一种高阶温度补偿电流产生电路及电流连续调节方法

摘要

本发明公开了一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有至少一个二阶温度补偿电流产生电路，所述的二阶温度补偿电流产生电路进一步包括有通过电性连接的五个三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24和电阻R20及调节电阻R21。本发明还公开了一种高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法。本发明提供的高阶温度补偿电流产生电路将三极管通过串并联的方式相连接，并在电路中加上电阻及调节电阻，通过调整调节电阻的阻值，从而使得与目标模块连接的三极管的集电极电流连续可调，使得补偿电流的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流产生电路，尤其涉及一种高阶温度补偿的电流产生电 路。

本发明还涉及了高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法。

背景技术

在模拟、数模混合，甚至纯数字电路中都需要温度传感电路和随温度变化 稳定的参考电压源，其温度变化的线性和稳定性直接决定了整个电路的性能。 存在许多方法来测量温度，比如热电偶，热电阻等等，但是热电偶存在信号小、 需要冷端补偿等缺点，成本也较高。热电阻的线性不好，而基于半导体工艺的 半导体温度传感器则具有精度高，线性好，量产成本低的特点，是一种上佳的 温度感知器件。

为了达到精确的温度测量目的，我们需要一个和绝对温度成正比的物理量 进行量测。两个面积成1∶N比例而集电极电流相同的双极型晶体管的V_BE之电 压差ΔV_BE是一个与绝对温度完全线性的物理量，对于它的量测是实现温度测量 的基础。另外硅能隙基准V_bandgap可以由ΔV_BE与V_BE按一定比例相加而成，大 约在1.2V左右，如果设计精确合理，V_bandgap可以达到几个ppm的精度。ΔV_BE与V_bandgap的比例值是一个可测量的物理量，用它对温度进行表征。

除了温度传感电路，电压基准源也必须具有非常小的温度系数，而能隙参 考电压源是目前具有最小温度系数的参考电压源，能隙参考电压源的原理描述 如前硅能隙基准V_bandgap所述。

对于温度传感物理量ΔV_BE与V_bandgap的比例R，我们可按照温度作泰勒展 开可以表示成R＝a₀+a₁*T+a₂*T²+a₃*T³+….精确的温度传感电路的设计就是 使a₂，a₃，...温度的高阶系数尽可能最小，为此需要进行二阶补偿、三阶补 偿甚至于更高阶的补偿。产生高阶项的原因是多方面的，比如产生V_bandgap的晶 体管的V_BE与温度有指数关系；在集成电路中，电阻具有较大的温度系数，使 的I_PTAT电流出现了高阶项，导致电路中的偏置电流出现了高阶项。

同理，如果我们将基准电压源按照温度作泰勒展开可以表示成V_bandgap＝ b₀+b₁*T+b₂*T²+…，基准电压源的设计就是使温度的各阶系数b₁，b₂，....尽可能 最小，为此需要进行一阶补偿、二阶补偿、...，普通的能隙基准电压源只进行 了一阶补偿，为了进一步提高基准电压源的温度稳定性，还必须进行二阶补偿 甚至更高阶的补偿。因此为了要获得精确的温度传感电路或者更好温度特性的 基准电压源电路，必须对其进行二阶补偿、三阶补偿甚至更高阶的补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服上面所述的技术缺陷，提供一种高阶 温度补偿的电流产生电路，同时也提供一种高阶温度补偿的电流产生电路的电 流连续调节方法。

为了解决上面所述的技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有至少一个二阶温度补偿电流产生 电路，所述的二阶温度补偿电流产生电路进一步包括有通过电性连接的五个三 极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24和电阻R20及调节电阻R21，三极管Q20的 集电极与基极连接恒流源I_PTAT；三极管Q21的集电极与基极连接三极管Q20的 发射极，三极管Q21的发射极接地；三极管Q22的基极与三极管Q20的基极相 连后连接恒流源I_PTAT，三极管Q22的集电极连接电源VDD；三极管Q23的基 极与三极管Q21的基极相连后连接三极管Q20的发射极，三极管Q23的发射极 接地；作为输出端的三极管Q24的集电极连接目标模块，三极管Q24的发射极 连接调节电阻R21后接地，三极管Q24的基极与三极管Q23的集电极相连后连 接三极管Q22的发射极，三极管Q24的基极连接电阻R20后接地。

