[发明专利]一种宽输入电压范围和高精度输出的自偏置带隙基准电路

说明书

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，具体是指一种具有宽输入电压范围和高精度输出的自偏置带隙基准电路。

背景技术

基准电路是模拟集成电路中的关键电路，它为芯片内部提供一个稳定的参考电压。该参考电压对工艺制程、电源电压和温度等变化不敏感，能够保持稳定。芯片电路中可利用该参考电压进行偏置，是低压差稳压电源和模数转换器的重要组成部分。

带隙基准电路利用硅的带隙电压来提供这样的参考电压。为实现低温度系数的参考电压，将两种具有相反温度系数的量以适当的权重相加而获得抵消温度系数的电压值。众所周知,双极晶体管的基极-发射极电压(V_BE)具有负的温度系数。

双极晶体管集电极电流I_C与基极-发射极电压V_BE满足以下关系

其中I_S为饱和电流，与双极晶体管发射极面积呈正比，V_T为热电压，具有正的温度系数。假设两个双极晶体管偏置在相同电流下，它们之间的发射面积比为n，则

因此偏置在相等的电流密度下的两个具有不同发射极面积的双极晶体管基极-发射极电压差值具有正的温度系数，可利用双极晶体管的这些特性来实现带隙基准电路。

传统的自偏置带隙基准电路如图1所示，该传统自偏置结构(PM1、PM2、NM1和NM2)本身是反馈环路，I_PM1复制了I_PM2，I_NM2复制了I_NM1，其中I_PM1＝I_NM1，I_PM2＝I_NM2。可以看出，此环路是正反馈环路，其环路增益等于环路电流增益。由反馈环路稳定性理论可知，正反馈环路达到稳定状态的要求是其环路增益小于1，否则正反馈环路必定会引起自激振荡。该环路结构的环路增益A可通过断开NM1和NM2的栅极连接并在NM2栅极加入电压vi，计算环路返回电压vr得到R_Q1、R_Q2为晶体管Q1和Q2发射极对地的等效电阻，因此即A<1恒成立，所以该正反馈环路是稳定的。在该稳定的正反馈环路中，根据集成电路制造工艺中匹配晶体管的特性，节点Vx和Vy在一定程度上可以保持电压相等，从而如果给Q1和Q2两个双极晶体管提供的偏置电流相同，而Q1和Q2发射极面积之比为1：n，则流过R1的电流为I_PM2＝V_T ln(n)/R1,I_PM3＝I_PM2，则Vbg＝V_BE3+R2*I_PM3V_BE3+R2*V_T ln(n)/R1(1)。

Vx和Vy是否能确保相等，取决于上文所述的匹配特性和增益小于1的正反馈环路的纠错能力。实际上，一般的电路只有在负反馈环路增益远远大于1，形成强大的纠错机制，才能保证两个节点的电压相等。在图1结构中，Vx和Vy并不能保证完全相等。首先，如上文所述相关晶体管匹配特性使得Vx和Vy在一定程度下能够保证相等，但是十分有限，考虑沟道调制效应的影响，PM1和PM2的Vds差异会导致PM1不能完全镜像PM2的电流，从而导致Vx和Vy电压之间不会相等，特别是Vdd在很大电压范围变化下，Vx和Vy差别更大；其次，该环路其正反馈性质使得其不能像负反馈那样具有纠错机制，Vx和Vy的电压不能保证在所有变化条件下保持一致，也即无法保证相等，与此同时，正反馈性质导致电路具有相对较弱的电源抑制比的特性，从而影响到该传统带隙基准电路输出电压的精度和温漂特性。因此该电路结构本身既没有有效的避免沟道调制效应的不利影响，又没有有效的反馈机制来纠正这样的电压差异，存在较大的缺点，限制了其应用。如在射频识别(RFID)的应用中，RFID标签离读卡器不同程度远近距离的时候，电源电压高低变化很大，造成Vx和Vy的一致性进一步恶化，不适合RFID应用。

为使得Vx和Vy能够在Vdd的电压变化范围内始终保持相等，有文献提出如图2所示的电路结构，运放的输出控制PM1和PM2的栅极，如果PM1和PM2尺寸相同，可以保证流过PM1和PM2的电流不随Vdd的变化而变化，几乎相等。其输出V_bg和公式(1)一样。该技术利用了运算放大器的高增益负反馈，形成强大的纠错机制，使得Vx和Vy几乎相等，能够较好的解决上文所提到的缺点，但是也会引入其它的缺点。