專利名稱：一種指數溫度補償的低溫漂cmos帶隙基準電壓源的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于射頻、數模混合電路中需要產生的極低溫度系數的基準電壓源。 特別是高速高精度的模數轉換器和低壓差線性穩壓源，需要一個不隨環境變化的基準電壓作為其比較電平和參考電平，本發明產生的基準電壓具有極低溫度系數，較低的功耗，可以工作在低電源電壓下，滿足了這種需求。
背景技術：
對于數模轉換器、模數轉換器、電壓轉換器、電壓檢測電路等模擬電路而言，基準電壓源是相當重要的模塊，基準電壓源的穩定性直接關系到電路的工作狀態及電路的性能。為了滿足電路在不同外界環境下的正常工作要求，基準電壓源應具有輸出穩定、抗干擾能力強、溫度系數小等優點。目前比較常用的是帶隙基準電壓源，主要有電壓模和電流模兩種結構，均采用雙極型器件實現。電壓模結構的帶隙基準電壓源其輸出電壓值基本恒定在半導體材料的帶隙電壓附近；而電流模結構的帶隙基準的輸出電壓值是半導體材料的帶隙電壓的分壓，可低于半導體材料的帶隙電壓，適合于于低電源電壓。帶隙基準電壓源的工作原理是使AVbe(雙極型晶體管在不同電流密度偏置下的兩個基區-發射區的電壓差)的正溫度系數和Vbe(雙極型晶體管基區-發射區電壓)的負溫度系數所產生的漂移相互抵消，并通過高階溫度補償電流產生電路，同時抵消Vbe的高階項，以達到極低的溫度系數。
發明內容
技術問題發明提供了一種指數溫度補償的低溫漂CMOS帶隙基準電壓源。電路在傳統帶隙基準電壓源的基礎上改進了傳統運放，增加了高階溫度補償電流產生電路，以實現在使ΔνΒΕ(雙極型晶體管在不同電流密度偏置下的兩個基區-發射區的電壓差)的正溫度系數和Vbe(雙極型晶體管基區-發射區電壓)的負溫度系數所產生的漂移相互抵消的基礎上，并通過指數溫度補償電流產生電路，抵消Vbe的高階項，達到極低的溫度系數的目的。技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種指數溫度補償的低溫漂CMOS 帶隙基準電壓源，該帶隙基準電壓源包括一階溫度補償基準電流產生電路，指數溫度補償電流產生電路，誤差放大器，啟動電路及基準電流-電壓轉換電路；一階溫度補償基準電流產生電路的第一輸入端同時與啟動電路的輸出端及一階溫度補償基準電流產生電路的第一輸出端相連，一階溫度補償基準電流產生電路的第一輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路的第一輸入端及誤差放大器的第一輸入端相連，一階溫度補償基準電流產生電路的第二輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路的第二輸入端及誤差放大器的第二輸入端相連，一階溫度補償基準電流產生電路的第三輸出端接基準電流-電壓轉換電路的輸入端；指數溫度補償電流產生電路的輸出端同時與誤差放大器的第三輸入端及啟動電路的輸入端相連；誤差放大器的輸出端同時與一階溫度補償電流產生電路的第二輸入端及基準電流-電壓轉換電路的輸入端相連；基準電流-電壓轉換電路的輸出端即是指數溫度補償的帶隙基準電壓。優選的，所述的指數溫度補償電流產生電路由第三NPN管、第四NPN管、第四PMOS 管和第五PMOS管組成；第三NPN管的基極作為指數溫度補償電流產生電路的第一輸入端， 第三NPN管的集電極同時與第四PMOS管的柵極和漏極相連，作為指數溫度補償電流產生電路的輸出端；第四NPN管的基極作為指數溫度補償電流產生電路的第二輸入端，第四NPN管的集電極同時與第四PMOS管的柵極和漏極相連；第三NPN管的發射極和第四NPN管的發射極接公共地端；第四PMOS管的柵極和漏極相連、第五PMOS管的柵極和漏極相連，作為自偏置電流源，第四PMOS管的源極和第五PMOS管的源極與直流電源VDD相連。有益效果1、相比于傳統一階溫度補償帶隙基準電壓源，增加很少的器件和功耗，得到了更低的溫度系數。2、相比于傳統高階溫度補償帶隙基準電壓源，該指數溫度補償電流產生電路抵消帶隙電壓高階項的同時為啟動電路和誤差放大器提供偏置電流，電路結構簡單易行，功耗更低。3、本發明的基準電壓源電路采用寄生NPN管，可以在CMOS工藝下實現；采用電流模結構，適合低電源電壓下工作。
