專利名稱：采用二階溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電壓的電壓源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基準(zhǔn)參考電壓源，尤其涉及一種采用二階溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電壓的電壓源。


圖1給出了基本的能隙基準(zhǔn)電壓源電路，由于電流鏡的作用，MOS管M1和MOS管M2中流過的電流相等，所以N1和N2點(diǎn)的電壓相等，N2點(diǎn)的電壓就是三極管T1的正向?qū)妷?，三極管T1和三極管T2的正向?qū)妷翰瞀be具有正的溫度系數(shù)，它在電阻R1上產(chǎn)生具有正的溫度系數(shù)的電流IPTAT，該電流通過電流鏡的拷貝流過電阻R2，在該電阻上產(chǎn)生具有正的溫度系數(shù)的電壓VPTAT＝nΔVbe，其中n是比例因子。VPTAT和三極管T3、三極管T4的正向?qū)妷合喁B加就得到了能隙基準(zhǔn)電壓輸出Vout。圖2給出了能隙基準(zhǔn)電壓源Vout的溫度特性曲線。一般的普通的能隙基準(zhǔn)電壓源的溫度特性可以達(dá)到50ppm/℃。
如果我們將基準(zhǔn)電壓源按照溫度作泰勒展開可以表示成Vref＝a+bT+CT2+...，基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)就是使溫度的各階系數(shù)盡可能最小，為此需要進(jìn)行一階、二階補(bǔ)償，普通的能隙基準(zhǔn)電壓源只進(jìn)行了一階補(bǔ)償，為了進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)，還必須進(jìn)行二階補(bǔ)償。而產(chǎn)生二階項(xiàng)的原因是多方面的，如電阻的溫度特性，在集成電路中，電阻具有較大的溫度系數(shù)，使得IPTAT電流出現(xiàn)了高階項(xiàng)，導(dǎo)致電路中的偏置電流出現(xiàn)了高階項(xiàng)，而PN結(jié)在不同的偏置電流下其正向?qū)妷簳憩F(xiàn)出不同的溫度特性，最終影響基準(zhǔn)電壓的溫度特性；PN結(jié)的正向?qū)妷罕旧砗蜏囟扔袕?fù)雜的關(guān)系，通過VPTAT的一階補(bǔ)償并不能抵消高階項(xiàng)的影響。因此為了要獲得具有更小溫度特性的能隙基準(zhǔn)電壓，必須對它進(jìn)行二次項(xiàng)補(bǔ)償。
圖3給出了現(xiàn)有的一種能隙基準(zhǔn)電壓源二次溫度補(bǔ)償技術(shù)，它將具有正溫度系數(shù)的IPTAT電流和具有負(fù)溫度特性的Ivbe電流的差作為高溫補(bǔ)償電流，在高溫端對基準(zhǔn)電壓輸出進(jìn)行補(bǔ)償，在低溫端MOS管M2工作在線性區(qū)，MOS管M3截止，所以補(bǔ)償電流為0，也就是說在低溫端不進(jìn)行二次項(xiàng)補(bǔ)償。圖4是它的補(bǔ)償原理圖，這種補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)是必須嚴(yán)格控制MOS管M2和MOS管M3的工作狀態(tài)隨溫度變化的轉(zhuǎn)換，在實(shí)際工藝上這可能會帶來很多麻煩，同時(shí)它只能進(jìn)行單邊補(bǔ)償。
本實(shí)用新型所要解決的另一技術(shù)問題是提供一種可進(jìn)行二階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源，其可對經(jīng)過一階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓輸出后在高溫端及低溫端均進(jìn)行二階溫度補(bǔ)償。
為了解決上述技術(shù)問題本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案提供一種一階-二階電流轉(zhuǎn)換電路，包括一個(gè)MOS管，所述MOS管的柵極連接一電阻，其漏極連接一MOS管鏡像電流源電路。所述的MOS管鏡像電流源電路括兩管性能匹配的MOS管，且兩MOS管輸出電流成一定的比例關(guān)系。
提供一種可進(jìn)行二階溫度補(bǔ)償?shù)哪芟痘鶞?zhǔn)電壓源，包括IPTAT產(chǎn)生電路、Ivbe產(chǎn)生電路、所述的IPTAT產(chǎn)生電路與一可在高溫端對基準(zhǔn)電壓的二次項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)母邷囟搜a(bǔ)償電路相連接，所述的Ivbe產(chǎn)生電路與一可在低溫端對基準(zhǔn)電壓的二次項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牡蜏囟搜a(bǔ)償電路相連接，所述的高溫端補(bǔ)償電路及低溫端補(bǔ)償電路的輸出端與一可將輸入電流相疊加的補(bǔ)償疊加電路的輸入端連接，所述的補(bǔ)償疊加電路的輸出端與基準(zhǔn)電壓輸出電路的輸入端相連接，所述的高溫端補(bǔ)償電路及低溫端補(bǔ)償電路均為一階-二階電流轉(zhuǎn)換電路。
