CN100432887C - 一种电压参考源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压参考源装置，包括电阻R1和R2以及4个双极性晶体管Q1、Q2、Q3、Q4，以及4个电流镜，电流镜1，电流镜2，电流镜3，电流镜4。采用本发明所提供的电压参考源装置比现有技术相比，不仅功耗降低，电路面积减小，而且工作电压也降低了。

Description

一种电压参考源装置

技术领域

本发明涉及电压参考源领域，尤其涉及具有温度补偿功能的电压参考源。

背景技术

电压参考源为电路系统提供稳定、准确的参考电压。电压参考源的应用领域非常广泛，比如温度控制、A/D和D/A转换器、电压调整器等电路系统中都需要使用电压参考源。通常使用的电压参考源为带隙基准源，电路结构如图1所示。图1中的双极性晶体管Q1、Q2，电阻R1、R2、R3和运算放大器实现了带隙基准源。带隙基准源的工作原理为：Vout＝V_EB+M^*V_T，其中V_EB是双极性晶体管射极-基极电压，具有负温度系数；V_T是热电压，具有正温度系数。调节系数M的值就可以得到具有不同温度系数的参考电压。这种电路结构的主要缺点是1：功耗大。功耗一般情况下为0.3mW左右；2：不适合低电压使用。随着供电电压的降低，普通结构的运算放大器性能恶化从而影响整个电路的性能；3：电路面积大，电阻R1、R2、R3和运算放大器偏置电流源电路中的电阻阻值均在50K欧姆左右以保证合适的功耗，从而电路面积很大。

发明内容

本发明的目的为了解决现有技术中的电压参考源装置功耗大，电路面积大，工作电压高的缺点而提出的一种电压参考源电路。

为了实现上述发明目的，本发明提出的一种电压参考源电路，包括2个电阻R1、R2；4个双极性晶体管Q1、Q2、Q3、Q4；4个电流镜，电流镜1、电流镜2、电流镜3和电流镜4。

电流镜1和电流镜2的公共端与电源VDD连接；电流镜3和电流镜4的公共端接地，Q1-Q4的集电极接地，Q4的基极接地；电流镜1的输入端与Q1的发射极连接，电流镜1的输出端与Q1的基极连接；电流镜2的输入端与R1的一端连接，R1的另一端与Q2的发射极连接，Q2的基极与Q1的基极连接；电流镜2的输出端out1与Q3的发射极连接；电流镜2的输出端out2与电流镜4的输入端连接，电流镜4的输出端与Q1的基极连接；电流镜2的输出端out3与R2的一端连接；R2的另一端与Q4的发射极连接；Q3的基极与电流镜3的输入端连接，电流镜3的输出端与Q1的基极连接；电流镜2输出端out3的电压为输出的参考电压Vout。

该电压参考源的工作原理为：调节电流镜1-4的输入输出电流的比例关系(即调节系数X1-X7)，使得Q1的发射极电压V_E1与电流镜2输入端的电压V1相等。因而电流镜2的输入电流 $I_{E2}=\frac{V_{E1}-V_{E2}}{R1}=\frac{V_{\mathrm{EB}1}-V_{\mathrm{EB}2}}{R1}=C1\×V_T,$ V_out＝V_EB4+R2×X4×I_E2＝V_EB4+C2×R2×V_T(C1，C2为常数)。

采用本发明所述的电压参考源装置，与现有技术中的电压参考源装置相比，电阻数目减半，电阻值减小，R1、R2的电阻之和为55K欧姆左右，电路面积减小，不使用运算放大器，在很低的供电电压能够正常工作，降低了工作电压，工作电压可降至1.8V(3.3V工艺)，电路功耗降低，功耗在0.1mw左右。

