本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路，特別是涉及一種具有失調(diào)抑制(即低失調(diào))、高電源抑制比和小面積的帶隙基準(zhǔn)電路。

背景技術(shù)：

1、帶隙基準(zhǔn)電路(也稱帶隙基準(zhǔn)源，bandgap?reference，簡稱bgr)是一種具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性、高精度的電壓源。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個虛線方框分別表示帶隙基準(zhǔn)核心(bgr?core)和輸出支路。兩個pmos管m1、m2的源極都接工作電壓vdd，兩個pmos管m1、m2的柵極都接運算放大器a1的輸出端。兩個pmos管m1、m2的尺寸比根據(jù)設(shè)計需求而定，例如是1：m，m為≥1的整數(shù)。第一pmos管m1的漏極通過并聯(lián)的第一支路和第二支路接地vss。第一支路由第一電阻r1和第一雙極性晶體管(bjt)q1串聯(lián)構(gòu)成，兩個器件的連接處稱為節(jié)點x。第二支路依次由第二電阻r2、第三電阻r3、第二雙極性晶體管q2串聯(lián)構(gòu)成，第二電阻r2和第三電阻r3的連接處稱為節(jié)點y。第一電阻r1和第二電阻r2的電阻值相等。第一雙極性晶體管q1和第二雙極性晶體管q2的尺寸比是1：n，n為＞1的整數(shù)。運算放大器a1的反相輸入端連接節(jié)點x，正相輸入端連接節(jié)點y。并聯(lián)的第一支路和第二支路構(gòu)成了帶隙基準(zhǔn)核心。第二pmos管m2的漏極通過串聯(lián)的第四電阻r4和第三雙極性晶體管q3接地vss，三者依次串聯(lián)構(gòu)成了輸出支路。第二pmos管m2的漏極和第四電阻r4的連接處稱為節(jié)點z。三個雙極性晶體管q1、q2、q3的基極和集電極均短接，發(fā)射極均接地vss。通過運算放大器a1的鉗位作用，在第三電阻r3上產(chǎn)生帶正溫度系數(shù)的電流δvbe÷r3。其中δvbe＝vbe1－vbe2；vbe1是第一雙極性晶體管q1的基極和發(fā)射極的電壓差，vbe2是第二雙極性晶體管q2的基極和發(fā)射極的電壓差，r3是第三電阻r3的電阻值。該帶正溫度系數(shù)的電流δvbe÷r3被電流鏡復(fù)制到第四電阻r4上產(chǎn)生帶正溫度系數(shù)的電壓δvbe÷r3×r4，其中r4是第四電阻r4的電阻值。帶正溫度系數(shù)的電壓δvbe÷r3×r4和帶負溫度系數(shù)的電壓vbe3在節(jié)點z處疊加，產(chǎn)生零溫度系數(shù)的輸出電壓vbg。其中vbe3是第三雙極性晶體管q3的基極和發(fā)射極的電壓差。

2、圖1中，vos并不是實際硬件，而是運算放大器a1內(nèi)部特性等效到運放輸入端口的失調(diào)電壓。失調(diào)電壓也稱輸入失調(diào)電壓(input?offset?voltage)，是在差分輸入的運算放大器中使得輸出電壓恒定為零的運算放大器的兩個輸入端(即節(jié)點x、y之間)的直流電壓之差。則該失調(diào)電壓vos通過環(huán)路對輸出電壓vbg影響可表示為公式一。

3、

4、其中，vbg0是不考慮失調(diào)電壓vos影響時的帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓值。由公式一可知，vos到vbg的放大系數(shù)為了滿足零溫度系數(shù)的要求，令vbg0對溫度一階導(dǎo)為0，n取經(jīng)驗值10，則α≈7～8，故運算放大器a1的輸入失調(diào)電壓vos會被放大7到8倍，是影響帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓vbg精度的主要因素。

