基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源

1.本发明属于带隙基准电压源技术领域，具体涉及基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源。


背景技术：

2.电流模式带隙基准源是低电源电压集成电路中的关键组成部分，可为其它电路系统提供与温度、工艺变化无关的基准电压。由于集成电路中双极晶体管和其他电路元件随温度变化产生电压的非线性特性，使一阶带隙基准源的基准电压具有随温度变化的电压漂移特性。因此，为了提高传统带隙基准电路输出电压的温度特性和精度，必须减小传统一阶带隙基准电路输出电压随温度变化的电压漂移特性，以解决传统带隙基准电压源的精度和温度特性差这一问题。
3.因此，有必要实现基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，以提高传统带隙基准电路输出电压的温度特性和精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，减小传统一阶带隙基准电路输出电压随温度变化的电压漂移特性，提高传统带隙基准电路输出电压的温度特性和精度。
5.本发明所采用的技术方案是，基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，带隙基准电压源电路包括正温度系数电流产生电路、负温度系数电流产生电路、最大电流选择和补偿电路、基准电压产生电路。
6.本发明的特点还在于，
7.正温度系数电流产生电路包括p型mos管mp1、mp2，pnp双极型晶体管q1和q2，电阻r1，运算放大器a1；所述晶体管q1和q2的基极与集电极都连在一起，所述晶体管q1和q2的集电极接在gnd；所述晶体管q1的发射极分别连接运算放大器a1和运算放大器a2的负输入端；所述晶体管q1的发射极连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端连接运算放大器a1的正输入端；所述mos管mp1和mp2的源极均连接vdd，mp1的漏极连接运算放大器a1的负输入端，mp2的漏极连接运算放大器a1的正输入端，mp1和mp2的栅极连接运算放大器a1的输出端v1；所述mos管mp1与mp2的尺寸比例为1：1。
8.负温度系数电流产生电路包括p型mos管mp3，电阻r2，运算放大器a2；所述电阻r2的一端连接gnd，电阻r2的另一端连接运算放大器a2的正输入端；所述mos管mp3的源极连接vdd，mos管mp3的漏极连接运算放大器a2的正输入端，mp3的栅极连接运算放大器a2的输出端v2；
9.最大电流选择和补偿电路包括p型mos管mp4、mp5、mp8和mp9，n型mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5；所述mos管mp4、mp5、mp8和mp9的源极连接vdd，mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5的源极连接gnd；所述mos管mp4、mp5的栅极分别与v1和v2连接，mn1的栅极和漏极连接并与
mp4的漏极相连；所述mn2的栅极和mn1的栅极连接并与mn3的栅极相连，mp5的漏极和mn2的漏极连接并与mn5的漏极相连；所述mp8的栅极和mp8的漏极相连并连接到mn3的漏极；所述mp8的栅极和mp9的栅极相连；所述mn3的漏极和mn4的漏极相连，mn4的栅极连接mn5的栅极，mn5的栅极与mn5的漏极相连；所述mp9的漏极连接r3电阻r3的下端；所述mos管mp1与mp4的尺寸比例为1：c2，mos管mp3与mp5的尺寸比例为1：c3，mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5的尺寸比例为1：1：1：1：1。
10.基准电压产生电路包括p型mos管mp6和mp7，电阻r3、r4；mos管mp6和mp7的源极连接vdd，mp6和mp7的栅极分别连接v1和v2，mp6和mp7的漏极连接电阻r3的上端；所述电阻r3的下端连接电阻r4的上端，电阻r4的下端连接gnd；所述电阻r3的上端与输入电压端口v
ref
相连；所述mos管mp1与mp6的尺寸比例为1：a，mos管mp3与mp7的尺寸比例为1：b，mos管mp8与mp9的尺寸比例为1：1。
11.基准电压产生电路产生的基准电压为：
[0012]vref
＝i
ptat1
·
(r3+r4)+i
compensate
·
r4[0013]
其中，i
ptat1
为流过mos管mp6的电流，δv
be1
为晶体管q1和q2产生的电压差；i
compensate
为输出的补偿电流；
[0014]
当电路处于低温段时，i
compensate
＝i
ctat2
，
[0015]
当电路处于高温段时，i
compensate
＝i
ptat2
，
[0016]
本发明通过修改电流复制比例a、b、c2，c3进而调节补偿电流的电流转折点温度和电流大小。
[0017]
本发明的有益效果是，基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源。相比于现有技术具有以下优势：
[0018]
(1)最大电流选择和补偿电路显著降低了一阶带隙基准输出电压的温度系数，并提高了输出电压的精度。
[0019]
(2)最大电流选择和补偿电路采用低压结构，不消耗多余的电源电压裕度，可以工作在低电源电压的电路架构中。
[0020]
(3)最大电流选择和补偿电路基于电流镜复制的原理，可以灵活地修改电流复制比例，进而调节补偿电流的温度阈值和大小，提高了电路设计的灵活性。
附图说明
[0021]
图1是本发明基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源的电路图；
[0022]
图2是本发明最大电流选择和补偿电路和基准电压产生电路的电路图；
