一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源制造技术

本发明专利技术公开了一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源，包括启动电路模块、PTAT电流模块、CTAT电流模块、曲率补偿模块和输出驱动模块；启动电路模块为电压源提供启动电压，防止进入简并工作点；PTAT电流模块产生正温度系数的电流I

【技术实现步骤摘要】
一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源


[0001]本专利技术涉及带隙基准电压源，特别涉及一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源。

技术介绍

[0002]带隙基准电压源作为模拟集成电路和混合集成电路的核心单元，以其高精度、低温漂、高稳定性等特点，被广泛应用于各种模数转换器(ADC)中。随着ADC精度的提高，其对带隙基准电压源的性能要求也越来越高，有的甚至要求带隙基准电压温度系数小于几个ppm/℃。传统的带隙基准电压源通常采用一阶温度补偿技术，其温度系数被限制在20～100ppm/℃，难以满足高精度ADC的系统要求。因此，为改善带隙基准电压的温度特性，提出了高阶温度补偿技术。目前，常用的高阶温度补偿技术有：指数曲率补偿技术、分段温度补偿技术、电阻比例补偿技术和V
BE
线性化补偿技术等。
[0003]图1所示是采用V
BE
线性化补偿技术的一种典型带隙基准电路结构，通过电阻R1产生正温度系数PTAT电流，通过电阻R2产生负温度系数CTAT电流，通过电阻R4产生非线性补偿电流，在镜像管MP4的复制作用下这三路电流共同注入电阻R3产生零温度系数的电压。这种电路结构有几个缺点，一是使用了两个相同的电阻R2和两个相同的电阻R4，对电阻的匹配性要求很高；二是使用运算放大器进行电压钳位，运放的失调电压会对基准输出电压产生很大的影响，要想获得好的性能必须减小运放的失调电压，常用的方法是对运放进行斩波，但这需要额外的时钟电路而且会在输出电压中引入纹波。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是：针对上述问题，本专利技术提供一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源，包括启动电路模块、PTAT电流模块、CTAT电流模块、曲率补偿模块和输出驱动模块，其中：
[0007]所述启动电路模块为电压源提供启动电压，防止进入简并工作点；
[0008]PTAT电流模块通过自偏置共源共栅电流镜结构产生正温度系数的电流I
PTAT
；
[0009]CTAT电流模块通过共源共栅电流镜和负反馈结构产生负温度系数的电流I
CTAT
；
[0010]曲率补偿模块利用三极管基极
‑
发射极电压V
BE
中的非线性项V
T
ln(T)的系数与其集电极偏置电流有关的特性，产生与V
T
ln(T)成线性关系但开口曲率方向与V
BE
开口曲率相反的补偿电流I
CC
；
[0011]输出驱动模块通过共源共栅电流镜对电流I
PTAT
、I
CTAT
和I
CC
进行不同比例系数的镜像复制，镜像电流注入电阻R3最终产生基准输出电压VBG。
[0012]优选的，所述PTAT电流模块包括三极管Q2～Q6、MOS管M1～M19以及电阻R1；
[0013]MOS管M7、M6、M5、M2、M1和三极管Q2依次串接在电源正负极之间；MOS管M10、M9、M8、M4、M3、电阻R1和三极管Q3依次串接在电源正负极之间；MOS管M13、M12、M11和三极管Q4依次
串接在电源正负极之间；MOS管M16、M15、M14和三极管Q5依次串接在电源正负极之间；MOS管M19、M18、M17和三极管Q6依次串接在电源正负极之间；
[0014]MOS管M7、M10、M13的栅极共接；MOS管M6、M9、M16的栅极共接；MOS管M5、M8、M19的栅极共接；MOS管M2、M4、M12、M15、M18的栅极共接；MOS管M1、M3、M14、M17的栅极共接；MOS管M11、M12、M13、M19的栅极分别与自身漏极短接；MOS管M10的栅极与M8的漏极短接，MOS管M1的栅极与M2的漏极短接；三极管Q2～Q6的基极分别连接电源负极。
[0015]优选的，所述三极管Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的面积比为1:N:1:1:1，MOS管M1和M3、M2和M4、M5和M8、M6和M9、M7和M10的宽长比相同。
[0016]优选的，所述MOS管M1～M10构成自偏置电流镜，Q4、Q5、Q6支路为自偏置电流镜提供偏置电压；其中M5～M10为PMOS镜像管，采用三层共源共栅结构；M1～M4为NMOS镜像管，采用两层共源共栅结构；
[0017]在电流镜镜像作用下MOS管M1和M3管的漏极电流相等，因此其栅源电压相等，即MOS管M1、三极管Q2的连接节点A和MOS管M3、电阻R1的连接节点B等电位；流过电阻R1形成的PTAT电流表示为：
[0018][0019]其中，V
BE2
、V
BE3
分别为三极管Q2、Q3的基极
‑
发射极电压；V
T
为热力学电压，等于kT/q，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，q为单位电荷量；N为Q3和Q2的面积比。
