一种带隙基准电路以及电子设备

技术领域

本申请涉及一种电路，特别地涉及一种带隙基准电路以及电子设备。

背景技术

带隙基准电路（BGR, Bandgap Reference）是大多数模拟集成电路和混合信号系统的重要组成部分。由于带隙基准电路的输出参考电压准确稳定，所以在电源管理集成电路、模数转换器、线性调整器和存储器等不同芯片中被广泛应用。例如，带隙基准电路能够产生高于1.2 V的输出参考电压。由此，带隙基准电路在过去几年得到了广泛的发展与应用。

然而，影响带隙基准电路的输出参考电压的精度的因素有很多。例如：双极结型晶体管（BJT）的温度与发射极和基极电压的非线性关系、运算放大器的输入失调电压和过程变异等。这些因素对于带隙基准电路的影响也是不同的，温度与发射极和基极电压的非线性关系使得带隙基准源的输出参考电压随温度变化呈现出凹形或凸形，而运算放大器的输入失调电压会导致输出参考电压的漂移。为了在较宽的温度范围内获得更高的电压输出精度，需采用温度补偿来抵消发射极和基极电压随温度变化的非线性关系。近年来，BGR的温度补偿的技术广泛被提及。例如，基于开关电容来抵消发射极和基极电压随温度变化的非线性关系，但这可能因工艺的变化引入额外的误差。又例如，利用曲线分段补偿法来抵消发射极和基极电压随温度的非线性关系，但这种方法受限于电阻随不同材料的变化不同，很难得到高精度的BGR。因此，需要设计一种电路简单、输出稳定的BGR具有重要的研究价值和实际应用意义。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种带隙基准电路。该带隙基准电路包括：电流生成模块，被配置为生成正温度系数电流和负温度系数电流，所述正温度系数电流和所述负温度系数电流用于补偿所述带隙基准电路中晶体管电压随温度变化对应的线性项电流；以及温度补偿模块，包括：第一支路，所述第一支路至少包括第一晶体管301、第三晶体管303，所述第一晶体管301、所述第三晶体管303串联电连接；第二支路，所述第二支路至少包括第二晶体管302、第四晶体管304、第五晶体管305；所述第一晶体管301的控制极分别与所述第二晶体管302的控制极、所述第一晶体管301的第二极电连接，所述第一晶体管301的第一极与所述第三晶体管303的第二极电连接；所述第三晶体管303的控制极分别与所述第四晶体管304的控制极、所述第三晶体管303的第二极电连接，所述第三晶体管303的第一极接地；所述第二晶体管302的第一极与所述第四晶体管304的第二极电连接，所述第四晶体管304的第一极接地；所述第二晶体管302的第一极还与所述第五晶体管305的控制极电连接，所述第五晶体管305的第一极接地；所述第一支路被配置为接收所述正温度系数电流，并基于所述正温度系数电流确定流经所述第一支路的电流；所述第二支路被配置为接收所述负温度系数电流，并至少基于所述正温度系数电流、所述负温度系数电流确定流经所述第二支路的电流；所述温度补偿模块被配置为基于流经所述第一支路的电流和流经所述第二支路的电流确定高阶温度补偿电流，所述高阶温度补偿电流用于补偿所述晶体管电压随温度变化对应的非线性项电流。

特别的，该带隙基准电路还包括：

电流电压转换模块，被配置为基于所述正温度系数电流、所述负温度系数电流以及所述高阶温度补偿电流生成参考电压。

特别的，所述电流生成模块包括：

正温度电流生成模块，被配置为生成所述正温度系数电流；

负温度电流生成模块，被配置为生成所述负温度系数电流；

其中，所述正温度系数电流与所述负温度系数电流的叠加结果用于补偿所述晶体管电压随温度变化对应的线性项电流。

特别的，所述第一支路还包括正温度电流复制模块，所述正温度电流复制模块被配置为接收并复制所述正温度系数电流，所述正温度电流生成模块与所述正温度电流复制模块电连接，所述正温度电流复制模块与所述第一晶体管301的第二极电连接；

所述第二支路还包括负温度电流复制模块，所述负温度电流复制模块被配置为接收并复制所述负温度系数电流，所述负温度电流生成模块与所述负温度电流复制模块电连接，所述负温度电流复制模块与所述第二晶体管302的第一极电连接。