5、圖1所示的傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路通常需要運放鉗位，這里的鉗位是指利用運放“虛短”的特性強制讓第三電阻r3兩端電壓相等，讓第一電阻r1和第二電阻r2上流經(jīng)電流相同。這就意味著更大的面積、功耗、設(shè)計復(fù)雜度，而工業(yè)應(yīng)用需求朝著小面積，低功耗，低成本的方向發(fā)展。

6、現(xiàn)有的運放失調(diào)電壓消除手段主要包括斬波(chopper)和自歸零(auto?zero，也稱自動歸零)技術(shù)，需要增加額外電路以實現(xiàn)時鐘控制、濾波或采樣功能，導(dǎo)致帶隙基準(zhǔn)電路的面積、功耗和設(shè)計復(fù)雜度大幅增加。

7、數(shù)模混合系統(tǒng)中，數(shù)字電路的噪聲極易耦合到模擬電路的電源線上。作為系統(tǒng)內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)源，帶隙基準(zhǔn)電路需要足夠的電源抑制比來應(yīng)對電源電壓的變化。電源抑制比(power?supply?rejection?ratio，psrr)是指電子設(shè)備對電源噪聲的抑制能力，這里是指帶隙基準(zhǔn)電路對來自電源的噪聲的抑制能力。

8、因此，如何設(shè)計一種新型的帶隙基準(zhǔn)電路，使之能夠兼具低失調(diào)、高電源抑制比、小面積和低成本的性能優(yōu)勢，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何設(shè)計出一種具有低失調(diào)和高電源抑制比的小面積帶隙基準(zhǔn)電路，以滿足現(xiàn)有應(yīng)用需求。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種具有低失調(diào)和高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電路，包括帶隙基準(zhǔn)核心。所述帶隙基準(zhǔn)核心是：串聯(lián)的第一電阻和第一雙極性晶體管構(gòu)成第一支路，兩個器件的連接處稱為節(jié)點x；第一電阻的第一端連接內(nèi)部電壓v1，第二端連接節(jié)點x；第一雙極性晶體管的基極連接第一電阻的第一端，集電極連接節(jié)點x，發(fā)射極接地；串聯(lián)的第二電阻和第二雙極性晶體管構(gòu)成第二支路，兩個器件的連接處稱為節(jié)點y；第二電阻的第一端連接內(nèi)部電壓v1，第二端連接節(jié)點y；第二雙極性晶體管的基極連接節(jié)點x，集電極連接節(jié)點y，發(fā)射極接地；第一電阻和第二電阻的電阻值相等；第一雙極性晶體管和第二雙極性晶體管的尺寸比是1：n，n為＞1的整數(shù)；所述第一電阻上產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流。

3、可替換地，所述帶隙基準(zhǔn)核心增加了：第五電阻與第一支路并聯(lián)，第六電阻與第二支路并聯(lián)。所述第一電阻上產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流，所述第五電阻上產(chǎn)生負溫度系數(shù)電流，所述正溫度系數(shù)電流和所述負溫度系數(shù)電流疊加產(chǎn)生零溫度系數(shù)電流。

4、進一步地，所述帶隙基準(zhǔn)電路還包括電流復(fù)制模塊、自偏置電流模塊、偏置電流反饋模塊及輸出支路，整體為電壓模結(jié)構(gòu)；帶隙基準(zhǔn)核心產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流或者零溫度系數(shù)電流，稱為初始電流；電流復(fù)制模塊采用電流鏡結(jié)構(gòu)復(fù)制所述初始電流并提供給自偏置電流模塊；自偏置電流模塊接在工作電壓和地之間，自偏置電流模塊復(fù)制初始電流以產(chǎn)生自偏置電流，并為帶隙基準(zhǔn)核心和電流復(fù)制模塊提供自偏置電流；自偏置電流依次流經(jīng)電流復(fù)制模塊和帶隙基準(zhǔn)核心后產(chǎn)生實際電源電壓，串聯(lián)的電流復(fù)制模塊和帶隙基準(zhǔn)核心接在實際電源電壓和地之間；自偏置電流模塊還給輸出支路提供所述初始電流；偏置電流反饋模塊接在實際電源電壓和地之間，偏置電流反饋模塊泄放自偏置電流模塊產(chǎn)生的多余電流，維持自偏置環(huán)路穩(wěn)定工作；所述自偏置環(huán)路由帶隙基準(zhǔn)核心、電流復(fù)制模塊、自偏置電流模塊三者構(gòu)成；輸出支路接在工作電壓和地之間，輸出支路復(fù)制所述初始電流，和輸出支路本身產(chǎn)生的電流疊加，產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓。

