CN107390771B - 同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，包括：零温度系数电压、正温度系数电流输出电路、负温度系数电流输出电路、零温度系数电流输出电路以及运算放大器。其中，零温度系数电压、正温度系数电流输出电路包括：第一电阻、第二电阻、第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三双极型晶体管、第一P沟道场效应管、第二P沟道场效应管、第三P沟道场效应管、第一N沟道场效应管和第二N沟道场效应管；负温度系数电流输出电路包括第一电流镜、第三电阻和第三N沟道场效应管；零温度系数电流输出电路包括第二电流镜。本发明的带隙基准参考源电路结构简单、成本低、能够同时输出多种温度特性的电流。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，涉及一种同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，该多种温度特性参考电流包括正温度系数参考电流、负温度系数参考电流和零温度系数参考电流。
背景技术
众所周知，带隙基准参考源电路被广泛地应用于模拟电路中，以提供一个与工艺、电压和温度无关的电压，该电压可用于温度检测电路、数据转换器、低压差线性稳压器等电路中。
在深亚微米工艺下，芯片的集成度越来越高，功耗也越来越大，从而使得芯片内部的芯片结温变化比较大，导致电路中的工作电流也随温度变化而变化，因此，需要在提供零温度系数电压的同时，也提供一个零温度系数的电流给其他模拟电路，以保证其他模块的正常工作。同时，为了保证芯片中部分模块在宽温度范围内安全可靠工作，需要提供随温度变化的参考电流，如正温度系数参考电流、负温度系数参考电流。
在现有的技术实现中，主要采用具有正温度特性的两个不同电流密度的三极管来得到的VBE电压差，并将该电压加到一个低温度系数电阻(其温度系数与VBE电压差的温度系数相比甚微)上，以得到一个与温度成正比的电流，再将该电流输送给一个相同类型的低温度系数电阻，以得到一个正温度系数的电压，该电压与三极管具有负温度系数的VBE相加，从而得到一个零温度系数电压。
然而现有技术存在以下缺点：当电路在正常工作条件下，得到一个零温度系数的电压，电路中各支路的电流为与温度成正比或者与电阻温度系数成反比的电流，但是不能同时产生多种温度系数(正温度系数、负温度系数和零温度系数)的电流，因此在实际工作中需要设计多个模块来分别实现多种温度系数的电流，从而大大增加了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，从而克服现有技术的上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，包括：零温度系数电压、正温度系数电流输出电路，用于产生零温度系数的电压和正温度系数的电流，该零温度系数电压、正温度系数电流输出电路包括：第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一双极型晶体管(Q1)、第二双极型晶体管(Q2)、第三双极型晶体管(Q3)、第一P沟道场效应管(MP1)、第二P沟道场效应管(MP2)、第三P沟道场效应管(MP3)、第一N沟道场效应管(MN1)和第二N沟道场效应管(MN2)；负温度系数电流输出电路，用于产生负温度系数的电流，该负温度系数电流输出电路包括由第四P沟道场效应管(MP4)和第五P沟道场效应管(MP5)构成的第一电流镜、第三电阻(R3)和第三N沟道场效应管(MN3)；零温度系数电流输出电路，用于产生零温度系数的电流，该零温度系数电流输出电路包括由第六P沟道场效应管(MP6)和第七P沟道场效应管(MP7)构成的第二电流镜；以及运算放大器(A)，其输出端分别连接一N沟道场效应管(MN1)、第二N沟道场效应管(MN2)、第三N沟道场效应管的栅极(MN3)。