恒流源I_PTAT是一个与绝对温度成正比的电流源。

所述的三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24的面积比为：A_Q20∶A_Q21∶A_Q22∶ A_Q23∶A_Q24＝N₀∶N₁∶N₂∶N₃∶N₄，其中比例系数N_i均为大于或等于1的自然 数，i∈[0，4]，且i为整数。

所述的目标模块为温度传感器、高精度基准稳压源、或数据转换器等等。

还包括有在二阶温度补偿电流产生电路的基础上形成的三阶温度补偿电流 产生电路，所述的三阶温度补偿电流产生电路还包括有五个三极管Q30、Q31、 Q32、Q33、Q34和电阻R30及调节电阻R31，三极管Q30的集电极与基极连接 恒流源I_PTAT，三极管Q30的发射极连接三极管Q20的集电极；三极管Q22的基 极和三极管Q20的基极相连后连接三极管Q30的发射极；三极管Q31的基极和 三极管Q30的基极相连后连接恒流源I_PTAT，三极管Q31的集电极连接电源VDD， 三极管Q31的发射极同时连接三极管Q32的基极及三极管Q22的集电极；三极 管Q32的集电极连接电源VDD，三极管Q32发射极同时连接三极管Q34的基 极及三极管Q33的集电极；三极管Q33的基极与三极管Q21的基极相连后连接 三极管Q20的发射极，三极管Q33的发射极接地；作为输出端的三极管Q34的 集电极连接目标模块，三极管Q34的基极连接电阻R30后接地，三极管Q34的 发射极连接调节电阻R31后接地。

所述的三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24、Q30、Q31、Q32、Q33、Q34 的面积比为：A_Q20∶A_Q21∶A_Q22∶A_Q23∶A_Q24∶A_Q30∶A_Q31∶A_Q32∶A_Q33∶A_Q34＝N₀∶ N₁∶N₂∶N₃∶N₄∶N₅∶N₆∶N₇∶N₈∶N₉，其中比例系数N_i均为大于或等于1 的自然数，i∈[0，9]，且i为整数。

还包括有在n阶温度补偿电流产生电路的基础上形成的n+1阶温度补偿电 流产生电路，n≥3。

一种如上面所述的高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，进行 二阶温度补偿电流调节时，先通过调整比例系数N_i和电阻R20的值使得三极管 Q22的集电极的电流Io21为不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数N_i和调节电阻R21，从而连续调节三极管Q24的集电极电流Io20的大小，使得集 电极电流Io20的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配，其中i∈[0，4]， 且i为整数。

在进行二阶温度补偿电流调节的基础上，进行三阶温度补偿电流调节，在 进行三阶温度补偿电流调节时，先通过调整比例系数N_i和电阻R30、R20的值 使得三极管Q32的集电极的电流Io31及三极管Q31的集电极的电流Io32均为 不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数N_i和调节电阻R31，从而连续 调节三极管Q34的集电极电流Io30的大小，使得集电极电流Io30的大小和温度 特性能够与目标模块的要求相匹配，其中i∈[0，9]，且i为整数。

在进行n阶温度补偿电流调节的基础上，进行n+1阶温度补偿电流调节，n ≥3，且n为整数。

本发明提供的高阶温度补偿电流产生电路将三极管通过串并联的方式相连 接，并在电路中加上电阻及调节电阻，通过调整调节电阻的阻值，从而使得与 目标模块连接的三极管的集电极电流连续可调，使得补偿电流的大小和温度特 性能够与目标模块的要求相匹配。

附图说明

图1为传统的二阶温度补偿电流产生电路的电路结构图。

图2为本发明的二阶温度补偿电流产生电路的电路结构图。

图3为本发明的三阶温度补偿电流产生电路的电路结构图。

具体实施方式

请参阅图1，如图所示，传统的二阶温度补偿电流产生电路包括有通过电性 连接的五个三极管Q10、Q11、Q12、Q13、Q14和电阻R10，三极管Q10的集 电极与基极连接恒流源I_PTAT；三极管Q11的集电极与基极连接三极管Q10的发 射极，三极管Q11的发射极接地；三极管Q12的基极与三极管Q10的基极相连 后连接恒流源I_PTAT，三极管Q12的集电极连接电源VDD；三极管Q13的基极 与三极管Q11的基极相连后连接三极管Q10的发射极，三极管Q13的发射极接 地；作为输出端的三极管Q14的集电极连接目标模块1，进行温度补偿，三极 管Q14的发射极接地，三极管Q14的基极与三极管Q13的集电极相连后连接三 极管Q12的发射极，三极管Q14的基极连接电阻R10后接地。

