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一种基于负反馈的CMOS带隙基准电路，涉及集成电路。设带负反馈的核心基准电压模块、电源稳压模块、PSRR增强模块、低温高阶曲率补偿模块和启动模块；带负反馈的核心基准电压模块产生带隙基准电压，其输出端分别与PSRR增强模块及低温高阶曲率补偿模块的输入端相连；电源稳压模块为其他模块提供稳压电源，电源稳压模块输出端作为其它模块的电源输入端；PSRR增强模块输出端与带负反馈的核心基准电压模块、电源稳压模块、低温高阶曲率补偿模块和启动模块电源输入端相连；低温高阶曲率补偿模块输出端与带负反馈的核心基准电压模块输出端相连并输出最终基准电压；启动模块输出端分别与带负反馈的核心基准电压模块和电源稳压模块相连。

权利要求书一种基于负反馈的CMOS带隙基准电路，其特征在于设有带负反馈的核心基准电压模块、电源稳压模块、PSRR增强模块、低温高阶曲率补偿模块和启动模块；所述带负反馈的核心基准电压模块产生带隙基准电压，其输出端分别与PSRR增强模块及低温高阶曲率补偿模块的输入端相连；所述电源稳压模块为其他模块提供稳压电源，电源稳压模块输出端作为其它模块的电源输入端；所述PSRR增强模块输出端与带负反馈的核心基准电压模块、电源稳压模块、低温高阶曲率补偿模块和启动模块电源输入端相连；所述低温高阶曲率补偿模块输出端与带负反馈的核心基准电压模块输出端相连并输出最终基准电压；所述启动模块输出端分别与带负反馈的核心基准电压模块和电源稳压模块相连，用于上电时驱动电路摆脱0简并偏置状态而进入正常工作状态。

说明书一种基于负反馈的CMOS带隙基准电路
技术领域
本发明涉及集成电路，尤其是涉及一种基于负反馈的CMOS带隙基准电路。
背景技术
在模拟电路以及数模混合集成电路设计中，经常需要使用参考电压源，它将电源电压转换为与电源电压和温度无关的基准电压，用于为其他部分电路提供稳定的偏置和参考电压。因此，低温漂系数、高电压抑制比是带隙基准源的关键性能指标。CMOS带隙基准电压还需要能够兼容CMOS工艺，易于集成在CMOS工艺的集成电路芯片中。
传统带隙基准电压根据硅材料的带隙电压与电源和温度无关的特性，利用所具有负温系数的晶体管基极‑发射极电压VBE及具有正温度系数的热电压VT，通过将两个具有相反温度系数的电压进行加权相加得到零温度系数的输出电压，传统带隙基准属于一阶温度补偿的基准。由于VT与温度呈线性关系而VBE与温度却存在于非线性关系，因此传统带隙基准电路输出基准电压的温度系数通常被限制在20ppm/℃‑100ppm/℃，与此同时由于电路结构的限制以及失配问题，传统带隙基准的电源抑制比也比较低，易受电源电压波动的影响。
针对温度系数不理想的缺点，现已有多种高阶补偿方案被提出。其主要原理是通过添加一个高阶非线性项来抵消VBE的温度非线性，Rincon‑Mora.（Rincon‑Mora.Voltage ReferencesFrom Diodes to Precision High‑Order Bandgap Circuits，Wiley‑IEEE，2002：79‑118）和Ze‑KunZhou等（Ze‑Kun Zhou,Yue Shi,Zhi Huang,et al.A1.6V25uA5ppm/℃Curvature‑CompensatedBandgap Reference，IEEE JOURNALS & MAGAZINES，2012，59（4）：677‑684）均提出采用产生近似T1nT项的非线性补偿方法以获得较低的温漂系数。
