專利名稱：一種動態(tài)補償基準電壓的方法以及帶隙基準電壓源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種CMOS帶隙基準電壓源，尤其涉及一種具有曲率補償 電路的CMOS帶隙基準電壓源以及動態(tài)補償基準電壓的方法。
背景技術：
在A/D和D/A轉換器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及各種測量設備中，都需要高 精度、高穩(wěn)定性的基準電壓源，并且基準電壓源的精度和穩(wěn)定性決定了整個 系統(tǒng)的工作性能。電壓基準源主要有基于正向VBE的電壓基準、基于齊納二 極管反向擊穿特性的電壓基準、帶隙電壓基準等多種實現(xiàn)方式，其中帶隙基 準電壓源具有低溫度系數(shù)、高電壓抑制比、低基準電壓等優(yōu)點，因而得到了 廣泛的應用。一種傳統(tǒng)的CMOS帶隙基準工作源的工作原理是利用雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE (具有負溫度系數(shù))和它們的差值^￡ (具有正溫度系數(shù))進行相互補償，從而達到電路的溫度系數(shù)為零的目的。圖1顯示了這種現(xiàn)有技術的CMOS帶隙基準工作源的電路圖。在圖中，運算放大器OP 的作用是使電路處于深度負反饋狀態(tài)，從而讓運算放大器OP兩輸入端電壓相等。因此，在電路穩(wěn)定輸出時I!R!+V肥二V能2 公式(1)Vref=VBE3+I3R2 公式(2)由于基準電壓輸出電路鏡像了基礎電路的電流，因此該基準電壓輸出電路的電流13滿足下列關系式1,二l3 公式(3)通常，溫度對二極管的伏安特性有較大的影響，溫度升高，保持二極管電流不變時所需要的正向偏壓減小，艮口VBE=VTln(I/Is) 公式(4)其中VT表示溫度的電壓當量。由上述公式(1) 、 (2) 、 (3)可以進一步地推導出L二 (VBE2—VBE1) /R產(chǎn)VT/R!ln(Vl2) 公式(5)Vref二VBE3+R2/RlXVTXln(1,/12) 公式(6)其中，II和12的比值也應當為三極管Ql和Q2發(fā)射區(qū)面積的比值。可 見， 一方面，三極管Q1和Q2的兩個PN結電壓差在電阻R1上產(chǎn)生了與絕 對溫度成正比(PTAT)的電流；另一方面，基準電壓只與PN結的正向壓 降、電阻的比值以及三極管Q1和Q2的發(fā)射極面積的比值有關，所以，在實際的工藝制作中將會有很高的精度。VBE3具有負的溫度系數(shù)，在室溫時大約為一2mV/。 C; Vt具有正的溫度系數(shù)，在室溫時大約為十0.085mV/。 C， 所以，傳統(tǒng)帶隙基準電壓源得到的基準電壓溫度漂移曲線為一個二階拋物 線，如圖2所示。通過設定合適的工作點，可以使兩項之和在某一溫度下達到零溫度系 數(shù)，從而得到具有較好溫度特性的基準電壓。適當?shù)剡x取R,、 R2，以及Q,和Q2發(fā)射區(qū)面積的比值即可得到具有零溫度系數(shù)的基準電壓。事實上，從實際的工作環(huán)境考慮，電源電壓的變化范圍是1.6V 2.0V， 溫度變化范圍是一20。 C 10(T C，讓所輸出的基準電壓工作在零溫度系數(shù) 的狀態(tài)下也是理想的目標，通常，基準電壓的溫度系數(shù)應盡可能地小。然而，這種傳統(tǒng)的帶隙式基準電壓源僅僅利用了 PN結電壓,i的負溫 度特性和不同電流密度下的兩個PN結電壓差a^的正溫度系數(shù)相互補償， 使輸出電壓達到很低的溫度漂移。由于^負溫度系數(shù)具有非線性，akb￡ = kT線性正溫度特性僅能抵消一階負溫度系數(shù)，因此在實際的高溫工作環(huán)境 中，現(xiàn)有技術的帶隙基準電壓源是無法使基準電壓得到有效的補償。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所解決的技術問題在于提出一種動態(tài)補償基準電壓的方法以及 一種帶隙基準電壓源，以解決現(xiàn)有技術中的帶隙基準電壓源的基準電壓在高 溫的工作環(huán)境下溫度漂移較大的問題，來保證基準電壓隨著溫度升高變化最 小。