圖1是本發明的結構框圖。圖2是本發明的整體電路圖。圖3是本發明輸出電壓隨溫度的變化曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。本發明是一種基于新穎實用的指數溫度補償結構的帶隙基準電壓源，帶隙基準電壓源包括一階溫度補償基準電流產生電路，指數溫度補償電流產生電路，誤差放大器，啟動電路及基準電流-電壓轉換電路。一階溫度補償基準電流產生電路的第一輸入端接啟動電路的輸出端并與一階溫度補償基準電流產生電路的第一輸出端相連，一階溫度補償基準電流產生電路的第一輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路的第一輸入端及誤差放大器的第一輸入端相連，一階溫度補償基準電流產生電路的第二輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路的第二輸入端及誤差放大器的第二輸入端相連，一階溫度補償基準電流產生電路的第三輸出端接基準電流-電壓轉換電路的輸入端；指數溫度補償電流產生電路的輸出端同時與誤差放大器的第三輸入端及啟動電路的輸入端相連；誤差放大器的輸出端同時與一階溫度補償基準電流產生電路的第二輸入端及基準電流-電壓轉換電路的輸入端相連； 基準電流_電壓轉換電路的輸出端即是指數溫度補償的帶隙基準電壓。本發明提供的指數溫度補償的帶隙基準電壓源，在傳統低電壓一階溫度補償帶隙基準電壓源的基礎上引入指數溫度補償電流產生電路。指數溫度補償電流產生電路利用 NPN管的共射電流放大系數β與溫度成負指數關系，得到與溫度成指數關系的指數溫度補償電流，結合一階溫度補償電流產生電路和基準電流-電壓轉換電路，從而得到指數溫度補償的低溫漂基準電壓。同時指數溫度補償電路的輸出為啟動電路和誤差放大器提供了偏置電路。該指數溫度補償的低溫漂CMOS帶隙基準電壓源可以工作在低電源電壓下，電路結構簡單、實用，消耗較少的功耗，實現了高階溫度補償。
本發明提供的指數溫度補償的低溫漂CMOS帶隙基準電壓源，該帶隙基準電壓源包括一階溫度補償基準電流產生電路1，指數溫度補償電流產生電路2，誤差放大器3，啟動電路4及基準電流-電壓轉換電路5 ；
一階溫度補償基準電流產生電路1的第一輸入端同時與啟動電路4的輸出端及一階溫度補償基準電流產生電路1的第一輸出端相連，一階溫度補償基準電流產生電路1的第一輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路2的第一輸入端及誤差放大器3的第一輸入端相連，一階溫度補償基準電流產生電路1的第二輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路2的第二輸入端及誤差放大器3的第二輸入端相連，一階溫度補償基準電流產生電路1 的第三輸出端接基準電流-電壓轉換電路5的輸入端；指數溫度補償電流產生電路2的輸出端同時與誤差放大器3的第三輸入端及啟動電路4的輸入端相連；誤差放大器3的輸出端同時與一階溫度補償電流產生電路1的第二輸入端及基準電流-電壓轉換電路5的輸入端相連；基準電流-電壓轉換電路5的輸出端即是指數溫度補償的帶隙基準電壓。
所述的指數溫度補償電流產生電路2由第三NPN管Q3、第四NPN管Q4、第四PMOS 管M4和第五PMOS管M5組成；第三NPN管Q3的基極作為指數溫度補償電流產生電路2的第一輸入端，第三NPN管Q3的集電極同時與第四PMOS管M4的柵極和漏極相連，作為指數溫度補償電流產生電路2的輸出端；第四NPN管Q4的基極作為指數溫度補償電流產生電路 2的第二輸入端，第四NPN管Q4的集電極同時與第四PMOS管M4的柵極和漏極相連；第三 NPN管Q3的發射極和第四NPN管Q4的發射極接公共地端；第四PMOS管M4的柵極和漏極相連、第五PMOS管M5的柵極和漏極相連，作為自偏置電流源，第四PMOS管M4的源極和第五PMOS管M5的源極與直流電源VDD相連。
本發明的原理
圖1和圖2給出了所發明的帶隙基準電壓源電路的結構原理框圖和整體電路圖。 下面敘述該電路結構如何實現高階溫度補償的工作原理。