該電源技術(shù)技術(shù)具有非常高的溫度穩(wěn)定性，可以應(yīng)用在高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC中。
圖2是圖1所示的能隙基準(zhǔn)電壓源的溫度特性曲線。
圖3是現(xiàn)有的具有二次補(bǔ)償?shù)哪芟痘鶞?zhǔn)電壓源的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖4是圖3所示的能隙基準(zhǔn)電壓源溫度補(bǔ)償原理圖。
圖5是本實(shí)用新型的能隙基準(zhǔn)電壓源的一階-二階轉(zhuǎn)換電路圖6本實(shí)用新型高溫端補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖。
圖7是圖6所示的電路的補(bǔ)償曲線圖。
圖8本實(shí)用新型低溫端補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖。
圖9是圖8所示的電路的補(bǔ)償曲線圖。
圖10本實(shí)用新型高溫和低溫補(bǔ)償電流疊加電路結(jié)構(gòu)圖。
圖11是圖10所示的電路的溫度特性曲線圖。
圖12是本實(shí)用新型二次補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電壓的輸出電路圖。
圖13是圖12所示的電路的輸出溫度特性曲線圖。
圖14是采用本實(shí)用新型二次補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電壓源的一個(gè)電路實(shí)例。
如圖5所示它是一個(gè)一階電流-二階電流轉(zhuǎn)換電路，為了對經(jīng)過一次補(bǔ)償溫度的基準(zhǔn)電壓輸出進(jìn)行二階補(bǔ)償，需要產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流，該電流是溫度的二階函數(shù)。我們知道IPTAT電流是溫度的一階函數(shù)，對Ivbe作泰勒展開，它的主要成分是常數(shù)項(xiàng)和溫度的一次項(xiàng)，因此我們需要對這兩個(gè)電流進(jìn)行一階-二階轉(zhuǎn)換。
本實(shí)用新型的基本原理是利用NMOS管飽和區(qū)漏源電流和柵源電壓成二次項(xiàng)的關(guān)系，產(chǎn)生具有二次項(xiàng)特征的電流，將IPTAT和Ivbe在電阻兩端產(chǎn)生的電壓作為MOS管的柵源電壓，實(shí)現(xiàn)IPTAT和Ivbe的一階-二階的轉(zhuǎn)換，補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓源的二次項(xiàng)。
由于NMOS管處于飽和區(qū)的必要條件是它的柵源電壓必須大于它的開啟電壓，因此經(jīng)過它轉(zhuǎn)換的二次函數(shù)在坐標(biāo)上并不是一個(gè)完整的函數(shù)，它只包含函數(shù)的半支。當(dāng)進(jìn)行IPTAT的一階-二階轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換成的電流是溫度的單調(diào)上升函數(shù)，它可以在高溫端對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)進(jìn)行Ivbe的一階-二階轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換成的電流是溫度的單調(diào)下降函數(shù)，它可以在低溫端對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，最后把這兩個(gè)二次項(xiàng)疊加就得到了整個(gè)溫度范圍的補(bǔ)償曲線。
由圖2可見經(jīng)過一次補(bǔ)償?shù)哪芟痘鶞?zhǔn)電壓溫度曲線是一條開口向下的曲線，隨著溫度由常溫向高低溫兩邊延伸，基準(zhǔn)電壓減小，主要表現(xiàn)出二次項(xiàng)的特征，因此我們的想法是產(chǎn)生一個(gè)和它開口方向相反的二次曲線去補(bǔ)償它，該曲線由兩電路產(chǎn)生，在這里分別稱為高溫端補(bǔ)償電路和低溫端補(bǔ)償電路。
圖6給出了高溫端補(bǔ)償電路2的電路結(jié)構(gòu)圖。IPTAT電流在電阻R3上產(chǎn)生PTAT電壓V3＝AT(A＞0)，V2作用在MOS管M3的柵上，如果MOS管M3工作在飽和區(qū)，則產(chǎn)生電流IDS3為IDS3=β3/2(V3-Vth3)2=β3/2(AT-Vth3)2---(1)]]>如果單純考慮式(1)的數(shù)學(xué)含義，這是一條開口向上的拋物線，但是由于MOS管M3必須是開啟的，所以在正常工作條件下總能滿足V3＞Vth3，即AT-Vth3＞0，因此式(1)是拋物線的右半支，可以在坐標(biāo)上表示成圖7。