本發(fā)明的一種動態(tài)補償基準電壓的方法，包括提供一個基礎電流源，其 中該基礎電流具有正溫度系數(shù)特性；形成第一支路，通過鏡像該基礎電流而獲得第一電流，并利用一個負溫度系數(shù)的元件和正溫度系數(shù)的元件輸出一基 準電壓；形成用于檢測溫度變化的第二支路，通過鏡像該基礎電流而獲得一個與絕對溫度成比例的電壓差；將該電壓差轉變成指數(shù)形式的電流補償給該 基準電壓。本發(fā)明的一種帶隙基準電壓源，包括 一個基礎核心電路，用于提供一 個具有正溫度系數(shù)特性的基礎電流； 一個基準電壓輸出電路，通過鏡像該基 礎電流而獲得第一鏡像電流，并利用一個負溫度系數(shù)的元件和正溫度系數(shù)的 元件輸出 一基準電壓； 一個曲率補償電路，用于檢測溫度變化，包括一 CMOS 管MS1，與該鏡像電路并聯(lián)，用于獲得第二鏡像電流，其中該CMOS管 MS1的源極回路接入一個電阻元件Rc，用于獲得一個與絕對溫度成比例的 電壓差； 一個與該電阻元件Rc并聯(lián)的三極管Qc，用于將該電壓差轉變成指 數(shù)形式的電流，補償給該基準電壓。本發(fā)明的CMOS帶隙基準電壓源可以動態(tài)跟蹤溫度變化，并且同時對 隨溫度升高而降低的基準電壓進行高階曲率補償，從而實現(xiàn)基準電壓隨著溫 度升高變化更小。


下面結合附圖，通過對本發(fā)明實施例的描述將使得本發(fā)明的技術方安和 其它優(yōu)點顯而易見。圖l是一種現(xiàn)有技術的帶隙基準電壓源的電路圖；圖2示出了現(xiàn)有技術的CMOS帶隙基準電壓源的基準電壓溫度漂移曲圖3顯示了本發(fā)明對基準電壓進行高階曲率補償?shù)牧鞒虉D； 圖4示出了本發(fā)明的具有曲率補償電路的CMOS帶隙基準電壓源的電 路圖；圖5顯示了本發(fā)明的所獲得的與溫度成正比的電壓差的示意圖；以及 圖6示出了本發(fā)明的帶隙基準電壓源的基準電壓溫度漂移曲線。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明。如圖4所示，本發(fā)明提出的CMOS帶隙基準電壓源100包括 一基準核心電路U0，用于產(chǎn)生一個作為基準電流的恒定電流； 一基準電壓輸出電 路120，利用一個正溫度系數(shù)元件R2，和一個負溫度系數(shù)元件Q3輸出一個 基準電壓Vref; —曲率補償電路130，和一啟動電路140，用于保證電壓源 IOO可靠地工作，避免其陷入零狀態(tài)。本發(fā)明的動態(tài)補償該基準電壓Vref的方法，如圖3所示，首先，在步驟 SIO，提供一個基礎電流源I,，其中該基礎電流I,具有正溫度系數(shù)特性。參閱圖4，基準核心電路110是利用兩個相互匹配的CMOS管MP1和MP2組成鏡像電路， 一確保產(chǎn)生一個恒定的電流Ip 12被稱為是I,的鏡像電流，因此，兩者相等。同時，本發(fā)明利用一個誤差放大器E/A1跨接在該鏡像電 路之間，在深度負反饋的情形下，其正、負端的電壓是相等的，即節(jié)點POl 和P02兩點電勢相等。與現(xiàn)有技術相同地，在其中一個節(jié)點(P01)中接入 一個電阻元件Ri和一個三極管Q,，和在另一個節(jié)點P02中接入一個三極管 Q2。那么，該基準核心電路110中所得到的基準電流I,具有正溫度系數(shù)。 此外，本發(fā)明的核心電路IIO還包括一第三支路，即利用CMOS管MP5鏡 像基礎電流Ip其源極反饋鏡像電流，供給該誤差放大器E/A1，以使該誤 差放大器E/A1處于深度負反饋狀態(tài)下。分別在鏡像電路中獲得兩個具有相 同電勢的節(jié)點POl和P02。其次，在歩驟S12，形成第一支路120，即準電壓輸出電路120，通過 鏡像該基準電流1,而獲得了電流13。在該準電壓輸出電路120中接入一個電阻R2和一個三極管Q3，這樣，所輸出的基準電壓Vref由具有負溫度系數(shù)特性的V服3和具有正溫度系數(shù)的13112相關。