特别的，所述负温度电流复制模块包括第六晶体管306、第七晶体管307、第八晶体管308；

所述第六晶体管306的控制极与所述负温度电流生成模块电连接，所述第六晶体管306的第一极与供电源电连接，所述第六晶体管306的第二极与所述第七晶体管307的第二极电连接，所述第六晶体管306被配置为接收并复制所述负温度系数电流；

所述第七晶体管307的控制极分别与所述第八晶体管308的控制极、所述第七晶体管307的第二极电连接，所述第七晶体管307的第一极接地；

所述第八晶体管308的第二极分别与所述第二晶体管302的第一极、所述第四晶体管304的第二极、以及所述第五晶体管305的控制极电连接，所述第八晶体管308的第一极接地。

特别的，所述正温度电流复制模块包括第九晶体管309，所述第九晶体管309的控制极与所述正温度电流生成模块电连接，所述第九晶体管309的第一极与供电源电连接，所述第九晶体管309的第二极与所述第一晶体管301的第二极电连接，所述第九晶体管309被配置为接收并复制所述正温度系数电流。

特别的，所述第二支路还包括第十晶体管310，所述第十晶体管310的第一极与供电源电连接，所述第十晶体管310的第二极、所述第十晶体管310的控制极分别与所述第二晶体管302的第二极电连接。

特别的，所述温度补偿模块还包括：

第三支路，所述第三支路包括成对电连接的第十一晶体管311和第十二晶体管312，成对电连接的第十三晶体管313和第十四晶体管314；

其中，所述第十一晶体管311的控制极分别与所述第十二晶体管312的控制极、所述第十一晶体管311的第二极电连接，所述第十一晶体管311的第二极与所述第五晶体管305的第二极电连接，所述第十一晶体管311的第一极与供电源电连接，所述第十二晶体管312的第一极与所述供电源电连接；

所述第十三晶体管313的控制极分别与所述第十四晶体管314的控制极、所述第十三晶体管313的第二极电连接，所述第十三晶体管313的第二极与所述第十二晶体管312的第二极电连接，所述第十四晶体管314的第二极与所述电流电压转换模块电连接，所述第十三晶体管313的第一极、所述第十四晶体管314的第一极接地。

特别的，所述第一晶体管301、所述第二晶体管302为场效应晶体管，所述场效应晶体管的控制极为栅极，所述场效应晶体管的第一极为源极，所述场效应晶体管的第二极为漏极；

所述第三晶体管303、所述第四晶体管304、所述第五晶体管305为双极结型晶体管，所述双极结型晶体管的控制极为基极，所述双极结型晶体管的第一极为发射极，所述双极结型晶体管的第二极为集电极。

本申请还提供了一种电子设备，包括如前任一所述的电路。

本申请公开的带隙基准电路能够自适应的补偿晶体管电压随温度变化对应的非线性项电流，从而获得较低的温度系数。不仅使得带隙基准电路设计简单，成本低，易于集成，而且带隙基准电路输出的参考电压更加稳定，精度更高。

附图说明

下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是传统的利用温度补偿电路对带隙基准电路进行温度补偿的电路图；示意图；

图2是根据本申请的一个实施例的带隙基准电路的示意性框图；以及

图3是根据本申请的一个实施例的带隙基准电路的示意性电路图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。另外，两个单元之间线条的数目旨在表示该两个单元之间通信至少所涉及的信号数或至少具备的输出端，并非用于限定该两个单元之间只能如图中所示的信号来进行通信。

晶体管可指任何结构的晶体管，例如场效应晶体管(FET)或者双极型晶体管(BJT)。当晶体管为场效应晶体管时，根据沟道材料不同，可以是氢化非晶硅、金属氧化物、低温多晶硅、有机晶体管等。根据载流子是电子或空穴，可以分为N型晶体管和P型晶体管，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极，控制极或第三极可以为栅极；当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的基极，第一极可以为双极型晶体管的发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的集电极，控制极或第三极可以为基极。晶体管可以采用非晶硅、多晶硅、氧化物半导体、有机半导体、NMOS/PMOS工艺或者CMOS工艺来制造。

