CN115145347B - 一种对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，包括基准产生电路、二阶温度补偿电路、运算放大器、启动电路、参考启动完成电路，所述二阶温度补偿电路与基准产生电路相连，基准产生电路通过运算放大器后分别与启动电路、参考启动完成电路相连，启动电路与参考启动完成电路相连。本发明通过修调电阻来修调晶体三极管的偏置电流，间接地修调基准电压的温漂系数，这样运算放大器的失调电压对于基准电压而言就只是一个直流的失调，不存在一阶或者高阶的温度系数关系，只需要一次修调就可以将基准电压修调至最佳的温漂系数。

Description

一种对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路

技术领域

本发明涉及一种对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路。

背景技术

带隙基准是模拟电路和混合信号电路中的至关重要的模块，其为芯片内部包括电源电平等所有的电压提供参考，带隙基准的精度会直接影响芯片的性能指标，而带隙基准的精度主要体现在温漂上，即基准电压随温度变化的偏移程度。

图1为传统带隙基准产生电路，主要包括运放、电阻、三极管以及电流镜。其利用运放的钳位作用，将电阻三级管Q1的基极发射极电压V_BE1钳位至电阻R1的正端，而R1的负端电压为三极管Q2的基极发射极电压V_BE2，三极管Q2为N个Q1并联，那么产生了具有正温度系数的电流I_PTAT，其电流值为：

其中ΔV_BE为三极管Q1和三极管Q2的发射极电压差，V_T为中间量，k为波尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电子电荷量，I_PTAT为一阶的正温度系数电流。MOS管M1、M2和M3为电流镜，将I_PTAT电流镜像偏置到晶体三极管Q1、Q2、Q3，那么参考电压V_REF的电压值为：

V_BE3为三极管Q2的基极发射极电压，晶体三极管的基极发射极电压具有高阶温度系数，其温度系数一次项为负。在一阶温度补偿带隙基准中，通常忽略晶体三极管的基极发射极电压的高阶温度系数，所以只要修调R3的阻值，就可以使得V_BE3与ΔV_BE温度系数的绝对值相等，从而得到低温漂系数的V_REF。

若运算放大器的失调电压为V_OS，那么IPTAT的电流大小为：

可以看到正温度系数电流与V_OS相关，并且V_BE电压与I_PATA存在非线性关系，那么V_OS的温度系数将会影响V_REF的温漂，由于V_OS在制造过程中有较大的离散型，这导致V_REF的温漂系数恶化，且修调非常不便，除此之外，由于传统带隙基准只采用了一阶温度补偿，很难将基准电压的温漂做到10ppm以下，图2为传统带隙基准温漂仿真曲线，可以看到在-25℃～125℃温度范围内，参考电压变化约2.5mV，温漂系数约为13ppm，实际生产出来的带隙基准温漂值将更大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，包括基准产生电路、二阶温度补偿电路、运算放大器、启动电路、参考启动完成电路，所述二阶温度补偿电路与基准产生电路相连，基准产生电路通过运算放大器后分别与启动电路、参考启动完成电路相连，启动电路与参考启动完成电路相连。

上述对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，所述基准产生电路包括第一MOS管、第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻和第三可调电阻，所述第一MOS管的源极接电源，第一MOS管的漏极、第二电阻的一端、第三可调电阻的一端连接在一起并作为基准产生电路的输出端，第三可调电阻的另一端连接运算放大器的反相输入端、第一三极管的发射极相连，第一三极管的基极、第一三极管的集电极、第二三极管的基极、第二三极管的集电极连接在一起，第二三极管的发射极与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端与第二电阻的另一端、运算放大器的同相输入端相连。

上述对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，所述二阶温度补偿电路包括第四电阻、第五电阻和第三三极管，所述第四电阻的一端连接第一三极管的发射极，第四电阻的另一端与第五电阻的一端、第三三极管的发射极连接在一起并连接参考电流，第五电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端，第三三极管的基极、第三三极管的集电极连接在一起并连接至第一三极管的基极。

上述对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，所述运算放大器包括第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管和第十八MOS管，第十五MOS管的源极与第十六MOS管的源极连接在一起并连接参考电流，第十五MOS管的栅极作为运算放大器的反相输入端，第十五MOS管的漏极与第十七MOS管的漏极、第十七MOS管的栅极、第十八MOS管的栅极连接在一起并作为运算放大器的V₀₂输出端口，第十六MOS管的栅极作为运算放大器的同相输入端，第十六MOS管的漏极与第十八MOS管的漏极连接在一起并作为运算放大器的V₀₁输出端口，第十七MOS管的源极与第十八MOS管的源极连接在一起。

