一種高階溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源的制作方法

本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種基于MOS管溝道載流子遷移率溫度特性進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源。

背景技術(shù)：

在模擬以及混合信號(hào)等集成電路的設(shè)計(jì)中，帶隙基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)極其重要的模塊。它為比較器，運(yùn)放，偏置等其它電路模塊提供一個(gè)不隨溫度和電源變化的參考電位。其穩(wěn)定性以及輸出值隨溫度變化的特性的優(yōu)劣，會(huì)大大影響整體電路系統(tǒng)的性能。在模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、傳感器、電源管理控制器等各種高精度測(cè)量?jī)x表中，它直接決定系統(tǒng)的性能和精度。

傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路的是通過(guò)將兩個(gè)正負(fù)溫度系數(shù)的電壓加權(quán)相加獲得的。受結(jié)構(gòu)限制，傳統(tǒng)帶隙電路僅能消除三極管基極發(fā)射極電壓(V_BE)中與溫度相關(guān)的一次項(xiàng)對(duì)基準(zhǔn)輸出的影響。

由于傳統(tǒng)帶隙電路僅能消除V_BE中與溫度相關(guān)的一次項(xiàng)對(duì)輸出的影響，因此溫度系數(shù)較大不能滿足高精度應(yīng)用場(chǎng)合的需求，為此各種對(duì)帶隙基準(zhǔn)進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償?shù)姆绞奖谎芯咳藛T相繼提出。

現(xiàn)有的對(duì)基準(zhǔn)電路進(jìn)行高階的方式有以下常見(jiàn)的三種：1、通過(guò)將具有不同溫度系數(shù)的電阻進(jìn)行組合以產(chǎn)生正溫電壓的高階項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。2、通過(guò)減小PN結(jié)本身的負(fù)溫高階項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。3、通過(guò)在不同溫度點(diǎn)向基準(zhǔn)輸出節(jié)點(diǎn)注入額外的正溫電流來(lái)實(shí)現(xiàn)分段線性補(bǔ)償。但這些補(bǔ)償方式都存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、版圖面積大、對(duì)電路匹配性和工藝精度要求高的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，就是針對(duì)傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源溫度系數(shù)高，以及現(xiàn)有常見(jiàn)高階溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、版圖面積大、對(duì)電路匹配性和工藝精度要求高等缺點(diǎn)，提出一種高階溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種高階溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源，包括正溫度系數(shù)電流偏置模塊、負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊和基準(zhǔn)輸出模塊，所述正溫度系數(shù)電流偏置模塊產(chǎn)生的第一偏置電壓V1連接到基準(zhǔn)輸出模塊的一個(gè)輸入端；負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊產(chǎn)生的第二偏置電壓V2連接到基準(zhǔn)輸出模塊的另一個(gè)輸入端；基準(zhǔn)輸出模塊將正溫度系數(shù)電流偏置模塊和負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊分別在自身MOS管上產(chǎn)生的電流進(jìn)行疊加并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并輸出基準(zhǔn)電壓REF。

具體的，所述正溫度系數(shù)電流偏置模塊包括：PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4、電阻R1；所述PMOS管MP1柵極接第一偏置電壓V1，源極接電源電壓V_IN，漏極接第一偏置電壓V1；PMOS管MP2柵極接第一偏置電壓V1，源極接電源電壓V_IN，漏極接NMOS管MN2漏極；NMOS管MN1柵極接NMOS管MN2的柵極，源極接NMOS管MN3漏極，漏極接第一偏置電壓V1；NMOS管MN2柵極接PMOS管MP2漏極，源極接NMOS管MN3柵極，漏極接PMOS管MP2漏極；NMOS管MN3柵極接NMOS管MN4漏極，源極接電阻R1的上端，漏極接NMOS管MN1源極；NMOS管MN4柵極接NMOS管MN3漏極，源極接地GND，漏極接NMOS管MN2源極；電阻R1上端接NMOS管MN3的源極，下端接地GND。

所述正溫度系數(shù)電流偏置模塊中，PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4、電阻R1形成自偏置結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生正溫電流I_MP1，即流過(guò)PMOS管MP1的電流；電路中所有MOS管都工作在飽和區(qū)，I_MP1的溫度系數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而變大。

具體的，所述PMOS管MP1和PMOS管MP2選取相同的尺寸。

具體的，所述負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊包括：PMOS管MP3、PMOS管MP4、運(yùn)放A₁、三極管Q1、電阻R2；所述PMOS管MP3柵極接第一偏置電壓V1，源極接電源電壓V_IN，漏極接運(yùn)放A₁的負(fù)向端；PMOS管MP4柵極接第二偏置電壓V2，源極接電源電壓V_IN，漏極接電阻R2上端；運(yùn)放A₁正向端接電阻R2上端，負(fù)向端接PMOS管MP3漏極，輸出端接第二偏置電壓V2；三極管Q1基極和集電極接PMOS管MP3的漏極，發(fā)射極接地GND；電阻R2上端接運(yùn)放A₁的正向端，下端接地GND。