下文以一种带隙基准电路为例进行说明，且本申请实施例中晶体管的漏极和源极可以根据晶体管偏置状态的不同而变化。但是，并不能认为本申请例只能局限应用该带隙基准电路实现。

如上文所说明的，需要采用温度补偿来抵消发射极和基极电压随温度变化的非线性关系，才能解决带隙基准电路输出的参考电压的精度不高，温度系数较差的问题。如图1所示，示出了传统方案中利用温度补偿电路对带隙基准电路进行温度补偿的电路100。在图1中，传统的带隙基准电路110包括电阻R

作为示例，晶体管M

如图1所示，第一支路可以包括晶体管M

通过运算放大器放大器A

（1）

流经电阻R

（2）

其中，

第三支路可以包括晶体管M

通过运算放大器A

流经电阻R

（3）

BJT的基极-发射极电压

（4）

其中，

如图1所示，传统方案中，在带隙基准电路110之外设计温度补偿电路120。温度补偿电路120可以被配置为根据不同温度范围确定对应的补偿电流

为了解决带隙基准电路输出的参考电压精度低，温度系数较差的问题，本申请提出一种带隙基准电路。在本申请提出的带隙基准电路，包括电流生成模块，该电流生成模块被配置为生成正温度系数电流和负温度系数电流，正温度系数电流和负温度系数电流用于补偿带隙基准电路中晶体管电压随温度变化对应的线性项电流。带隙基准电路还包括温度补偿模块，该温度补偿模块包括：第一支路，第一支路至少包括第一晶体管301、第三晶体管303，第一晶体管301、第三晶体管303串联电连接；第二支路，第二支路至少包括第二晶体管302、第四晶体管304、第五晶体管305；第一晶体管301的控制极分别与第二晶体管302的控制极、第一晶体管301的第二极电连接，第一晶体管301的第一极与第三晶体管303的第二极电连接；第三晶体管303的控制极分别与第四晶体管304的控制极、第三晶体管303的第二极电连接，第三晶体管303的第一极接地；第二晶体管302的第一极与第四晶体管304的第二极电连接，第四晶体管304的第一极接地；第二晶体管302的第一极还与第五晶体管305的控制极电连接，第五晶体管305的第一极接地。第一支路被配置为接收正温度系数电流，并基于正温度系数电流确定流经第一支路的电流；第二支路被配置为接收负温度系数电流，至少基于正温度系数电流、负温度系数电流确定流经第二支路的电流；温度补偿模块被配置为基于流经第一支路的电流和流经第二支路的电流确定高阶温度补偿电流，高阶温度补偿电流用于补偿晶体管电压随温度变化对应的非线性项电流。

依据温度补偿模块的电路结构，温度补偿模块根据正温度系数电流确定流经第一支路的电流，至少基于正温度系数电流、负温度系数电流确定流经第二支路的电流，以及基于流经所述第一支路的电流和流经所述第二支路的电流确定高阶温度补偿电流，高阶温度补偿电流自适应的补偿晶体管电压随温度变化对应的非线性项电流，获得较低的温度系数，从而得到稳定的随温度变化非常小的电流。补偿后的电流通过电流电压转换，得到随温度变化非常小，能够输出精确、稳定的参考电压。以此方式，带隙基准电路不仅没有额外增加电流补偿电路，使得带隙基准电路设计简单，成本低，易于集成，温度系数较小，而且带隙基准电路输出的参考电压更加稳定，精度更高。

下面结合附图来描述本申请的实施例。

图2所示为根据本申请一个实施例的带隙基准电路200的示意性框图。

如图2所示，带隙基准电路200包括电流生成模块，该电流生成模块被配置为生成正温度系数电流和负温度系数电流，正温度系数电流和负温度系数电流用于补偿带隙基准电路中晶体管电压随温度变化对应的线性项电流。进一步的，如图2所示，电流生成模块可以包括：正温度电流生成模块220，正温度电流生成模块220被配置为生成正温度系数电流；负温度电流生成模块230，该负温度电流生成模块230被配置为生成负温度系数电流。其中，正温度系数电流与负温度系数电流的叠加结果用于补偿晶体管电压随温度变化对应的线性项电流。

