一种基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构及其应用的制作方法

1.本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及一种基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构及其应用。


背景技术：

2.带隙基准源普遍应用在各种模拟，数字，及模数混合电路中，用以提供高精度的电压偏置。温度系数是带隙基准源的核心指标，带隙基准源的输出电压随温度的变化越小，温度系数越低。
3.实现低温度系数带隙基准源的基本原理是通过负温度系数的电压和正温度系数的电压的叠加，产生一个近似零温度系数的电压。带隙基准电路中的双极型晶体管的基
‑
射级电压v
be
为负温度系数，一般为
‑
2～
‑
1.5mv/℃。具有不同电流密度的两个双极型晶体管，其基
‑
射级电压也不同，这个电压差δv
be
具有正的温度系数。将这个温度系数以一定的比例叠加在双极型晶体管的基
‑
射级电压上进行补偿，就可以得到较低的温度系数的基准电压。一般的，v
be
关于温度t的函数简写为如下形式：
[0004][0005]
其中，t
r
为参考温度。v
g0
是温度为0k时硅的带隙电压，可以视为一个常数。η是一个与工艺有关的常数，一般为3.6～4.4。由(1)可以看出v
be
(t)与温度t相关的项为第二项中的线性部分和第三项中的高阶部分。
[0006]
一般的带隙基准源使用一阶温度补偿，即通过ptat电压补偿(1)中的第二项线性部分，其温度系数在几十ppm/℃。随着集成电路对带隙基准的性能要求越来越高，几十ppm/℃的输出电压精度已经不能满足要求。因此通过高阶的温度补偿来抵消(1)中的非线性项，从而达到更低的温度系数。现有的高阶温度补偿技术有指数型补偿、二阶曲率补偿、亚阈值补偿和分段补偿等。
[0007]
指数型温度补偿技术，利用了双极型晶体管的电流增益β随温度变化呈指数的规律。在基准输出v
ref
上叠加一个与温度呈指数关系的项，以此来消去高次项。
[0008]
二阶曲率温度补偿技术，通过不同mos管的漏源电流运算，得到一个与温度二次相关的电流，为i
ptat2
补偿，将这个电流加在v
ref
上，消除部分非线性项的影响。
[0009]
亚阈值温度补偿技术，通过偏置在亚阈值的mos管对基准电压进行补偿。通过在电阻上加合适的电流，将电阻上的压降作为mos的v
gs
，使mos工作在亚阈值区，该mos管的漏极连接在产生v
be
的支路上抽取电流，抽取的电流大小随温度变化而产生非线性变化，从而减小v
ref
的温度系数。
[0010]
分段温度补偿技术，即将整个温度区间分成若干段，在不同的分段区间进行不同程度的温度补偿，从而得到非常低的温度系数。
[0011]
现有的温度补偿技术都需要增加额外的补偿电路，导致电路的复杂性增加，工艺的偏差对额外补偿电路的影响会使其温度补偿的效果变差。指数补偿、二阶曲率补偿和亚
阈值补偿很难将温度系数降到3ppm/℃以下。分段温度补偿技术能将温度系数降到很低，但结构最复杂，工艺偏差影响最大，因此实际测试的温度系数很难达到仿真的水平。


