專利名稱：一種全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計。
背景技術(shù)：
在模擬、數(shù)?；旌?、甚至純數(shù)字電路都需要高精度的電壓基準(zhǔn)源，如A/D轉(zhuǎn)換器、 DRAMS、電源轉(zhuǎn)化器、閃存控制電路等。電壓基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性直接決定了電路性能的優(yōu)劣。描述電壓基準(zhǔn)源穩(wěn)定性的指標(biāo)主要有電源抑制比、溫度系數(shù)等。為了滿足電路在惡劣的外界溫度環(huán)境下正常工作的要求，電壓基準(zhǔn)必須具有非常小的溫度系數(shù)，即非常高的溫度穩(wěn)定性。電壓基準(zhǔn)源的功能是向電路中其他功能模塊提供基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)采用一階溫度補償，主要靠負(fù)溫系數(shù)的Vbe和正溫系數(shù)的Vt來實現(xiàn)。在忽略Vbe非線性的情況下， 一階溫度系數(shù)通常限制在20-100ppm/°C。為了克服此限制，很多高階補償技術(shù)應(yīng)運而生，如二階溫度補償，指數(shù)補償，分段線性補償，以及采用高值多晶電阻與擴散電阻的與溫度相關(guān)的電阻率。通過這些技術(shù)帶隙基準(zhǔn)的溫度穩(wěn)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(yù)調(diào)整或需要高電阻率的電阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的高階補償時電壓基準(zhǔn)源存在的問題，提出了一種全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)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，其特征在于，還包括低溫高階補償電路、 高溫高階補償電路和負(fù)反饋回路，其中，啟動電路為電壓基準(zhǔn)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(fù)反饋回路提供偏置電流，負(fù)反饋回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范圍內(nèi)經(jīng)高階補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)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三極管Q3和PNP三極管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三極管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三極管Q7的發(fā)射極相連并作為節(jié)點F， PMOS管MP4的漏極接PNP三極管Q6的發(fā)射極，PNP三極管Q6的基極接PMOS管MPll的漏極并作為節(jié)點B，PNP三極管Q6的集電極接地，PMOS管MPlO的柵極與NPN三極管Q3的基極相連接并作為節(jié)點E，PMOS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(jié)點G相連，NMOS管MNl的源極接地，NPN三極管Q3的發(fā)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三極管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的集電極相連并作為節(jié)點A，NPN管Q4和Q5的基極分別與節(jié)點E相連接，通過電阻R2將NPN管Q4和NPN管Q5的發(fā)射極相連并作為節(jié)點C，節(jié)點 C通過電阻R3接地，PMOS管MPll和MP12的源極相連并作為節(jié)點G ；所述負(fù)反饋回路，包括電容Cl，PNP三極管Q7和NPN三極管Q9，其中，NPN三極管 Q7的基極和電容Cl的一端分別與節(jié)點A相連，電容Cl的另一端接地，PNP三極管Q7的集電極接地，NPN三極管Q9的發(fā)射極作為輸出節(jié)點為VREF，NPN三極管Q7的發(fā)射極和NPN三極管Q9的基極相連并作為節(jié)點F ；所述低溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R5、R6，NPN三極管Q4、Q5，其中，電阻R6 一端作為所述電壓基準(zhǔn)源輸出端，另一端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極管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三極管Q4、Q5、Q10，電阻
R6 一端作為輸出節(jié)點VREF，另一端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極管Q4和Q5的基
極相連，電阻R6和R5相接處為節(jié)點D并與NPN三極管QlO的集電極相連，NPN三極管QlO
的基極與節(jié)點C相連，NPN三極管QlO的發(fā)射極通過電阻R4接地； 所述比例疊加輸出電路，包括NPN三極管Q9和電阻R5、R6，其中，NPN三極管Q9的
基極與節(jié)點F相連，NPN三極管Q9的集電極與外接電源相連，NPN三極管的發(fā)射極與電阻
R6相連，同時作為輸出節(jié)點VREF，電阻R6與R5串聯(lián)節(jié)點為D，電阻R5的另一端與節(jié)點E相連。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供一種全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源，在低溫時采用指數(shù)曲率補償，在高溫時采用分段線性曲率補償，具有非常好的溫度穩(wěn)定性和非常低的溫度系數(shù)，可以應(yīng)用在模擬集成電路、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和純數(shù)字集成電路中。


圖1為本發(fā)明的全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源電路示意圖。圖3為本發(fā)明的全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源的輸出電壓的溫度特性圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明所述全溫度范圍補償電壓基準(zhǔn)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(fù)反饋回路、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范圍補償核心電路提供啟動偏置電壓，當(dāng)整個電路穩(wěn)定工作之后，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(fù)反饋回路提供偏置電流，使之能正常工作。負(fù)反饋回路主要是為了改善帶隙基準(zhǔn)的性能，提高基準(zhǔn)輸出電壓的穩(wěn)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范圍內(nèi)經(jīng)高階補償?shù)腣REF。全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)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三極管Q4、
4Q5。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(jié)點為A，NPN管Q4和Q5的基極相連其節(jié)點為E，通過電阻R2將NPN管Q4和NPN管Q5的發(fā)射極相連其節(jié)點為C，節(jié)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(zhǔn)電壓為