优选地，上述技术方案中，第一P沟道场效应管(MP1)的源极与电源(VDD)连接，栅极和漏极短接，且第一P沟道场效应管(MP1)的栅极分别与第一N沟道场效应管(MN1)和第二N沟道场效应管(MN2)的漏极连接，第一N沟道场效应管(MN1)的源极分别与运算放大器的正向输入端(VP)和所述第一双极型晶体管(Q1)的发射极连接，第二N沟道场效应管(MN2)的源极分别与运算放大器的反向输入端(VN)和第一电阻(R1)的一端连接，第一电阻(R1)的另一端连接第二双极型晶体管(Q2)的发射极；第二P沟道场效应管(MP2)的源极与电源(VDD)连接，漏极与第二电阻(R2)的一端连接，第二电阻(R2)的另一端连接第三双极型晶体管(Q3)发射极；第三P沟道场效应管(MP3)的源极与电源(VDD)连接，漏极为开路，以输出正温度系数的电流。
优选地，上述技术方案中，第四P沟道场效应管(MP4)的源极接电源(VDD)，栅极和漏极短接，第四P沟道场效应管(MP4)的漏极与第三N沟道场效应管(MN3)的漏极连接，第三N沟道场效应管(MN3)的源极与第三电阻(R3)的一端连接，第三电阻(R3)的另一端接地；第五P沟道场效应管(MP5)的源极接电源(VDD)，栅极分别与第四P沟道场效应管(MP4)、第六P沟道场效应管(MP6)的栅极连接，第五P沟道场效应管(MP5)的漏极为开路，以输出负温度系数的电流。
优选地，上述技术方案中，第六P沟道场效应管(MP6)、第七P沟道场效应管(MP7)的源极分别与电源(VDD)连接，第六P沟道场效应管(MP6)的漏极与第七P沟道场效应管(MP7)的漏极连接，用于输出零温度系数的电流。
优选地，上述技术方案中，通过设置第一P沟道场效应管(MP1)、第二P沟道场效应管(MP2)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的大小，在第二电阻(R2)连接第二P沟道场效应管(MP2)漏极的一端能够输出零温度系数的电压。
优选地，上述技术方案中，第一双极型晶体管(Q1)、第二双极型晶体管(Q2)和第三双极型晶体管(Q3)的基极和集电极分别接地。
优选地，上述技术方案中，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)为同种类型的电阻。
优选地，上述技术方案中，通过设置所述第一电阻(R1)和所述第三电阻(R3)的阻值，使得第二电流镜中的正温度系数的电流和负温度系数的电流按比例相加，以得到零温度系数的电流。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的带隙基准参考源电路结构非常简单，仅包含一个运算放大器、三个同种类型的电阻(R1、R2、R3)、三个双极型晶体管(Q1、Q2、Q3)、三个N沟道场效应管(MN1、MN2、MN3)和七个P沟道场效应管(MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7)，能够同时输出零温度系数的电压、正温度系数的电流、零温度系数的电流以及负温度系数的电流，从而简化了现有技术中需要分别设计不同的电路模块来实现多种温度特性的电流输出的电路设计、同时大大降低了成本。由于R1、R2、R3为同种类型的电阻，一致性好，有利于得到高精度的参考电压，同时可得到工艺一致性高的零温度系数参考电流。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的结构框图；
图2是根据本发明的实施例的电路原理图。
主要附图标记说明：
101-正温度系数电流、多温度系数电压产生模块，102-负温度系数电流产生模块，103-零温度系数电流产生模块。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，本发明的同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源设计为包括正温度系数电流、多温度系数电压产生模块101、负温度系数电流产生模块102和零温度系数电流产生模块103。其中，正温度系数电流、多温度系数电压产生模块101可以得到正温度系数的电流IPTAT、负温度系数电压VCTAT、零温度系数电压VBG；利用VCTAT在负温度系数电流产生模块102得到负温度系数电流ICTAT；再将正、负温度系数的电流在零温度系数电流产生模块103进行合并，得到零温度系数的电流IZCT。上述模块设计可以通过图2的电路原理图具体实现。
如图2所示，本发明的同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路包括：零温度系数电压、正温度系数电流输出电路，负温度系数电流输出电路，零温度系数电流输出电路以及运算放大器A。
