一种具有低温度系数的带隙基准电路
阅读说明：本技术 一种具有低温度系数的带隙基准电路 (Band gap reference circuit with low temperature coefficient ) 是由 王新胜 白春阳 王静 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有低温度系数的带隙基准电路,其解决了如何改善Brokaw带隙基准电路的性能的技术问题,其在Brokaw带隙基准电路的基础上增加一个放大器从而形成闭环稳定基准电路输出电压。本发明广泛用于为集成电路提供参考电压。(The invention relates to a band-gap reference circuit with a low temperature coefficient, which solves the technical problem of how to improve the performance of a Brokaw band-gap reference circuit. The invention is widely used for providing reference voltage for integrated circuits.)
技术领域
本发明涉及集成电路中的带隙基准电路
技术领域
，具体而言，涉及一种具有低温度系数的带隙基准电路。背景技术
带隙基准电路是集成电路中至关重要的一个模块，可以为其他电路系统提供受温度、电源电压以及工艺的波动变化较小的基准电压。带隙基准电路通常集成在数模转换器、模数转换器、低压差线性稳压器等内部，为其提供参考电压。
参考图1所示的Brokaw带隙基准电路，其基本原理是将一个具有正温度系数的电压和一个具有负温度系数电压按照恰当的比例进行叠加，在基准电路的输出端得到近似为零温度系数的基准电压。电压V+拥有正温度系数，电压V-拥有负温度系数，通过选择合适的权重β和α，使满足式(1)。
则可以得到一个具有零温度系数的输出电压，输出电压的表达式见式(2)。
VREF＝αV++βV- (2)
CTAT电压V-一般由双极型晶体管(Bipolar Junction Transister，BJT)的基极-发射极电压VBE提供，PTAT电压V+由两个面积不同的BJT的基极-发射极电压VBE的差值ΔVBE产生。
因此，随着集成电路技术的发展，如何改善Brokaw带隙基准电路的性能是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明就是为了解决如何改善现有Brokaw带隙基准电路的性能的技术问题，提供了一种具有低温度系数的带隙基准电路。
本发明提供的具有低温度系数的带隙基准电路，包括第十五MOSFET管、第三电阻、第四电阻、第一BJT晶体管、第二BJT晶体管、第二电阻、第一电阻、第一放大器，第十五MOSFET管的源极接电源，第三电阻的一端与第十五MOSFET管的漏极连接，第三电阻的另一端与第一BJT晶体管的集电极连接，第四电阻的一端与第十五MOSFET管的漏极连接，第四电阻的另一端与第二BJT晶体管的集电极连接，第一BJT晶体管的基极与第二BJT晶体管的基极连接，第一BJT晶体管的发射极通过第二电阻和第一电阻接地，第二BJT晶体管的发射极与第二电阻和第一电阻之间的节点连接，第三电阻和第一BJT晶体管的集电极之间的节点与第一放大器的正相输入端连接，第四电阻和第二BJT晶体管的集电极之间的节点与第一放大器的反相输入端连接，第一放大器的输出端与第一BJT晶体管的基极连接，具有低温度系数的带隙基准电路还包括第二放大器，第二放大器设有第一正相输入端、第二正相输入端、反相输入端、输出端，第三电阻和第一BJT晶体管集电极之间的节点与第一正相输入端与连接，第四电阻和第二BJT晶体管集电极之间的节点与第二正相输入端与连接，第二放大器的反相输入端与第二BJT晶体管的基极连接，第十五MOSFET管的栅极与第二放大器的输出端连接。