接下來，在步驟S14，形成用于檢測溫度變化的第二支路，即曲率補償 電路130，鏡像該基礎電流h以獲得一個與絕對溫度成比例的電壓差VPQ6。最后，在步驟S16，將該電壓差轉變成指數(shù)形式的電流補償給該基準電壓。特別的是，本發(fā)明的曲率補償電路130利用一個CMOS管MS1鏡像該 基礎電流Ii，其源極回路中首先接入一個電阻Rc，用于確保節(jié)點P06的電 壓差是隨溫度的升高而升高的PTAT電壓，因此，節(jié)點P06的電壓差可以用于檢測溫度的變化。然后，在該電阻Rc的兩端并聯(lián)一個三極管Qc，重要地， 該三極管Qc的柵極與基準電壓輸出端P04節(jié)點相接，這樣，三極管Qc的柵極-發(fā)射極就接入基準電壓輸出電路120的電阻R2和三極管Q3形成了回路。因此，從該曲率補償電路130得到關系式VP06=ICRC=VBEC 公式(7 )Qc發(fā)射極到柵極的電壓差VEB是一個隨溫度升高而升高的電壓，其變 化量，。,〉a^f，因此，溫度升高使Vebc増大，使Qc導通產(chǎn)生的補償電流也跟隨增大。Qc的柵極電流將會隨著Qc集電極電流的增加而增加，增加的電流再注入到Vref，在電阻R2上形成壓降，緩解了在高溫階段V^隨溫度增加而減小的趨勢，達到了高溫補償?shù)哪康?。較佳的是，通過增大三極管Qc 與Q,的寬長比而容易地獲得倍增于基礎電流L的鏡像電流，這樣可以給基準電壓更多的補償。VEB電壓與溫度是線性關系，同時VEB和Qc集電極電流是指數(shù)關系， Qc柵極電流與其集電極電流是線性關系(假設放大倍數(shù)p是一個常數(shù))。所 以注入到P04結點的電流與溫度近似成指數(shù)關系，可以形成高階溫度補償， 如圖5所示。溫度升高，基準電壓下降越多，則補償電流也將越大，促使基 準電壓在高溫時不會降低。較佳的是，為避免本發(fā)明的電壓源陷入零狀態(tài)，本發(fā)明還增加了一個啟 動電路140，返回圖4。帶隙基準電壓源存在兩個電路平衡點，即零點和正 常工作點。當電路處在零點時，整個電路中沒有電流流過，電路不能正常工 作。啟動電路140用于確?？偸怯呻娐妨髁鬟^參考源中的晶體管，使得零狀 態(tài)處的環(huán)路增益大于l，避免陷入零狀態(tài)，同時還確保電路啟動后，該啟動 電路本身不干擾參考源的正常工作。電路剛剛上電時，P03也跟著隨著電源電壓上升，啟動管MS3開啟， 電流注入到Qi的發(fā)射極，使其電位升高，同時也使POl和P02脫離零電位 工作點。當P03電壓上升到一定數(shù)值時，啟動管MS3關斷，系統(tǒng)進入正常 工作模式。完成了電路正常啟動后，啟動模塊自動與主體電路脫離開，并不 影響主體電路工作。當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的 情況下，熟悉本領域的普通技術人員當可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應的改變和 變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范 圍。
權利要求
1、一種動態(tài)補償基準電壓的方法，提供一個基礎電流源，其中該基礎電流具有正溫度系數(shù)特性；形成第一支路，通過鏡像該基礎電流而獲得第一電流，以利用一個負溫度系數(shù)的元件和正溫度系數(shù)的元件輸出一基準電壓；形成用于檢測溫度變化的第二支路，鏡像該基礎電流以獲得一個與絕對溫度成比例的電壓差；將該電壓差轉變成指數(shù)形式的電流補償給該基準電壓。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，形成用于檢測溫度變化的 第二鏡像支路，以獲得一個與絕對溫度成比例的電壓差的步驟包括在該第二鏡像支路中串聯(lián)第一電阻元件(Rc)。
3、 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，將該電壓差轉變成指數(shù)形 式的電流補償給該基準電壓的步驟包括提供一個作為補償元件的三極管(Qc)，其中該三極管(Qc)并聯(lián)在該 電阻元件的兩端，基極和集電極與該基準電壓形成回路。
