一種全溫度範圍補償的電壓基準源的製作方法
2023-05-28 15:53:31
專利名稱：一種全溫度範圍補償的電壓基準源的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電源技術領域，尤其涉及一種電壓基準源的設計。
背景技術：
在模擬、數模混合、甚至純數字電路都需要高精度的電壓基準源，如A/D轉換器、 DRAMS、電源轉化器、快閃記憶體控制電路等。電壓基準源的穩定性直接決定了電路性能的優劣。描述電壓基準源穩定性的指標主要有電源抑制比、溫度係數等。為了滿足電路在惡劣的外界溫度環境下正常工作的要求，電壓基準必須具有非常小的溫度係數，即非常高的溫度穩定性。電壓基準源的功能是向電路中其他功能模塊提供基準電壓，是模擬集成電路中非常重要的功能模塊，常為ADC、DAC、傳感器、VCO等電路提供基準電壓。傳統的帶隙基準採用一階溫度補償，主要靠負溫係數的Vbe和正溫係數的Vt來實現。在忽略Vbe非線性的情況下， 一階溫度係數通常限制在20-100ppm/°C。為了克服此限制，很多高階補償技術應運而生，如二階溫度補償，指數補償，分段線性補償，以及採用高值多晶電阻與擴散電阻的與溫度相關的電阻率。通過這些技術帶隙基準的溫度穩定性確實得到了改善，但是它們卻增加了一些其它要求，如電流鏡匹配性、電源電壓的預調整或需要高電阻率的電阻。
實用新型內容本實用新型的目的是為了解決現有的高階補償時電壓基準源存在的問題，提出了一種全溫度範圍補償的電壓基準源。本實用新型的技術方案是一種全溫度範圍補償的電壓基準源，包括啟動電路、一階溫度補償電路、比例疊加輸出電路和電流偏置電路，其特徵在於，還包括低溫高階補償電路、高溫高階補償電路和負反饋迴路，其中，啟動電路為電壓基準源提供啟動偏置電壓，電流偏置電路為一階溫度補償電路和負反饋迴路提供偏置電流，負反饋迴路與一階溫度補償電路和輸出電路相連接，一階溫度補償電路、低溫高階補償電路和高溫高階補償電路通過比例疊加輸出電路輸出全溫度範圍內經高階補償的電壓基準源。所述電流偏置電路，包括PMOS 管 MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP10、匪OS 管 MN1， 電阻Rl，NPN三極體Q3和PNP三極體Q6，其中，PMOS管MP2的柵極和漏極相連接同時接 PMOS管MP3、MP4、MP5、MP6和MP7的柵極以及NPN三極體Q3的集電極，PMOS管MP4的源極接MP3的漏極，PMOS管MP3的源極接外接電源，PMOS管MP7的源極接MP6的漏極，PMOS管 MP6的源極接外接電源，PMOS管MP7的漏極與PNP三極體Q7的發射極相連並作為節點F， PMOS管MP4的漏極接PNP三極體Q6的發射極，PNP三極體Q6的基極接PMOS管MPll的漏極並作為節點B，PNP三極體Q6的集電極接地，PMOS管MPlO的柵極與NPN三極體Q3的基極相連接並作為節點E，PMOS管MPlO的漏極與匪OS管麗1的柵極和漏極相連，PMOS管MPlO 的源極與節點G相連，NMOS管MNl的源極接地，NPN三極體Q3的發射極通過電阻Rl接地；所述一階溫度補償電路，包括PMOS管MP11、MP12，電阻R2、R3，NPN三極體Q4、Q5，其中，PMOS管MPll的柵極與漏極相連同時與PMOS管MP12的柵極和NPN管Q4的集電極相連，PMOS管MP12的漏極與NPN管Q5的集電極相連並作為節點A，NPN管Q4和Q5的基極分別與節點E相連接，通過電阻R2將NPN管Q4和NPN管Q5的發射極相連並作為節點C，節點 C通過電阻R3接地，PMOS管MPll和MP12的源極相連並作為節點G ；所述負反饋迴路，包括電容Cl，PNP三極體Q7和NPN三極體Q9，其中，NPN三極體 Q7的基極和電容Cl的一端分別與節點A相連，電容Cl的另一端接地，PNP三極體Q7的集電極接地，NPN三極體Q9的發射極作為輸出節點為VREF，NPN三極體Q7的發射極和NPN三極體Q9的基極相連並作為節點F ；所述低溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R5、R6，NPN三極體Q4、Q5，其中，電阻R6 一端作為所述電壓基準源輸出端，另一端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極體Q4和 Q5的基極相連；所述高溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R4、R5、R6，NPN三極體Q4、Q5、Q10，電阻
R6 一端作為輸出節點VREF，另一端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極體Q4和Q5的基
極相連，電阻R6和R5相接處為節點D並與NPN三極體QlO的集電極相連，NPN三極體QlO
的基極與節點C相連，NPN三極體QlO的發射極通過電阻R4接地； 所述比例疊加輸出電路，包括NPN三極體Q9和電阻R5、R6，其中，NPN三極體Q9的