其中，零温度系数电压、正温度系数电流输出电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2、第三双极型晶体管Q3、第一P沟道场效应管MP1、第二P沟道场效应管MP2、第三P沟道场效应管MP3、第一N沟道场效应管MN1和第二N沟道场效应管MN2。第一P沟道场效应管MP1的源极与电源VDD连接，栅极和漏极短接，且第一P沟道场效应管MP1的栅极分别与第一N沟道场效应管MN1和第二N沟道场效应管MN2的漏极连接，第一N沟道场效应管MN1的源极分别与运算放大器的正向输入端VP和所述第一双极型晶体管Q1的发射极连接，第二N沟道场效应管MN2的源极分别与运算放大器的反向输入端VN和第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端连接第二双极型晶体管Q2的发射极；第二P沟道场效应管MP2的源极与电源VDD连接，漏极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端连接第三双极型晶体管Q3发射极；第三P沟道场效应管MP3的源极与电源VDD连接，漏极为开路，以输出正温度系数的电流IPTAT。
第一N沟道场效应管MN1、第二N沟道场效应管MN2、第三N沟道场效应管MN3的栅极均受运算放大器A的控制，第一N沟道场效应管MN1和第二N沟道场效应管MN2中的电流与二者的宽长比成比例。与温度成正比的电流的产生电路产生的电流I1、I2通过第一P沟道场效应管MP1镜像给第二P沟道场效应管MP2，设置第一P沟道场效应管MP1、第二P沟道场效应管MP2、第一电阻R1和第二电阻R2的大小，通过第二电阻R2产生正比于温度的电压，该电压与第三双极型晶体管Q3的负温度系数电压相加得到一个零温度系数电压Vbg，从而在第二电阻R2连接第二P沟道场效应管MP2漏极的一端输出零温度系数的电压Vbg。
负温度系数电流输出电路，包括由第四P沟道场效应管MP4和第五P沟道场效应管MP5构成的第一电流镜、第三电阻R3和第三N沟道场效应管MN3。第四P沟道场效应管MP4的源极接电源VDD，栅极和漏极短接，第四P沟道场效应管MP4的漏极与第三N沟道场效应管MN3的漏极连接，第三N沟道场效应管MN3的源极与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端接地；第五P沟道场效应管MP5的源极接电源VDD，栅极分别与第四P沟道场效应管MP4、第六P沟道场效应管MP6的栅极连接，第五P沟道场效应管MP5的漏极为开路，以输出负温度系数的电流。
零温度系数电流输出电路，用于产生零温度系数的电流，该零温度系数电流输出电路包括由第六P沟道场效应管MP6和第七P沟道场效应管MP7构成的第二电流镜。第六P沟道场效应管MP6、第七P沟道场效应管MP7的源极分别与电源VDD连接，第六P沟道场效应管MP6的漏极与第七P沟道场效应管MP7的漏极连接，用于输出零温度系数的电流。
其中，第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3为同种类型的电阻。由运算放大器A、第一N沟道场效应管MN1、第二N沟道场效应管MN2、第三N沟道场效应管MN3、第一电阻R1、第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2组成的环路，使得第一N沟道场效应管MN1、第二N沟道场效应管MN2的四端的端点电压相等，从而得到正温度特性电流。通过运算放大器的输出端驱动第三N沟道场效应管MN3的栅极，得到第三N沟道场效应管MN3的源极电压与第一N沟道场效应管MN1、第二N沟道场效应管MN2的源极电压相等，为第一双极型晶体管Q1的负温度特性的基极-发射极电压；该电压在第三电阻R3上产生一个负温度特性电流。第五P沟道场效应管MP5、第六P沟道场效应管MP6复制第四P沟道场效应管MP4中的负温度特性电流，第五P沟道场效应管MP5输出负温度特性电流ICTAT；第二P沟道场效应管MP2、第七P沟道场效应管MP7、第三P沟道场效应管MP3复制第一P沟道场效应管MP1中的正温度特性电流IPTAT；第三P沟道场效应管MP3输出正温度特性电流；第二P沟道场效应管MP2中的电流经过第二电阻R2、第三双极型晶体管Q3后，得到零温度特性的基准参考电压，通过设置所述第一电阻R1和第三电阻R3的阻值，第七P沟道场效应管MP7与第六P沟道场效应管MP6二者的电流按比例相加得到零温度特性的电流。
