多点曲率补偿的带隙基准电压源制造技术

本发明专利技术属于带隙基准电压源领域，其特征在于在现有带隙基准电压源的基础上，增加了两条电流支路，分别为两个三极管的集电极注入电流和取出电流，从而改变了注入两个三极管电流的温度特性，从而改变了输出基准电压源的温度特性，达到了在整个工作范围内找到三个基准电压的局部极值点，使输出电压基准对温度的一阶导数在这些点为零，从而比普通一阶补偿基准电压源的温度特性有了很大的提高。

Multi band curvature compensated bandgap voltage reference

The invention belongs to the field of bandgap voltage reference, which is characterized in that the base of the existing bandgap voltage reference, an increase of two current branches were two, a triode collector injection current and remove the current, which changed into two transistor current temperature characteristic, thus changing the temperature characteristics the output reference voltage source, to find local extremum three reference voltage in the whole operating range, the output voltage of the reference temperature derivative at these points is zero, so than temperature characteristics of ordinary first-order compensated reference voltage source has been greatly improved.

【技术实现步骤摘要】

“多点曲率补偿的带隙基准电压源”直接应用的
是对基准电压有较高精度要求的场合。所提出电路是一类可以提供较低温度系数基准电压的带隙基准电压源。
技术介绍
基准电压源(Voltage Reference)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(SOC)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。在大量集成电路和电路单元，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器中，都需要精密而稳定的电压基准。在精密测量仪器仪表，例如电压表、欧姆表、电流表等，以及广泛应用的数字通信系统中都需要把基准电压源用作系统测量和校准的基准。基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性能和精度。温度系数TC(Temperature Coefficient)是衡量基准电压源性能的一个重要指标，它反映了基准电压源在整个工作温度范围内输出基准电压的最大值VMAX与最小值VMIN相对于常温下输出基准电压Vnominal的变化，其单位一般为ppm/℃，表示式为TC=×106]]>由上式可知，如果输出电压随温度的上升而增加，则它具有正的温度系数，反之则具有负的温度系数。带隙基准源(Bandgap Voltage Reference)的基本设计思路是利用三极管发射结电压VBE具有的负温度系数和不同电流密度下三极管Q1和Q2发射结电压之差ΔVBE具有的正温度系数进行线形叠加，从而得到近似的零温度系数的基准电压。图1是这种设计思路的图示。图中，具有不同电流密度的三极管Q1和Q2的发射结电压之差ΔVBE(T)的表示式为ΔVBE(T)=kTq(lnI1IS1-lnI2IS2)=VTlnI1I2·IS2IS1]]>上式中，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子的电荷，I1和I2是三极管Q1和Q2各自的集电极电流，IS1和IS2是它们各自的饱和电流，是与三极管面积成正比的量。另一方面，三极管发射结电压VBE与温度的关系(见文献Y.P.Tsividis，“Accurate Analysis of TemperatureEffects in Ic-VBE Characteristics with Application to Bandgap Reference Sources，”IEEE Journal ofSolid-State Circuits，vol.SC-15，no.6，pp.1076-1084，Dec.1980.)可表示为VBE(T)=VG0r(1-TTr)+TTr·VBE(Tr)-ηVTlnTTr+VTlnIcIc(Tr)]]>上式中，VGOr是半导体材料从参考温度Tr外推到绝对零度时得到的带隙基准电压，上述文献中给出，对于半导体硅材料，其典型值是1.20595V；VBE(Tr)是温度Tr时三极管的VBE；η是与工艺相关的常数，其典型值是2.405；Ic是集电极电流；Ic(Tr)是温度Tr时的集电极电流。因此输出基准电压的表示式为VREF＝VBE+M·ΔVBE普通一阶温度补偿基准电压源的原理，就是选择适当的M，使ΔVBE(T)可以补偿VBE里的温度的一阶项，但仍然会保留温度的高阶项，从而造成误差。普通一阶补偿的基准电压源的典型结构如图2所示。设图中所有的PMOS管尺寸相同，三极管Q2的面积分别是Q1和Q3的N倍，电阻R2的大小是R1的M倍，注入三极管Q1、Q2和Q3的电流分别为I1、I2和I3，则I1＝I2＝I3＝IPTAT。