[发明专利]具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源

说明书

技术领域

本发明涉及具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源电路，具体涉及一种基于互补温度系数电流抽取的具有高阶温度补偿的低温度系数带隙基准电压源电路，属集成电路设计技术领域。

背景技术

带隙基准电压源作为模拟集成电路中最为普遍和重要的单元，主要用于提供不随温度、电源、工艺等环境变化的基准电压，它的性能直接决定着LDO、DAC以及ADC等模块的精确度。最早提出的带隙基准电压源采用一阶温度补偿方式，称为一阶带隙核电路，其电路原理如图1所示。其中，由运算放大器OP1构成的负反馈环路钳制A、B两点电压相同，从而使得流经PMOS晶体管MP1和MP2的漏极电流相等，且都为BJT晶体管Q₁和Q₂射极-基极电压之差与电阻R₁的比值：

可以看出，该电流与温度成正比例关系(Proportional To Absolute Temperature,PTAT)，记为I_PTAT。最终的输出基准电压为：

通过调整电阻比例R₂/R₁，能够使V_EB的负一阶温度系数项得到有效补偿。但是需要指出的是，BJT晶体管的射极-基极电压V_EB并不是简单的负一阶温度系数电压，而是与温度成互补关系(Complementary To Absolute Temperature,CTAT)，它还包括系数为负的高阶温度项-(η-m)kT/qln(T/T₀)：

因此，基于图1的一阶补偿带隙基准电压源所能实现的温度系数最低仅为20ppm/℃，温度漂移仍然较大，需要进行进一步的高阶温度补偿。

为了获得更低(如低至1ppm/℃)的温度系数，现有公知的高阶温度补偿带隙基准电压源所采用的技术方案均是集中于对V_EB中的负Tln(T/T₀)高阶温度项进行补偿，或通过向具有更小集电极电流密度的PNP型BJT晶体管射极注入互补温度系数电流I_CTAT，或者单独引入非线性温度系数电流I_NL，还有利用NPN型BJT晶体管的共射电流增益β与温度所呈的负指数关系来得到与温度呈高阶关系的电流，进而获得补偿。但是这些方案均存在的不足之处主要体现在：结构很复杂、需要多条支路来实现高阶补偿，同时可能对电源电压有较高的要求，且无法工作在低电源电压压情况下；或者对工艺和环境因素较为敏感，需要采用复杂的生产后修调流程；或者需要采用特殊的深N阱工艺，不适合标准CMOS工艺环境等等。

例如美国发明专利〈Bandgap voltage reference circuit and method for producing a temperature curvature corrected voltage reference〉(US6828847B1)公开了一种具有高阶温度补偿电路的带隙基准电压源，如图2所示，该发明是通过向具有更小集电极电流密度(也即集电结面积更大)的BJT晶体管Q₃注入互补温度系数电流I_CTAT，从而在输出电流I_OUT中引入正的Tln(T/T₀)高阶温度项，以对V_EB1中的负高阶温度项进行补偿。该发明虽然能够获得低至1ppm/℃的温度系数，但是它的缺点也非常明显：为了维持负反馈环路的正常工作，由R₁和低集电极电流密度BJT晶体管构成的负反馈支路的等效电阻必须足够大，以使负反馈增益大于正反馈环路增益。但向相应的低集电极电流密度BJT射极注入电流后，其对应的射极—地等效电阻相应变小，从而降低了负反馈增益，负反馈环路具有失效的风险。因此不能直接向Q₄注入I_CTAT，而是需要另外再取一条低集电极电流密度的支路，即向Q₃注入I_CTAT，为了保持对称，还必须再引入由Q₁构成的支路，如此电路变的极为复杂；另外，运放的输入端为两个V_EB的叠加(V_EB1+V_EB2)，而如图1所示的一阶温度补偿方式运放的输入电压仅为一个V_EB，因此，该发明对电源电压有了更高的要求，电路无法工作在低电源电压情况下。