CN108646845A - 基准电压电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基准电压电路，该基准电压电路包括：一阶补偿电路，用于产生一阶温度无关的电流；曲率补偿电路，与一阶补偿电路连接，用于产生高阶温度特性的电流，并与一阶温度无关的电流叠加产生高阶温度无关的电流；电压生成电路，与曲率补偿电路连接，用于根据高阶温度无关的电流生成基准电压；其中，曲率补偿电路包括电流源和第一三极管，电流源与第一三极管配合产生高阶温度特性的电流，电流源为零温度系数的电流源。通过上述方式，本申请能够实现高阶温度补偿，且电路结构简单容易实现。

Description

基准电压电路
技术领域
本发明涉及电压产生电路的领域，特别是涉及一种基准电压电路。
背景技术
半导体集成电路中大部分都需要一个内部基准电压，为了能在一定温度范围内，基准电压能保持恒定，常常通过温度一阶补偿的方式来实现，且一阶补偿电路结构复杂，或者在某些现有方案中只完成了对基准电压的一阶温度系数的补偿，一般温度系数都在几十ppm/℃，在一些要求精度更高、温度系数很小的应用中，这种补偿达不到要求，因此提出二阶或者和更高阶的温度补偿，现有的二阶或者更高阶的温度补偿电路结构复杂，实现较难。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种基准电压电路，能够实现高阶温度补偿，且电路结构简单容易实现。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基准电压电路，该基准电压电路包括：一阶补偿电路，用于产生一阶温度无关的电流；曲率补偿电路，与一阶补偿电路连接，用于产生高阶温度特性的电流，并与一阶温度无关的电流叠加产生温度无关的电流；电压生成电路，与曲率补偿电路连接，用于根据温度无关的电流生成基准电压；其中，曲率补偿电路包括电流源和第一三极管，电流源与第一三极管配合产生高阶温度特性的电流，电流源为零温度系数的电流源。
本申请通过设置基准电压电路包括：一阶补偿电路，用于产生一阶温度无关的电流；曲率补偿电路，与一阶补偿电路连接，用于产生高阶温度特性的电流，并与一阶温度无关的电流叠加产生温度无关的电流；电压生成电路，与曲率补偿电路连接，用于根据温度无关的电流生成基准电压；其中，曲率补偿电路包括电流源和第一三极管，电流源与第一三极管配合产生高阶温度特性的电流，电流源为零温度系数的电流源，使用一个工作在零温度系数电流供电的基极-发射电压来补偿高阶温度系数，能够实现高阶温度补偿，且电路结构简单容易实现。
附图说明
图1是本申请第一实施例的基准电压电路的电路结构示意图；
图2是本申请第二实施例的基准电压电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请进行详细的说明。
请参阅图1，本申请第一实施例的基准电压电路的电路结构示意图。
在本实施例中，基准电压电路包括一阶补偿电路11、曲率补偿电路12以及电压生成电路13。
一阶补偿电路11用于产生一阶温度无关的电流。例如，一阶温度无关的电流为一阶温度系数为零的电流。
曲率补偿电路12与一阶补偿电路11连接，曲率补偿电路12用于产生高阶温度特性的电流，并与一阶补偿电路11产生的一阶温度无关的电流叠加产生温度无关的电流。例如，高阶温度特性的电流为二阶温度相关的电流或者其他的高阶温度相关的电流，高阶温度特性的电流的高阶温度系数与一阶温度无关的电流中的高阶温度系数抵消后形成高阶温度系数为零的电流(例如，二阶零温度系数的电流)。
电压生成电路13与曲率补偿电路12连接，电压生成电路13用于根据高阶温度无关的电流生成高阶零温度系数的基准电压。从而使得生成的基准电压在一定温度范围内不随温度变化。
其中，曲率补偿电路12包括电流源I1和第一三极管Q1，电流源I1与第一三极管Q1配合产生高阶温度特性的电流，电流源I1为零温度系数的电流源。
可选地，曲率补偿电路12还可以包括第一电阻R1，第一三极管Q1的集电极连接第一电压VDD，第一三级管Q1的发射极通过电流源I1连接第二电压VSS，第一三极管Q1的发射极还通过第一电阻R1连接一阶补偿电路11的输出端和电压生成电路13的输入端，以使第一三极管Q1的发射极通过第一电阻R1输出高阶温度特性的电流并与一阶补偿电路11输出的温度无关的电流叠加后流入电压生成电路13。