优选地，第二放大器包括第十三MOSFET管、第十四MOSFET管、第五BJT晶体管、第四BJT晶体管、第三BJT晶体管、第六电阻、第五电阻和第十二MOSFET管，第五BJT晶体管的集电极和第四BJT晶体管的集电极连接在一起后与第十三MOSFET管的漏极连接，第五BJT晶体管的发射极和第四BJT晶体管的发射极连接在一起后与第六电阻的一端连接，第六电阻的另一端与第十二MOSFET管的漏极连接，第三BJT晶体管的发射极通过第五电阻与第十二MOSFET管的漏极连接，第三BJT晶体管的集电极与第十四MOSFET管的漏极连接，第十四MOSFET管的栅极与第十三MOSFET管的栅极连接，第十三MOSFET管的源极接电源，第十四MOSFET管的源极接电源VDD，第十三MOSFET管的栅极和漏极连接在一起，第十二MOSFET管的源极接地，第五BJT晶体管的基极作为第二放大器的第一正相输入端，第四BJT晶体管的基极作为第二正相输入端，第三BJT晶体管的基极作为反相输入端，第三BJT晶体管的集电极作为输出端。
本发明的有益效果是，本发明对现有Brokaw带隙基准电路的温度系数进行优化，具有超低温度系数的优点，具有更好的噪声性能，可以满足高精度的电路系统对基准电路的要求。
本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的
具体实施方式
的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是Brokaw带隙基准电路的电路原理图；
图2是本发明带隙基准电路的电路图；
图3是放大器AMP2的电路图；
图4是放大器AMP1的电路图；
图5是本发明带隙基准电路温度特性仿真图；
图6是本发明带隙基准电路线性调整率仿真图；
图7是本发明带隙基准电路电源抑制比仿真图；
图8是本发明带隙基准电路输出噪声仿真图。
图中符号说明：
M1至M15为第一MOSFET管至第十五MOSFET管，R1至R9为第一电阻至第九电阻，Q1至Q7为第一BJT晶体管至第七BJT晶体管，C1为电容，VDD为电源，VSS为地，VREF为基准电路输出电压，INN、INP1、INP2为第二放大器AMP2的输入端，VOUT为第二放大器AMP2的输出端，INN1、INN2为第一放大器AMP1的输入端，VBIAS1、VBIAS2为电流镜的偏置电压。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明具有低温度系数的带隙基准电路包括第十五MOSFET管M15、第三电阻R3、第四电阻R4、第一BJT晶体管Q1、第二BJT晶体管Q2、第二电阻R2、第一电阻R1、第一放大器AMP1、第二放大器AMP2，第十五MOSFET管M15的源极接电源VDD，第三电阻R3的一端与第十五MOSFET管M15的漏极连接，第三电阻R3的另一端与第一BJT晶体管Q1的集电极连接，第四电阻R4的一端与第十五MOSFET管的漏极连接，第四电阻R4的另一端与第二BJT晶体管Q2的集电极连接，第一BJT晶体管Q1的基极与第二BJT晶体管Q2的基极连接，第一BJT晶体管Q1的发射极通过第二电阻R2和第一电阻R1接地，第二BJT晶体管Q2的发射极与第二电阻R2和第一电阻R1之间的节点连接。第三电阻R3和第一BJT晶体管Q1的集电极之间的节点A1与第一放大器AMP1的正相输入端连接，第四电阻R4和第二BJT晶体管Q2的集电极之间的节点A2与第一放大器AMP1的反相输入端连接，第一放大器AMP1的输出端与第一BJT晶体管Q1的基极连接。第十五MOSFET管M15的栅极与第二放大器AMP2的输出端连接。
如图3所示第二放大器AMP2的电路图，可以看作是两个双端输入单端输出的放大器合并在一起，它们有公共的反相输入端INN、输出端VOUT以及电源VDD，并且在放大器输入管的发射极添加第五电阻R5、第六电阻R6提高放大器线性，第五电阻R5、第六电阻R6为负反馈电阻。