Ve =Vbe5+^-V1XnN 電壓為 ^ =^G 。式中，Vbe5 為 NPN 三極管 Q5 的 BE 結(jié)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三極管Q4、Q5。其中，電阻R6 — 端接輸出節(jié)點VREF —端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極管Q4和Q5的基極相連節(jié)點為Ε。其中NPN三極管Q4和Q5，電阻R6和R5本身又屬于一階溫度補償電路，連接方式
相同。在低溫時，所述指數(shù)補償電壓為:2。/^^，其中廣⑴凡哪卜^^，式
K2 PK1)kT
中Vt為熱電壓，AEg為與發(fā)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(shù)，
β =O是三極管共發(fā)射極電流增益的最大值，且β =O是與溫度無關(guān)的。高溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R4、R5、R6，NPN三極管Q4、Q5、Q10。其中，電阻R6 —端接輸出節(jié)點VREF —端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極管Q4和Q5的基極相連，節(jié)點為Ε。電阻R6和R5相接處為節(jié)點D并與NPN三極管QlO的集電極相連，NPN三極管QlO的基極與節(jié)點C相連，NPN三極管QlO的發(fā)射極通過電阻R4接地。其中NPN三極管Q4和Q5，電阻R6和R5本身又屬于一階溫度補償電路，連接方式相同。在高溫時NPN三極管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三極管QlO開啟時的溫度，Vbeio為NPN三極管QlO的BE結(jié)電壓。負(fù)反饋回路，包括電容Cl、PNP三極管Q7和NPN三極管Q9。其中，NPN三極管Q7的基極與電容Cl相連節(jié)點為A，PNP三極管Q7的集電極接地，NPN三極管Q9的發(fā)射極作為輸出節(jié)點為VREF，NPN三極管Q7的發(fā)射極和NPN三極管Q9的基極相連節(jié)點為F。NPN三極管Q7改善了節(jié)點A的輸出阻抗，電容Cl在節(jié)點A
D1
產(chǎn)生一個主極點為4-ant = 2柳5 ρ( +。)]Ci ，環(huán)路的傳輸函數(shù)為
Γο ^ (l + 2gm5R3 “ l + gJlk+Rj X Wo5 Ρ(?！?2 +)] °其中，^ 和 Sd5 分別為 NPN 三極管
Q4和Q5的跨導(dǎo)，β 5為NPN三極管共發(fā)射極電流增益，r。5為NPN三極管Q5的CE結(jié)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(tài)。電路剛接通電源時，Ql、Q2、和Q8的基極為高電位，節(jié)點C為低電位，從而Q2和Q8導(dǎo)通，所以，有電流流過節(jié)點C、F、G，這將驅(qū)動電路進(jìn)入平衡狀態(tài)。當(dāng)電路進(jìn)入平衡狀態(tài)后，節(jié)點C電位升高到一定程度后，NPN三極管Q2和Q8截止。一階溫度補償電路，首先產(chǎn)生一階帶隙電壓，PNP三極管Q6的作用是補償PNP三極管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。
從圖2中可以得到
權(quán)利要求
1.一種全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)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，其特征在于，還包括低溫高階補償電路、高溫高階補償電路和負(fù)反饋回路，其中，啟動電路為電壓基準(zhǔn)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(fù)反饋回路提供偏置電流，負(fù)反饋回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范圍內(nèi)經(jīng)高階補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源，其特征在于，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三極管Q3和PNP三極管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三極管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三極管Q7的發(fā)射極相連并作為節(jié)點F，PM0S管 MP4的漏極接PNP三極管Q6的發(fā)射極，PNP三極管Q6的基極接PMOS管MPll的漏極并作為節(jié)點B，PNP三極管Q6的集電極接地，PMOS管MPlO的柵極與NPN三極管Q3的基極相連接并作為節(jié)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(jié)點G相連，NMOS管麗1的源極接地，NPN三極管Q3的發(fā)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三極管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的集電極相連并作為節(jié)點A，NPN管Q4和Q5的基極分別與節(jié)點E相連接，通過電阻R2將NPN管Q4和NPN管Q5的發(fā)射極相連并作為節(jié)點C，節(jié)點C 通過電阻R3接地，PMOS管MPll和MP12的源極相連并作為節(jié)點G ；所述負(fù)反饋回路，包括電容Cl，PNP三極管Q7和NPN三極管Q9，其中，NPN三極管Q7的基極和電容Cl的一端分別與節(jié)點A相連，電容Cl的另一端接地，PNP三極管Q7的集電極接地，NPN三極管Q9的發(fā)射極作為輸出節(jié)點為VREF，NPN三極管Q7的發(fā)射極和NPN三極管 Q9的基極相連并作為節(jié)點F ；所述低溫高階補償電路，包括電阻R2、R3、R5、R6，NPN三極管Q4、Q5，其中，電阻R6 — 端作為所述電壓基準(zhǔn)源輸出端，另一端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極管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三極管Q4、Q5、Q10,電阻R6 一端作為輸出節(jié)點VREF，另一端串接電阻R5，電阻R5另一端與NPN三極管Q4和Q5的基極相連，電阻R6和R5相接處為節(jié)點D并與NPN三極管QlO的集電極相連，NPN三極管QlO的基極與節(jié)點C相連，NPN三極管QlO的發(fā)射極通過電阻R4接地；所述比例疊加輸出電路，包括NPN三極管Q9和電阻R5、R6，其中，NPN三極管Q9的基極與節(jié)點F相連，NPN三極管Q9的集電極與外接電源相連，NPN三極管的發(fā)射極與電阻R6相連，同時作為輸出節(jié)點VREF，電阻R6與R5串聯(lián)節(jié)點為D，電阻R5的另一端與節(jié)點E相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全溫度范圍補償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)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，其特征在于，還包括低溫高階補償電路、高溫高階補償電路和負(fù)反饋回路。本發(fā)明提供的電壓基準(zhǔn)源，在低溫時采用指數(shù)曲率補償，在高溫時采用分段線性曲率補償，具有非常好的溫度穩(wěn)定性和非常低的溫度系數(shù)，可以應(yīng)用在模擬集成電路、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和純數(shù)字集成電路中。
文檔編號G05F1/56GK102541133SQ201110120320
公開日2012年7月4日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)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(xué)