针对PSRR（电源电压抑制比power supply rejection ratio），主要是通过由电源稳压模块给基准核心模块供电，减小电源电压波动对基准核心模块的影响，增大了基准的电源抑制比。Ning Zhi‑Hua等（Ning Zhi‑Hua,He Le‑Nian,Wang Yi,et al.A Novel High PSR Voltage Referencewith Secondary Temperature Compensation，IEEE CONFERENCE PUBLICATIONS，2010：3200‑3203）提出了一种利用负反馈环路产生内部校准电压来为基准核心电路供电的方案而Yat‑Hei Lam等（Yat‑Hei Lam,Wing‑Hung Ki.，CMOS Bandgap References With Self‑BiasedSymmetrically Matched Current‑Voltage Mirror and Extension of Sub‑1‑V Design，IEEEJOURNALS & MAGAZINES，2010，18（6）：857‑865）则采用一种新的自偏置对称结构的方法来改善PSRR。
然而这些方案往往仅针对温漂或PSRR指标之一进行了优化而忽略了另一个指标，无法同时兼顾两项指标；亦或所设计的基准结构较为复杂，给集成电路的设计增加难度，占用芯片面积过大，性价比不是很理想。
发明内容
本发明的目的在于改善现有带隙基准电压源的温漂和PSRR的性能，提供一种基于负反馈的CMOS带隙基准电路。
本发明设有带负反馈的核心基准电压模块、电源稳压模块、PSRR增强模块、低温高阶曲率补偿模块和启动模块；所述带负反馈的核心基准电压模块产生带隙基准电压，其输出端分别与PSRR增强模块及低温高阶曲率补偿模块的输入端相连；所述电源稳压模块为其他模块提供稳压电源，电源稳压模块输出端作为其它模块的电源输入端；所述PSRR增强模块输出端与带负反馈的核心基准电压模块、电源稳压模块、低温高阶曲率补偿模块和启动模块电源输入端相连；所述低温高阶曲率补偿模块输出端与带负反馈的核心基准电压模块输出端相连并输出最终基准电压；所述启动模块输出端分别与带负反馈的核心基准电压模块和电源稳压模块相连，用于上电时驱动电路摆脱0简并偏置状态而进入正常工作状态。
本发明的技术关键为带负反馈的核心基准电压模块和低温高阶曲率补偿模块。
实现本发明的技术关键是在传统带隙基准的架构上引入了负反馈结构，通过负反馈在输出基准电压中产生与温度呈正温的非线性项对高温区负温项VBE的非线性进行曲率补偿，在低温区则采用CTAT2的电流进行二次曲率补偿，使得基准电压温漂系数在‑45℃至135℃范围内得到有效的降低。同时PSRR增强模块与核心基准电压模块中的负反馈结构形成了两个反馈环路用于提高整体基准电路的电源电压抑制比。
本发明的有益效果：利用负反馈结构，在改善带隙基准温漂的同时大幅提高了PSRR性能；同时利用CTAT2电流作为补偿电流，在低温时对输出电压进行补偿，使基准在全温度范围内具有良好的温度系数。本发明整体电路结构简单，占用芯片面积小，可降低芯片成本并提高产品的性价比。
附图说明
图1为本发明实施例的总体结构框图。
图2为本发明实施的一种基于负反馈的带隙基准高阶曲率补偿电路图。
图3为节点所在环路的等效框图。
图4为低温高阶曲率补偿模块所提供的补偿电流与温度之间的关系曲线。在图4中，横坐标为温度Temperature(℃)，纵坐标为电流I(nA)。
图5为本发明实例输出基准电压的温度漂移曲线。在图5中，横坐标为温度Temperature(℃)，纵坐标为输出基准电压VREF（V）。