5、可替換地，所述帶隙基準(zhǔn)電路整體改為電流模結(jié)構(gòu)，電流復(fù)制模塊改為采用電流鏡結(jié)構(gòu)復(fù)制所述初始電流并提供給自偏置電流模塊和輸出支路；輸出支路改為接在實際電源電壓和地之間。

6、進一步地，所述自偏置電流模塊產(chǎn)生的自偏置電流略大于帶隙基準(zhǔn)核心正常工作所需電流，多余部分經(jīng)過偏置電流反饋模塊泄放到地；所述偏置電流反饋模塊通過負反饋原理自主調(diào)節(jié)泄放電流量，維持實際電源電壓的電壓穩(wěn)定。

7、示例性地，所述電流復(fù)制模塊采用兩個pmos管構(gòu)成的電流鏡，所述電流鏡迫使兩個pmos管工作在相同的偏置電流下，從而使得所述帶隙基準(zhǔn)核心的各條支路與所述電流復(fù)制模塊的連接處的電壓近似相等，起到鉗位作用?；蛘咚鲭娏鲝?fù)制模塊采用兩個共源共柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成的電流鏡；所述電流鏡迫使兩個共源共柵結(jié)構(gòu)中的兩個pmos管工作在相同的偏置電流下，從而使得所述帶隙基準(zhǔn)核心的各條支路與所述電流復(fù)制模塊的連接處的電壓近似相等，起到鉗位作用。

8、示例性地，所述自偏置電流模塊由四個nmos管nm1～nm4、五個pmos管pm3～pm7、兩個電阻r3～r4組成；其中四個nmos管和電阻r3構(gòu)成nmos自偏置共源共柵電流鏡，四個pmos管pm4～pm7和電阻r4構(gòu)成pmos自偏置共源共柵電流鏡；所述自偏置電流模塊復(fù)制所述初始電流并經(jīng)過nmos自偏置共源共柵電流鏡和pmos自偏置共源共柵電流鏡為電流復(fù)制模塊和帶隙基準(zhǔn)核心提供自偏置電流和實際電源電壓vdd_i。

9、示例性地，所述偏置電流反饋模塊由pmos管pm8、雙極性晶體管q3組成；所述偏置電流反饋模塊通過負反饋原理穩(wěn)定實際電源電壓vdd_i，實現(xiàn)工作電壓vdd和實際電源電壓vdd_i的隔離，

10、示例性地，所述輸出支路由兩個pmos管pm9～pm10、電阻r5、雙極性晶體管q4依次串聯(lián)構(gòu)成；所述輸出支路復(fù)制正溫度系數(shù)的初始電流，在電阻r5上產(chǎn)生正溫度系數(shù)電壓，與雙極性晶體管q4的負溫度系數(shù)電壓疊加產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓；其中兩個pmos管pm9～pm10和所述自偏置電流模塊中的兩個pmos管pm4～pm5構(gòu)成共源共柵電流鏡。

11、可替換地，所述輸出支路中省略雙極性晶體管q4；所述輸出支路復(fù)制零溫度系數(shù)的初始電流，在電阻r5上產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓。

12、本發(fā)明取得的技術(shù)效果是：相比傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路，本發(fā)明提供的無運放、自偏置帶隙基準(zhǔn)電路具有低失調(diào)和高電源抑制比的性能優(yōu)勢，適用于小面積、低功耗和高精度的帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計。其中，因為沒有面積較大的運算放大器，并且低失調(diào)特性避免了增加消除失調(diào)的電路，均有利于實現(xiàn)小面積。