技术实现要素：

[0012]
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构及其应用，利用双极型晶体管的电流增益β的非线性降低带隙基准源的基准电压的温度系数，精度高，低温度系数，结构简易。
[0013]
本发明采用以下技术方案：
[0014]
一种基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构，包括双极型晶体管，多个双极型晶体管的一端共地连接，另一端分别经对应的电阻后与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端经场效应管与运算放大器连接，利用双极型晶体管的电流增益β的非线性降低带隙基准源基准电压v
ref
的温度系数。
[0015]
具体的，双极型晶体管包括三极管q1和三极管q2，电阻r1的一端分三路，一路经电阻mr2与三极管q1的集电极连接，第二路经电阻r2分别与三极管q1的基极和三极管q2的集电极连接，第三路与三极管q2的基极连接，三极管q1的发射极和三极管q2的发射极共地连接。
[0016]
进一步的，三极管q1支路的电阻大小为三极管q2支路电阻大小的m倍。
[0017]
更进一步的，m为2.5～3.2。
[0018]
进一步的，基准电压v
ref
与温度t的函数关系如下：
[0019][0020]
其中，c为常数，η为工艺因子，δ为与三极管电流相关的参数，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，m为三极管q1支路的电阻大小为三极管q2支路电阻大小的倍数，n为三极管q1和三极管q2的面积之比，β0、β1、β2为常数。
[0021]
更进一步的，基准电压v
ref
为：
[0022][0023]
其中，v
be2
为三极管q2的基
‑
射极电压。
[0024]
进一步的，三极管q1和三极管q2的面积之比为n：1。
[0025]
具体的，场效应管的源极接电源vdd，场效应管的栅极接运算放大器的输出，场效应管的漏极与电阻r1的一端连接。
[0026]
具体的，自补偿带隙基准源结构在
‑
40℃～125℃的温度系数为1.8ppm/℃。
[0027]
本发明的另一技术方案是，基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构能够应用在低温度系数集成电路中。
[0028]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0029]
本发明一种基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构，利用三极管q2的基
‑
射级电压v
be
的负温度特性和三极管q1、q2的基
‑
射级电压差δv
be
的正温度特性产生带隙基准电压，并通过电阻r1和电阻r2对v
be
和δv
be
的比例进行调节，进一步的，通过三极管q1和q2的电流增益β的非线性对基准电压v
ref
进行曲率温度补偿，从而大大降低v
ref
的温度系数，运算放大器对图1中的a、b两节点进行嵌位，从而使两节点电压相等。
[0030]
进一步的，根据三极管q1和三极管q2的连接关系，q1和q2的基极电流流入r1从而对基准电压v
ref
产生影响，改变了v
ref
的表达式，从而在表达式中引入了三极管q1和q2的电流增益β，通过β的非线性可以对v
ref
进行高阶温度补偿。
[0031]
进一步的，三极管q1支路的电阻大小为三极管q2支路电阻大小的m倍，因此改变了两条支路的电流大小，即改变了三极管q1和三极管q2的电流密度之比，从而将m引入了基准电压v
ref
的表达式，通过调节m的大小，可以优化v
ref
的温度系数。
[0032]
进一步的，当m为2.5～3.2时，v
ref
关于温度t的导数在
‑
40℃～125℃区间内的两个温度点等于0，根据数学关系可知，v
ref
关于t的函数曲线如图2(d)所示，该温度漂移曲线的温度系数更低。
[0033]
进一步的，根据与t的函数关系，通过调节变量m的大小，可以控制参数β对基准电压的影响效果，从而改变关于t的变化曲线。通过调控曲线的形状，可以优化基准电压v
ref
的温度特性。
[0034]
进一步的，基准电压v
ref
的表达式引入了变量m和参数β，从而可以通过调节变量m的大小，控制参数β对基准电压的影响效果，对基准电压进行高阶温度补偿，降低其温度系数。
[0035]
进一步的，三极管q1和三极管q2的面积之比为n：1，三极管的基
‑
射级电压v
be
与三极管的集电极电流密度相关，电流密度与三极管的面积相关。当两个三极管的集电极电流密度不同时，其基
‑
射级电压v
be
也不同，两个三极管的基
‑
射级电压之差为δv
be
，δv
be
为正温度系数，从而对输出电压进行一阶温度补偿。
[0036]
进一步的，场效应管的源极接电源vdd，场效应管的漏极与电阻r1的一端连接，从而场效应管为电阻r1、r2和三极管q1、q2提供电流。场效应管的栅极接运算放大器的输出，因此运算放大器的输出可以调节场效应管的栅极电压大小，从而控制场效应管提供电流的大小。
[0037]
进一步的，基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构在
‑
40℃～125℃的温度系数为1.8ppm/℃，当环境温度在
‑
40℃～125℃变化时，输出电压的变化非常小，因此对使用该带隙基准源的高性能集成电路系统造成的影响非常小。
[0038]
综上所述，本发明通过利用bjt的电流增益β的非线性，大大降低基准电压的温度系数。同时本发明的带隙基准源使用自补偿结构，不需要额外的温度补偿电路，温度补偿直接在带隙基准源核心电路中实现，结构简单，减小了工艺误差带来的影响。
