CN101089767A - 参考电压产生电路 - Google Patents

Abstract

一种用以供应一几乎无关温度变化的参考电压的参考电压产生电路，包括一电阻连接在该参考电压产生电路的输出端及一双极性晶体管之间，一第一电流源供应一具有正温度系数的第一电流至该电阻，一第二电流源供应一具有负温度系数的第二电流至该电阻，借由调整第一、第二电流与电阻可得到所需要的参考电压输出。

Description

参考电压产生电路

技术领域

本发明是有关于一种参考电压产生电路，特别是关于一种能根据需要调整输出电压且几乎无关温度变化的参考电压产生电路。

背景技术

在电子电路中，时常需要参考电压产生器供应一稳定的参考电压。图1是一传统的参考电压产生器10，其包括一能隙参考电压电路12供应无关温度变化的电压Vbg，电阻R1及R2串联在参考电压Vref及接地GND之间，当PMOS晶体管16操作于饱和区时，运算放大器14通过电阻R1形成负回授，所以电压V_FB等于电压Vbg，因此参考电压Vref的大小就取决于电阻R1及R2以及电压Vbg。在参考电压产生器10中，参考电压Vref的大小可以达到(VDD-V_SD)，其中，VDD为电源电压，而V_SD为PMOS晶体管16的源极与漏极之间的压差，但PMOS晶体管16的源极连接至电源电压VDD，由于源极与栅极之间有追随的现象，故当电源电压VDD中有噪声时，将使PMOS晶体管16栅极上的信号Vg也受到噪声的影响，导致PMOS晶体管16进入三极管(triode)区，进而影响到参考电压Vref，换言之，参考电压产生器10具有较差的电源供应抑制率(Power Supply Rejection Ratio；PSRR)。

为了提高参考电压产生器10的PSRR能力，如图2所示的参考电压产生器20，一般是将PMOS晶体管16换成NMOS晶体管22，电源电压VDD连接NMOS晶体管22的漏极，因此电源电压VDD中的噪声并不影响NMOS晶体管22栅极上的信号Vg，是以参考电压产生器20具有较好的PSRR，然而，由于信号Vg与参考电压Vref之间有追随关系，Vg＝Vref+Vth，其中Vth是NMOS晶体管22的临界电压，因此，若NMOS晶体管22要维持在饱和区，则参考电压Vref必须小于(VDD-V_SD-Vth)，假如电压电压VDD的最低工作电压为3V，而所需的参考电压Vref为2.5V时，参考电压产生器20便不适用。

图3是根据参考电压产生器10利用计算机软件所设计的电路，其中能隙参考电压电路30对应图1中的能隙参考电压电路12，比例电压产生器32对应图1中运算放大器14、PMOS晶体管16、电阻R1及R2所组成的放大电路，电路34及36则是输出缓冲器。图4是图3中能隙参考电压电路30的输出电压Vbg在不同频率下的PSRR仿真图，其中X轴是频率，Y轴是电压的DB值。图5是图3中比例电压产生器32输出的电压VRT1及VRB1在不同频率下的PSRR仿真图，其中X轴是频率，Y轴是电压的DB值，曲线38是电压VRT1，曲线39是电压VRB1。图6是图3中输出缓冲器34输出的参考电压VRT的PSRR仿真图，其中X轴是频率，Y轴是电压的DB值。图7是图3中输出缓冲器36输出的参考电压VRB的PSRR仿真图，其中X轴是频率，Y轴是电压的DB值。图4显示能隙参考电压电路30所输出的电压Vbg的DB值最大是在-28左右，而电压Vbg经比例电压产生器32放大后所得的电压VRT1及VRB1的DB值最大分别为-4及-6左右，如图5所示，所以，能隙参考电压电路30的PSRR远较比例电压产生器32良好，因此，若能直接由能隙参考电压电路30提供参考电压VRT1及VRB1，应能得到具有良好PSRR的参考电压VRT及VRB。然而，虽然能隙参考电压电路具有较佳的PSRR以及能提供无关温度变化的稳定电压的优点，但是，公知的能隙参考电压电路是利用双极性晶体管来产生电压，即使适当的设计双极性晶体管可以提供无关温度变化的电压，但公知的能隙参考电压电路仅能供应1.23V左右的电压。

因此，一种能根据需要调整输出电压的参考电压产生电路，乃为所冀。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种能根据需要调整输出电压的参考电压产生电路。

根据本发明，一种参考电压产生电路包括一双极性晶体管接成一二极管，一电阻连接在该参考电压产生电路的输出端及双极性晶体管之间，一第一电流源供应一具有正温度系数的第一电流至该电阻，以及一第二电流源，供应一具有负温度系数的第二电流至该电阻。

