阅读说明：本技术 低温漂基准源的实现装置 (The realization device of Low Drift Temperature a reference source ) 是由 何洋 胡毅 李振国 冯曦 唐晓柯 冯文楠 邵炜平 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温漂基准源的实现装置,包括：自加热模块,用于在温度控制信号的控制下对局部电路进行加热；低温漂基准电路,与所述自加热模块相连接,用于输出供外部模块使用的极低温漂参考电压VREF以及极低温漂参考电流IREF；以及温度检测模块,与所述低温漂基准电路相连接,用于检测所述低温漂基准电路的温度,并根据检测的温度发出温度控制信号,使所述低温漂基准电路的环境温度在所述预设区间的范围内。本发明提供的低温漂基准源的实现装置,使低温漂基准电路基本不受外界温度影响,降低了温度系数对电路的影响,且不提高电路的复杂度。(The invention discloses a kind of realization devices of Low Drift Temperature a reference source, comprising: self-heating module, for being heated under the control of temperature control signals to local circuit；Low Drift Temperature reference circuit is connected with the self-heating module, for exporting the extremely low temperature drift reference voltage VREF and extremely low temperature drift reference current IREF that use for external module；And temperature detecting module, it is connected with the Low Drift Temperature reference circuit, temperature control signals are issued for detecting the temperature of the Low Drift Temperature reference circuit, and according to the temperature of detection, make the environment temperature of the Low Drift Temperature reference circuit in the range of pre-set interval.The realization device of Low Drift Temperature a reference source provided by the invention, keeps Low Drift Temperature reference circuit substantially free of extraneous thermal effects, reduces influence of the temperature coefficient to circuit, and do not improve the complexity of circuit.)

低温漂基准源的实现装置

技术领域

本发明是关于低温漂基准源，特别是关于一种低温漂基准源的实现装置。

背景技术

目前，低温漂基准源电路广泛应用于集成电路芯片中，用于提供稳定的参考电平信号、参考电流信号，供集成电路芯片中其他的模块完成电平比较，偏置电流、偏置电路产生等功能，是集成电路芯片中必不可少的功能模块。随着集成电路工艺的发展，高精度基准源决定了ADC、DAC模块的分辨精度，因此高精度基准源的设计和实现成为了设计关键。高精度基准源电路由低温漂基准源电路构成，要求产生的参考电压或参考电流在受到外界温度、电压、芯片生产制造工艺的偏差影响下，变化越小越好，电压、工艺偏差都可以通过校准等方法使其影响极小，但是由于半导体器件的物理特性，温度的变化影响很难消除，因此降低参考电压受温度的影响成为了设计难点。

通常在低温漂的基准源电路中，使用温度成正比的电压和温度成反比的电压加权相加的方式来实现，其中温度成反比的电压具有二阶以上的温度系数，在超过100℃的宽温区范围内变化时，高阶温度系数会导致高精度基准源电路的温度系数无法完全消除。现有技术中，为了纠正温度系数，需要通过复杂的曲率校正技术，例如，在电流中加入微调电流/电压支路对正电压系数和负电压系数进行微调，进行高阶曲率修调，以降低温度系数。

基于此，本申请的发明人发现，现有的解决方案增加了电路的复杂度也增加了电路的面积，无法完全消除高阶温度系数的影响，并且高精度基准源电路受外界温度影响大。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温漂基准源的实现装置，其能够使高精度基准源电路基本不受外界温度影响，且不提高电路的复杂度。

为实现上述目的，本发明提供了一种低温漂基准源的实现装置，包括：自加热模块，用于在温度控制信号的控制下对局部电路进行加热；低温漂基准电路，与所述自加热模块相连接，用于输出供外部模块使用的极低温漂参考电压VREF以及极低温漂参考电流IREF；以及温度检测模块，与所述低温漂基准电路相连接，用于检测所述低温漂基准电路的温度，并根据检测的温度发出温度控制信号，使所述低温漂基准电路的环境温度在所述预设区间的范围内。

在一优选的实施方式中，所述自加热模块包括发热晶体管和电阻。

在一优选的实施方式中，所述温度检测模块包括：温度传感器，用于检测所述低温漂基准电路的温度；控制模块，与所述温度传感器相连接，用于在所述低温漂基准电路的温度大于预设区间时发送降低电流大小的温度控制信号，以及在所述低温漂基准电路的温度小于预设区间时发送增大电流大小的温度控制信号。