基極與節點F相連，NPN三極體Q9的集電極與外接電源相連，NPN三極體的發射極與電阻
R6相連，同時作為輸出節點VREF，電阻R6與R5串聯節點為D，電阻R5的另一端與節點E相連。本實用新型的有益效果本實用新型提供一種全溫度範圍補償的電壓基準源，在低溫時採用指數曲率補償，在高溫時採用分段線性曲率補償，具有非常好的溫度穩定性和非常低的溫度係數，可以應用在模擬集成電路、高精度數模轉換電路和純數字集成電路中。
圖1為本實用新型的全溫度範圍補償的電壓基準源結構示意圖。圖2為本實用新型的全溫度範圍補償的電壓基準源電路示意圖。圖3為本實用新型的全溫度範圍補償的電壓基準源的輸出電壓的溫度特性圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體的實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。本實用新型所述全溫度範圍補償電壓基準源電路框圖如圖1所示，包括啟動電路、一階溫度補償電路、低溫高階補償電路、高溫高階補償電路、負反饋迴路、比例疊加輸出電路和電流偏置電路。其中啟動電路為全溫度範圍補償核心電路提供啟動偏置電壓，當整個電路穩定工作之後，啟動電路停止工作與整個電路相隔離，電流偏置電路主要是為一階溫度補償電路、負反饋迴路提供偏置電流，使之能正常工作。負反饋迴路主要是為了改善帶隙基準的性能，提高基準輸出電壓的穩定性。一階溫度補償電路、低溫高階補償電路和高溫高階補償電路通過比例疊加輸出電路輸出全溫度範圍內經高階補償的VREF。全溫度範圍補償的電壓基準源電路示意圖如如圖2所示。其中，一階溫度補償電路，包括PMOS管MP11、MP12，電阻R2、R3，NPN三極體Q4、Q5。其中，PMOS管MPll的柵極與漏極相連同時與PMOS管MP12的柵極和NPN管Q4的集電極相連，PMOS管MP12的漏極與NPN管Q5的集電極相連節點為A，NPN管Q4和Q5的基極相連其節點為E，通過電阻R2將NPN管Q4和NPN管Q5的發射極相連其節點為C，節點C通過電阻R3接地。偏置電流IBIASl與PMOS管MPll和MP12的源極相連。一階基準電壓為
Ve =Vbe5+^-V1XnN 電壓為 ^ =^G 。式中，Vbe5 為 NPN 三極體 Q5 的 BE 結電 Κ2 Κ2
壓，Vt為熱電壓。低溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R5、R6，NPN三極體Q4、Q5。其中，電阻R6 — 端接輸出節點VREF —端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極體Q4和Q5的基極相連節點為Ε。其中NPN三極體Q4和Q5，電阻R6和R5本身又屬於一階溫度補償電路，連接方式
相同。在低溫時，所述指數補償電壓為/^^，其中廣⑴廣^圳-^^，式
K2 Pk1 )kT
中VT為熱電壓，AEg為與發射極摻雜濃度成正比的射極帶隙窄變因子，k為玻爾茲曼常數，
β =O是三極體共發射極電流增益的最大值，且β =O是與溫度無關的。高溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R4、R5、R6，NPN三極體Q4、Q5、Q10。其中，電阻R6 —端接輸出節點VREF —端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極體Q4和Q5的基極相連，節點為Ε。電阻R6和R5相接處為節點D並與NPN三極體QlO的集電極相連，NPN三極體QlO的基極與節點C相連，NPN三極體QlO的發射極通過電阻R4接地。其中NPN三極體Q4和Q5，電阻R6和R5本身又屬於一階溫度補償電路，連接方式相同。在高溫時NPN三極體QlO開啟，所述分段線性補償電壓為R6/R4 (R3/R2VTlnN-VBE1Q)，其中Vbeiq(T1) = (R3/R2) VnInN，式中Tl為NPN三極體QlO開啟時的溫度，Vbeio為NPN三極體QlO的BE結電壓。負反饋迴路，包括電容Cl、PNP三極體Q7和NPN三極體Q9。其中，NPN三極體Q7的基極與電容Cl相連節點為A，PNP三極體Q7的集電極接地，NPN三極體Q9的發射極作為輸出節點為VREF，NPN三極體Q7的發射極和NPN三極體Q9的基極相連節點為F。NPN三極體Q7改善了節點A的輸出阻抗，電容Cl在節點A
D1
產生一個主極點為4-ant = 2柳5 ρ( +。)]Ci ，環路的傳輸函數為
Γο ^ (1 + 2gm5R3 「 l + gJl^+Rj X+)] °其中，^ 和 Sd5 分別為 NPN 三極體