上述对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，所述启动电路包括第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管，第二MOS管、第三MOS管的源极接电源，第二MOS管的栅极、第一MOS管的栅极、第三MOS管的栅极、第二MOS管的漏极、第四MOS管的漏极、第五MOS管的漏极连接在一起，第四MOS管的栅极连接运算放大器的V₀₁输出端口，第四MOS管的源极连接第二三极管的集电极，第五MOS管的源极接地，第五MOS管的栅极与第七MOS管的漏极相连，第七MOS管的漏极经一个电阻后接电源，第七MOS管的源极接地，第七MOS管的栅极、第六MOS管的栅极、第六MOS管的漏极、第三MOS管的漏极连接在一起，第六MOS管的源极接地。

上述对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，所述参考启动完成电路包括第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第十三MOS管、第十四MOS管、第一反相器、第二反相器和电容，第八MOS管的栅极连接运算放大器的V₀₂输出端口，第八MOS管的源极接地，第八MOS管的漏极、第十MOS管的漏极、第十MOS管的栅极、第十一MOS管的栅极连接在一起，第十MOS管的源极接电源，第十一MOS管的源极接电源，第十一MOS管的漏极与第九MOS管的漏极相连，第九MOS管的栅极连接运算放大器的V₀₁输出端口，第九MOS管的源极接地，第一反相器的输入端与第九MOS管的漏极、第十二MOS管的漏极、第十三MOS管的栅极相连，第十二MOS管的栅极连接第五MOS管的栅极，第十二MOS管的源极接地，第十三MOS管的栅极经电容后接地，第一反相器的输出端与第十三MOS管的漏极、第二反相器的输入端相连，第十三MOS管的源极与第十四MOS管的漏极相连，第十四MOS管的源极接地，第十四MOS管的栅极与第二反相器的输出端连接在一起并作为参考启动完成电路的使能端。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中运算放大器所引入的失调对基准电压而言只是一个直流失调，对所产生参考电压温漂影响很小；采用本发明的二阶温度补偿电路后，可产生低温漂的基准参考电压；启动电路强制在电源上电后，基准电路进入正确工作点，此后参考启动完成电路发出基准启动完成信号作为系统应用其他电路的使能。本发明设计的带隙基准电路温漂低达2.5ppm，且运放失调对温漂性能影响非常小，电路在不同工艺设计环境下一致性高，可为各类高精度信号处理电路和信号读出电路提供精准的参考电压，有着广泛的应用前景。

2、本发明通过修调电阻来修调晶体三极管的偏置电流，间接地修调基准电压的温漂系数，这样运算放大器的失调电压对于基准电压而言就只是一个直流的失调，不存在一阶或者高阶的温度系数关系，只需要一次修调就可以将基准电压修调至最佳的温漂系数。

附图说明

图1为传统带隙基准电路示意图。

图2为传统带隙基准电压温度仿真曲线图。

图3为本发明的电路结构框图。

图4为本发明基准产生电路和启动电路的电路图。

图5为本发明二阶温度补偿电路的电路图。

图6为本发明运算放大器的电路图。

图7为本发明的二阶温度补偿带隙基准电压温度仿真曲线图。

图8为本发明参考启动完成电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图3所示，一种对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，包括基准产生电路、二阶温度补偿电路、运算放大器、启动电路、参考启动完成电路，所述二阶温度补偿电路与基准产生电路相连，基准产生电路通过运算放大器后分别与启动电路、参考启动完成电路相连，启动电路与参考启动完成电路相连。

如图4所示，所述基准产生电路包括第一MOS管M1、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2和第三可调电阻R3，所述第一MOS管M1的源极接电源，第一MOS管M1的漏极、第二电阻R2的一端、第三可调电阻R3的一端连接在一起并作为基准产生电路的输出端输出参考电压V_REF，第三可调电阻R3的另一端连接运算放大器的反相输入端、第一三极管Q1的发射极相连，第一三极管Q1的基极、第一三极管Q1的集电极、第二三极管Q2的基极、第二三极管Q2的集电极连接在一起，第二三极管Q2的发射极与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的另一端、运算放大器的同相输入端相连。

如图5所示，所述二阶温度补偿电路包括第四电阻R4、第五电阻R5和第三三极管Q3，所述第四电阻R4的一端连接第一三极管Q1的发射极，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端、第三三极管Q3的发射极连接在一起并连接参考电流I_REF，第五电阻R5的另一端连接运算放大器的同相输入端，第三三极管Q3的基极、第三三极管Q3的集电极连接在一起并连接至第一三极管Q1的基极。