其中该第一电流源包括：一第二双极性晶体管，接成一二极管，该第二双极性晶体管的发射极与基极之间具有一第一压差；一第三双极性晶体管，接成一二极管，该第三双极性晶体管的发射极与基极之间具有一第二压差；一第二电阻性组件，根据该第一及第二压差之间的差值大小产生一具有该正温度系数的第三电流；以及一电流镜，镜射该第三电流产生该第一电流。

其中该第二电流源包括：一第二双极性晶体管，具有一发射极、一集极及一基极连接该电阻性组件；以及一第二电阻性组件，连接在该第二双极性晶体管的发射极及基极之间，根据该第二双极性晶体管的发射极及基极之间的压差产生该第二电流。

由于本发明增加了具有负温度系数的该第二电流至该电阻，因此，本发明可借由调整第一及第二电流与电阻得到所需要且几乎无关温度变化的参考电压。

附图说明

图1是公知的参考电压产生器；

图2是另一公知的参考电压产生器；

图3显示利用计算机软件设计的电路；

图4是图3中能隙参考电压电路30的输出电压Vbg的PSRR仿真图；

图5是图3中比例电压产生器32输出的电压VRT1及VRB1的PSRR仿真图；

图6是图3中参考电压VRT的PSRR仿真图；

图7是图3中参考电压VRB的PSRR仿真图；

图8是本发明的实施例；

图9显示利用计算机软件设计的电路；

图10是图9中参考电压VRB及VRT在不同温度时的仿真图；以及

图11是图9中参考电压VRB及VRT在不同频率下的PSRR仿真图。

符号说明：

10参考电压产生器

12能隙参考电压电路

14运算放大器

16PMOS晶体管

20参考电压产生器

22NMOS晶体管

30能隙参考电压电路

32比例电压产生器

34输出缓冲器

36输出缓冲器

38电压VRT1的曲线

39电压VRB1的曲线

40参考电压产生电路

401自偏电路

402PMOS晶体管

404PMOS晶体管

406PMOS晶体管

408PMOS晶体管

410NMOS晶体管

412NMOS晶体管

414PMOS晶体管

50参考电压产生电路

52输出缓冲器

54输出缓冲器

60参考电压VRB1的曲线

62参考电压VRT1的曲线

64曲线60减去曲线62后所得的曲线

70参考电压VRB1的曲线

72参考电压VRT1的曲线

具体实施方式

图8是本发明的实施例，在参考电压产生电路40中，自偏电路401供应电流Iptat，PMOS晶体管402及双极性晶体管Q3串联在电源电压VDD及接地GND之间，PMOS晶体管404、电阻R3及双极性晶体管Q4串联在电源电压VDD及接地GND之间，PMOS晶体管414接成一电容，连接在参考电压产生电路40的输出端，以稳定参考电压Vref，其中PMOS晶体管402及404镜射电流Iptat分别产生电流I2及I1。在自偏电路401中，PMOS晶体管406及408与NMOS晶体管410及412形成两个串叠(cascode)的电流镜，双极性晶体管Q1经电阻R1连接NMOS晶体管412，双极性晶体管Q2则连接NMOS晶体管410，又NMOS晶体管410及412组成电流镜，因此节点A及B的电位相等，故可求得通过电阻R1的电流

Iptat＝(Veb2-Veb1)/R1    公式1

其中，Veb1是双极性晶体管Q1的发射极与基极之间的压差，Veb2是双极性晶体管Q2的发射极与基极之间的压差。双极性晶体管Q1及Q2各接成一二极管，根据PNP双极性晶体的二极管电流公式

Id＝Iseff×e^Veb/nVt    公式2

而

Iseff＝AREA×Is    公式3

Vt＝k×T/q公式4

其中，Iseff是饱和电流，AREA是双极性晶体管的PN接面面积，Is是双极性晶体管的单位面积饱和电流，Vt是热电压，k是波兹曼(Boltzman)常数，q是1电子的电荷量，T是绝对温度，n为介于1～2之间的常数。根据公式2可得

Veb2-Veb1＝nVt×zln(Iseff1/Iseff2)    公式5

其中，Iseff1是晶体管Q1的饱和电流，Iseff2是晶体管Q2的饱和电流。

将公式3及4代入公式5中可得

Veb2-Veb1＝[n×k×T×ln(AREA1/AREA2)]/q    公式6

其中，AREA1是双极性晶体管Q1的尺寸，AREA2是双极性晶体管Q2的尺寸，两个双极性晶体管的参数Is是相同的。将公式6代入公式1可得电流

Iptat＝[n×k×T×ln(AREA1/AREA2)]/(q×R1)    公式7

其中，n、k、ln(AREA1/AREA2)、q及R1均为定值，因此，当绝对温度T上升时，电流Iptat将随着增加，故电流Iptat具有正温度系数。

另一方面，PMOS晶体管404及408连接形成一电流镜，以镜射电流Iptat产生电流I1至电阻R3，其中PMOS晶体管404与408的尺寸比为N∶1，故电流I1＝N×Iptat，PMOS晶体管402及408连接形成一电流镜，以镜射电流Iptat产生电流I2，其中PMOS晶体管402及408的尺寸比为M∶1，故电流I2＝M×Iptat，电阻R2连接在双极性晶体管Q3的发射极与基极之间，其上的电流为