可选地，电压生成电路13包括第三电阻R3，第三电阻R3的第一端与第一三极管Q1的基极和一阶温度补偿电路11连接，第三电阻R3的第二端连接第二电压VSS。
可选地，一阶补偿电路11包括电流镜电路111、第二三极管Q2、第三三极管Q3以及第二电阻R2，电流镜电路111的输入端连接第一电压VDD，电流镜电路111用于分别在电流镜电路111的第一输出端和第二输出端产生彼此相等的第一电流和第二电流，第二三极管Q2的集电极连接电流镜电路111的第一输出端，第三三极管Q3的集电极连接电流镜电路111的第二输出端，第二三极管Q2的发射极连接第四电阻R4的第一端，第四电阻R4的第二端与第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端连接第二电压VSS和第三电阻R3的第二端，第三三极管Q3的发射极连接第四电阻R4的第二端连接，第二三极管Q2的基极与第三三极管Q3的基极连接。
可选地，电流镜电路111包括第一场效应晶体管P1、第二场效应晶体管P2以及第三场效应晶体管N1。第一场效应晶体管P1的第一通路端连接第一电压，第一场效应晶体管P1的第二通路端作为电流镜电路111的第一输出端连接第二三极管Q2的集电极，第一场效应晶体管P1的控制端连接第二三极管Q2的集电极；第二场效应晶体管P2的第一通路端连接第一电压VDD，第二场效应晶体管P2的第二通路端作为电流镜电路111的第二输出端连接第三三极管Q3的集电极，第二场效应晶体管P2的控制端连接第二三极管Q2的集电极；第三场效应晶体管N1的第一通路端连接第一电压VDD，第三场效应晶体管N1的第二通路端连接第三电阻R3的第一端，第三场效应晶体管N1的控制端连接第三三极管Q3的集电极；第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3的基极均连接第三电阻R3的第一端。
可选地，第一场效应晶体管P1和第二场效应晶体管P2均为P型场效应晶体管，第三场效应晶体管N1为N型场效应晶体管。当然，在其他实施例中，第一场效应晶体管P1、第二场效应晶体管P2以及第三场效应晶体管N1可以为P型场效应晶体管或者N型场效应晶体管，本申请实施例对此不做限定。
可选地，在本实施例中，第一场效应晶体管P1、第二场效应晶体管P2以及第三场效应晶体管N1可以为结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)，在其他实施例中，第一场效应晶体管P1、第二场效应晶体管P2以及第三场效应晶体管N1可以为其他类型的场效应晶体管，本申请实施例对此不做限定。
可选地，第一场效应晶体管P1的第一通路端和第二通路端分别为漏极和源极，第二场效应晶体管P2的第一通路端和第二通路端分别为漏极和源极，第三场效应晶体管N1的第一通路端和第二通路端分别为漏极和源极。在其他实施例中，第一场效应晶体管P1、第二场效应晶体管P2以及第三场效应晶体管N1的源极和漏极可以互换，本申请对此不做限定。
下面对上述基准电压电路的原理进行说明。
第一场效应晶体管P1和第二场效应晶体管P2组成电流镜负载，通过第三场效应管N1输出反馈使第二三极管Q2和第三三极管Q3流过的电流相等。在不考虑曲率补偿电路12的情况下，第二三极管Q2和第三三极管Q3的(VBE3-VBE2)之差为PTAT(proportional toabsolute temperature，与绝对温度成正比的)电压，在第四电阻R4上产生的PTAT电流流入第二电阻R2，在第二电阻R2上的PTAT电压VR2，可以补偿第三三极管Q3上VBE3的负温度系数，具体计算公式为Vref＝VBE3+(R3/R2)*(VBE3-VBE2)，VBE3-VBE2＝VTln(Is2/Is3)，其中VBE为基极-发射极电压，Is为饱和电流，通过调节比例系数(R3/R2)，达到在室温时基准电压Vref一阶温度系数为零。
换言之，电流镜电路111产生两个相等的电流分别流入第二三极管Q2和第三三极管Q3，D1节点处经第四电阻R4流入的一阶正温度系数的第一电流流入第二电阻R2并在第二电阻R2上产生正温度系数电压(一阶温度相关的电压)，该正温度系数电压与第三三极管Q3上的负温度系数(一阶温度相关的电压)电压VBE3叠加后得到一阶温度不相关的电压，在一阶补偿电路11的作用下，流过第二电阻R2的是正温度系数的电流，流过第三电阻R3的是一阶温度不相关的电流。进一步结合曲率补偿电路12进行说明。经电流源I1流过的零温度系数的电流流经第一三极管Q1产生压差并在第一电阻R1上产生高阶温度特性的第二电流流入D1节点，第二电流在第二电阻R2上产生高阶温度相关的电压，该高阶温度相关的电压作用于第三电阻R3产生高阶温度相关的电流，高阶温度相关的电流和上述的一阶温度不相关的电流叠加将高阶温度相关的部分抵消，在第三电阻R3上产生高阶温度不相关的电流。