传统的二阶温度补偿电流产生电路进行二阶温度补偿的原理如下：由图1 中可知，从三极管Q10的集电极到接地GND的电压为等式1：

V_be(Q10)+V_be(Q11)＝V_be(Q12)+V_be(Q14)

因为V_be＝(k*T/q)*ln(Ic/Is)，其中：k为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子 电量，Ic为晶体管集电极电流，Is为晶体管饱和电流。

因此得到等式2：

(k*T/q)*ln(Ic_(Q10)/Is_(Q10))+(k*T/q)*ln(Ic_(Q11)/Is_(Q1))＝(k*T/q)*ln(Ic_(Q12)/Is _(Q12))+(k*T/q)*ln(Ic_(Q14)/Is_(Q14))

进而得到等式3：

(Ic_(Q10)*Ic_(Q11))/(Is_(Q10)*Is_(Q11))＝(Ic_(Q12)*Ic_(Q14))/(Is_(Q12)*Is_(Q14))

在电路原理中，Ic_(Q10)＝Ic_(Q11)＝I_PTAT，设定三极管Q10、Q11、Q12、Q13、 Q14的面积比为A_Q10∶A_Q11∶A_Q12∶A_Q13∶A_Q14＝M₀∶M₁∶M₂∶M₃∶M₄，因此 Is_(Q10)∶Is_(Q11)∶Is_(Q12∶Is_(Q14)＝M₀∶M₁∶M₂∶M₄，这样我们可以得到等式4：

I_PTAT²＝[(M₀*M₁)/(M₂*M₄)]*Ic_(Q12)*Ic_(Q14)

由于M₀、M₁、M₂、M₄的比值是固定的，因此(M₀*M₁)/(M₂*M₄) 的值也是固定的，假设(M₀*M₁)/(M₂*M₄)的值为M，我们得到等式5：

I_PTAT²＝M*Ic_(Q12)*Ic_(Q14)

由图1可知：Ic_(Q12)＝Io11，Ic_(Q14)＝Io10

因为Ic_(Q12)＝Ic_(Q13)+V_be(Q14)/R10，由于Q13与Q11的面积比为A_Q13∶A_Q11＝ M₃∶M₁，得到Ic_(Q13)＝(M₃/M₁)*I_PTAT，由于I_PTAT∝k*T/q，且M₃/M₁的值 是固定的，假设M₃/M₁的值为M’，所以Ic_(Q13)＝M’*I_PTAT，Ic_(Q13)是随温度T 的增大而上升的；V_be(Q14)/R10的值是温度T的增大而下降的；因此我们可以通 过调整M’值和电阻R10的值，使得Ic_(Q12)即Io11不随温度变化。

这样由等式5得到等式6：

I_PTAT²＝M*Io11*Io10

由于M值是恒定的，且Io11不随温度变化，所以Io10与I_PTAT²成正比，即 Io10∝T²。

传统的二阶温度补偿电流产生电路中，虽然得到了Io10与温度T²成正比的 关系，使其能得到二阶温度补偿，不过由于R10与M值是匹配关系，即随着M 值的变化，R10也要随着变化，且该变化是跳跃性的变化，因此Io10的值也是 呈跳跃性变化，导致Io10值的大小不能随意调节。