带隙基准电路200还包括温度补偿模块210，温度补偿模块210可以被配置为至少基于正温度系数电流和负温度系数电流确定高阶温度补偿电流，高阶温度补偿电流用于补偿晶体管电压随温度变化对应的非线性项电流。带隙基准电路200还包括电流电压转换模块240，电流电压转换模块240被配置为基于正温度系数电流、负温度系数电流以及高阶温度补偿电流生成参考电压。正温度电流生成模块220的输出端、负温度电流生成模块230的输出端分别与温度补偿模块210的输入端电连接，温度补偿模块210的输出端与电流电压转换模块240的输入端电连接。正温度电流生成模块220的输出端、负温度电流生成模块230的输出端还与电流电压转换模块240的输入端电连接。

作为示例，这里的晶体管电压可以是BJT的基极和发射极的电压

上文参考图2从电流的角度阐述了带隙基准电路的高阶温度补偿原理。以下将结合图3的带隙基准电路300的示意性电路图，具体描述如何基于正温度系数电流

图3所示为根据本申请一个实施例的带隙基准电路300的示意性电路图。带隙基准电路300可以包括正温度电流生成模块320、负温度电流生成模块330、电流电压转换模块340、温度补偿模块350。

根据一个实施例，正温度电流生成模块320可以被配置为生成正温度系数电流，负温度电流生成模块330可以被配置为生成负温度系数电流，其中，正温度系数电流与负温度系数电流的叠加结果用于补偿晶体管电压随温度变化对应的线性项电流。

作为示例，正温度电流生成模块320、负温度电流生成模块330的电路布局可以参考图1所示。具体而言，正温度电流生成模块320可以包括电阻R

例如，正温度电流生成模块320生成正温度系数电流，正温度系数电流可以是流经电阻R

负温度电流生成模块330生成负温度系数电流，负温度系数电流可以是流经电阻R

根据一个实施例，为了解决运算放大器的输入失调电压会导致输出参考电压的漂移的问题，减小放大器失调电压对输出电流的影响，例如，减小运算放大器A

根据一个实施例，电流电压转换模块340可以被配置为基于正温度系数电流、负温度系数电流以及高阶温度补偿电流生成参考电压。

作为示例，如图3所示，电流电压转换模块340可以包括晶体管M

应该理解，本申请的正温度电流生成模块320、负温度电流生成模块330、电流电压转换模块340的电路布局方式并不局限于图3实施例所示出的电路布局方式。在不违背本申请原理的前提下，可以对正温度电流生成模块320、负温度电流生成模块330、电流电压转换模块340的内部电路中的晶体管、电阻、放大器的类型、数目、电连接关系进行任意合适的修改或者调整。

以下将介绍本实施例提供的温度补偿模块350的电路布局，为便于讨论，在介绍温度补偿模块350过程中所涉及到的正温度电流生成模块320、负温度电流生成模块330、电流电压转换模块340的电路布局将参考图1的电路布局。

根据一个实施例，如图3所示，温度补偿模块350至少可以包括第一晶体管M

第一晶体管M

第一支路被配置为接正温度系数电流，并基于正温度系数电流确定流经第一支路的电流；第二支路被配置为接收负温度系数电流，并至少基于正温度系数电流、负温度系数电流确定流经第二支路的电流；温度补偿模块被配置为基于流经第一支路的电流和流经第二支路的电流确定高阶温度补偿电流，高阶温度补偿电流用于补偿晶体管电压随温度变化对应的非线性项电流。

作为示例，第一晶体管M

根据一个实施例，第一支路还包括正温度电流复制模块315。正温度电流复制模块315可以被配置为接收并复制正温度系数电流，正温度电流复制模块315与正温度电流生成模块320电连接，正温度电流复制模块315与第一晶体管M