具體的，所述負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊中的PMOS管MP3尺寸與正溫度系數(shù)電流偏置模塊中的PMOS管MP1尺寸相同，由于其柵極接第一偏置電壓V1，因此PMOS管MP3按一比一的比例鏡像流過(guò)PMOS管MP1的電流I_MP1，由運(yùn)放的鉗位作用可得負(fù)溫電流I_MP4，即流過(guò)PMOS管MP4的電流。

具體的，所述基準(zhǔn)輸出模塊包括：PMOS管MP5、PMOS管MP6、電阻R3；所述PMOS管MP5柵極接第一偏置電壓V1，源極接電源電壓V_IN，漏極接電阻R3上端；PMOS管MP6柵極接第二偏置電壓V2，其源極接電源電壓V_IN，漏極接基準(zhǔn)電壓輸出端口；電阻R3上端接基準(zhǔn)電壓輸出端口，下端接地GND。

所述基準(zhǔn)輸出模塊中，第一偏置電壓V1在PMOS管MP5上產(chǎn)生電流，第二偏置電壓V2在PMOS管MP6上產(chǎn)生電流，兩股電流在電阻R3上進(jìn)行疊加，并通過(guò)電阻R3轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)電壓后在基準(zhǔn)電壓輸出端口輸出。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提出一種利用MOS管溝道載流子的遷移率(μ)的負(fù)溫度系數(shù)來(lái)進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源，在不增加電路復(fù)雜度、芯片版圖面積、考慮器件匹配以及工藝精度的情況下，相比傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)能實(shí)現(xiàn)更小的溫度系數(shù)，提供更高的精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明帶隙基準(zhǔn)電壓源的拓?fù)鋱D。

圖2為正溫度系數(shù)的電流偏置模塊。

圖3為負(fù)溫度系數(shù)的電流偏置模塊。

圖4為基準(zhǔn)輸出模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本發(fā)明提出一種利用MOS管溝道載流子的遷移率(μ)的負(fù)溫度系數(shù)來(lái)進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括正溫度系數(shù)電流偏置模塊1、負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊2、基準(zhǔn)輸出模塊3；其中，正溫度系數(shù)電流偏置模塊1產(chǎn)生的第一偏置電壓V1連接到基準(zhǔn)輸出模塊3的一個(gè)輸入端；負(fù)溫度系數(shù)的電流偏置模塊2產(chǎn)生的第二偏置電壓V2連接到基準(zhǔn)輸出模塊3的另一個(gè)輸入端；基準(zhǔn)輸出模塊3將正溫度系數(shù)電流偏置模塊1和負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊2分別在自身MOS管上產(chǎn)生的電流進(jìn)行疊加并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，基準(zhǔn)輸出模塊3的輸出端輸出基準(zhǔn)電壓REF。

如圖2所示，所述正溫度系數(shù)的電流偏置模塊1包括：PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4、電阻R1；所述PMOS管MP1柵極接第一偏置電壓V1，源極接電源電壓V_IN，漏極接第一偏置電壓V1；PMOS管MP2柵極接第一偏置電壓V1，源極接電源電壓V_IN，漏極接NMOS管MN2漏極；NMOS管MN1柵極接NMOS管MN2的柵極，源極接NMOS管MN3漏極，漏極接第一偏置電壓V1；NMOS管MN2柵極接PMOS管MP2漏極，源極接NMOS管MN3柵極，漏極接PMOS管MP2漏極；NMOS管MN3柵極接NMOS管MN4漏極，源極接電阻R1的上端，漏極接NMOS管MN1源極；NMOS管MN4柵極接NMOS管MN3漏極，源極接地GND，漏極接NMOS管MN2源極；電阻R1上端接NMOS管MN3的源極，下端接地GND。

如圖3所示，所述負(fù)溫度系數(shù)的電流偏置模塊2包括：PMOS管MP3、PMOS管MP4、運(yùn)放A₁、三極管Q1、電阻R2；所述PMOS管MP3柵極接第一偏置電壓V1，源極接電源電壓V_IN，漏極接運(yùn)放A₁的負(fù)向端；PMOS管MP4柵極接第二偏置電壓V2，源極接電源電壓V_IN，漏極接電阻R2上端；運(yùn)放A₁正向端接電阻R2上端，負(fù)向端接PMOS管MP3漏極，輸出端接第二偏置電壓V2；三極管Q1基極和集電極接PMOS管MP3的漏極，發(fā)射極接地GND；電阻R2上端接運(yùn)放A₁的正向端，下端接地GND。