第二放大器AMP2包括第十三MOSFET管M13、第十四MOSFET管M14、第五BJT晶体管Q5、第四BJT晶体管Q4、第三BJT晶体管Q3、第六电阻R6、第五电阻R5、第十二MOSFET管M12，第五BJT晶体管Q5的集电极和第四BJT晶体管Q4的集电极连接在一起后与第十三MOSFET管M13的漏极连接，第五BJT晶体管Q5的发射极和第四BJT晶体管Q4的发射极连接在一起后与第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端与第十二MOSFET管M12的漏极连接，第三BJT晶体管Q3的发射极通过第五电阻R5与第十二MOSFET管M12的漏极连接，第三BJT晶体管Q3的集电极与第十四MOSFET管M14的漏极连接，第十四MOSFET管M14的栅极与第十三MOSFET管M13的栅极连接，第十三MOSFET管M13的源极接电源VDD，第十四MOSFET管M14的源极接电源VDD，第十三MOSFET管M13的栅极和漏极连接在一起，第十二MOSFET管M12的源极接地，第五BJT晶体管Q5的基极作为第二放大器AMP2的第一正相输入端INP1，第四BJT晶体管Q4的基极作为第二正相输入端INP2，第三BJT晶体管Q3的基极作为反相输入端INN，第三BJT晶体管Q3的集电极作为输出端VOUT，第十二MOSFET管M12的栅极接控制信号VBIAS5。第十二MOSFET管M12的漏极接控制信号PIBO1。第二放大器AMP2的作用是利用输入端“虚短”的这个特性，将节点A1、节点A2节点电位钳位在VREF附近，保证BJT管Q1、Q2工作在放大区以及形成反馈环路稳定输出电压。反相输入端INN与第二BJT晶体管Q2的基极连接，第一正相输入端INP1与第三电阻R3和第一BJT晶体管Q1集电极之间的节点A1连接，第二正相输入端INP2与第四电阻R4和第二BJT晶体管Q2集电极之间的节点A2连接，输出端VOUT与第十五MOSFET管M15的栅极连接。
设置第二放大器AMP2能够：一方面可以设置Q1和Q2工作在放大区，另一个方面是形成闭环稳定基准电路输出电压，使其具有更好的稳定性。
如图4所示，第一放大器AMP1具体可以采用一个二级放大器，第一级是采用第一MOSFET管M1和第二MOSFET管M2构成的电流镜电路作为负载，并且在源极添加负反馈电阻R7和R8，减小电路失配的影响和M1、M2的1/f噪声；放大器的第二级是采用共源放大器结构，可以提高放大器增益；R9为调零电阻、C1为密勒补偿电容，作用是对放大器进行频率补偿，提高放大器稳定性。
由于BJT晶体管的基极-发射极压差VBE表达式为式(3)。
则第二电阻R2上的电压差的表达式为式(4)。
利用第一放大器AMP1“虚短”特性，将A1、A2两节点钳位，使得图2中A1、A2节点电位近似相等，又因为第三电阻R3和第四电阻R4的另外一端是直接接在一起的，设定第三电阻R3和第四电阻R4阻值相同，则第一BJT晶体管Q1和第二BJT晶体管Q2所在的两条支路的电流近似相等。另外，由于IS的大小与其面积成正比例关系，Q1和Q2的面积比设为72:9，对应的IS之比也为72:9，可以将公式(4)进行化简，化简后R2上的电压差VR2的表达式见式(5)。
因此，本发明带隙基准电路的输出端电压VREF的表达式为式(6)
通过调节R1和R2的大小，可使得基准电压VREF在某一个温度点上获得零温度系数。
对本发明带隙基准电路进行仿真：
设置VDD电源电压为5V直流电压，TT工艺角下，对基准电路仿真温度进行-40℃至85℃直流扫描，VREF的温度特性曲线如图5所示，在-40℃至85℃温度范围内，输出电压VREF在1.25312V至1.25243V范围内波动，误差约为0.69mV，并且经计算可得工作温度在-40℃～85℃范围的温度系数为4.405ppm/℃。
设置VDD电源电压为5V，仿真温度为25℃，在TT工艺角下，对输入电源电压进行3.6V至5.5V直流扫描，输出电压VREF的线性调整率仿真图如图6所示，VREF变化范围为1.253129V～1.253108V，误差约为21μV，线性调整率为11.7μV/V。
设置仿真温度为25℃，电源电压为5V直流电压并且附加1V交流电压，在TT工艺角下对一阶带隙基准电路进行电源抑制比仿真，仿真结果如图7所示。电路在低频1Hz处电源抑制比为89.12dB；10kHz处电源抑制比为32.98dB。
设置VDD电源电压为5V直流电压，仿真温度为25℃，在TT工艺角下对一阶带隙基准电路进噪声仿真，仿真频率设置为1Hz～1GHz，仿真结果如图8所示，在低频1kHz处电路输出噪声为
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。
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