基准电压为第三电阻R3两端的电压，在第二节点D2和第三电阻R3的第二端之间输出。
具体而言，第一三极管Q1流过零温度系数电流i1，其基极-发射极电压如下式：
VBE1＝VG(T0)-(T/T0)*(VG(T0)-VBE3(T0))-ηVTln(T/T0) (1)
第三三极管Q3流过PTAT电流，其VBE3如下式VBE3＝VG(T0)-(T/T0)*(VG(T0)-VBE3(T0))-(η-1)VTln(T/T0) (2)
VBE1-VBE3＝(T/T0)*(VBE1(T0)-VBE3(T0))-VTln(T/T0) (3)
Vref＝VBE3+(R3/R2)*(VBE3-VBE2)-(R3/R1)*(VBE1-VBE3)
＝VG(T0)-(T/T0)*{VG(T0)-VBE3(T0)-(R3/R2)*[VBE3(T0)-VBE2(T0)]+(R3/R1)*[VBE1(T0)-VBE2(T0)]}–[η-1-(R3/R1)]VTln(T/T0) (4)
第三电阻R3与第一电阻R1的阻值的比值为η-1，其中，η为第一三极管Q1的饱和电流温度指数，当(R3/R1)＝η-1时，高阶温度系数VTln(T/T0)为零，i1的产生方式也可以由基准电压产生，上面式子中，VG(T0)为带隙基准电压，VBE为基极-发射极电压。
η为第一三极管Q1的饱和电流温度指数，具体与第一三极管Q1的掺杂浓度和制作工艺有关，每一三极管的饱和电流温度指数为固定值。
其中，第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3三个三极管的η值可以相等。
请参阅图2，本申请第二实施例的基准电压电路的电路结构示意图。
与本申请第一实施例的不同之处在于，第二实施例中的电流镜电路211包括第五电阻R5、第六电阻R6以及运算放大器A。
第五电阻R5的第一端连接第一电压VDD，第五电阻R5的第二端连接第二三极管Q2的集电极；第六电阻R6的第一端连接第一电压VDD，第六电阻R6的第二端连接第三三极管Q3的集电极；运算放大器A的第一电源端和第二电源端分别连接第一电压VDD和第二电压VSS，运算放大器A的第一输入端连接第五电阻R5的第二端，运算放大器A的第二输入端连接第六电阻R6的第二端；第一三极管Q1、第二三极管Q2以及第三三极管Q3的基极均连接运算放大器A的输出端，且运算放大器A的输出端还与第三电阻R3的第一端连接。
可选地，运算放大器A的第一输入端为反相输入端，运算放大器A的第二输入端为同相输入端。在其他实施例中，运算放大器A的第一输入端可以为同相输入端，运算放大器A的第二输入端为反相输入端，本申请实施例对此不做限定。
在本实施例中，用第五电阻R5和第六电阻R6作为负载检测第二三极管Q2和第三三极管Q3流过的电流，通过运算放大器A反馈使第二三极管Q2和第三三极管Q3流过的电流相等。
在其他实施例中，电流镜电路可以采用其他的结构，只要能保证电流镜电路能够产生相等的电流分别输入第二三极管Q2和第三三极管Q3即可，本申请实施例对此不做限定。
本申请通过设置基准电压电路包括：一阶补偿电路，用于产生一阶温度无关的电流；曲率补偿电路，与一阶补偿电路连接，用于产生高阶温度特性的电流，并与一阶温度无关的电流叠加产生温度无关的电流；电压生成电路，与曲率补偿电路连接，用于根据温度无关的电流生成基准电压；其中，曲率补偿电路包括电流源和第一三极管，电流源与第一三极管配合产生高阶温度特性的电流，电流源为零温度系数的电流源，使用一个工作在零温度系数电流供电的基极-发射电压来补偿高阶温度系数，能够实现高阶温度补偿，且电路结构简单容易实现。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基准电压电路，其特征在于，所述基准电压电路包括：
一阶补偿电路，用于产生一阶温度无关的电流；
曲率补偿电路，与所述一阶补偿电路连接，用于产生高阶温度特性的电流，并与所述一阶温度无关的电流叠加产生高阶温度无关的电流；
