接基準輸出VMf，NMOS管NAl的漏極通過電阻RAl接基準輸出 Vref, NMOS管ΝΑΟ、NAl的漏極分別接接兩個輸出電路的輸出端。“Μ”型溫度特性曲線子電路的電流產生電路包括4個PMOS管ΡΜ1>Μ4，兩個 匪OS管匪0、NMl，兩個三極管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的基極和發射極以及三極管QMO的發射極 連接接地。“W”型溫度特性曲線子電路的電流產生電路包括4個PMOS管ΡΜΓΡΜ4，三個 匪OS管匪0、匪1，補償管匪4，兩個三極管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，補償 管NM4的柵極接疊加模式選擇子電路的輸入端，補償管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 基極和發射極以及三極管QMO的發射極連接接地。本發明提出的電路具有超低溫度系數、高電源抑制比和一定的工藝穩定性。基于 SMIC 0. 13mm CMOS工藝的仿真結果表明，在_40°C 125°C溫度范圍內，典型工藝條件下基 準電壓溫度系數的最低值可下降到0. 17ppm/°C，在低頻范圍內平均電源抑制比可達SOdB 以上。
圖 1疊加模式高階溫度補償帶隙基準電路系統組成結構。圖 2 具有互補溫度特性基準的疊加補償原理示意圖。圖 3 本發明提出的疊加選擇模式高階補償帶隙基準電路圖。圖 4本發明基準電路超低溫度系數的仿真結果。圖 5本發明基準電路輸出電壓PSRR特性的仿真結果。
具體實施例方式如圖1所示，本發明基于高階溫度補償互補疊加的高精度帶隙基準電路，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 子電路互補對稱設置，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路都包括反饋控制電路、電流產生 電路和輸出電路，其中電流產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生電路的輸入端。如圖3所示，本發明電路包括兩個產生互補溫度特性曲線的子電路及一個疊加選 擇模式子電路。其中“M”型溫度特性子電路可細分為電流產生電路、反饋控制電路和輸出 電路三個部分，電流產生電路由四個PMOS管、兩個NMOS管、一個電阻和兩個PNP三極管構 成，反饋控制電路由兩個PMOS管、兩個NMOS管和兩個PNP三極管構成，輸出電路由兩個 PMOS管、兩個電阻和一個PNP三極管構成；“W”型溫度特性曲線子電路除增加一個由NMOS 管構成的高溫段調節電路以及一個電阻外，其余部分與“M”型溫度特性曲線子電路完全相 同，但在電路參數設置方面存在差異，目的在于通過單管的高溫段補償與基本的失配控制 補償相結合，得到不同的基準溫度特性，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NMOS管和兩個電阻構成，通過簡單的邏輯控制，既可選 擇“M”型與“W”型基準的疊加即平均值輸出，又可選擇兩者中具有較低溫度系數的基準輸 出ο由于“M”和“W”都是電壓模結構的高階補償基準，兩者具有相近的基準電壓中心 值輸出，同時在全溫區范圍內具有近似相同的溫度系數，而且在低溫段和高溫段兩類基準 的溫度特性極性相反，可以通過簡單相加的方法進一步抵消兩階殘余的溫度系數，為此采 用圖1所示的系統結構，可進一步提高基準的精度。若由于工藝漂移導致疊加后的基準溫 度系數反而變大，則選擇兩路基準中具有較小溫度系數的一路基準輸出。因此，這種高精度 基準的控制方法，同時對消除工藝漂移產生的影響有一定的作用。本發明另一項工作就是實現以上疊加選擇模式高階補償方法，在保持較高電源抑 制比的基礎上實現基準的超低溫度系數，并提高其電路工藝實現的健壯性，滿足電路系統 對高精度電壓基準的應用需求。本發明所述疊加模式帶隙基準的高階溫度補償原理如圖 2所示，先產生兩個開口方向相反、互補對稱且溫度系數均較低的“M”型和“W”型二階補償 溫度特性曲線，然后通過選通控制結構進行兩路的線性疊加或選擇其中一路直接輸出，得 到高精度基準輸出。在電壓疊加時，無論選擇的兩個基準電壓中心值相對大小關系如何，只 要溫度特性近似反相關系，則疊加體現出改善的效果；如果溫度特性近似同相關系，則疊加 反而使補償結果變差，此時選擇非疊加基準輸出是很有必要的。下面結合附圖，從四個方面對發明的技術方案進行詳細說明。1、“M”型溫度特性產生與控制
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償帶隙基準，定義Vms為線性補償 后基準中殘留的由Vbe引入的非線性溫度項；此外，實際電路中的失調或失配不可避免，若 因電流鏡失配而引入的失調量為Vam，則以上兩非線性溫度項構成了基準線性補償后的總 誤差。通常條件下需要通過引入非線性補償量。使VN“+(Vm—m+Vres)=0，達到高階補償的 目的。如果電路結構與工作點設置相配合，能夠有效且精確控制失調電壓Va m的極性和大小，則該失調量可直接用于基準的高階補償，并可省去常規的外加補償電壓，此時高階非線 性補償約束簡化為Vam=-Vrestj因此，得到基準經一階線性補償后殘留的溫度系數，即可獲 得失配補償調節的控制要求。根據Kbe的非線性溫度特性
權利要求
1.一種基于高階溫度補償互補疊加的高精度帶隙基準電路，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 電路互補對稱設置，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路都包括反饋控制電路、電流產生電 路和輸出電路，其中電流產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生電路的輸入端。
2.根據權利要求1所述的基于高階溫度補償互補疊加的高精度帶隙基準電路，其特征 在于所述疊加模式選擇子電路由兩個NMOS管NA0、NA1和兩個電阻RA0、RA1組成，NMOS管 NAO的漏極通過電阻RAO接基準輸出Vref，NMOS管NAl的漏極通過電阻RAl接基準輸出Vref, NMOS管ΝΑΟ、NAl的漏極分別接接兩個輸出電路的輸出端。
3.根據權利要求1所述的基于高階溫度補償互補疊加的高精度帶隙基準電路，其特征 在于“Μ”型溫度特性曲線子電路的電流產生電路包括4個PMOS管ΡΜΓΡΜ4，兩個NMOS管 ΝΜ0, NMl，兩個三極管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的基極和發射極以及三極管QMO的發射極連接接 地。
4.根據權利要求1所述的基于高階溫度補償互補疊加的高精度帶隙基準電路，其特征 在于“W”型溫度特性曲線子電路的電流產生電路包括4個PMOS管ΡΜΓΡΜ4，三個NMOS管 匪0、NMl，補償管ΝΜ4，兩個三極管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，補償管ΝΜ4 的柵極接疊加模式選擇子電路的輸入端，補償管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 射極以及三極管QMO的發射極連接接地。
全文摘要
本發明公布了一種基于高階溫度補償互補疊加的高精度帶隙基準電路，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對稱設置，“M”型與“W”型溫度特性曲線子電路都包括反饋控制電路、電流產生電路和輸出電路，其中電流產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生電路的輸入端。本發明通過非線性溫度補償結構和方法，最大程度地降低輸出基準電壓的溫度系數，滿足高精度系統應用。
文檔編號G05F3/30GK102073334SQ201010557600
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月24日 優先權日2010年11月24日
發明者吳金, 李 浩, 渠寧, 龍寅 申請人:東南大學