运算放大器A的输出端分别连接第一N沟道场效应管MN1、第二N沟道场效应管MN2、第三N沟道场效应管的栅极MN1。
本法明的带隙参考源电路原理图如图1所示，下面叙述该电路的工作原理。首先做出如下假设：
(1)误差放大器A的增益足够大，并且输入阻抗无穷大，使得误差放大器A的正向输入端VP、负向输入端VN点的电压相等；
(2)忽略电路中的失配，如电阻间的失配、晶体管间的失配，双极型晶体管间的失配；
(3)图1中，第一双极型晶体管Q1的发射极-基极电压VEB1，第二双极型晶体管Q2的发射极-基极电压VEB2，第三双极型晶体管Q3的发射极-基极电压VEB3；假定基极电流为零，集电极电流等于发射极电流。
(4)假定场效应晶体管MN1、MN2、MN3尺寸相等；场效应晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、MP6、MP7尺寸相等，且第六P沟道场效应管是第四P沟道场效应管MP4的2倍。
在图1中，双极型晶体管的集电极电流与其发射极-基极电压之间的关系为：
其中，VT＝KT/q，IS为双极型晶体管的饱和电流，VT为热电压，q为电子电荷，VEB为双极型晶体管的发射极-基极电压，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。
双极型晶体管中的电流为：
所以双极型晶体管的发射极-基极电压为：
图1中，误差放大器A的正、负输入端的电压也相等，所以第一N沟道场效应管MN1、第二N沟道场效应管MN2中的电流相等；因此第一双极型晶体管Q1、第二双极型Q2中的电流IQ1、IQ2相等，二者的发射极-基极电压差为：
在式(4)中，假定第一、第二双极型晶体管Q1、Q2的发射极面积之比为1：N；因此二者的饱和电流之比：
Is1:Is2＝1:N (5)
从图1中看到，第一、第二双极型晶体管Q1、Q2中的电流等于第一电阻R1中电流，
IQ1＝IQ2＝ΔVEB/R1＝VT·ln N/R1 (6)
因此，输出电压Vbg为：
通过适当选择第一电阻R1、第二电阻R2的大小，可以得到零温度系数电压Vbg。
因第三P沟道场效应管MP3与第一P沟道场效应管MP1的尺寸相等，二者的电流也相等，大小为第一双极型晶体管Q1的电流IQ1、第二双极型晶体管Q2的电流IQ2之和，正温度系数特性参考电流IPTAT为
IPTAT＝IMP3＝IMP1＝IQ1+IQ2 (8)
其中，双极型晶体管Q1电流IQ1、Q2电流IQ2为正温度系数电流。
因第五P沟道场效应管MP5与第四P沟道场效应管MP4的尺寸相等，二者的电流也相等，大小为第三电阻R3中的电流，负温度系数特性参考电流ICTAT为
因第六P沟道场效应管MP6的大小是第四P沟道场效应管MP4的二倍，且第六P沟道场效应管MP6中的电流为R3中的电流，因此，零温度系数特性参考电流IZTC为：
通过适当选择第一电阻R1、第三电阻R3的大小，可以得到零温度系数电流，同时不影响零温度系数电压Vbg。因为，第一电阻R1、第三电阻R3为相同类型的电阻，大小按比例变化，因而不会影响零温度系数参考电流的温度特性。在实际制备中，会使得器件偏离设计值，可以通过微调第三电阻R3，得到零温度系数电压，通过微调第三电阻R3的大小，能够得到零温度系数电流。
由于本发明的电阻R1、R2、R3为同一类型的电阻，一致性好，利于得到高精度的参考电压，同时可得到工艺一致性高的零温度系数参考电流。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (7)
1.一种同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，其特征在于，所述带隙基准参考源电路包括：
零温度系数电压、正温度系数电流输出电路，用于产生零温度系数的电压和正温度系数的电流，所述零温度系数电压、正温度系数电流输出电路包括：第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一双极型晶体管(Q1)、第二双极型晶体管(Q2)、第三双极型晶体管(Q3)、第一P沟道场效应管(MP1)、第二P沟道场效应管(MP2)、第三P沟道场效应管(MP3)、第一N沟道场效应管(MN1)和第二N沟道场效应管(MN2)；