圖8給出了低溫端補(bǔ)償電路4的電路結(jié)構(gòu)圖，由PNP管的基極-集電極電壓在電阻上所產(chǎn)生的負(fù)溫度系數(shù)的電流Ivbe，在電阻R4兩端產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)的電壓V4，V4＝IvbeR4，V4作用到MOS管M6的柵上，產(chǎn)生電流IDS6為IDS6=β6/2(V4-Vth6)2=β6/2(IvbeR4-Vth6)2---(2)]]>在一次近似下Ivbe可以寫為Ivbe＝Ivbe0-BT(3)VBE0為常溫下基極-集電極電壓，B為比例系數(shù)，因此式(2)可以寫IDS6=β6/2(R4Ivbe0-R4BT-Vth6)2=β62(R4BT-R4Ivbe0+Vth6)2---(4)]]>為正常工作條件下MOS管M4總是開啟的，所以總能滿足R4Ivbe0-R4BT-Vth6＞0，所以R4BT-R4Ivbe0+Vth6＜0，式(4)是二次曲線的左半支，可以在坐標(biāo)上表示成圖9表示。
圖10所示的是高溫和低溫補(bǔ)償疊加電路4的結(jié)構(gòu)圖，把IDS3和IDS6按照一定的比例用圖10的方法相加，得到了補(bǔ)償電流Icm，該電流經(jīng)過電阻R5就得到了圖11所示的用來進(jìn)行二次補(bǔ)償?shù)碾妷?溫度曲線。
把圖11所示的電壓-溫度曲線和圖2的電壓-溫度曲線通過圖12的方法相加就得到了經(jīng)過二次補(bǔ)償?shù)哪芟痘鶞?zhǔn)電壓，表示成圖13，采用這種方法在-40℃-85℃的溫度范圍內(nèi)，它的溫度特性可達(dá)到7ppm/℃。
圖14給出了采用本實(shí)用新型電路的能隙基準(zhǔn)電壓源的一個(gè)具體實(shí)施例，其包括可產(chǎn)生一具有正的溫度系數(shù)的IPTAT產(chǎn)生電路1、高溫端補(bǔ)償電路2、可產(chǎn)生具有負(fù)的溫度系數(shù)的Ivbe產(chǎn)生電路3、低溫端補(bǔ)償電路4、補(bǔ)償疊加電路5、基準(zhǔn)電壓輸出電路6。所述的IPTAT產(chǎn)生電路1與高溫端補(bǔ)償電路2相連接，所述的Ivbe產(chǎn)生電路3與低溫端補(bǔ)償電路4相連接，所述的補(bǔ)償疊加電路5的輸入端分別連接高溫端補(bǔ)償電路2及低溫端補(bǔ)償電路4的輸出端、所述的補(bǔ)償疊加電路5的輸出端與基準(zhǔn)電壓輸出電路6的輸入端相連接。所述的基準(zhǔn)電壓輸出電路6輸出的電壓即為經(jīng)二階補(bǔ)償后的電壓。
權(quán)利要求1.一種一階-二階電流轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，包括一MOS管(11)，所述MOS管(11)的柵極連接一電阻(12)，其漏極連接一MOS管鏡像電流源電路(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一階-二階電流轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述的MOS管鏡像電流源電路(13)包括兩管性能匹配的MOS管(14、15)，且兩MOS管輸出電流成-定的比例關(guān)系。IDS6=β6/2(R4Ivbe0-R4BT-Vth6)2=β62(R4BT-R4Ivbe0+Vth6)2]]>
3.一種采用二階溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電壓的電壓源，包括IPTAT產(chǎn)生電路(1)、Ivbe產(chǎn)生電路(3)、其特征在于，所述的IPTAT產(chǎn)生電路(1)與一可在高溫端對基準(zhǔn)電壓的二次項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)母邷囟搜a(bǔ)償電路(2)相連接，所述的Ivbe產(chǎn)生電路(3)與一可在低溫端對基準(zhǔn)電壓的二次項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牡蜏囟搜a(bǔ)償電路(4)相連接，所述的高溫端補(bǔ)償電路(2)及低溫端補(bǔ)償電路(4)的輸出端與一可將輸入電流相疊加的補(bǔ)償疊加電路(5)的輸入端連接，所述的補(bǔ)償疊加電路(5)的輸出端與基準(zhǔn)電壓輸出電路(6)的輸入端相連接，所述的高溫端補(bǔ)償電路(2)及低溫端補(bǔ)償電路(4)均為一階-二階電流轉(zhuǎn)換電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用二階溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電壓的電壓源，其特征在于，補(bǔ)償疊加電路(5)設(shè)有兩個(gè)MOS管鏡像電流源電路。
專利摘要一種可進(jìn)行二階溫度補(bǔ)償?shù)男滦湍芟痘鶞?zhǔn)電壓源，其包括I
文檔編號G05F1/10GK2588431SQ0228346
公開日2003年11月26日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者劉家洲 申請人:上海貝嶺股份有限公司