[0023]
图3是本发明最大电流选择和补偿电路产生补偿电流的示意图；
[0024]
图4是原始一阶补偿后的输出电压和分段电流补偿后的输出电压对比示意图；
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0026]
实施例1
[0027]
本发明的基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源电路结构如图1所示，带隙基准电压源电路包括正温度系数电流产生电路、负温度系数电流产生电路、最大电流选择和补偿电路、基准电压产生电路。
[0028]
实施例2
[0029]
本发明个模块电路的结构具体如下：
[0030]
正温度系数电流产生电路如图1所示，包括p型mos管mp1、mp2，pnp双极型晶体管q1和q2，电阻r1，运算放大器a1；晶体管q1和q2的基极与集电极都连在一起，晶体管q1和q2的集电极接在gnd；晶体管q1的发射极分别连接运算放大器a1和运算放大器a2的负输入端；晶体管q1的发射极连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端连接运算放大器a1的正输入端；mos管mp1和mp2的源极均连接vdd，mp1的漏极连接运算放大器a1的负输入端，mp2的漏极连接运算放大器a1的正输入端，mp1和mp2的栅极连接运算放大器a1的输出端并与v1相连接；mos管mp1与mp2的尺寸比例为1：1；
[0031]
负温度系数电流产生电路如图1所示，包括p型mos管mp3，电阻r2，运算放大器a2；电阻r2的一端连接gnd，电阻r2的另一端连接运算放大器a2的正输入端；mos管mp3的源极连接vdd，mp3的漏极连接运算放大器a2的正输入端，mp3的栅极连接运算放大器a2的输出端并与v2相连接；
[0032]
最大电流选择和补偿电路如图1所示，包括p型mos管mp4、mp5、mp8和mp9，n型mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5；mos管mp4、mp5、mp8和mp9的源极连接vdd，mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5的源极连接gnd；mos管mp4、mp5的栅极分别与v1和v2连接，mn1的栅极和漏极连接并与mp4的漏极相连；mn2的栅极和mn1的栅极连接并与mn3的栅极相连，mp5的漏极和mn2的漏极连接并与mn5的漏极相连；mp8的栅极和mp8的漏极相连并连接到mn3的漏极；mp8的栅极和mp9的栅极相连；mn3的漏极和mn4的漏极相连，mn4的栅极连接mn5的栅极，mn5的栅极与mn5的漏极相连；mp9的漏极连接r3电阻r3的下端；mos管mp1与mp4的尺寸比例为1：c2，mos管mp3与mp5的尺寸比例为1：c3，mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5的尺寸比例为1：1：1：1：1；
[0033]
基准电压产生电路如图1所示，包括p型mos管mp6和mp7，电阻r3、r4；mos管mp6和mp7的源极连接vdd，mp6和mp7的栅极分别连接v1和v2，mp6和mp7的漏极连接电阻r3的上端；电阻r3的下端连接电阻r4的上端，电阻r4的下端连接gnd；电阻r3的上端与vref端口相连；mos管mp1与mp6的尺寸比例为1：a，mos管mp3与mp7的尺寸比例为1：b，mos管mp8与mp9的尺寸比例为1：1；
[0034]
如图1所示，由于流过晶体管q1和q2的电流相等，因此在q1和q2产生上的电压差为δv
be1
，运算放大器a1对电阻r1上方和晶体管q1上方的电压进行钳位，在mos管mp1和mp2上产生正温度系数电流：
[0035][0036]
晶体管q1上的电压为v
be1
，运算放大器a2对电阻r2上方和晶体管q1上方的电压进行钳位，在mos管mp3上产生负温度系数电流：
[0037][0038]
mos管mp6镜像mp1的正温度系数电流，流过mos管mp6的电流为：
[0039][0040]
mos管mp7镜像mp3的负温度系数电流，流过mos管mp7的电流为：
[0041][0042]
最大电流选择和补偿电路的原理如图2所示和图3所示，mos管mp4镜像mp1的电流，流过mos管mp4的正温度系数电流为：
[0043][0044]
mos管mp5镜像mp3的电流，流过mos管mp5的负温度系数电流为：
[0045][0046]
当电路处于低温段时，i
ptat2
《i
ctat2
，mos管mn2和mn3的电流为i
ptat2
，mos管mn5的电流为i
ctat2-i
ptat2
，由于mos管mn4镜像mn5的电流，其电流同样为i
ctat2-i
ptat2
，因此流过mos管mp8的电流为i
ctat2
，由于mos管mp9镜像mp8的电流，输出的补偿电流i
compensate
＝i
ctat2
；
[0047]
当电路处于高温段时，i
ptat2
》i
ctat2
，mos管mn1和mn3的电流为i
ptat2
，mos管mn4和mn5处于截止状态，因此流过mos管mp8的电流为i
ptat2
，由于mos管mp9镜像mp8的电流，输出的补偿电流i
compensate
＝i
ptat2
；
[0048]
如图2所示，基准电压产生电路产生的基准电压为：
[0049]vref
＝i
ptat1
·
(r3+r4)+i
compensate
·
r4。
[0050]
实施例3
[0051]
最大电流选择和补偿电路对带隙基准输出电压的分段电流补偿原理如图4所示，原始一阶补偿带隙基准输出电压往往表现出随温度变化的曲率的非线性波动，在一阶补偿带隙基准电路加入最大电流选择和补偿电路产生的补偿电流后，显著减小传统一阶带隙基准电路输出电压随温度变化的电压漂移特性，也提高了传统带隙基准电路输出电压的温度特性和精度。