在一优选的实施方式中，所述低温漂基准源实现装置还包括电源，所述电源分别与所述温度检测模块、所述低温漂基准电路以及所述自加热模块相连接。

在一优选的实施方式中，低温漂基准电路为带隙基准源电路。

在一优选的实施方式中，所述低温漂基准电路还输出与温度成正比的电流；所述温度传感器包括：正温度系数电压信号产生模块，所述控制模块包括第一运算放大器；所述正温度系数电压信号产生模块用于接收极低温漂参考电压VREF、极低温漂参考电流IREF以及与温度成正比的电流，根据极低温漂参考电压VREF、极低温漂参考电流IREF以及与温度成正比的电流产生VPTAT信号，所述VPTAT为与温度成正比的电压信号；所述正温度系数电压信号产生模块输出的VPTAT信号和第一运算放大器的正输入端相连，所述第一运算放大器的负输入端和其输出端相连，且所述第一运算放大器的输出端与所述自加热模块相连接。

在一优选的实施方式中，所述自加热模块包括：第一加热晶体管以及第一电阻；其中，所述第一运算放大器的输出端和第一加热晶体管的栅极相连；所述第一加热晶体管的源级和电源相连，所述第一加热晶体管的漏级和所述第一电阻的一端相连，所述第一电阻的另一端和地相连。

在一优选的实施方式中，所述温度传感器包括三极管，所述控制模块包括第二运算放大器；所述三极管的发射极与所述低温漂基准电路的输出电流相连接，所述三极管的基级和集电极接地，所述三极管的发射极与的发射极与所述运算放大器的负输入端相连接；所述第二运算放大器的输出端以及正输入端分别与所述自加热模块相连接。

在一优选的实施方式中，所述自加热模块包括：第二加热晶体管、第二电阻、第三电阻；其中，所述第二运算放大器的输出端和所述第二加热晶体管的栅极相连接；所述第二加热晶体管的源级与电源相连接；所述第二加热晶体管的漏极和所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端和所述第二运算放大器的正输入端相连；所述第三电阻的一端运算放大器的正输入端相连，所述第三电阻的另一端接地。

与现有技术相比，根据本发明的低温漂基准源的实现装置，通过自加热模块以及温度检测模块使低温漂基准电路基本不受外界温度影响，降低了温度系数对电路的影响，且不提高电路的复杂度。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的带隙基准源电路的结构示意图。

图2是根据本发明一实施方式的低温漂基准源的实现装置的结构示意图。

图3是根据本发明一实施方式的低温漂基准源的实现装置的电路图。

图4是根据本发明另一实施方式的低温漂基准源的实现装置的电路图。

图5是根据本发明一实施方式的低温漂基准源的实现装置的一种版图实现的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

目前，现有产生具有低温度系数的基准源电流主要是采用带隙基准源电路来实现，通过将和温度成正比的电压和与温度成反比的电压加权相加来获得具有零温度系数的基准电压和电流。在CMOS集成电路中，和温度成正比的电压采用两个寄生PNP晶体管的基极-发射极电压V_BE的差值来实现，和温度成负温度系数的电压采用寄生PNP晶体管的基极-发射极电压V_BE来实现，将这两个电压采用加权相加的方法既能达到低温漂的基准参考信号源。其中一种实现方法如图1所示，图1为带隙基准源电路的结构示意图，电路启动后，流过晶体管M1、M2的电流相等，运算放大器OP1使得电阻R1上端的电位和PNP三极管Q1源级的电位有如下的关系：

V_EB1+V_os＝V_R1+V_EB2

其中，V_EB1为三极管Q1的发射极-基极电压，V_os为运放OP1的失调电压，V_R1为电阻R1上的电压降，V_EB2为三极管Q2的发射极-基极电压。

对Q1和Q2，流过其电流为I_C＝I_S*exp(V_EB*q/kT),分别等于流过M1、M2的电流，I_C为流过晶体管Q的集电极电流，等于其发射极电流，Is为晶体管Q的饱和电流，和晶体管的尺寸相关，V_EB1为三极管的发射极-基极电压。V_R1＝I_C2*R1，将这些公式联立，如果设计令M3的尺寸和M1、M2的尺寸相等，则可以推导出公式一为：

V_REF＝V_EB3+R2/R1*(V_Tln(n)+V_OS) (1)

在公式一中，V_EB3为三极管Q3的源级-基级电压，R2、R1为电阻阻值，V_T＝kT/q∝T,T为温度；ln(n)为晶体管Q2和Q1的面积比值的自然对数，可以由设计来确定，V_os为运放OP1的失调电压，q和k为常数。公式一中的第二项如果忽略V_os是一个温度成正比的关系的电压，第一项_VEB3有负温度系数。