实施例一：

请参阅图2，如图所示，一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有至少一个 二阶温度补偿电流产生电路，二阶温度补偿电流产生电路进一步包括有通过电 性连接的五个三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24和电阻R20及调节电阻R21， 三极管Q20的集电极与基极连接恒流源I_PTAT三极管Q21的集电极与基极连接 三极管Q20的发射极，三极管Q21的发射极接地；三极管Q22的基极与三极管 Q20的基极相连后连接恒流源I_PTAT，三极管Q22的集电极连接电源VDD；三极 管Q23的基极与三极管Q21的基极相连后连接三极管Q20的发射极，三极管 Q23的发射极接地；作为输出端的三极管Q24的集电极连接目标模块1，进行 温度补偿，三极管Q24的发射极连接调节电阻R21后接地，三极管Q24的基极 与三极管Q23的集电极相连后连接三极管Q22的发射极，三极管Q24的基极连 接电阻R20后接地。三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24的面积比为：A_Q20∶ A_Q21∶A_Q22∶A_Q23∶A_Q24＝N₀∶N₁∶N₂∶N₃∶N₄，其中比例系数N_i均为大于或 等于1的自然数，i∈[0，4]，且i为整数。在恒流源I_PTAT不变的情况下，输出 电流Io20可根据比例系数N_i的值以及调节电阻R21进行调整。

本发明实例一进行的是二阶温度补偿，其原理如下：由图1中可知，从三 极管Q20的集电极到接地GND的电压为等式1：

V_be(Q20)+V_be(Q21)＝V_be(Q22)+V_be(Q24)+Ic_(Q24)*R21

因为V_be＝(k*T/q)*ln(Ic/Is)，其中：k为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子 电量，Ic为晶体管集电极电流，Is为晶体管饱和电流。

因此得到等式2：

(k*T/q)*ln(Ic_(Q20)/Is_(Q20))+(k*T/q)*ln(Ic_(Q21)/Is_(Q21))＝(k*T/q)*ln(Ic_(Q22)/Is _(Q22))+(k*T/q)*ln(Ic_(Q24)/Is_(Q24))+Ic_(Q24)*R21

进而得到等式3：

ln[(Ic_(Q20)*Ic_(Q21)*Is_(Q22)*Is_(Q24))/(Ic_(Q22)*Ic_(Q24)*Is_(Q20)*Is_(Q21))]＝(q/kT)* Ic_(Q24)*R21

在电路原理中，Ic_(Q20)＝Ic_(Q21)＝I_PTAT，，三极管Q20、Q21、Q22、Q23、 Q24的面积比为A_Q20∶A_Q21∶A_Q22∶A_Q23∶A_Q24＝N₀∶N₁∶N₂∶N₃∶N₄，因此Is_(Q20)∶ Is_(Q21)∶Is_(Q22)∶Is_(Q24)＝N₀∶N₁∶N₂∶N₄，这样我们可以得到等式4：

ln{[(N₂*N₄)/(N₀*N₁)]*[I_PTAT²/(Ic_(Q22)*Ic_(Q24))]}＝(q/kT)*Ic_(Q24)*R21

由于N₀、N₁、N₂、N₄的比值是固定的，因此(N₂*N₄)/(N₀*N₁)的值也是固 定的，假设(N₂*N₄)/(N₀*N₁)的值为P，我们得到等式5：

ln[P*I_PTAT²/(Ic_(Q22)*Ic_(Q24))]＝(q/kT)*Ic_(Q24)*R21

从而得到等式6：

ln{1+[(P*I_PTAT²-Ic_(Q22)*Ic_(Q24))/(Ic_(Q22)*Ic_(Q24))]}＝(q/kT)*Ic_(Q24)*R21

由于(P*I_PTAT²-Ic_(Q22)*Ic_(Q24))/(Ic_(Q22)*Ic_(Q24))趋向于零，由泰勒展开 式得到等式7：

(P*I_PTAT²-Ic_(Q22)*Ic_(Q24))/(Ic_(Q22)*Ic_(Q24))≈(q/kT)*Ic_(Q24)*R21

进而得到等式8：

P*I_PTAT²-Ic_(Q22)*Ic_(Q24)≈(q/kT)*R21*Ic_(Q22)*Ic_(Q24)²

由于Ic_(Q22)与Ic_(Q24)的值很小，因此(q/kT)*R21*Ic_(Q22)*Ic_(Q24)²的值为高 阶小量，可以忽略，所以得到等式9：

P*I_PTAT²≈Ic_(Q22)*Ic_(Q24)

由图2可知：Ic_(Q22)＝Io21，Ic_(Q24)＝Io20

因为Ic_(Q22)＝Ic_(Q23)+V_be(Q24)/R20，由于Q23与Q21的面积比为A_Q23∶A_Q11＝ N₃∶N₁，得到Ic_(Q23)＝(N₃/N₁)*I_PTAT，由于I_PTAT∝k*T/q，且N₃/N₁的值是固 定的，假设N₃/N₁的值为P’，所以Ic_(Q23)＝P’*I_PTAT，Ic_(Q23)是随温度T的增大 而上升的；V_be(Q24)/R20的值是随温度T的增大而下降的；因此我们可以通过调 整P’值和电阻R20的值，使得Ic_(Q22)即Io21不随温度变化。