[0020]优选的，所述CTAT电流模块包括MOS管M20～M27、电阻R2和电容C
C
；
[0021]MOS管M24、M23、M22、M21、M20和电阻R2依次串接在电源正负极之间；MOS管M27、M26、M25依次串接在电源正极和电阻R2之间；弥勒补偿电容C
C
跨接在M27的栅极和M25的漏极之间；
[0022]MOS管M24的栅极与M13的栅极共接；MOS管M23、M26的栅极与M16的栅极共接；MOS管M22、M25的栅极与M19的栅极共接；MOS管M27的栅极连接MOS管M22的漏极；
[0023]MOS管M20～M24构成共源共栅电流镜，对PTAT电流进行复制，其中M20～M24与M3、M4、M8～M10对应镜像管的宽长比比例为1:N1。
[0024]优选的，由于镜像管的镜像复制，MOS管M20的源极与电阻R2的连接节点C电压与节点B、节点A的电位相同，因此流过电阻R2的电流为：
[0025][0026]V
BE2
的温度系数为负，流过R2的电流I
CTAT
有负温度系数。而M20～M24镜像复制的电流有正温度系数，两者之间是矛盾的，因此必须要有额外的支路来承接这部分差异电流才能确保C节点电压与A、B节点电压完全相等；
[0027]MOS管M25、M26、M27、M20和M21构成负反馈结构来承接正温度系数镜像复制电流与负温度系数的I
CTAT
之间的部分差异电流并维持节点C电压的稳定。
[0028]优选的，所述曲率补偿模块包括三极管Q7、MOS管M28～M33和电阻R
CC
；
[0029]MOS管M30、M29、M28和三极管Q7依次串接在电源正负极之间；MOS管M33、M32、M31依次串接在电源正极和三极管Q7之间；电阻R
CC
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无运放型曲率补偿带隙基准电压源，其特征在于，包括启动电路模块、PTAT电流模块、CTAT电流模块、曲率补偿模块和输出驱动模块，其中：所述启动电路模块为电压源提供启动电压，防止进入简并工作点；PTAT电流模块通过自偏置共源共栅电流镜结构产生正温度系数的电流I
PTAT
；CTAT电流模块通过共源共栅电流镜和负反馈结构产生负温度系数的电流I
CTAT
；曲率补偿模块利用三极管基极
‑
发射极电压V
BE
中的非线性项V
T
ln(T)的系数与其集电极偏置电流有关的特性，产生与V
T
ln(T)成线性关系但开口曲率方向与V
BE
开口曲率相反的补偿电流I
CC
；输出驱动模块通过共源共栅电流镜对电流I
PTAT
、I
CTAT
和I
CC
进行不同比例系数的镜像复制，镜像电流注入电阻R3最终产生基准输出电压VBG。2.根据权利要求1所述的无运放型曲率补偿带隙基准电压源，其特征在于，所述PTAT电流模块包括三极管Q2～Q6、MOS管M1～M19以及电阻R1；MOS管M7、M6、M5、M2、M1和三极管Q2依次串接在电源正负极之间；MOS管M10、M9、M8、M4、M3、电阻R1和三极管Q3依次串接在电源正负极之间；MOS管M13、M12、M11和三极管Q4依次串接在电源正负极之间；MOS管M16、M15、M14和三极管Q5依次串接在电源正负极之间；MOS管M19、M18、M17和三极管Q6依次串接在电源正负极之间；MOS管M7、M10、M13的栅极共接；MOS管M6、M9、M16的栅极共接；MOS管M5、M8、M19的栅极共接；MOS管M2、M4、M12、M15、M18的栅极共接；MOS管M1、M3、M14、M17的栅极共接；MOS管M11、M12、M13、M19的栅极分别与自身漏极短接；MOS管M10的栅极与M8的漏极短接，MOS管M1的栅极与M2的漏极短接；三极管Q2～Q6的基极分别连接电源负极。3.根据权利要求2所述的无运放型曲率补偿带隙基准电压源，其特征在于，所述三极管Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的面积比为1:N:1:1:1，MOS管M1和M3、M2和M4、M5和M8、M6和M9、M7和M10的宽长比相同。4.根据权利要求3所述的无运放型曲率补偿带隙基准电压源，其特征在于，所述MOS管M1～M10构成自偏置电流镜，Q4、Q5、Q6支路为自偏置电流镜提供偏置电压；其中M5～M10为PMOS镜像管，采用三层共源共栅结构；M1～M4为NMOS镜像管，采用两层共源共栅结构；在电流镜镜像作用下MOS管M1和M3管的漏极电流相等，因此其栅源电压相等，即MOS管M1、三极管Q2的连接节点A和MOS管M3、电阻R1的连接节点B等电位；流过电阻R1形成的PTAT电流表示为：其中，V
BE2
、V
BE3
分别为三极管Q2、Q3的基极
‑
发射极电压；V
T
为热力学电压，等于kT/q，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，q为单位电荷量；N为Q3和Q2的面积比。5.根据权利要求4所述的无运放型曲率补偿带隙基准电压源，其特征在于，所述CTAT电流模块包括MOS管M20～M27、电阻R2和电容C
C
；MOS管M24、M23、M22、M21、M20和电阻R2依次串接在电源正负极之间；MOS管M27、M26、M25依次串接在电源正极和电阻R2之间；弥勒补偿电容C

【专利技术属性】
技术研发人员：童紫平，龙善丽，唐兴刚，张紫乾，贺克军，吴传奇，徐福彬，武凤芹，张慧，
申请(专利权)人：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心，
类型：发明
国别省市：