[0039]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0040]
图1为产生基准电压的带隙核心电路图；
[0041]
图2为本发明中基于曲率函数进行温度自补偿的原理示意图，其中，(a)为v
ref
的导数随t的变化曲线，(b)为未经过高阶温度补偿的v
ref
的温度漂移曲线，(c)为v
ref
导数的表达式基础上增加一个曲率函数，(d)为v
ref
的
‑
40～125℃温度区间内的温漂曲线上产生两个极点；
[0042]
图3为带隙基准源的基准电压的温度漂移曲线图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
本发明提供了一种基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构，通过利用bjt的电流增益β的非线性，大大降低基准电压的温度系数。同时本发明的带隙基准源使用自补偿结构，不需要额外的温度补偿电路，温度补偿直接在带隙基准源核心电路中实现，结构简单，减小了工艺误差带来的影响。
[0046]
请参阅图1，本发明一种基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构，使用高阶曲率温度补偿，利用三极管q1和三极管q2的电流增益β的非线性补偿三极管q2的基
‑
射级电压v
be
的非线性，得到更理想的温度漂移曲线。
[0047]
电阻r1的一端与场效应管的漏极连接，场效应管的源极接电源vdd，场效应管的栅极接运算放大器的输出，运算放大器的同相输入接a，反相输入接b，a为三极管q1的集电极，b为三极管q2的集电极；电阻r1的另一端分三路，一路经电阻mr2与三极管q1的集电极连接，第二路经电阻r2分别与三极管q1的基极和三极管q2的集电极连接，第三路与三极管q2的基极连接，三极管q1的发射极和三极管q2的发射极共地连接。
[0048]
在图1的带隙核心电路的结构中，三极管q1和三极管q2的面积之比为n：1。
[0049]
在图1的带隙核心电路的结构中，三极管q1和三极管q2的基极电流流经电阻r2，从而将参数β引入基准电压v
ref
的表达式，这是温度补偿实现的前提；而且为了更有效地进行温度补偿，令三极管q1支路的电阻大小为三极管q2支路电阻大小的m倍，从而引入参数m，通过调整m的大小优化温度系数。
[0050]
具体原理如下：
[0051]
三极管q2的基
‑
射级电压v
be
关于绝对温度t的表达式如式(1)所示，将式(1)中的对数项进行泰勒展开：
[0052][0053]
忽略其中绝对温度t的二次项以上的部分，并对v
be
(t)求导：
[0054][0055]
请参阅图1，带隙基准源结构中，若不考虑两个三极管的基极电流，则基准电压v
ref
的表达式为：
[0056][0057]
对式(4)求导，并将式(3)代入：
[0058][0059]
其中，c为常数。
[0060]
由式(5)可知基准电压v
ref
的导数随t的变化曲线如图2(a)所示，因此未经过高阶温度补偿的v
ref
的温度漂移曲线如图2(b)所示，图中t0为基准电压v
ref
的导数的零点。
[0061]
以上为不考虑三极管的基极电流时对基准电压v
ref
及其导数与温度t的关系的分析；而在图1所示的带隙基准核心电路结构中，基极电流会对基准电压v
ref
产生影响，而且基极电流是引入β非线性从而进行温度自补偿的关键。
[0062]
下面分析基极电流对基准电压v
ref
产生的具体影响，如图1所示，考虑三极管q1和三极管q2的基极电流，则基准电压v
ref
的表达式变为：
[0063][0064]
其中，β为使用的双极型三极管q1和q2的电流增益，v
be2
为三极管q2的基
‑
射极电压，β也是关于温度t的函数：
[0065]
β＝β0 β1t β2t2ꢀꢀ
(7)
[0066]
其中，β0、β1、β2为常数。
[0067]
对式(6)求导得到基准电压v
ref
的导数与t的函数关系：
[0068][0069]
其中，η为工艺因子，取值范围为3.6～4，δ为与三极管电流相关的参数，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，m为三极管q1支路的电阻大小为三极管q2支路电阻大小的倍数，n为三极管q1和三极管q2的面积之比。
[0070]
将式(8)与式(5)对比可知，式(8)中基准电压v
ref
导数的表达式相当于在式(5)中基准电压v
ref
导数的表达式基础上增加一个曲率函数，如图2(c)所示，通过控制图1中参数m的大小，将基准电压v
ref
导数的两个零点设置在合理的温度上，从而在基准电压v
ref
的
‑
40～125℃温度区间内的温漂曲线上产生两个极点，如图2(d)所示，该温度漂移曲线具有相当低的温度系数。
[0071]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0072]
通过仿真，当m的取值在2.5～3.2之间时，在
‑
40～125℃之间的两个温度点上
为0，此时基准电压v
ref
的温度系数取到最小值。
[0073]
本发明所设计的带隙基准源，采用0.18μm cmos bcd工艺进行了电路设计，并进行了仿真验证，在cadence软件下进行仿真，通过调整m的取值，温度漂移曲线形状由图2(b)优化为图2(d)，温度系数得到降低。
[0074]
本发明所设计的带隙基准源的输出基准电压随温度变化的曲线如图3所示，在
‑
40℃～125℃的温度区间内温度系数达到1.8ppm/℃。
[0075]
综上所述，本发明一种基于曲率函数的自补偿带隙基准源结构，通过利用bjt的电流增益β的非线性对基准电压进行基于曲率函数的温度自补偿，在
‑
40℃～125℃温度范围内实现了1.8ppm/℃的温度系数。
[0076]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。