CN101923366A - 带熔丝校准的cmos带隙基准电压源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源，包括：PTAT电流产生电路，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流IPTAT；CTAT电流产生电路，用于产生CTAT电流ICTAT；闭环补偿电流产生电路，用于产生闭环补偿电流ICL；熔丝校准电路，用于对工艺偏差进行校准；输出基准电压产生电路，用于产生参考电压源Vref；所述PTAT电流产生电路与CTAT电流产生电路相连接，所述CTAT电流产生电路与闭环补偿电流产生电路相连接，所述输出基准电压产生电路分别与CTAT电流产生电路和闭环补偿电流产生电路相连接。利用本发明，有效地提高了补偿电流的精确度，进而提高了输出参考电压的温度稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电源及微电子技术领域，特别涉及一种带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源。
背景技术
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参考电压源，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用做电压基准的精确、稳定的电压源。随着集成电路规模的不断增大，尤其是***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***中不可缺少的基本电路模块。
电压基准电路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***以及各种测量设备中，都需要高精度、高稳定性基准电压源，并且基准电压源的精度和稳定性决定了整个***的工作性能。电压基准源主要有基于正向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带隙基准工作源的工作原理是：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ΔVBE(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示出了这种现有技术的CMOS带隙基准工作源的电路图。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：
I1R1+VBE1＝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I3满足下列关系式：
I1＝I3 (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，即：
VBE＝VTln(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。
由上式(1)、(2)、(3)可以进一步地推导出：
I1＝(VBE2-VBE1)/R1＝VT/R1ln(I1/I2) (5)
Vref＝VBE3+R2/R1×VT×ln(I1/I2) (6)
其中，I1和I2的比值也应当为三极管Q1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R1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/℃；VT具有正的温度系数，在室温时大约为+0.085mV/℃。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R1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仅仅利用了PN结电压VBE的负温度特性和不同电流密度下的两个PN结电压差ΔVBE的正温度系数相互补偿，使输出电压达到很低的温度漂移，在一定程度上抑制了由于温度变化所引起的基准电压的变化。由于VBE负温度系数具有非线性，ΔVBE＝KT线性正温度特性仅能抵消一阶负温度系数，因此在实际的工作环境中，现有技术的带隙基准电压源无法使基准电压得到有效的补偿，无法满足高精度模拟电路和数模混合电路对基准电压的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决带隙基准电压源的基准电压在实际的工作环境下温度稳定性不够高的问题，本发明的主要目的在于提供一种带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源，包括：
PTAT电流产生电路，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流IPTAT；
CTAT电流产生电路，用于产生CTAT电流ICTAT；
闭环补偿电流产生电路，用于产生闭环补偿电流ICL；
熔丝校准电路，用于对工艺偏差进行校准；
输出基准电压产生电路，用于产生参考电压源Vref；
所述PTAT电流产生电路与CTAT电流产生电路相连接，所述熔丝校准电路与闭环补偿电流产生电路相连接，所述CTAT电流产生电路、闭环补偿电流产生电路和PTAT电流产生电路求和输出，其结果送入所述输出基准电压产生电路，所述输出基准电压产生电路与闭环补偿电流产生电路相连接。
上述方案中，该带隙基准电压源利用输出电压反馈给闭环补偿电流产生电路，并结合熔丝校准电路，产生补偿电流ICL。
上述方案中，所述熔丝校准电路与闭环补偿电流产生电路相连接，熔丝校准电路采用熔丝的方法对闭环补偿电流ICL进行校准，产生更加精确的补偿电流。
上述方案中，所述PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路和闭环补偿电流产生电路依次相连接，进行求和相加，从而产生不随温度变化的输出项。
上述方案中，所述PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路和闭环补偿电流产生电路求和相加的输出项送入所述输出基准电压产生电路，用于产生输出参考电压。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源结构，可以有效地提高补偿电流的精确度，进而提高输出参考电压的温度稳定性。
2、本发明提供的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源结构，可以采用标准CMOS工艺实现，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1是现有技术的一阶温度补偿的带隙基准电压源的电路原理图；