Intat＝Veb3/R2    公式8

其中，Veb3是双极性晶体管Q3发射极与基极之间的压差。根据PNP双极性晶体管的特性，PNP双极性晶体管Q3发射极与基极之间的压差Veb3是随温度上升而降低，换言之，电压Veb3具有负温度系数，故电流Intat也具有负温度系数。又根据双极性晶体管的电流公式可得知，双极性晶体管Q3的基极电流

Ib＝(I2-Intat)/(β+1)  公式9

将公式8代入公式9可得

Ib＝M×Iptat/(β+1)-Veb3/[(β+1)×R2]  公式10

其中，β是双极性晶体管Q3的电流增益。参考电产生压电路40输出的参考电压

Vref＝VR3+Veb4    公式11

其中，VR3是电阻R3上的跨压，Veb4是双极性晶体管Q4的发射极与基极之间的压差。又

VR3＝Itota1×R3    公式12

而通过电阻R3的电流

Itota1＝I1+Intat+Ib＝N×Iptat+Intat+Ib  公式13

将公式7、8及10代入公式13可得

$\mathrm{Itotal}=N\×\frac{n\×k\×T\×\ln \left(\frac{\mathrm{AREA}1}{\mathrm{AREA}2}\right)}{q\×R1}+\frac{\mathrm{Veb}3}{R2}$ 公式14

$+\frac{M\×\mathrm{Iptat}}{\mathrm{\β}+1}-\frac{\mathrm{Veb}3}{(\mathrm{\β}+1)\×R2}$

再将公式12及14代入公式11可得参考电压

$\mathrm{Vref}=\mathrm{Veb}4+[N\×\frac{n\×k\×T\×\ln \left(\frac{\mathrm{AREA}1}{\mathrm{AREA}2}\right)}{q\×R1}+\frac{\mathrm{Veb}3}{R2}$ 公式15

$+\frac{M\×\mathrm{Iptat}}{\mathrm{\β}+1}-\frac{\mathrm{Veb}3}{(\mathrm{\β}+1)\×R2}]\×R3$

从公式15可看出，只要调整电阻R1、R2及R3以及尺寸比N及M便能调整参考电压Vref。

图9显示利用计算机软件设计的电路，其中电路50是根据图8的参考电压产生电路40所设计的，电路52及54则是输出缓冲器。图10及图11是根据图9的电路所做的仿真图。图10中最上面所示的曲线60是图9电路50所输出的参考电压VRB1在不同温度时的仿真图，中间所示的曲线62是电路50所输出的参考电压VRT1在不同温度时的仿真图，最下面的曲线64是将曲线60减去曲线62后所得的曲线，其中，X轴表示温度，Y轴表示电压值。从图10的仿真图中可看出，参考电压VRB1约为1.5V，参考电压VRT1约为2.4V，两者都高于公知的1.23V，而且几乎不受温度影响。图11中上面的曲线70是电路50所输出的参考电压VRB1在不同频率下的PSRR仿真图，下面的曲线72是电路50所输出的参考电压VRT1在不同频率下的PSRR仿真图，其中，X轴为频率，Y轴为电压的DB值。从图11中可看出，参考电压VRB1及VRT1的PSRR至少都有-28dB。所以，本发明的参考电压产生电路不但具有良好的PSRR能力，并可以根据需要调整所输出的几乎无关温度变化的参考电压。

Claims (3)

1.一种参考电压产生电路，用以供应一无关温度变化的参考电压在一输出端，该参考电压产生电路包括：

一双极性晶体管，接成一二极管；

一电阻性组件，连接在该输出端及双极性晶体管之间；

一第一电流源，供应一具有正温度系数的第一电流至该电阻性组件；以及

一第二电流源，供应一具有负温度系数的第二电流至该电阻性组件。

2.如权利要求1所述的参考电压产生电路，其中该第一电流源包括：

一第二双极性晶体管，接成一二极管，该第二双极性晶体管的发射极与基极之间具有一第一压差；

一第三双极性晶体管，接成一二极管，该第三双极性晶体管的发射极与基极之间具有一第二压差；

一第二电阻性组件，根据该第一及第二压差之间的差值大小产生一具有该正温度系数的第三电流；以及

一电流镜，镜射该第三电流产生该第一电流。

3.如权利要求1所述的参考电压产生电路，其中该第二电流源包括：

一第二双极性晶体管，具有一发射极、一集极及一基极连接该电阻性组件；以及

一第二电阻性组件，连接在该第二双极性晶体管的发射极及基极之间，根据该第二双极性晶体管的发射极及基极之间的压差产生该第二电流。

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