因此通过合理设计R2/R1和ln(n)的系数，使得第一项的负温度系数和第二项的正温度系数互相抵消，则可以得到零温漂的温度系数。但是在实际应用中，为了得到更低温度的温度系数，公式(1)会遇到一些问题。

首先，根据公式二可知，V_EB3的温度系数并不是线性的。公式二为：

V_EB≈V_G0-V_Tln(KT^r-κ) (2)

其中V_G0是常数，K为一和工艺有关的常数，r、κ均为常数，因此V_EB和T的关系具有高阶系数，使得公式一只能在一个温度点(比如常温)下具有零温度系数，在其他温度点的温度系数不为零，因此带来了温漂，特别是随着温度变换范围的增加，该温漂值也逐渐增加，典型值在几十ppm的范围。为了降低高阶项的影响，通常采用曲率补偿技术，在图1电路中增加辅助的电流注入电路，补偿高阶项的影响来获得更低的温度系数，但是大大增加了图一电路的复杂性，同时还要控制辅助电路的精度，提高了生产校准的复杂度，从而提高了电路的成本。

另外，在公式一中失调项V_os也对基准电压产生影响。V_os是OP1的失调电压，主要由于运放的生产过程中的工艺偏差导致器件的不匹配造成，失调电压V_os还具有一定的温度系数，进一步的恶化了参考源的温度系数；另一方面进V_os的失调具有随机性，可能导致曲率校正电路失效乃至恶化基准源的温度系数，降低了性能并且增加调校成本。通过失调消除电路可以减小运放的随机失调，但是也大大增加了电路设计的复杂度，另外由于V_BE的非线性关系，很难将基准的温漂设计到很低的水平。

本实施例通过提出一种低温漂基准源实现装置，不需要曲率校正和失调消除技术就能够获得更低温度系数基准源的实现方法，进而通过合理设计R2/R1和ln(n)的系数，使得第一项的负温度系数和第二项的正温度系数互相抵消，则可以得到零温漂的温度系数。可以实现有效降低了电路的复杂度，简化了电路设计和生产校准过程，并且可以应用到各种集成电路工艺中的电路实现方法。

如图2所示，其为根据本发明优选实施方式的低温漂基准源的实现装置的结构示意图，包括：自加热模块1、低温漂基准电路2、温度检测模块3。

自加热模块1用于在温度控制信号的控制下对局部电路进行加热。

其中，自加热模块1包括包括发热晶体管和一个或多个电阻。

低温漂基准电路2与所述自加热模块1相连接，用于输出供外部模块使用的极低温漂参考电压VREF以及极低温漂参考电流IREF。低温漂基准电路可以为带隙基准源电路。

温度检测模块3与所述低温漂基准电路2相连接，用于检测所述低温漂基准电路的温度，并根据检测的温度发出温度控制信号，使所述低温漂基准电路的环境温度在所述预设区间的范围内。

具体的，温度检测模块3包括：温度传感器31以及控制模块32。温度传感器31用于检测所述低温漂基准电路的温度；

控制模块32与所述温度传感器31相连接，用于在所述低温漂基准电路的温度大于预设区间时发送降低电流大小的温度控制信号，在所述低温漂基准电路的温度小于预设区间时发送增大电流大小的温度控制信号。

所述低温漂基准源实现装置还包括电源4，所述电源4分别与所述温度检测模块3、所述低温漂基准电路2以及所述自加热模块1相连接。其中，电源4可以是独立的一个电源，也可以是多路电源分别给自加热模块1、低温漂基准电路2、温度检测模块3供电。

需要说明的是，本实施例中的温度检测模块3可以是独立的模块，也可以由低温漂基准电路2的部分电路来提供。

本实施例中，基本原理为自加热模块1利用大电流流过发热晶体管和/或电阻来产生热量，加热局部的电路；温度检测模块3，检测该电路局部的被加热的实时温度，并控制自加热模块1中流过的电流大小，形成负反馈的系统，使得自加热模块1中的电流保持恒定，从而使得局部温度保持恒定。将低温漂基准电路2放置在自加热模块1以及温度检测模块3的周围，使得低温漂基准电路2的环境温度由自加热模块1、温度检测模块3共同构成的自热系统的温度来确定，和芯片外界的环境温度无关。由于低温漂基准电路2的温度是恒定的并且和外界温度没有关系，因此低温漂基准电路2具有固定的环境温度，使得该电路具有极低的温度系数。根据公式一，由于低温漂基准电路2的环境温度变化很小，因此V_EB3，V_T，V_OS的温度系数都不会产生作用，这些项近似为常数项，因此不需要复杂的曲率调节技术和失调消除技术，就能得到极低的温度系数。

