[发明专利]多管组合曲率补偿低压带隙基准源

说明书

技术领域

多管组合曲率补偿低压带隙基准源属于模拟集成电路技术领域，应用于对基准电压有较高精度要求的的场合。所提出的电路是一类可以提供较大温度范围、低温度系数基准电压的带隙基准电压源。

背景技术

基准电压源通常是指在电路中做电压基准的精确﹑稳定的电压源。产生基准的目的是为了建立一个与电源以及工艺无关的、具有确定温度特性的直流电压或电流。作为模拟集成电路和数模混合集成电路中的一个核心部分，基准电压源的应用十分普遍。许多集成电路和电路单元，如线性稳压器、高速内存电路、模/数转换器（ADC）和数/模转换器（DAC）等都需要用到精密而又稳定的基准电压源，高性能的基准电压源是设计的关键技术之一，它的精度和稳定性直接决定了整个系统的精度。

近几年，随着集成电路特征尺寸的不断减小，电源电压的不断降低，低压便携设备和系统应用已经越来越广泛。因此，传统带隙基准电压源已不适应在低压下应用，这对于设计低电源电压和低温度系数的带隙基准源来说是一项严峻的挑战。据报道，一些低电压的带隙基准源利用低阈值电压器件制成，这就增加了制造工艺的难度，而且低电源电压带隙基准源的温度系数要高于传统带隙基准源。这也导致了其在温度补偿技术方面的新发展，例如分段曲率校正，不同材料电阻温度特性，双带隙电流叠加技术。所以，如何让带隙基准源在低电源电压下工作也是设计中的一个难点。

随着世界科学技术水平的提高，人类的活动范围也从区域向全球，乃至太空发展，这对于电子设备的工作温度范围提出了更高的要求，如何设计出工作温度范围更大并且电路的性能指标依然良好的电路，不仅是对制造工艺的考验，也是电路系统设计师严峻考验。

基准电压源的温度漂移特性通常用温度系数TC（Temperatures Coefficient）来表示。单位是ppm/℃，表示由于环境温度变化而引起的输出电压的漂移量，它是衡量基准电压源质量等级的关键性技术指标。温度系数的值越小越好，在工作温度范围内的温度系数可以表示为：

带隙基准电压源（Bandgap Voltage Reference）的基本设计思路是：利用三极管发射结电压V_BE具有的负温度系数和不同电流密度下三极管Q₁和Q2发射结电压之差ΔV_BE具有的正温度系数进行线性叠加，从而得到近似的零温度系数的基准电压。图1是设计思路图示，图中具有不同电流密度的三极管Q1和Q2的发射结电压之差ΔV_BE（T）的表示式为：

                     

上式中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，nI₀和I₀是三极管Q1和Q2各自的集电极电流，I_S1和I_S2是他们各自的饱和电流，与双极晶体管面积成正比。另一方面，双极晶体管的基极—发射极电压，具有负温度系数，可表示为：

              

                       

其中V_G0为硅的带隙电压，T_R为参考温度，当，时

可以看出，V_BE具有负温度系数，且其温度系数本身与温度有关。

利用上面得到的正、负温度系数电压，将它们以适当的权重相加，就可以得到一个在参考温度T_R下呈零温度系数的基准电压：

然而，在这样情况下，只补偿了V_BE里温度的一阶项，而没有对高阶项进行补偿，从而造成了较大的误差。

图2给出了普通的一阶电流模低压带隙基准源的结构。运算放大器A1和A2接成负反馈结构，确保X、Y和Z三个节点的电压相等。因此流过晶体管M4的电流可以表示为：

而晶体管M7的电流可以表示为：