技术特征：
1.基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，其特征在于，带隙基准电压源电路包括正温度系数电流产生电路、负温度系数电流产生电路、最大电流选择和补偿电路、基准电压产生电路。2.如权利要求1所述的基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，其特征在于，所述正温度系数电流产生电路包括p型mos管mp1、mp2，pnp双极型晶体管q1和q2，电阻r1，运算放大器a1；所述晶体管q1和q2的基极与集电极都连在一起，所述晶体管q1和q2的集电极接在gnd；所述晶体管q1的发射极分别连接运算放大器a1和运算放大器a2的负输入端；所述晶体管q1的发射极连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端连接运算放大器a1的正输入端；所述mos管mp1和mp2的源极均连接vdd，mp1的漏极连接运算放大器a1的负输入端，mp2的漏极连接运算放大器a1的正输入端，mp1和mp2的栅极连接运算放大器a1的输出端v1；所述mos管mp1与mp2的尺寸比例为1：1。3.如权利要求1所述的基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，其特征在于，所述负温度系数电流产生电路包括p型mos管mp3，电阻r2，运算放大器a2；所述电阻r2的一端连接gnd，电阻r2的另一端连接运算放大器a2的正输入端；所述mos管mp3的源极连接vdd，mos管mp3的漏极连接运算放大器a2的正输入端，mp3的栅极连接运算放大器a2的输出端v2。4.如权利要求3所述的基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，其特征在于，所述最大电流选择和补偿电路包括p型mos管mp4、mp5、mp8和mp9，n型mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5；所述mos管mp4、mp5、mp8和mp9的源极连接vdd，mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5的源极连接gnd；所述mos管mp4、mp5的栅极分别与v1和v2连接，mn1的栅极和漏极连接并与mp4的漏极相连；所述mn2的栅极和mn1的栅极连接并与mn3的栅极相连，mp5的漏极和mn2的漏极连接并与mn5的漏极相连；所述mp8的栅极和mp8的漏极相连并连接到mn3的漏极；所述mp8的栅极和mp9的栅极相连；所述mn3的漏极和mn4的漏极相连，mn4的栅极连接mn5的栅极，mn5的栅极与mn5的漏极相连；所述mp9的漏极连接r3电阻r3的下端；所述mos管mp1与mp4的尺寸比例为1：c2，mos管mp3与mp5的尺寸比例为1：c3，mos管mn1、mn2、mn3、mn4和mn5的尺寸比例为1：1：1：1：1。5.如权利要求3所述的基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，其特征在于，所述基准电压产生电路包括p型mos管mp6和mp7，电阻r3、r4；mos管mp6和mp7的源极连接vdd，mp6和mp7的栅极分别连接v1和v2，mp6和mp7的漏极连接电阻r3的上端；所述电阻r3的下端连接电阻r4的上端，电阻r4的下端连接gnd；所述电阻r3的上端与输入电压端口v
ref
相连；所述mos管mp1与mp6的尺寸比例为1：a，mos管mp3与mp7的尺寸比例为1：b，mos管mp8与mp9的尺寸比例为1：1。6.如权利要求3所述的基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，所述基准电压产生电路产生的基准电压为：v
ref
＝i
ptat1
·
(r3+r4)+i
compensate
·
r4其中，i
ptat1
为流过mos管mp6的电流，δv
be1
为晶体管q1和q2产生的电压差；i
compensate
为输出的补偿电流；
当电路处于低温段时，i
compensate
＝i
ctat2
，当电路处于高温段时，i
compensate
＝i
ptat2
，7.如权利要求6所述的基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，通过修改电流复制比例a、b、c2，c3进而调节补偿电流的电流转折点温度和电流大小。

技术总结
本发明公开的基于最大电流选择电路的分段电流补偿机制带隙基准源，带隙基准电压源电路包括正温度系数电流产生电路、负温度系数电流产生电路、最大电流选择和补偿电路、基准电压产生电路。最大电流选择和补偿电路采用低压结构，不消耗多余的电源电压裕度，显著降低了一阶带隙基准输出电压的温度系数，并提高了输出电压的精度；最大电流选择和补偿电路基于电流镜复制的原理，可以灵活地修改电流复制比例，进而调节补偿电流的温度阈值和大小，提高了电路设计的灵活性。了电路设计的灵活性。了电路设计的灵活性。


技术研发人员：井凯 贾杨鹏 刘蓉慧 王凤娟
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/11