这样可以得到等式10：

P*I_PTAT²≈Io21*Io20

由于P值是恒定的，且Io21不随温度变化，所以Io20与I_PTAT²成正比，即 Io20∝T²。

此时，由于加入了调节电阻R21，使得Io20的值会随着调节电阻R21的增 大而减小，但不影响Io20与温度T²成正比的关系。这样就可以通过调节电阻 R21，连续调整输出电流Io20的大小。

实施例二：

请参阅图3，如图所示，一种高阶温度补偿电流产生电路，包括有在二阶温 度补偿电流产生电路的基础上形成的三阶温度补偿电流产生电路，三阶温度补 偿电流产生电路还包括有五个三极管Q30、Q31、Q32、Q33、Q34和电阻R30 及调节电阻R31，三极管Q30的集电极与基极连接恒流源I_PTAT，三极管Q30的 发射极连接三极管Q20的集电极；三极管Q22的基极和三极管Q20的基极相连 后连接三极管Q30的发射极；三极管Q31的基极和三极管Q30的基极相连后连 接恒流源I_PTAT，三极管Q31的集电极连接电源VDD，三极管Q31的发射极同 时连接三极管Q32的基极及三极管Q22的集电极；三极管Q32的集电极连接电 源VDD，三极管Q32发射极同时连接三极管Q34的基极及三极管Q33的集电 极；三极管Q33的基极与三极管Q21的基极相连后连接三极管Q20的发射极， 三极管Q33的发射极接地；作为输出端的三极管Q34的集电极连接目标模块， 进行温度补偿，三极管Q34的基极连接电阻R30后接地，三极管Q34的发射极 连接调节电阻R31后接地。三极管Q20、Q21、Q22、Q23、Q24、Q30、Q31、 Q32、Q33、Q34的面积比为：A_Q20∶A_Q21∶A_Q22∶A_Q23∶A_Q24∶A_Q30∶A_Q31∶A_Q32∶ A_Q33∶A_Q34＝N₀∶N₁∶N₂∶N₃∶N₄∶N₅∶N₆∶N₇∶N₈∶N₉，其中比例系数N_i 均为大于或等于1的自然数，i∈[0，9]，且i为整数，在恒流源I_pTAT不变的情 况下，输出电流Io30可根据比例系数N_i以及调节电阻R31的值进行调整。

本发明实施例二的三阶温度补偿的原理可以参照实施例一的原理推导，从 而得到三阶温度补偿电流Io30∝T³。

以此类推，可以得到四阶甚至更高阶的温度补偿电流产生电路，其温度补 偿的原理也可以参照实施例一的原理推导，从而得到高阶温度补偿电流Io∝Tⁿ， 其中n≥4且n为自然数。

一种高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，进行二阶温度补偿 电流调节时，先通过调整比例系数N_i和电阻R20的值使得三极管Q22的集电极 的电流Io21为不随温度变化的恒流；然后再通过调整比例系数N_i和调节电阻 R21，从而连续调节三极管Q24的集电极电流Io20的大小，使得集电极电流Io20 的大小和温度特性能够与目标模块的要求相匹配，其中i∈[0，4]，且i为整数。

一种高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，在进行二阶温度补 偿电流调节的基础上，进行三阶温度补偿电流调节，在进行三阶温度补偿电流 调节时，先通过调整比例系数N_i和电阻R30、R20的值使得三极管Q32的集电 极的电流Io31及三极管Q31的集电极的电流Io32均为不随温度变化的恒流；然 后再通过调整比例系数N_i和调节电阻R31，从而连续调节三极管Q34的集电极 电流Io30的大小，使得集电极电流Io30的大小和温度特性能够与目标模块的要 求相匹配，其中i∈[0，9]，且i为整数。

一种高阶温度补偿电流产生电路的电流连续调节方法，在进行n阶温度补 偿电流调节的基础上，进行n+1阶温度补偿电流调节，n≥3，且n为整数。