CN101930248A - 可调负电压基准电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调负电压基准电路，包括一正温度系数恒定电流源，一负温度系数恒定电流源，一可调输出电阻；所述正温度系数恒定电流源与所述负温度系数恒定电流源并联，向下连接负电源，向上连接可调输出电阻的一端并作为负电压基准输出端，可调输出电阻的另一端连接地；所述二不同温度系数恒定电流源按照一定比例叠加成一个只与电阻温度系数相关的恒定输出电流源，通过所述可调输出电阻产生可调负电压基准。本发明能实现连续可调的零温漂负电压基准源，适合双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容工艺实现。

Description

可调负电压基准电路

技术领域

本发明涉及电源电路，特别涉及一种可调负电压基准电路。

背景技术

电源管理集成电路中最经典的电压基准电路就是带隙电压基准源。传统的带隙电压基准源Vbg一般由V_BE+nV_T二部分组成，V_BE是负温度系数双极型晶体管(BJT)的基极与发射极电压，V_T是正温度系数的等效热电压，n为比例系数，n＞1。Vbg受到双极型晶体管的基极与发射极电压V_BE约0.7V的限制，加上n倍的正温度系数的等效热电压V_T，V_T与正温度系数恒定电流源中的同类型比例双极型晶体管电路中的两个BJT管的基极与发射极电压的差ΔV_BE线性相关，故输出电压基准也可表达为V_BE+n₁ΔV_BE组成，n₁为大于1的常数，输出电压基准值约1.2V，它是一种稳定可靠的不随温度变化的基准电压。用负电源电路适当调整电路的取样点就能实现负的带隙基准电压。在实际电路设计中常把带隙电压基准再通过电阻网络分压或倍压得到各种不同的基准电压。

通常金属氧化物半导体场效应管(MOS)电路实现传统的零温度系数负带隙电压基准电路有二种。

图1、图2所示是双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容工艺下通常采用的二种负带隙电压基准电路实现方法。

图1所示电路，是由同类型比例双极型晶体管(BJT)部分20、MOS管比例电流镜部分5、运算放大器18和输出部分电阻R2、第八BJT管T8等组成。MOS管比例电流镜部分5由N沟道金属氧化物场效应管(NMOS)第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3组成，其中第一MOS管T1、第二MOS管T2与第三MOS管T3的宽长比例为1∶1∶K，K是正的比例常数。它们的源极(S)都接负电压源Vss，它们的栅极(G)都连在一起接运算放大器18输出端，第一MOS管T1管的漏极(D)通过第六BJT管T6的反向PN结接地，第二MOS管T2管的漏极通过第七BJT管T7的反向PN结连接第一电阻R1到地，第三MOS管T3的漏极作为负电压基准Vref输出端，通过第八BJT管T8的反向PN结连接第二电阻R2到地，运算放大器18负输入端连接第一MOS管T1的漏极和第六BJT管T6的PN结负极端，正输入端连接第二MOS管T2的漏极和第七BJT管T7的PN结的负极端。同类型比例BJT管20部分由第六BJT管T6、第七BJT管T7和第一电阻R1组成，其中有效发射区面积第七BJT管T7是第六BJT管T6的N倍(N＞1)，第六BJT管T6、第七BJT管T7都连接成PN结构。输出部分第八BJT管T8也连接成PN结构。

该零温度系数带隙电压基准电路是利用运算放大器、MOS比例电流镜结合同类型比例双极型晶体管，第六BJT管T6、第七BJT管T7的基极与发射极电压差ΔV_BE在第一电阻R1上产生与温度成正比例系数的恒定电流

V_BE6为第六BJT管T6的基极与发射极电压、V_BE7为第七BJT管T7的基极与发射极电压，该正温度特性电流通过MOS比例电流镜相应的比例K在第二电阻R2上产生相应的正温度系数电压V2＝-K*Iptat*R2，而双极晶体管第八BJT管T8上基极与发射极电压V_BE8是负温度系数电压，当二者按一定比例叠加时正好可相互抵消，所以能产生近似为零温度系数的负电压基准Vref＝-K*Iptat*R2-V_BE8，而这电压正好接近半导体的带隙电压约负1.2伏。

图2所示电路，是由同类型比例双极型晶体管(BJT)部分20、MOS管比例电流镜部分5、MOS管正反馈电路26和输出部分第二电阻R2、第八BJT管T8等组成。MOS管比例电流镜部分5由N沟道金属氧化物场效应管(NMOS)第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3组成，其中第一MOS管T1、第二MOS管T2与第三MOS管T3的宽长比例为1∶1∶K，K是正的比例常数，它们的源极(S)都接负电压源Vss，它们的栅极(G)都连在一起接P沟道金属氧化物场效应管(PMOS)第五MOS管T5的漏极，并且第二MOS管T2的栅漏极短接，第一MOS管T1管的漏极(D)连接PMOS第四MOS管T4的漏极和栅极，第四MOS管T4、第五MOS管T5的栅极短接形成偏置节点，NMOS第一MOS管T1、NMOS第二MOS管T2和PMOS第四MOS管T4、PMOS第五MOS管T5组成正反馈电路。第三MOS管T3的漏极作为负电压基准Vref输出端，通过第八BJT管T8的反向PN结连接第二电阻R2到地。同类型比例BJT管20部分由第六BJT管T6、第七BJT管T7和第一电阻R1组成，其中发射区面积第七BJT管T7是第六BJT管T6的N倍(N＞1)，第一电阻R1一端向上连接到地，另一端连接到第七BJT管T7的PN结正极端，第七BJT管T7的PN结负极端接PMOS第五MOS管T5的源极，第六BJT管T6的PN结负极端接第四MOS管T4的源极，PN结正极端接地。