如图6所示，所述运算放大器包括第十五MOS管M15、第十六MOS管M16、第十七MOS管M17和第十八MOS管M18，第十五MOS管M15的源极与第十六MOS管M16的源极连接在一起并连接参考电流I_REF，第十五MOS管M15的栅极作为运算放大器的反相输入端，第十五MOS管M15的漏极与第十七MOS管M17的漏极、第十七MOS管M17的栅极、第十八MOS管M18的栅极连接在一起并作为运算放大器的V₀₂输出端口，第十六MOS管M16的栅极作为运算放大器的同相输入端，第十六MOS管M16的漏极与第十八MOS管M18的漏极连接在一起并作为运算放大器的V₀₁输出端口，第十七MOS管M17的源极与第十八MOS管M18的源极连接在一起。

如图4所示，所述启动电路包括第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7，第二MOS管M2、第三MOS管M3的源极接电源，第二MOS管M2的栅极、第一MOS管M1的栅极、第三MOS管M3的栅极、第二MOS管M2的漏极、第四MOS管M4的漏极、第五MOS管M5的漏极连接在一起，第四MOS管M4的栅极连接运算放大器的V₀₁输出端口，第四MOS管M4的源极连接第二三极管Q2的集电极，第五MOS管M5的源极接地，第五MOS管M5的栅极与第七MOS管M7的漏极相连，第七MOS管M7的漏极经一个电阻后接电源，第七MOS管M7的源极接地，第七MOS管M7的栅极、第六MOS管M6的栅极、第六MOS管M6的漏极、第三MOS管M3的漏极连接在一起，第六MOS管M6的源极接地。

如图7所示，所述参考启动完成电路包括第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第一反相器、第二反相器和电容，第八MOS管M8的栅极连接运算放大器的V₀₂输出端口，第八MOS管M8的源极接地，第八MOS管M8的漏极、第十MOS管M10的漏极、第十MOS管M10的栅极、第十一MOS管M11的栅极连接在一起，第十MOS管M10的源极接电源，第十一MOS管M11的源极接电源，第十一MOS管M11的漏极与第九MOS管M9的漏极相连，第九MOS管M9的栅极连接运算放大器的V₀₁输出端口，第九MOS管M9的源极接地，第一反相器的输入端与第九MOS管M9的漏极、第十二MOS管M12的漏极、第十三MOS管M13的栅极相连，第十二MOS管M12的栅极连接第五MOS管M5的栅极，第十二MOS管M12的源极接地，第十三MOS管M13的栅极经电容后接地，第一反相器的输出端与第十三MOS管M13的漏极、第二反相器的输入端相连，第十三MOS管M13的源极与第十四MOS管M14的漏极相连，第十四MOS管M14的源极接地，第十四MOS管M14的栅极与第二反相器的输出端连接在一起并作为参考启动完成电路的使能端REF 0K。

与传统带隙基准不同，本发明修调R3以改变晶体三极管Q1和Q2的偏置电流，来修调带隙基准电路的温漂系数。设运算放大器的输入失调电压为V_OS，过R1的电流为PTAT电流，大小为：

为三极管Q1和三极管Q2的发射极电压差，I₁为三极管Q1的集电极电流，I₂为三极管Q2的集电极电流，那么带隙基准电压V_REF为：

适当调节电阻R3的值，可使得上式右边第一项和第二项一阶温度系数绝对值相同，而中间运放失调电压V_os将仅仅为V_REF的一个直流失调电压，不会影响基准电压的温漂系数。

图4右边电路为启动电路，若电源上电后，带隙基准没有正常启动，M3和M6没有电流，所以M6和M7的栅极为低电位，M7被关断，同时R3上拉Vstart，M5被导通，从而将M1、M2和M3的栅极电位拉低，带隙基准电路被强制拉出零状态，当基准启动完成后，M7镜像M6的电流，从而将Vstart下拉至低电位，关断M5，启动电路不影响带隙基准正常工作。

当考虑晶体三极管的高阶温度系数时，其基极发射极电压表达式为：

其中V_g0为最理想状态下的带隙基准电压，V_BE,Tr为27℃晶体管基极发射极电压，Tr为27℃对应的开尔文温度，η为常数，可以看到V_BE的温度系数的高阶项为正，可以通过图6所示的二阶温度补偿电路来补偿其高阶正温度系数。引如一个较低温度系数的参考电流偏置至晶体三级管Q3，同时将Q3的发射极通过电阻R4和R5跨接至运放的正负输入端。参考电流I_REF是由系统待机电路产生的较低温漂的基准电流，其温漂系数可高于20ppm，而R4和R5采用负温度较小的ppoly电阻，采用二阶温度补偿的带隙基准仿真电路如图7所示，可以看到在-25℃～125℃温度范围内，参考电压变化约0.4mV，温漂系数约为2.5ppm，温漂系数仅为传统带隙基准的1/5。