附图说明

图1是典型的带隙基准源结构图；

图2是本发明所述电压参考源装置结构图；

图3是本发明所述装置实施例的结构图；

图4是本发明实施例输出的具有不同温度系数的参考电压仿真结果；

图5是本发明实施例在不同供电电压下的工作电流和输出的参考电压仿真结果。

具体实施方式

下面结合本发明所述装置的具体实施方式做进一步说明。

图3是本发明所述装置实施例的结构图。PMOS管M1、M2构成电流镜1，M3-M7构成电流镜2，M1-M6尺寸相等均为 $\frac{W}{L}=\frac{40\mathrm{um}}{3\mathrm{um}}$ (W，L分别为MOS管的栅宽和源区宽)，M7的尺寸为 ${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M7}=2\×\frac{15\mathrm{um}}{1\mathrm{um}};$ PMOS管M17改善电流镜1的性能，PMOS管M18、M19、M20改善电流镜2的性能，尺寸相等均为 $\frac{W}{L}=\frac{30\mathrm{um}}{1\mathrm{um}};$ NMOS管M8、M9、M12、M13构成电流镜3，尺寸分别为 ${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M8}={\left(\frac{W}{L}\right)}_{M12}=\frac{30\mathrm{um}}{1\mathrm{um}},$ ${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M9}={\left(\frac{W}{L}\right)}_{M13}=\frac{15\mathrm{um}}{1\mathrm{um}};$ M10、M11、M14、M15构成电流镜4，尺寸为： ${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M10}={\left(\frac{W}{L}\right)}_{M11}=\frac{60\mathrm{um}}{3\mathrm{um}},$ ${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M14}={\left(\frac{W}{L}\right)}_{M15}=\frac{60\mathrm{um}}{1\mathrm{um}},$ M5，M19和NMOS管M16构成的支路为电流镜3和电流镜4提供偏置电压，M16的尺寸为 ${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M16}=\frac{30\mathrm{um}}{3\mathrm{um}};$ 电阻R1阻值为3.6K欧姆，R2阻值可调，最大为40K欧姆；Q1-Q4为PNP管，Q1和Q3的发射极-基极结面积为4um²，Q2的为96um²，Q4的为1000um²。

所有的MOS管都工作在饱和区，双极性晶体管都工作在线性区。Q1的发射极电流为I_E1，基极电流为I_B1；Q2的发射极电流为I_E2，基极电流为I_B2；Q3的发射极电流为I_E3，基极电流为I_B3。

忽略沟道调制效应，根据MOS器件在饱和区的电压电流方程： $I_D=K\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_t)}^2$ (K为MOS的特性参数，V_t为MOS的阈值电压)，以及电流镜中各个MOS管的尺寸关系可以得到输入输出电流的比例关系为：电流镜1的输入输出电流大小关系为：I_E1＝I_D2(1)

电流镜2的输入输出电流大小关系为： $I_{E2}=I_{E3}=I_{D6}=\frac{1}{2}{I}_{D7}---\left(2\right)$

电流镜3的输入输出电流比I_B3∶I_{B3_M}＝1∶2(3)

电流镜4的输入输出电流比I_D6∶I_{D6_M}＝1∶1(4)

对Q1的基极应用基尔霍夫电流定律有：

I_D2+I_B1+I_B2＝I_{B3_M}+I_{D6_M}   (5)

将(1)，(2)，(3)，(4)式代入(5)式有：

I_E1+I_B1+I_B2＝2I_B3+I_E2       (6)

对于Q3有：I_E3＝(1+β)I_B3＝I_E2(β为Q1-Q3的电流增益)

所以有： $I_{B3}=\frac{I_{E2}}{1+\mathrm{\β}}---\left(7\right)$

对于Q1有： $I_{B1}=\frac{I_{E1}}{1+\mathrm{\β}}---\left(8\right)$

对于Q2有： $I_{B2}=\frac{I_{E2}}{1+\mathrm{\β}}---\left(9\right)$

将(7)，(8)，(9)式代入(6)式有：

$I_{E1}+\frac{I_{E1}}{1+\mathrm{\β}}+\frac{I_{E2}}{1+\mathrm{\β}}=2\frac{I_{E2}}{1+\mathrm{\β}}+I_{E2}---\left(10\right)$

由(10)式可得出：

I_E1＝I_E2       (11)

对于M1，M3应用饱和区电流公式有：

$I_{E1}=K{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M1}{(\mathrm{VDD}-V_{E1}-\mathrm{Vt})}^2---\left(12\right)$ (V_E1是Q1的发射极电压)

$I_{E2}=K{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M3}{\{\mathrm{VDD}-(V_{E2}+I_{E2}\×R1)-\mathrm{Vt}\}}^2---\left(13\right)$ (V_E2是Q2的发射极电压)

由(11)，(12)，(13)式得到：

V_E1-V_E2＝R1×I_E2        (14)

V_E1-V_E2＝V_EB1-V_EB2＝V_TlnN  (15)(V_T是热电压，N是双极性晶体管Q1和双极性晶体管Q2的基极-发射极面积的比值)

由(14)，(15)式得到： $I_{E2}=\frac{V_T}{R1}\ln N---\left(16\right)$

V_out＝V_EB4+R2×2I_E2         (17)