在实际电路实现中，当自加热模块1流过的电流较大，其发热功率将全部转换为热量，发热功率为:

P＝I*VDD

，并转换为自加热模块1、低温漂基准电路2、温度检测模块3周围的芯片温度T，其中I为流过自加热模块1的电流，VDD为电源电压值。当局部温度T小于预设区间的最小值时，温度检测模块3会加大控制电流，发热功率增加，使得热量增加，局部温度T上升；当局部温度T大于预设区间最大值时，温度检测模块就会减小自加热模块1的控制电流，降低发热功率，使得热量降低，控制局部温度T下降，形成负反馈的系统，最终达到设定的温度值，设定温度值可以通过调整加热模块的电流档位或温度检测模块的检测比例来确定。

在设计低温漂基准源电路3时，根据公式一、二以及V_T＝kT/q，可以近似得到公式三：

R2/R1*ln(n)＝(V_G0-V_EB3)/V_T, (3)

其中V_G0为常数，V_EB3为特定温度下的三极管的发射极-基极电压，R2/R1*ln(n)为设计参数，可以分别控制，从而可以设定特定温度下的设计参数值，使V_REF在该特定温度下的温度系数为0，该特定温度为自加热模块1以及温度检测模块3共同确定的温度。

由此，本实施例采用自加热负反馈的方式，通过自加热模块以及温度检测模块使低温漂基准电路保持在特定的温度范围内，不受外界温度影响，降低了温度系数对电路的影响，且不提高电路的复杂度。

并且大大稳定了参考源的环境温度，从而使得参考源的电压随外界温度变化缓慢，从而降低了参考源的温度系数；并且不需要进行复杂的曲率调校电路设计和生产调校过程，简化了电路设计，降低了生产成本，同时由于基准源工作在恒温环境下，可以获得更低的参考电压、电流的温度系数。

以下通过两种具体的电路结构对本实施例的低温漂基准源的实现装置进行详细描述。

如图3所示，其为根据本发明优选一实施方式的低温漂基准源的实现装置的电路图。所述低温漂基准电路2还输出与温度成正比的电流。

在一种实现方式中，温度传感器31包括：正温度系数电压信号产生模块311，所述控制模块32包括第一运算放大器OP321。

所述正温度系数PTAT电压信号产生模块311用于接收带隙基准源电路2产生的极低温漂参考电压VREF、极低温漂参考电流IREF以及与温度成正比的电流，根据极低温漂参考电压VREF、极低温漂参考电流IREF以及与温度成正比的电流产生VPTAT信号，所述VPTAT为与温度成正比的电压信号。

该模块的实现形式有多种，比如但不限于利用PTAT电流和低温漂参考电流同时流过一个另一端接地的电阻的方法。

所述正温度系数电压信号产生模块311输出的VPTAT信号和第一运算放大器OP321的正输入端相连，第一运算放大器OP321的负输入端和其输出端相连，形成负反馈放大器，且第一运算放大器OP321的输出端与所述自加热模块相连接。

所述自加热模块1包括：第一加热晶体管MP1以及第一电阻RP1；其中，所述第一运算放大器OP321的输出端和第一加热晶体管MP1的栅极相连；所述第一加热晶体管MP1的源级和衬底和电源相连，所述第一加热晶体管MP1的漏级和所述第一电阻RP1的一端相连，所述第一电阻RP1的另一端和地相连。

加热RP1阻值尽量小流过尽量大的电流。需要说明的是，第一运算放大器OP321，正温度系数电压信号产生模块311，低温漂基准电路2，MP1的电源和地可以是不同的电源和地，图中只给出了都连接在一个电源和地的形式，并不是对本实施例的限定。

图3中，MP1和RP1构成了自加热系统。流过MP1的电流和RP1的电流Ip由VG电压来控制，其产生的热功率P＝VDD*I_p，其中VDD为MP1的衬底和源级电压。当VG电压较低时，I_P变大，自加热电路开始加热，正温度系数电压信号产生模块311构成的温度传感器开始检测温度，VPTAT电压随温度的升高而升高，运放OP321使得VG电压升高，降低MP1的电流，使得热功率降低，形成负反馈系统。由此，合理设置VPTAT电压系数和数值，可以调节最终达到热稳定的温度值。