负温度系数电流输出电路，用于产生负温度系数的电流，所述负温度系数电流输出电路包括由第四P沟道场效应管(MP4)和第五P沟道场效应管(MP5)构成的第一电流镜、第三电阻(R3)和第三N沟道场效应管(MN3)；
零温度系数电流输出电路，用于产生零温度系数的电流，所述零温度系数电流输出电路包括由第六P沟道场效应管(MP6)和第七P沟道场效应管(MP7)构成的第二电流镜；以及
运算放大器(A)，所述运算放大器的输出端分别连接第一N沟道场效应管(MN1)、第二N沟道场效应管(MN2)、第三N沟道场效应管的栅极(MN3)；
其中，所述第一P沟道场效应管(MP1)的源极与电源(VDD)连接，栅极和漏极短接，且所述第一P沟道场效应管(MP1)的栅极分别与所述第一N沟道场效应管(MN1)和所述第二N沟道场效应管(MN2)的漏极连接，所述第一N沟道场效应管(MN1)的源极分别与所述运算放大器的正向输入端(VP)和所述第一双极型晶体管(Q1)的发射极连接，所述第二N沟道场效应管(MN2)的源极分别与所述运算放大器的反向输入端(VN)和所述第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻(R1)的另一端连接所述第二双极型晶体管(Q2)的发射极；所述第二P沟道场效应管(MP2)的源极与电源(VDD)连接，漏极与所述第二电阻(R2)的一端连接，所述第二电阻(R2)的另一端连接所述第三双极型晶体管(Q3)发射极；所述第三P沟道场效应管(MP3)的源极与电源(VDD)连接，漏极为开路，以输出正温度系数的电流。
2.根据权利要求1所述的同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，其特征在于，所述第四P沟道场效应管(MP4)的源极接电源(VDD)，栅极和漏极短接，所述第四P沟道场效应管(MP4)的漏极与所述第三N沟道场效应管(MN3)的漏极连接，所述第三N沟道场效应管(MN3)的源极与所述第三电阻(R3)的一端连接，所述第三电阻(R3)的另一端接地；所述第五P沟道场效应管(MP5)的源极接电源(VDD)，栅极分别与所述第四P沟道场效应管(MP4)、所述第六P沟道场效应管(MP6)的栅极连接，所述第五P沟道场效应管(MP5)的漏极为开路，以输出负温度系数的电流。
3.根据权利要求1所述的同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，其特征在于，所述第六P沟道场效应管(MP6)、第七P沟道场效应管(MP7)的源极分别与电源(VDD)连接，所述第六P沟道场效应管(MP6)的漏极与所述第七P沟道场效应管(MP7)的漏极连接，用于输出零温度系数的电流。
4.根据权利要求1所述的同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，其特征在于，通过设置所述第一P沟道场效应管(MP1)、第二P沟道场效应管(MP2)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的大小，在所述第二电阻(R2)连接所述第二P沟道场效应管(MP2)漏极的一端能够输出零温度系数的电压。
5.根据权利要求1所述的同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，其特征在于，所述第一双极型晶体管(Q1)、第二双极型晶体管(Q2)和第三双极型晶体管(Q3)的基极和集电极分别接地。
6.根据权利要求1所述的同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，其特征在于，所述第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)为同种类型的电阻。
7.根据权利要求4所述的同时产生多种温度特性参考电流的带隙基准参考源电路，其特征在于，通过设置所述第一电阻(R1)和所述第三电阻(R3)的阻值，使得所述第二电流镜中的正温度系数的电流和所述负温度系数的电流按比例相加，以得到所述零温度系数的电流。
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