[发明专利]一种带隙基准电压源

说明书

本发明公开了一种带隙基准电压源，包括：电平转换电路、第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻和钳位电路；电平转换电路用于根据输入端输入的电压在第一端和第二端产生相同的一阶正温度系数的电压。该带隙基准电压源通过对MP1和MP2的漏极引入相同正温度系数电压，并利用MP1和MP2本身具有的沟道长度调制效应，来消除或减小二阶温度系数，从而实现二阶温度系数补偿。

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，特别涉及一种带隙基准电压源。

背景技术

目前，集成电路芯片设计离不开模拟电路设计和数字电路设计两部分。随着工艺尺寸的减小和芯片集成度的提高，模拟电路的设计难度也越来越高。器件的非理想效应、功耗、面积、电压范围和精度等都可能成为制约模拟电路性能乃至整个芯片性能的瓶颈。

片上带隙基准源作为模拟电路的核心模块，为所有模拟模块提供基准电压(或基准电流)。它的原理是将正温度系数的电压和负温度系数的电压以一定的系数相叠加来得到近似一阶零温度系数的带隙电压。该基准电压温度系数能够满足绝大多数模拟电路的要求。但是随着技术的进步和人们对系统指标要求的提高，片上带隙电压基准源的指标也被不断提高。例如，在高精度电路系统中(如，高精度温度传感器、高精度模数转换器ADC等)，一阶零温度系数的带隙电压已经不能满足系统对电压温度系数的要求。因此不得不考虑更高阶的温度系数补偿或者温度校准等方法来改善基准电压的温度系数。

图1所示常用带隙基准电压产生电路的结构。这种结构核心电路由电流镜MP1、MP2、MP3，电阻R1、R2，三极管Q1、Q2、Q3和钳位电路(如，运放OPA、电流镜等)组成。其主要的工作原理如下：钳位电路使A、B两点电压保持相等，此时流过电阻R1上的电流IP1为：

其中，V_BE2为Q2的基极-发射极电压(即Q2发射极与Q2基极之间的电压)，V_BE1为Q1的基极-发射极电压，R₁为电阻R1的阻值，V_T为热电压；ΔV_BE＝V_BE2-V_BE1具有一阶正温度系数，在不考虑R1温度系数的情况下，IP1也具有一阶正温度系数。电流通过电流镜MP1、MP2和MP3镜像，在电阻R2上产生一阶正温度系数电压。由于V_BE具有一阶负温度系数，通过适当的选取R1和R2的阻值、Q1和Q2的比例系数M、电流镜的比例N，可以在VBG端得到一阶零温度系数的电压输出。图1电路图中VBG理想的电压输出为：

实际上，V_BE不仅仅具有一阶负温度系数，它还具有高阶(≥2)温度系数。高阶温度系数的存在使VBG的输出如同图2的S1、S2或者S3所示。在全温度范围内，高阶温度系数会引起的电压变化ΔV随着工艺的不同而不同。一般情况下ΔV会有5mV甚至更大，而二阶温度系数的正负决定了输出曲线的开口方向(向上或者向下)。

为了降低高阶温度系数对输出电压的影响，现有技术提出了补偿输出电压高阶温度系数的方法，主要原理参考图3。其主要原理是通过在B点或者D点注入或者抽取二阶电流来改善输出电压的二阶温度系数。抽取电流的大小和方向直接影响输出电压的补偿效果。

通过对以上现有技术的研究和实际电路系统应用环境的考虑很容易发现现有技术存在以下缺点：

(1)一般情况下，输出电压的二阶温度系数很小。现有技术通过在B点或者D点注入或者抽取电流的方法来补偿二阶温度系数的方法必须要精确控制电流的大小。由于ib或者id本身电流很小，一般在10^-9A量级，在不同的工艺角下很难保证该电流的一致性。输出二阶温度系数会随着该补偿电流的偏离而增大，有可能会使输出温度系数急剧恶化。