Q4和Q5的跨導，β 5為NPN三極體共發射極電流增益，r。5為NPN三極體Q5的CE結電阻， r0l2為PMOS管MP12的漏源電阻為用作尾電流偏置的PMOS管ΜΡ5的漏源電阻。啟動電路作用是保證電路在上電時工作在所期望的正常狀態。電路剛接通電源時，Ql、Q2、和Q8的基極為高電位，節點C為低電位，從而Q2和Q8導通，所以，有電流流過節點C、F、G，這將驅動電路進入平衡狀態。當電路進入平衡狀態後，節點C電位升高到一定程度後，NPN三極體Q2和Q8截止。一階溫度補償電路，首先產生一階帶隙電壓，PNP三極體Q6的作用是補償PNP三極體Q7的基極電流，使PMOS管MP11，MP12的漏極電位相等，從而使得流過PMOS管MP11， MP12的電流相等。[0025]從圖2中可以得到
權利要求1.一種全溫度範圍補償的電壓基準源，包括啟動電路、一階溫度補償電路、比例疊加輸出電路和電流偏置電路，其特徵在於，還包括低溫高階補償電路、高溫高階補償電路和負反饋迴路，其中，啟動電路為電壓基準源提供啟動偏置電壓，電流偏置電路為一階溫度補償電路和負反饋迴路提供偏置電流，負反饋迴路與一階溫度補償電路和比例疊加輸出電路相連接，一階溫度補償電路、低溫高階補償電路和高溫高階補償電路通過比例疊加輸出電路輸出全溫度範圍內經高階補償的電壓基準源。
2.根據權利要求1所述的全溫度範圍補償的電壓基準源，其特徵在於，所述電流偏置電路，包括PMOS管MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP10、匪OS管MNl，電阻 Rl，NPN三極體Q3和PNP三極體Q6，其中，PMOS管MP2的柵極和漏極相連接同時接PMOS管 MP3、MP4、MP5、MP6和MP7的柵極以及NPN三極體Q3的集電極，PMOS管MP4的源極接MP3 的漏極，PMOS管MP3的源極接外接電源，PMOS管MP7的源極接MP6的漏極，PMOS管MP6的源極接外接電源，PMOS管MP7的漏極與PNP三極體Q7的發射極相連並作為節點F，PM0S管 MP4的漏極接PNP三極體Q6的發射極，PNP三極體Q6的基極接PMOS管MPll的漏極並作為節點B，PNP三極體Q6的集電極接地，PMOS管MPlO的柵極與NPN三極體Q3的基極相連接並作為節點E，PM0S管MPlO的漏極與NMOS管麗1的柵極和漏極相連，PMOS管MPlO的源極與節點G相連，NMOS管麗1的源極接地，NPN三極體Q3的發射極通過電阻Rl接地；所述一階溫度補償電路，包括PMOS管MPll、MP12，電阻R2、R3，NPN三極體Q4、Q5，其中，PMOS管MPll的柵極與漏極相連同時與PMOS管MP12的柵極和NPN管Q4的集電極相連， PMOS管MP12的漏極與NPN管Q5的集電極相連並作為節點A，NPN管Q4和Q5的基極分別與節點E相連接，通過電阻R2將NPN管Q4和NPN管Q5的發射極相連並作為節點C，節點C 通過電阻R3接地，PMOS管MPll和MP12的源極相連並作為節點G ；所述負反饋迴路，包括電容Cl，PNP三極體Q7和NPN三極體Q9，其中，NPN三極體Q7的基極和電容Cl的一端分別與節點A相連，電容Cl的另一端接地，PNP三極體Q7的集電極接地，NPN三極體Q9的發射極作為輸出節點為VREF，NPN三極體Q7的發射極和NPN三極體 Q9的基極相連並作為節點F ；所述低溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R5、R6，NPN三極體Q4、Q5，其中，電阻R6 — 端作為所述電壓基準源輸出端，另一端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極體Q4和Q5 的基極相連；所述高溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R4、R5、R6，NPN三極體Q4、Q5、Q10,電阻R6 一端作為輸出節點VREF，另一端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極體Q4和Q5的基極相連，電阻R6和R5相接處為節點D並與NPN三極體QlO的集電極相連，NPN三極體QlO的基極與節點C相連，NPN三極體QlO的發射極通過電阻R4接地；所述比例疊加輸出電路，包括NPN三極體Q9和電阻R5、R6，其中，NPN三極體Q9的基極與節點F相連，NPN三極體Q9的集電極與外接電源相連，NPN三極體的發射極與電阻R6相連，同時作為輸出節點VREF，電阻R6與R5串聯節點為D，電阻R5的另一端與節點E相連。
專利摘要本實用新型公開了一種全溫度範圍補償的電壓基準源，具體包括啟動電路、一階溫度補償電路、比例疊加輸出電路和電流偏置電路，其特徵在於，還包括低溫高階補償電路、高溫高階補償電路和負反饋迴路。本實用新型提供的電壓基準源，在低溫時採用指數曲率補償，在高溫時採用分段線性曲率補償，具有非常好的溫度穩定性和非常低的溫度係數，可以應用在模擬集成電路、高精度數模轉換電路和純數字集成電路中。
文檔編號G05F1/56GK202067172SQ20112014712
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月11日 優先權日2011年5月11日
發明者傅金, 周澤坤, 張波, 明鑫, 李肇基, 王慧芳, 馬穎乾 申請人:電子科技大學