图6为本发明实例输出基准电压的电源抑制比对比。在图6中，横坐标为频率Frequency(Hz)，纵坐标为电源电压抑制比PSRR(dB)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例设有带负反馈的核心基准电压模块100、电源稳压模块200、PSRR增强模块300、低温高阶曲率补偿模块400和启动模块500；所述带负反馈的核心基准电压模块100产生带隙基准电压，其输出端分别与PSRR增强模块300及低温高阶曲率补偿模块400的输入端相连；所述电源稳压模块200为其他模块提供稳压电源，电源稳压模块200输出端作为其它模块的电源输入端；所述PSRR增强模块200输出端与带负反馈的核心基准电压模块100、电源稳压模块200、低温高阶曲率补偿模块400和启动模块500电源输入端相连；所述低温高阶曲率补偿模块400输出端与带负反馈的核心基准电压模块100输出端相连并输出最终基准电压；所述启动模块500输出端分别与带负反馈的核心基准电压模块100和电源稳压模块200相连，用于上电时驱动电路摆脱0简并偏置状态而进入正常工作状态。
本发明带负反馈的核心基准电压模块100用于产生未经过低温补偿的带隙基准电压VBEF；电源稳压模块200用于为其他模块提供稳定的电源（除启动电路之外）；PSRR增强模块300用于钳制电位消除沟道调制效应，同时提高电源稳压模块的PSRR；低温高阶曲率补偿模块400在低温区利用CTAT2电流进行二次曲率补偿；启动模块500用于保证电压源可靠地工作，避免其陷入零状态。
本发明基准电压VREF的温度补偿方法，如图2所示，首先，带负反馈的核心基准电压模块100由P1‑P4，N1‑N3，Q1‑Q2及R1‑R2组成。PMOS管P1‑P1与NMOS管N1‑N2形成自偏置电流镜回路使A，B两支路的电流相等，利用晶体管Q1发射区的面积是Q2的M倍形成PTAT基础电流I，该电流经P3镜像放大，并经过电阻R2后与晶体管Q2的发射极‑基极电压VEB2加权相加，形成带隙电压VREF。NMOS管N3栅极与该带隙电压相连，源极接地，漏极与Q2发射极相连，形成负反馈，从而在输出的基准电压中产生非线性的正温系数项。
其次，低温高阶曲率补偿模块400，由P12，N13‑N15以及R3组成。P12将PTAT电流1:1镜像至该模块，由N13‑N14将PTAT电流传给电阻R3，由于该电流与绝对温度呈正比并加于N15栅极，从而产生CTAT2电流实现低温区的温度补偿。低温高阶曲率补偿模块400所产生的CTAT2补偿电流仅在小于温度T0时非零。
最后,，低温高阶曲率补偿模块产生的CTAT2流进带负反馈的核心基准电压模块100的输出端VREF，经过R2后产生补偿电压，最终得到在全温度范围内具有极低温漂的基准电压。
本发明提高基准电压VREF的PSRR方法，如图2所示，首先，电源稳压模块200由P7‑P10和N7‑N8组成，P7‑P8栅极相连且与P8漏极相连，源极均连接电源电压VDD。P7漏极与接成二极管形式的P9源极相连，产生供内部其他模块（除启动模块500外）的稳压电源VREG。P9漏极与接成二极管形式的P10源极相连，P10栅极接至核心基准电压模块100用于提供偏置，同时与N7漏极相连。N7‑N8栅极由PSRR增强模块300提供偏置，源极与衬底相连接地，N8漏极与P8漏极相连，用于镜像PTAT基础电流，为电源稳压模块200提供直流偏置。
其次，PSRR增强模块300，由P5‑P6和N4‑N5组成自偏置二级运放的输入级，N6构成输出级。运放输入端分别与带负反馈的核心基准电压模块100的P1‑P2和N1‑N2栅极相连，以消除核心基准电压模块中电流镜回路的沟道调制效应。输出级N6源极与衬底相连接地，漏极与节点VREG相连，产生反馈环路稳定VREG电压，以提高其PSRR。
最后，在带负反馈的核心基准电压模块100中，N3对基准电压输出节点VREF引入负反馈环路，形成第二个负反馈结构，进一步提高了输出基准电压的PSRR。
特别的是，本发明的带负反馈的核心基准电压模块100利用一个NMOS管N3，将基准电压VREF转换为电流后反馈回晶体管Q2中，根据晶体管I‑V关系，可以得到流过电阻R1的电流I满足关系式：