负反馈保证了运放的两个输入端X和Y电压相等，因此电阻R1上的电压表示为ΔVBE(T)=kTq(lnI1IS1-lnI2IS2)=VTlnI1I2·IS2IS1=VTlnN]]>电流IPTAT表示为IPTAT=ΔVBE(T)R1=VTR1lnN]]>输出基准电压VREF表示为VREF(T)＝VBE，Q3(T)+IPTAT·R2＝VBE，Q3(T)+M·VTln N普通的一阶温度补偿的带隙基准源，温度系数通常可以做到20～60ppm/℃，而在某些高精度要求的场合，如高分辨率的DAC和ADC，就必须采用高阶温度补偿，以进一步降低带隙基准源的温度系数。目前出现的高阶补偿技术主要包括二阶曲率补偿、指数曲率补偿、线形化VBE方法、分段线性补偿和利用不同材料电阻温度特性进行曲率校正的方法。其中，二阶曲率补偿(见文献B.S.Song and P.R.Gray，“A Precision Curvature-Compensated CMOSBandgap Reference，”IEEE Journal of Solid-State Circuits，vol.SC-18，no.6，pp.634-643，Dec.1983.)是用复杂的电路产生温度的二阶项PTAT2，从而消除VBE在Tr下做泰勒展开时的二阶项；指数曲率补偿(见文献I.Lee，G.Kim and W.Kim，“Exponential Curvature-CompensatedBiCMOS Bandgap Reference，”IEEE Journal of Solid-State Circuits，vol.29，no.11，pp.1396-1403，Nov.1994.)是通过叠加一个温度的指数函数，进而消除或者减小VBE在Tr下展开时二阶项乃至更高阶项；而利用不同材料电阻温度特性进行曲率校正的方法(见文献K.N.Leung，P.K.T.Mok，C.Y.Leung，“A 2-V 23-uA 5.3-ppm/℃ Curvature-Compensated CMOS Bandgap VoltageReference，”IEEE Journal of Solid-State Circuits，vol.38，no.3，pp.561-564，Mar.2003.)，则是着眼于选定的参考温度Tr，将包含电阻温度特性和VBE的输出电压表示式进行复杂的泰勒展开，希望可以消除或者减小其中的二阶项。可见，这些方法的本质都是对三极管发射结电压VBE(T)在整个温度范围内的某一个参考温度点Tr的泰勒展开的高阶项进行补偿，它们往往在不同程度上具有电路复杂、占用面积较大、制造工序增多的缺点。吴国平等在2005年发表的文章(见文献吴国平，黄年亚，刘桂芝，一种二阶曲率补偿带隙基准的研究，电子器件，2005年第28卷第3期)中提出了一种新的二阶曲率补偿电路(见图3)，但他没能从理论上详细阐述该电路的工作原理，也没能发掘出该电路的本质特征，并且此电路只提供一条支路电流，因而补偿效果也不如本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是在现有的带隙基准电压源的曲率补偿技术之外寻找一种可以提高输出基准电压精度、降低其温度系数的新思路，并给出一种实用电路。相比于传统的曲率补偿技术，新的电路可以提供具有较低温度系数的基准电压，并且电路结构更简单，占用芯片面积更小。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
多点曲率补偿的带隙基准电压源，其特征在于，该带隙基准电压源含有：一阶补偿带隙基准电压源，包括：ＰＭＯＳ管（Ｐ↓［４］），该（Ｐ↓［４］）管的衬底和源极相连后接电源，漏极（Ｘ）接三极管（Ｑ↓［１］）的发射极，该（Ｑ↓［１］）管 的集电极和基极都接地；ＰＭＯＳ管（Ｐ↓［５］），该（Ｐ↓［５］）管的衬底和源极相连后接电源，漏极（Ｙ）经电阻（Ｒ↓［１］）后接三极管（Ｑ↓［２］）的发射极，该（Ｑ↓［２］）管的集电极和基极都接地；ＰＭＯＳ管（Ｐ↓［６］），该 （Ｐ↓［６］）管的衬底和源极相连后接电源，漏极为输出端（Ｖ↓［ＲＥＦ］），该（Ｖ↓［ＲＥＦ］）端经电阻（Ｒ↓［２］）后接三极管（Ｑ↓［３］）的发射极，该（Ｑ↓［３］）管的集电极和基极都接地；运算放大器（Ａ），正输入端接所述ＰＭＯＳ管 （Ｐ↓［４］）的漏极（Ｘ），负输入端接所述ＰＭＯＳ管（Ｐ↓［５］）的漏极（Ｙ）；向所述三极管（Ｑ↓［１］）注入电流（Ｉ↓［ａ］）的电流支路，包括：ＰＭＯＳ管（Ｐ↓［２］），该（Ｐ↓［２］）管的衬底和源极相连后接电源，栅极和所 述（Ｐ↓［４］）管、（Ｐ↓［５］）管以及（Ｐ↓［６］）管的栅极相连，而该（Ｐ↓［２］）管的漏极经电阻（Ｒ↓［３］）后接地；ＰＭＯＳ管（Ｐ↓［１］），该（Ｐ↓［１］）管的栅极和所述（Ｐ↓［２］）管的漏极相连，而该（Ｐ↓［１］）管的衬底 和源极相连后接电源，漏极接所述三极管（Ｑ↓［１］）的集电极；向所述三极管（Ｑ↓［２］）注入电流（Ｉ↓［ｂ］）的电流支路，包括：ＰＭＯＳ管（Ｐ↓［３］），该（Ｐ↓［３］）管的衬底和源极相连后接电源，栅极和所述（Ｐ↓［２］）管的 栅极以及运算放大算器（Ａ）的输出端相连，而该（Ｐ↓［３］）管的漏极经电阻（Ｒ↓［４］）后接地；ＮＭＯＳ管（Ｎ↓［１］），该（Ｎ↓［１］）管的栅极和所述（Ｐ↓［３］）管的漏极相连，而该（Ｎ↓［１］）管的衬底和源极相连后接地，漏极接所述 （Ｑ↓［２］）管的发射极；其中，所有ＰＭＯＳ管的尺寸相同，三极管（Ｑ２）的面积分别是三极管（Ｑ１）、三极管（Ｑ３）的Ｎ倍，电阻（Ｒ↓［２］）的大小是电阻（Ｒ↓［１］）的Ｍ倍，其中，Ｎ＝８，Ｍ值由下式确定：Ｍ.ｌｎＮ＝Ｖ↓［Ｇ ０ｒ］－Ｖ↓［ＢＥ］（Ｔ↓［ｒ］）／Ｔ↓［ｒ］.ｑ／ｋ＋η－１，上式中，Ｖ↓［Ｇ０ｒ］是半导体材料从参考温度Ｔ↓［ｒ］外推到绝对...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨华中，姜韬，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]