将(16)代入(17)有：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{EB}4}+2\×V_T\×\frac{R2}{R1}\×\ln N---\left(18\right)$

将(18)式两边对温度T求导有：

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{out}}}{\∂T}=\frac{{\∂V}_{\mathrm{EB}4}}{\∂T}+C\×R2\×\frac{{\∂V}_T}{\∂T}---\left(19\right)$ ( $C=V_T\×\frac{2}{R1}\×\ln N,$ C为常数)

$\frac{{\&PartialD;V}_{\mathrm{EB}4}}{\&PartialD;T}<0,\frac{{\&PartialD;V}_T}{\&PartialD;T}>0,$ 所以调节R2的阻值就可以得到具有不同温度系数的参考电压。

图4和图5为该实施例的仿真结果。从图4上可以看出，调节R2的阻值就可以得到具有不同温度系数的参考电压；从图5可以看出，当供电电压低至1.8v，电路仍然能够正常工作。功耗很小，工作电流小于40uA，功耗小于0.12mW。

Q1-Q4还可以采用NPN管实现、电流镜1-4采用任何结构的电流镜实现都在本专利保护范围。

Claims (7)

1、一种电压参考源装置，其特征在于，包括：第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，第一双极性晶体管(Q1)、第二双极性晶体管(Q2)、第三双极性晶体管(Q3)、第四双极性晶体管(Q4)，电流镜1、电流镜2、电流镜3和电流镜4；

电流镜1和电流镜2的公共端与电源VDD连接；电流镜3和电流镜4的公共端接地，第一至第四双极性晶体管的集电极接地，第四双极性晶体管(Q4)的基极接地；电流镜1的输入端与第一双极性晶体管(Q1)的发射极连接，电流镜1的输出端与第一双极性晶体管(Q1)的基极连接；电流镜2的输入端与第一电阻(R1)的一端连接，第一电阻(R1)的另一端与第二双极性晶体管(Q2)的发射极连接，第二双极性晶体管(Q2)的基极与第一双极性晶体管(Q1)的基极连接；电流镜2的输出端out1与第三双极性晶体管(Q3)的发射极连接；电流镜2的输出端out2与电流镜4的输入端连接，电流镜4的输出端与第一双极性晶体管(Q1)的基极连接；电流镜2的输出端out3与第二电阻(R2)的一端连接；第二电阻(R2)的另一端与第四双极性晶体管(Q4)的发射极连接；第三双极性晶体管(Q3)的基极与电流镜3的输入端连接，电流镜3的输出端与第一双极性晶体管(Q1)的基极连接；电流镜2输出端out3的电压为输出的参考电压Vout。

2、根据权利要求1所述的电压参考源装置，其特征在于，所述第一双极性晶体管(Q1)、第二双极性晶体管(Q2)、第三双极性晶体管(Q3)、第四双极性晶体管(Q4)均为PNP管，且工作在线性区。

3、根据权利要求1所述的电压参考源装置，其特征在于，所述第一双极性晶体管(Q1)、第二双极性晶体管(Q2)、第三双极性晶体管(Q3)、第四双极性晶体管(Q4)均为NPN管，且工作在线性区。

4、根据权利要求1至3任一权利要求所述的电压参考源装置，其特征在于，所述第二电阻(R2)的阻值是可以调节的，最大值为40K欧姆。

5、根据权利要求4所述的电压参考源装置，其特征在于，所述电流镜1-4都是由MOS管组成，且所有的MOS管都工作在饱和区。

6、根据权利要求5所述的电压参考源装置，其特征在于，根据所述的各个组成电流镜的MOS管的尺寸可以调节电流镜的输入输出电流的比例，使电流镜1的输入电流和电流镜2的输入电流相等。

7、根据权利要求6所述的电压参考源装置，其特征在于，根据电流镜1和电流镜2的电流关系，可以得到：

$\frac{{\&PartialD;V}_{\mathrm{out}}}{\&PartialD;T}=\frac{{\&PartialD;V}_{\mathrm{EB}4}}{\&PartialD;T}+C\&times;R2\&times;\frac{{\&PartialD;V}_T}{\&PartialD;T},$

其中，R2是第二电阻的阻值，V_EB4是第四双极性晶体管(Q4)射极-基极电压， $C=\frac{2}{R1}\&times;\ln N,$ R1是第一电阻的阻值，N是第一双极性晶体管(Q1)和第二双极性晶体管(Q2)的基极-发射极面积的比值，C是常数，V_T是热电压。

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