作为示例，正温度电流复制模块315可以按照适当的电流镜复制参数复制正温度系数电流

继续参考图3，根据一个实施例，负温度电流复制模块316可以包括第六晶体管M

具体地，第六晶体管M

应当理解，虽然在图3的示例中，负温度电流复制模块316可以包括第六晶体管M

根据一个实施例，正温度电流复制模块315可以包括第九晶体管M

具体地，第九晶体管M

应当理解，虽然在图3的示例中，正温度电流复制模块315可以包括第九晶体管M

继续参考图3，在第二支路中，为了给第二晶体管M

根据一个实施例，第二支路还可以包括第十晶体管M

根据一个实施例，温度补偿模块350还包括第三支路，第三支路包括成对电连接的第十一晶体管M

第十三晶体管M

作为示例，第十一晶体管M

应当理解，虽然在图3的示例中，由第十一晶体管M

以上介绍了构成温度补偿模块350的电路布局，本实施例主要通过这样的电路布局确定出高阶温度补偿电流

本申请还提供了一种带隙基准电路的高阶温度补偿方法。以下步骤只是为了说明而安排，并不代表在操作上必然的先后顺序。该高阶温度补偿方法可以适用于上文所述的带隙基准电路。

在步骤401，温度补偿模块350获取电流生成模块生成的正温度系数电流和负温度系数电流，正温度系数电流和负温度系数电流用于补偿带隙基准电路中晶体管电压随温度变化对应的线性项电流。

在步骤402，温度补偿模块350基于正温度系数电流确定流经第一支路的电流，基于负温度系数电流确定流经第二支路的电流，基于流经第一支路的电流和流经第二支路的电流确定高阶温度补偿电流，高阶温度补偿电流用于补偿晶体管电压随温度变化对应的非线性项电流。

在步骤403，电流电压转换模块340基于正温度系数电流、负温度系数电流以及高阶温度补偿电流生成稳定的参考电压。

接下来，结合图3对高阶温度补偿方法进行详细的描述。

步骤401中，温度补偿模块350中的正温度电流生成模块320生成正温度系数电流

步骤402中，由图3的电路电连接关系，由于第一晶体管M

（5）

温度补偿模块350确定第一晶体管M

（6）。

根据一个实施例，第一晶体管M

温度补偿模块350还可以根据流经第三晶体管Q

（7）

和/>

（8）

其中，

（9）

其中，

本实施例主要通过温度补偿模块350中的第一晶体管M

继续参考图3，至少结合图3 的正温度电流复制模块315介绍如何确定流经第一支路的电流

根据一个实施例，正温度电流复制模块315可以根据第一电流镜复制参数

=/>

其中，

需要指出的是，正温度电流复制模块315所包含的晶体管不同，对应的电流镜复制参数

接下来，至少结合图3 的正温度电流复制模块315、负温度电流复制模块316、第十一晶体管M

由图3的电路关系可知，流经第二晶体管M

根据一个实施例，温度补偿模块350可以按照适当的电流镜复制参数复制流经第一晶体管M

具体而言，温度补偿模块350可以根据第二电流镜复制参数

（11）。

根据一个实施例，负温度电流复制模块316可以按照适当的电流镜复制参数复制负温度系数电流

具体而言，负温度电流复制模块316可以根据第三电流镜复制参数

根据一个实施例，温度补偿模块350可以根据第四电流镜复制参数

（13）

其中，

结合公式（11）、（12）、（13），电流

（14）

其中，

根据一个实施例，温度补偿模块350可以根据

具体而言，

（15）/>

根据图3的电路图可知，由于流经第三晶体管Q

（15）

根据图3的电路图可知，由于流经第三晶体管Q

=/>

其中，

将电流

（17）

将

根据另一个实施例，温度补偿模块350还可以根据第四电流镜复制参数

（18）

其中，

结合公式（11）、（12）、（18），电流

（19）

类似的，将电流

（20）

类似的，将

步骤403中，电流电压转换模块340中可以根据流经晶体管M

本申请还提供一种电子设备，包括如上述实施例所述的带隙基准电路。

本申请提供的带隙基准电路、电子设备、高阶温度补偿的方法，比现有电路设计采用的温度补偿电路的精度更高。对于现有的带隙基准电路来说，在带隙基准电路的外部设计高阶温度补偿电路，该电路根据不同温度范围确定对应的补偿电流。而本申请提供的带隙基准电路，在带隙基准电路内部设计了温度补偿模块，该温度补偿模块能够根据流经第一支路的电流和流经第二支路的电流确定高阶温度补偿电流，高阶温度补偿电流自适应的补偿

上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。