电压生成电路，与所述曲率补偿电路连接，用于根据所述高阶温度无关的电流生成基准电压；
其中，所述曲率补偿电路至少包括电流源和第一三极管，所述电流源与所述第一三极管配合产生所述高阶温度特性的电流，所述电流源为零温度系数的电流源。
2.根据权利要求1所述的基准电压电路，其特征在于，所述曲率补偿电路还包括第一电阻，所述第一三极管的集电极连接第一电压，所述第一三级管的发射极通过所述电流源连接第二电压，所述第一三极管的发射极还通过所述第一电阻连接所述一阶补偿电路的输出端和所述电压生成电路的输入端，以使所述第一三极管的发射极通过所述第一电阻输出所述高阶温度特性的电流并与所述一阶补偿电路输出的温度无关的电流叠加后流入所述电压生成电路。
3.根据权利要求2所述的基准电压电路，其特征在于，所述电压生成电路包括第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述第一三极管的基极和所述一阶温度补偿电路连接，所述第三电阻的第二端连接所述第二电压。
4.根据权利要求3所述的基准电压电路，其特征在于，所述一阶补偿电路包括电流镜电路、第二三极管、第三三极管、第二电阻以及第四电阻，所述电流镜电路的输入端连接所述第一电压，所述电流镜电路用于分别在所述电流镜电路的第一输出端和第二输出端产生彼此相等的第一电流和第二电流，所述第二三极管的集电极连接所述电流镜电路的第一输出端，所述第三三极管的集电极连接所述电流镜电路的第二输出端，所述第二三极管的发射极连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端连接所述第二电压和所述第三电阻的第二端，所述第三三极管的发射极连接所述第四电阻的第二端，所述第二三极管的基极与所述第三三极管的基极连接。
5.根据权利要求4所述的基准电压电路，其特征在于，所述电流镜电路包括第一场效应晶体管、第二场效应晶体管以及第三场效应晶体管，所述第一场效应晶体管的第一通路端连接所述第一电压，所述第一场效应晶体管的第二通路端作为所述电流镜电路的第一输出端连接所述第二三极管的集电极，所述第一场效应晶体管的控制端连接所述第二三极管的集电极；所述第二场效应晶体管的第一通路端连接所述第一电压，所述第二场效应晶体管的第二通路端作为所述电流镜电路的第二输出端连接所述第三三极管的集电极，所述第二场效应晶体管的控制端连接所述第二三极管的集电极；所述第三场效应晶体管的第一通路端连接所述第一电压，所述第三场效应晶体管的第二通路端连接所述第三电阻的第一端，所述第三场效应晶体管的控制端连接所述第三三极管的集电极；所述第一三极管、所述第二三极管、所述第三三极管的基极均连接所述第三电阻的第一端。
6.根据权利要求5所述的基准电压电路，其特征在于，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管均为P型场效应晶体管，所述第三场效应晶体管为N型场效应晶体管。
7.根据权利要求5所述的基准电压电路，其特征在于，所述第一场效应晶体管的第一通路端和第二通路端分别为漏极和源极，所述第二场效应晶体管的第一通路端和第二通路端分别为漏极和源极，所述第三场效应晶体管的第一通路端和第二通路端分别为漏极和源极。
8.根据权利要求4所述的基准电压电路，其特征在于，所述电流镜电路包括第五电阻、第六电阻以及运算放大器，所述第五电阻的第一端连接所述第一电压，所述第五电阻的第二端连接所述第二三极管的集电极；所述第六电阻的第一端连接所述第一电压，所述第六电阻的第二端连接所述第三三极管的集电极；所述运算放大器的第一电源端和第二电源端分别连接所述第一电压和所述第二电压，所述运算放大器的第一输入端连接所述第五电阻的第二端，所述运算放大器的第二输入端连接所述第六电阻的第二端；所述第一三极管、所述第二三极管以及所述第三三极管的基极均连接所述运算放大器的输出端，且所述运算放大器的输出端还与所述第三电阻的第一端连接。
9.根据权利要求8所述的基准电压电路，其特征在于，所述运算放大器的第一输入端为反相输入端，所述运算放大器的第二输入端为同相输入端。
10.根据权利要求3-9任意一项所述的基准电压电路，其特征在于，所述第三电阻与所述第一电阻的阻值的比值为η-1，其中，η为所述第一三极管的饱和电流温度指数。
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