低电压CMOS带隙基准电压源制造技术

本发明专利技术公开了一种低电压ＣＭＯＳ带隙基准电压源，属于电源及微电子技术领域。所述ＣＭＯＳ带隙基准电压源包括：低电压放大器，用于在低电源电压下实现负反馈；一阶温度补偿产生电路，与低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生能够进行一阶温度补偿的电流项；高阶温度补偿产生电路，与低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生能够进行高阶温度补偿的电流项；输出电压产生电路，用于产生输出电压。本发明专利技术提供的在低电源电压下工作ＣＭＯＳ带隙基准电压源，将低电压放大器分别引入基准电压源的一阶补偿项和高阶补偿项中，然后比例求和并输出参考电压，从而保证了整个电路工作在很低的电源电压下。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电源及微电子
，特别涉及一种低电源电压下工作的CMOS带隙基准电 压源。
技术介绍
一般来说，从芯片外部引入的供电电压都存在一定的波动，而高精度的模拟电路对偏置 电压的稳定性要求较高。因此，在模拟电路中一般会使用一个基准电压源，它可以将电源电 压转化为一个具有良好电压稳定性和温度稳定性的电压，为电路的其它部分提供良好的参考 电压。基准电压源通常是指在电路中做电压基准的精确、稳定的电压源。随着集成电路规模的 不断增大，尤其是系统集成技术的发展，基准电压源成为大规模、超大规模集成电路和几乎 所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路模块。基准电压源以其输出参考电压的精确性和稳定性，被广泛地应用于高精度模拟电路及数 模混合电路中，例如高精度比较器、高精度A/D和D/A转换器、线性稳压器，以及DC/DC变换 器。在A/D和D/A转换器、数据采集系统以及各种测量设备中，都需要高精度、高稳定性的基 准电压源，并且基准电压源的精度和稳定性决定了整个系统的工作性能。基准电压源主要有 基于正向VBE的电压基准、基于齐纳二极管反向击穿特性的电压基准、带隙电压基准等多种 实现方式，其中带隙基准电压源具有低温度系数、高电压抑制比、低基准电压等优点，因而 得到了广泛的应用。一种传统的CMOS带隙基准电压源的工作原理是利用双极性晶体管的基极-发射极电压 VBE (具有负温度系数)和它们的差值AVBE (具有正温度系数)进行相互补偿，从而达到电 路的温度系数为零的目的。图1示出了这种现有的CM0S带隙基准电压源的电路图。在图1中， 运算放大器OTA的作用是使电路处于深度负反馈状态，从而让运算放大器OTA两输入端电压相 等。因此，在电路稳定输出时IlRl+VBEl= VBE2 (1)Vref = VBE3+ I3R2 (2)由于基准电压输出电路镜像了基础电路的电流，因此该基准电压输出电路的电流l3满足 下列关系式工1=工3 (3)通常，温度对二极管的伏安特性有较大的影响，温度升高，保持二极管电流不变时所需 要的正向偏压减小，艮口Vbe=VT1ii (I/Is) (4)其中，VT表示温度的电压当量，Is为三极管的反向饱和电流。由公式(1) 、 (2)和(3)可以进一步地推导出Ii= (Vbe2—Vbei) /Ri=VT/Rilnai/I2) (5)Vref= VBE3+R2/R工XVTXln(I工/工2) (6)其中，1i和l2的比值为三极管Ql和Q2的发射区面积的比值。可见， 一方面，三极管Q1和Q2的两个PN结电压差在电阻I^上产生了与绝对温度成正比的电流IPTAT;另一方面，基准电压只与PN结的正向压降、电阻的比值以及三极管Q1和Q2的发射极面积的比值有关，所以，在实 际的工艺制作中将会有很高的精度。VBE3具有负的温度系数，在室温时大约为一2mV/。C; VT 具有正的温度系数，在室温时大约为+0.085 mV广C。通过设定合适的工作点，可以使两项之 和在某一温度下达到零温度系数，从而得到具有较好温度特性的基准电压。适当地选取Ri和 R2，以及Q1和Q2发射区面积的比值即可得到具有零温度系数的基准电压。但是，这种传统的带隙基准电压源，其放大器的输入电压为三级型晶体管Q2的VBE电压 ，由于Vbe电压一般小于相关工艺中NMOS输入管放大器的所需的最小输入电压，因此通常使 用PMOS管作为放大器的输入级，而PMOS管作为输入级，为保证放大器正常工作，其输入端与电源之间需要有一点的余量VoTA。因此，基准电压正常工作的最小电压为VBE和VoTA之和，这个值通常比较大，无法满足低电压工作的要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种低电压CMOS带隙基准电压源，用于解决带隙基准 电压源的基准电压无法在低电压下工作的问题。