图8为参考启动完成电路，当V_REF电位上升至参考电位附近时，运算放大器A的输出V₀₁和V₀₂电位相近，由于M10的尺寸约为M11的1/2，那么M11的漏极电位将变为高电平，REF_OK被置为1，REF_OK可用作使能，启动系统其他电路模块，图8中M13和M14引入迟滞，以防止REF_OF受到干扰而抖动。

Claims (1)

1.一种对运放失调不敏感的二阶温度补偿带隙基准电路，其特征在于：包括基准产生电路、二阶温度补偿电路、运算放大器、启动电路、参考启动完成电路，所述二阶温度补偿电路与基准产生电路相连，基准产生电路通过运算放大器后分别与启动电路、参考启动完成电路相连，启动电路与参考启动完成电路相连；

所述基准产生电路包括第一MOS管、第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻和第三可调电阻，所述第一MOS管的源极接电源，第一MOS管的漏极、第二电阻的一端、第三可调电阻的一端连接在一起并作为基准产生电路的输出端，第三可调电阻的另一端连接运算放大器的反相输入端、第一三极管的发射极相连，第一三极管的基极、第一三极管的集电极、第二三极管的基极、第二三极管的集电极连接在一起，第二三极管的发射极与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端与第二电阻的另一端、运算放大器的同相输入端相连；

所述二阶温度补偿电路包括第四电阻、第五电阻和第三三极管，所述第四电阻的一端连接第一三极管的发射极，第四电阻的另一端与第五电阻的一端、第三三极管的发射极连接在一起并连接参考电流，第五电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端，第三三极管的基极、第三三极管的集电极连接在一起并连接至第一三极管的基极；

所述运算放大器包括第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管和第十八MOS管，第十五MOS管的源极与第十六MOS管的源极连接在一起并连接参考电流，第十五MOS管的栅极作为运算放大器的反相输入端，第十五MOS管的漏极与第十七MOS管的漏极、第十七MOS管的栅极、第十八MOS管的栅极连接在一起并作为运算放大器的V₀₂输出端口，第十六MOS管的栅极作为运算放大器的同相输入端，第十六MOS管的漏极与第十八MOS管的漏极连接在一起并作为运算放大器的V₀₁输出端口，第十七MOS管的源极与第十八MOS管的源极连接在一起；

所述启动电路包括第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管，第二MOS管、第三MOS管的源极接电源，第二MOS管的栅极、第一MOS管的栅极、第三MOS管的栅极、第二MOS管的漏极、第四MOS管的漏极、第五MOS管的漏极连接在一起，第四MOS管的栅极连接运算放大器的V₀₁输出端口，第四MOS管的源极连接第二三极管的集电极，第五MOS管的源极接地，第五MOS管的栅极与第七MOS管的漏极相连，第七MOS管的漏极经一个电阻后接电源，第七MOS管的源极接地，第七MOS管的栅极、第六MOS管的栅极、第六MOS管的漏极、第三MOS管的漏极连接在一起，第六MOS管的源极接地；

所述参考启动完成电路包括第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第十三MOS管、第十四MOS管、第一反相器、第二反相器和电容，第八MOS管的栅极连接运算放大器的V₀₂输出端口，第八MOS管的源极接地，第八MOS管的漏极、第十MOS管的漏极、第十MOS管的栅极、第十一MOS管的栅极连接在一起，第十MOS管的源极接电源，第十一MOS管的源极接电源，第十一MOS管的漏极与第九MOS管的漏极相连，第九MOS管的栅极连接运算放大器的V₀₁输出端口，第九MOS管的源极接地，第一反相器的输入端与第九MOS管的漏极、第十二MOS管的漏极、第十三MOS管的栅极相连，第十二MOS管的栅极连接第五MOS管的栅极，第十二MOS管的源极接地，第十三MOS管的栅极经电容后接地，第一反相器的输出端与第十三MOS管的漏极、第二反相器的输入端相连，第十三MOS管的源极与第十四MOS管的漏极相连，第十四MOS管的源极接地，第十四MOS管的栅极与第二反相器的输出端连接在一起并作为参考启动完成电路的使能端。