如图4所示，其为根据本发明优选另一实施方式的低温漂基准源的实现装置的电路图。

在一种实现方式中，所述温度传感器31包括三极管Q312，控制模块32包括第二运算放大器OP322。

所述三极管Q312的发射极接一电流源，该电流源为与温度成正比的电流源。也可以与所述低温漂基准电路2的输出电流相连接，三极管Q312的基级和集电极接地，三极管Q312的发射极与第二运算放大器OP322的负输入端相连接；所述第二运算放大器OP322的输出端以及正输入端分别与所述自加热模块1相连接。

进一步的，自加热模块1包括：第二加热晶体管MP10、第二电阻RP11、第三电阻RP12。

其中，所述第二运算放大器OP322的输出端和第二加热晶体管MP10的栅极相连于VG10；第二加热晶体管MP10的源级和衬底与电源相连接；第二加热晶体管MP10的漏极和第二电阻RP11的一端相连，第二电阻RP11的另一端和第二运算放大器OP322的正输入端相连于FBB；第三电阻RP12的一端运算放大器OP322的正输入端相连，第三电阻RP12的另一端接地。

图4中，OP322和MP11、RP11、RP12构成反馈电路，MP11的电流如公式四所示，公式四为：

I_MP11＝I_RP12＝V_EB312/RP12 (4)

当检测的局部温度超过预设区间的最大值时，Q10的发射极-基级电源V_EB312下降，RP12不变，I_MP11下降，热功率下降，发热量降低，使得温度降低；如果局部温度低于预设区间的最小值时，V_EB312上升，RP12不变，I_MP11上升，热功率上升，发热量增加，使得局部温度上升。上述过程达到了一个对温度控制的负反馈的效果，因此可以控制温度到设定的温度，控制参数为RP11,RP12，Q312的结电压等。同理低温漂基准电路2的温度系数可以设定在设定的局部温度点下的温度系数为最小，从而得到最低的温度系数。

如图5所示，其为根据本发明优选实施方式的低温漂基准源的实现装置的一种版图实现的示意图，PMOS和电阻R为自加热模块1，来加热中心的电路；基准源REF为低温漂基准电路2，自加热模块来控制其环境温度；温度检测模块用来控制温度的大小。采用该版图布局，可以使得基准电路得到更为均衡的温度，并且减少温度梯度对其的影响。

本实施例与现有技术相比，具有优点如下：

现有技术手段采用三极管的基级-发射极电压或者工作在亚阈值区域MOS管的栅极-源级电压的负温度系数曲线和具有正温度系数曲线进行加权相加的方式来获得低温漂的基准源，由于三极管基级-发射级电压或MOS管的栅极-源级电压具有温度的高次相关系数，在超过100℃的宽温度范围内，高次相关系数起到显著作用，基准源难以达到相应的低温漂需求；本申请提案采用自加热负反馈恒温系统，在片上集成了加热系统和热反馈系统，局部加热参考源所在区域的温度并保持在特定的温度范围内，大大稳定了参考源的环境温度，从而使得参考源的电压随外界温度变化缓慢，从而降低了参考源的温度系数。

现有技术手段可以通过曲率校正的方法来抵消掉三极管的基级-发射极电压或亚阈值MOS管的栅极-源级电压，来得到更低的温度系数。但是曲率校正方法只能抵消掉二次项、三次项等，基极-发射极电压和温度关系是对数关系，因此难以完全修正；另一方面，曲率校正方法需要精确的校准二次项、三次项，对电路的精度要求高，电路复杂度高，并且在生产时需要进行精确的调校，增加了生产成本、设计难度、降低的良率，采用本提案的技术手段，基准源采用基本的结构即可，不需要进行复杂的曲率调校电路设计和生产调校过程，简化了电路设计，降低了生产成本，同时由于基准源工作在恒温环境下，可以获得更低的参考电压、电流的温度系数。

运放、电流镜的不匹配引入的失调也会造成温度系数的下降，因为失调自身就有温度系数，并且失调是随机的，因此很难通过校准来得到具有较低温度系数的基准源，必须采用失调消除技术来消除运放、电流镜的失调影响。失调消除技术会使得电路设计复杂，引入高频干扰等问题，并且使用尽量大的面积来降低失调。采用本提案提供的技术手段，不需要针对运放电流镜的失调进行专门的设计，采用基本的基准源电路就能达到极低的温度系数，大大简化了设计，提高了电路工作的可靠性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。