如圖4所示，所述基準(zhǔn)輸出模塊3包括：PMOS管MP5、PMOS管MP6、電阻R3；所述PMOS管MP5柵極接第一偏置電壓V1，源極接電源電壓V_IN，漏極接電阻R3上端；PMOS管MP6柵極接第二偏置電壓V2，其源極接電源電壓V_IN，漏極接基準(zhǔn)電壓輸出端口；電阻R3上端接基準(zhǔn)電壓輸出端口，下端接地GND。

本發(fā)明的工作原理詳細(xì)描述如下。

圖2所示的正溫度系數(shù)的電流偏置模塊中，MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4、R1形成自偏置結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生正溫電流I_MP1。電路中所有MOS管都工作在飽和區(qū)，由飽和區(qū)MOS管電壓與電流的關(guān)系特性可知：

其中，I表示流過(guò)下標(biāo)所示器件的電流，μ為MOS管溝道載流子遷移率；C_OX為MOS管單位面積柵氧化層電容；W/L為MOS管寬長(zhǎng)比，下標(biāo)為所指代MOS管；V_GS為MOS管的柵源電壓差，下標(biāo)括號(hào)中為所指代MOS管；V_TH為所有NMOS管的閾值電壓；

I_MP1R1+V_GS(MN3)+V_GS(MN2)＝V_GS(MN1)+V_GS(MN4) (5)

對(duì)PMOS管MP1和MP2選取相同的尺寸，則有：

I_MP1＝I_MP2 (6)

設(shè):

則有：

由于(n>1，與工藝相關(guān))，T₀為參考溫度，T為任一溫度，μ₀為T₀溫度時(shí)MOS管的溝道電子遷移率。所以由(9)式可知I_MP1正比于Tⁿ，所以I_MP1的溫度系數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而變大。

圖3所示的負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊中，PMOS管MP3尺寸與MP1尺寸相同，且其柵極接端口V1，因此MP3按一比一的比例鏡像流過(guò)MP1的電流I_MP1。由運(yùn)放的鉗位作用可得負(fù)溫電流：

其中V_BE(Q1)為三極管Q1的基極與發(fā)射極之間的電壓差。

對(duì)V_BE與溫度的具體關(guān)系可以見(jiàn)(11)式：

V_BE(T)＝V_G0-V_Tln(E)-(ε-a)V_TlnT (11)

其中E是與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)(E>1)，V_G0是溫度為0K時(shí)的硅的帶隙電壓，ε是與摻雜濃度有關(guān)的常數(shù)(典型值為3.5)，V_T為熱電壓，a為三極管的集電極電流溫度函數(shù)中溫度T的冪次方數(shù)。由于MP3鏡像MP1的電流且I_MP1正比與Tⁿ，因此有：

V_BE(Q1)＝V_G0-V_Tln(E)-(ε-n)V_TlnT (12)

由(12)式可知I_MP3對(duì)Q1的基極發(fā)射極電壓V_BE(Q1)進(jìn)行了一次高階補(bǔ)償，減小了基極發(fā)射極電壓中固有高階項(xiàng)對(duì)基準(zhǔn)輸出的影響。從而可知由(10)式獲得的負(fù)溫電流已經(jīng)過(guò)一定程度的補(bǔ)償。

圖4所示的基準(zhǔn)輸出模塊的工作原理是將正溫度系數(shù)電流偏置模塊和負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊產(chǎn)生的電流進(jìn)行疊加并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。PMOS管MP5的柵端接正溫度系數(shù)電流偏置模塊的輸出V1，PMOS管MP6的柵端接負(fù)溫度系數(shù)電流偏置模塊的輸出V2。兩股電流在電阻R3上進(jìn)行疊加，并通過(guò)電阻R3轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)電壓后在REF端口輸出。

最終輸出的基準(zhǔn)電壓為：

其中由(13)式可知，由于通過(guò)三級(jí)管Q1的電流具有高階正溫特性，因此V_BE(Q1)的高階項(xiàng)被進(jìn)行了部分補(bǔ)償。又由于正溫電流I_MP1所具有的溫度系數(shù)隨著溫度的升高而增大，因此在高溫時(shí)可以對(duì)V_BE(Q1)中的高階項(xiàng)在進(jìn)行一次補(bǔ)償。所以最終通過(guò)合理選取，k₁、k₂、k₃、R2的大小可以得到

綜上所述，本發(fā)明提出的高階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源可以使得基準(zhǔn)的輸出電壓不隨溫度的變化而變化。