本专利技术的实施例提供了一种低电压CM0S带隙基准电压源，包括 低电压放大器，用于在低电源电压下实现负反馈；一阶温度补偿产生电路，与所述低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生进行一 阶温度补偿的电流项；高阶温度补偿产生电路，与所述低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生进行高 阶温度补偿的电流项；输出电压产生电路，与所述一阶温度补偿产生电路和高阶温度补偿产生电路相连，用于6产生输出电压。本专利技术提供的低电源电压下工作CMOS带隙基准电压源结构，可以在很低的电源电压下工 作，满足便携式设备低电压应用的要求；采用一阶补偿和高阶补偿相结合，进而能够提高输 出参考电压的温度稳定性。本专利技术提供的基准电压源结构，采用标准CMOS工艺即可实现带隙基准电压，有效地降低 了对工艺的要求，容易在各种CMOS集成电路(如参考电压芯片、电能计量芯片、电压调整芯 片、数据转换芯片)中使用，具有很高的实用价值。附图说明图l是现有技术中的一阶温度补偿带隙基准电压源的电路原理图2是本专利技术实施例中带隙低电压CM0S基准电压源的结构图3是本专利技术实施例中低电压运算放大器的电路原理图4是本专利技术实施例中一种高阶温度补偿产生电路的电路原理图5是本专利技术实施例中一种CTAT补偿电流产生电路的电路原理图6是本专利技术实施例中一种CL补偿电流产生电路的电路原理图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术作进一步的详细 描述。本实施例提供的在低电源电压下工作CMOS带隙基准电压源，将低电压放大器分别引入基 准电压源的一阶补偿项和高阶补偿项中，然后比例求和并输出参考电压，从而保证了整个电 路工作在很低的电源电压下。图2是本专利技术实施例提供的带隙低电压CM0S基准电压源，具体包括低电压放大器，是在低电压下工作的运算放大器，用于在低电源电压下实现负反馈。运 算放大器是常用基准电压源的所需的单元，常规运算放大器无法在低电源电压下工作，而低 电源电压运算放大器可以在很低的电源电压下工作，本实施例将低电源电压运算放大器引入 基准电路，使整个电路能够在低电源电压下工作。一阶温度补偿产生电路，此电路结合低电压放大器可以在很低电源电压下工作，用于产 生可以进行一阶温度补偿的电流项。通过对一阶补偿电路的分析可以看出，电路的最小工作 电源取决于VBE和VoTA之和，而VBE是取决于工艺的，因此通过将如图l中的放大器改为低电源 电压的放大器，就可以实现整个一阶温度补偿电路低电源电压下工作。高阶温度补偿产生电路，此电路结合低电压放大器可以在很低电源电压下工作，用于产生可以进行高阶温度补偿的电流项。高阶补偿电路有很多种，本实施例采用放大器实现高阶 补偿电路，通过将运算放大器改为低电源电压的放大器，可以实现整个高阶温度补偿电路低 电源电压下工作。输出电压产生电路，用于产生输出电压。其中，低电压放大器的实现可以采用电平移位电路、衬底驱动电路或利用CMOS管的亚阈 值区电路来生成低电压下工作的运算放大器，也可以采用低阈值CMOS工艺来实现低电压下工 作的运算放大器。一种采用衬底驱动电路的低电压放大器的实现原理如图3所示，包括 第一级放大器，用于在低电压下实现电路负反馈，包括PM0S晶体管M1、 M2及M3和丽0S晶 体管M5及M6，构成衬底输出的第一级放大器。M2和M3的源极分别与M1的漏极相连，M2和M3的 源极相连，栅极也相连；M5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低电压ＣＭＯＳ带隙基准电压源，其特征在于，包括：　低电压放大器，用于在低电源电压下实现负反馈；　一阶温度补偿产生电路，与所述低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生进行一阶温度补偿的电流项；　高阶温度补偿产生电路，与 所述低电压放大器相连，用于在低电源电压下，产生进行高阶温度补偿的电流项；　输出电压产生电路，与所述一阶温度补偿产生电路和高阶温度补偿产生电路相连，用于产生输出电压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范涛，袁国顺，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，北京中科微电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]