4、 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，還包括 在第二鏡像支路中獲得一個倍增的第二鏡像電流。
5、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，提供一個基礎電流源的歩 驟包括利用兩個性能匹配的CMOS管(MP1和MP2)形成一個鏡像電路； 利用一個跨接在該鏡像電路之間的誤差放大器，分別在鏡像電路中獲得兩 個具有相同電勢的節(jié)點(P01和P02);在其中一個節(jié)點(P01)中接入一個電阻元件(R》和一個三極管(Q,)，和在另一個節(jié)點(P02)中接入一個三極管(Q2)。
6、 根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，還包括 提供第三支路，用于鏡像該基準電流并將其反饋給該誤差放大器。
7、 根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一鏡像支路中，負 溫度系數(shù)的元件為一三極管(Q3)，以及該正溫度系數(shù)的元件為一電阻元件200810057212.8權利要求書第2/2頁(R2)。
8、 一種帶隙基準電壓源，包括一個基礎核心電路，用于提供一個具有正溫度系數(shù)特性的基礎電流；一個基準電壓輸出電路，通過鏡像該基礎電流而獲得第一鏡像電流，并利用一個負溫度系數(shù)的元件和正溫度系數(shù)的元件輸出一基準電壓；一個曲率補償電路，用于檢測溫度變化，包括一 CMOS管(MSI)，與 該鏡像電路并聯(lián)，用于獲得第二鏡像電流，其中該CMOS管(MSI)的源極 回路接入一個電阻元件(Rc)，用于獲得一個與絕對溫度成比例的電壓差； 一個與該電阻元件(Rc)并聯(lián)的三極管(Qc)，用于將該電壓差 轉變成指數(shù)形式的電流，補償給該基準電壓。
9、 根據(jù)權利要求8所述的電壓源，其特征在于，該三極管(Qc)的發(fā)射 極和集電極并聯(lián)在該電阻元件(Rc)的兩端，基極和集電極與該基準電壓形成 回路。
10、 根據(jù)權利要求9所述的電壓源，其特征在于，該基礎核心電路包括 一個鏡像電路，包括兩個性能匹配的CMOS管(MP1和MP2); 一個誤差放大器，用于在兩個CMOS管(MP1和MP2)的源極所在回路獲得具有相同電勢的節(jié)點(P01禾口 P02)，輸入端跨接在該CMOS管(MP1 和MP2)的源極所在回路，輸出端與CMOS管(MPl禾nMP2)的柵極聯(lián)接；一個電阻(R。和一個三極管(Qi)，聯(lián)接在其中一個節(jié)點(P01)，和一個三極管(Q2)，聯(lián)接在另一個節(jié)點(P02)。
11、 根據(jù)權利要求9所述的電壓源，其特征在于，該三極管(Qc)具有 多倍于該三極管(Q2)的寬長比。
12、 根據(jù)權利要求8所述的電壓源，其特征在于，還包括一第三鏡像支路， 具有一CMOS管(MP5)，與該鏡像電路的CMOS管(MP2)并聯(lián)，其源極 反饋鏡像電流，供給該誤差放大器。
全文摘要
一種具有曲率補償電路CMOS帶隙基準電壓源，包括啟動電路；基準核心電路；曲率補償電路；以及，基準電壓輸出電路。本發(fā)明的具有曲率補償電路的CMOS帶隙基準電壓源利用PTAT電流在電阻上形成PTAT電壓用于檢測溫度的變化，即ms1鏡像的電流在RC2上形成的電壓V(P06)為與溫度成正比的電壓，采用BJT三極管QC2發(fā)射極與基極的電壓差V_EB與BJT集電極電流的指數(shù)關系，以及集電極電流和基極電流的近似線性關系形成了將隨溫度線性變化的檢測電壓轉換為指數(shù)形式的補償電流對基準電壓進行動態(tài)補償。
文檔編號G05F3/24GK101226414SQ20081005721
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月30日 優(yōu)先權日2008年1月30日
發(fā)明者鄭儒富 申請人:北京中星微電子有限公司