首先，對分析過程中公式上用到的一些參數定義如下=R1表示一階溫度補償基準電流產生電路1中第一電阻的阻值出2表示一階溫度補償基準電流產生電路1中第2電阻的阻值；R3表示一階溫度補償基準電流產生電路1中第三電阻的阻值(R3與&的值相同)； R4表示一階溫度補償基準電流產生電路1中第四電阻的阻值；N表示第二 NPN管Q2與第一 NPN管Ql的基區面積之比，m表示第三NPN管Q3與第一 NPN管Ql的基區面積之比，η表示第四NPN管Q4與第一 NPN管Ql的基區面積之比；Vbei⑴表示第一 NPN管的基極與發射極電壓差。K表示波爾茲曼常數；q表示一個電子的電荷量；Ve是硅的帶隙電壓；η是與硅遷移率與溫度相關性的參數；β為NPN管的共射電流增益，與溫度成指數函數關系；β 是一個與溫度無關的參數；Δ &是NPN管中與發射極參雜濃度相關的帶隙能差。
由一階溫度補償基準電流產生電路可得到一階溫度補償的基準電流,1 K-T , Ar Vbei(T)^、
I1=----In,+ BEiy(1)Ri qR2
其中
權利要求
1.一種指數溫度補償的低溫漂CMOS帶隙基準電壓源，其特征在于該帶隙基準電壓源包括一階溫度補償基準電流產生電路(1)，指數溫度補償電流產生電路(2)，誤差放大器 (3 )，啟動電路(4 )及基準電流-電壓轉換電路(5 )；一階溫度補償基準電流產生電路(1)的第一輸入端同時與啟動電路(4)的輸出端及一階溫度補償基準電流產生電路(1)的第一輸出端相連，一階溫度補償基準電流產生電路(1)的第一輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路(2)的第一輸入端及誤差放大器(3) 的第一輸入端相連，一階溫度補償基準電流產生電路(1)的第二輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路(2)的第二輸入端及誤差放大器(3)的第二輸入端相連，一階溫度補償基準電流產生電路(1)的第三輸出端接基準電流-電壓轉換電路(5)的輸入端；指數溫度補償電流產生電路(2)的輸出端同時與誤差放大器(3)的第三輸入端及啟動電路(4)的輸入端相連；誤差放大器(3)的輸出端同時與一階溫度補償電流產生電路(1)的第二輸入端及基準電流-電壓轉換電路(5)的輸入端相連；基準電流-電壓轉換電路(5)的輸出端即是指數溫度補償的帶隙基準電壓。
2.根據權利要求1所述的指數溫度補償的低溫漂CMOS帶隙基準電壓源，其特征在于 所述的指數溫度補償電流產生電路(2)由第三NPN管(Q3)、第四NPN管(Q4)、第四PMOS管 (M4)和第五PMOS管(M5)組成；第三NPN管(Q3)的基極作為指數溫度補償電流產生電路(2)的第一輸入端，第三NPN管(Q3)的集電極同時與第四PMOS管(M4)的柵極和漏極相連， 作為指數溫度補償電流產生電路(2)的輸出端；第四NPN管(Q4)的基極作為指數溫度補償電流產生電路(2)的第二輸入端，第四NPN管(Q4)的集電極同時與第四PMOS管(M4)的柵極和漏極相連；第三NPN管(Q3)的發射極和第四NPN管(Q4)的發射極接公共地端；第四 PMOS管(M4)的柵極和漏極相連、第五PMOS管(M5)的柵極和漏極相連，作為自偏置電流源， 第四PMOS管(M4)的源極和第五PMOS管(M5)的源極與直流電源VDD相連。
全文摘要
本發明公開了一種指數溫度補償的低溫漂CMOS帶隙基準電壓源，其特征在于該帶隙基準電壓源包括一階溫度補償基準電流產生電路(1)，指數溫度補償電流產生電路(2)，誤差放大器(3)，啟動電路(4)及基準電流-電壓轉換電路(5)；一階溫度補償基準電流產生電路(1)的第一輸入端同時與啟動電路(4)的輸出端及一階溫度補償基準電流產生電路(1)的第一輸出端相連，一階溫度補償基準電流產生電路(1)的第一輸出端同時與指數溫度補償電流產生電路(2)的第一輸入端及誤差放大器(3)的第一輸入端相連。本發明增加很少的器件和功耗，得到了更低的溫度系數。
文檔編號G05F1/567GK102495659SQ20111044508
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者吳建輝, 張理振, 張萌, 李紅, 溫峻峰, 王旭東, 白春風, 趙強 申請人:東南大學