图2是本发明实施例熔丝校准CMOS带隙基准电压源电路原理图；
图3是一种本发明实施例闭环补偿电流产生电路原理图；
图4是一种本发明实施例熔丝校准电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图2，本发明实施例提供了一种熔丝校准CMOS基准电压源，该电压源是在现有一阶温度补偿带隙基准电压源电路的基础之上，利用PTAT产生电路来产生与温度成正比的电流IPTAT，PTAT产生电路连接于CTAT产生电路，CTAT产生电路产生电流ICTAT。该熔丝校准CMOS基准电压源利用输出电压反馈给闭环补偿电流产生电路，并结合熔丝校准电路，产生精确度很好的补偿电流ICL。将电流IPTAT、ICTAT，和补偿电流ICL求和，产生不随温度变化的输出项，然后送入输出基准电压产生电路来产生输出电压。这里，输出电压的温度稳定性取决于补偿电流ICL的准确性，而补偿电流ICL的准确性取决于参考电压Vref的温度稳定性和熔丝校准电路校准的精确度。
对于参考电压Vref，如果参考电压Vref的温度稳定性越高，电流ICL的准确性也就越高，从而会产生的输出参考电压Vref的稳定性也就会更高，进而形成了一种正反馈，因此可以通过不断地调节补偿电路关键元件的参数，从而得到很高精度的输出参考电压Vref。但是补偿电路中关键元件的参数在工艺实现时，由于工艺偏差，其精确性有限，因此采用熔丝校准的方法，补偿工艺偏差，提高补偿电流的精度，从而产生高温度稳定性的输出电压。
本发明实施例提供的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源包括：
PTAT电流产生电路，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流IPTAT；
CTAT电流产生电路，用于产生CTAT电流ICTAT；
闭环补偿电流产生电路，用于产生闭环补偿电流ICL；
熔丝校准电路，用于对工艺偏差进行校准；
输出基准电压产生电路，用于产生参考电压源Vref；
所述PTAT电流产生电路与CTAT电流产生电路相连接，所述熔丝校准电路与闭环补偿电流产生电路相连接，所述CTAT电流产生电路、闭环补偿电流产生电路和PTAT电流产生电路求和输出，其结果送入所述输出基准电压产生电路，所述输出基准电压产生电路与闭环补偿电流产生电路相连接。
该带隙基准电压源利用输出电压反馈给闭环补偿电流产生电路，并结合熔丝校准电路，产生补偿电流ICL。
所述熔丝校准电路与闭环补偿电流产生电路相连接，熔丝校准电路采用熔丝的方法对闭环补偿电流ICL进行校准，产生更加精确的补偿电流。
所述PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路和闭环补偿电流产生电路依次相连接，进行求和相加，从而产生不随温度变化的输出项。
所述PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路和闭环补偿电流产生电路求和相加的输出项送入所述输出基准电压产生电路，用于产生输出参考电压。
本实施例中，PTAT电流产生电路，CTAT电流产生电路可以分别采用常规PTAT电流产生电路和CTAT电流产生电路，并结合运算放大器来产生。闭环补偿电流产生电路的一种实现原理图如图3所示，将输出电压Vo转换为电流送入三级型晶体管Q0，然后结合电阻R0来产生补偿电流，两个放大连接成负反馈，保证两个输出端电压相同。
在补偿电流的产生过程中，电阻R0的精确度受工艺限制，加入熔丝补偿电路，熔丝补偿电路的一种实现原理图如图4所示，d0到d8为控制端，每两个控制端之间连接着熔丝，电阻R1到R8为校准电阻，其中R1和R2组成为R，R3和R4组成为2R，R5和R6组成为4R，R7和R8组成为8R，可以通过任何两个控制来熔断熔丝调节补偿电阻的大小，调节范围为正负R到8R。
本发明提供的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源结构，可以有效地提高补偿电流的精确度，进而提高输出参考电压的温度稳定性；本发明提供的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源结构，可以采用标准CMOS工艺实现，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。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源，其特征在于，包括：
PTAT电流产生电路，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流IPTAT；
CTAT电流产生电路，用于产生CTAT电流ICTAT；
闭环补偿电流产生电路，用于产生闭环补偿电流ICL；
熔丝校准电路，用于对工艺偏差进行校准；
输出基准电压产生电路，用于产生参考电压源Vref；
所述PTAT电流产生电路与CTAT电流产生电路相连接，所述熔丝校准电路与闭环补偿电流产生电路相连接，所述CTAT电流产生电路、闭环补偿电流产生电路和PTAT电流产生电路求和输出，其结果送入所述输出基准电压产生电路，所述输出基准电压产生电路与闭环补偿电流产生电路相连接。
2.根据权利要求1所述的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源，其特征在于，该带隙基准电压源利用输出电压反馈给闭环补偿电流产生电路，并结合熔丝校准电路，产生补偿电流ICL。
3.根据权利要求1所述的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述熔丝校准电路与闭环补偿电流产生电路相连接，熔丝校准电路采用熔丝的方法对闭环补偿电流ICL进行校准，产生更加精确的补偿电流。
4.根据权利要求1所述的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路和闭环补偿电流产生电路依次相连接，进行求和相加，从而产生不随温度变化的输出项。
5.根据权利要求1所述的带熔丝校准的CMOS带隙基准电压源，其特征在于，所述PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路和闭环补偿电流产生电路求和相加的输出项送入所述输出基准电压产生电路，用于产生输出参考电压。
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