该零温度系数带隙电压基准电路是利用正反馈电路、MOS比例电流镜再结合同类型比例双极晶体管，第六BJT管T6、第七BJT管T7的基极与发射极电压差ΔV_BE在第一电阻R1上产生与温度成正比例系数的恒定电流

V_BE6为第六BJT管T6的基极与发射极电压、V_BE7为第七BJT管T7的基极与发射极电压，该正温度特性电流通过比例电流镜相应的比例在第二电阻R2上产生相应的正温度系数电压V2＝-K*Iptat*R2，而双极型晶体管第八BJT管T8上基极与发射极电压V_BE8是负温度系数电压，当二者按一定比例叠加时正好可相互抵消，所以能产生近似为零温度系数的负电压基准Vref＝-K*Iptat*R2-V_BE8，而这电压正好接近半导体的带隙电压约负1.2伏。

以上所述是传统常用的与温度变化无关的负带隙电压基准源实现方法，其特点：Vref＝-V_BE-n₁ΔV_BE，Vref＝-V_BE-nV_T，(其中n₁和n是比例系数，为大于1的常数)。Vref的绝对值总是要大于BJT管基极与发射极电压V_BE，故它受到BJT管基极与发射极电压V_BE约0.7V的限制，BJT管基极与发射极电压V_BE的负温度系数约为-2mV/℃，正温度系数恒定电流源的等效热电压V_T的正温度系数约0.086mV/℃，正温度系数恒定电流源的等效热电压V_T又与正温度系数恒定电流源中的同类型比例双极型晶体管(BJT)电路中的两个BJT管的基极与发射极电压的差ΔV_BE线性相关，故输出电压基准要达到稳定可靠的不随温度变化的电压，则正负温度系数要相互抵消，只有在固定的带隙电压基准一定范围内输出电压接近零温漂。当工艺一定，管子匹配，图1、图2中的输出电压基准Vref接近负带隙电压基准源-Vbg，基本就固定在负1.2伏附近。带隙电压基准源(Vbg，Bandgapvoltage reference)用于产生1.2V左右的与温度变化无关的基准电压，当把电阻R2加大，则输出电压绝对值增加，但其温度特性会偏向正温度系数变化，同理当把电阻R2减小，则输出电压绝对值降低，但其温度特性会偏向负温度系数变化。

图3所示是双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容工艺下通常采用的负带隙电压基准电路原理图，它由恒定正温度系数的电流源、电阻Ro和连接成PN结构的BJT管组成。恒定正温度系数的电流源向下连接负电压源Vss，向上连接BJT管的PN结负极端并作为电压基准Vref输出端，BJT管的PN结正极端与电阻Ro一端连接，电阻Ro的另一端连接地。从图3可推出：

当

时，Vref就是零温度系数的负电压基准，其中k为正的比例常数，Iptat为正温度系数恒定电流，V_BE为BJT管的基极与发射极电压，ΔV_BE为正温度系数恒定电流源中的同类型比例双极型晶体管(BJT)电路中的两个BJT管的基极与发射极电压的差，R1为图1、图2所示电路中的第一电阻，T为温度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可调负电压基准电路，所述负电压基准电路能实现包括负带隙电压在内的连续可调的零温漂负电压基准源，适合BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工艺实现。

为解决上述技术问题，本发明的可调负电压基准电路，包括：

一正温度系数恒定电流源，一负温度系数恒定电流源，一可调输出电阻；所述正温度系数恒定电流源与所述负温度系数恒定电流源并联，向下连接负电源，向上连接可调输出电阻的一端并作为负电压基准Vref输出端，可调输出电阻的另一端连接地；所述二不同温度系数恒定电流源按照一定比例叠加成一个只与电阻温度系数相关的恒定输出电流源，所述只与电阻温度系数相关的恒定输出电流源通过所述可调输出电阻产生一个正比于可调输出电阻的可调负电压基准Vref，

Vref＝-(k1*Iptat+k2*Ictat)*Ro，

当时，Vref就是零温度系数的负电压基准，其中Iptat为正温度系数恒定电流，Ictat为负温度系数恒定电流，k1与k2是正的比例常数，Ro为可调输出电阻，T为温度。

所述负温度系数恒定电流源，包括PNP第八BJT管，分压电阻第三电阻、第四电阻，匹配NMOS第九MOS管、NMOS第十MOS管、第五电阻以及偏置电路；所述匹配第九MOS管、第十MOS管的宽长完全一致，第九MOS管的源极与第八BJT管的集电极、第五电阻的一端相连到负电源，第九MOS管的漏极连接第八BJT管的基极，并向上与第三电阻的一端相连，第三电阻的另一端接第四电阻的一端及第九MOS管的栅极，第四电阻的另一端与第八BJT管的发射极和第十MOS管的栅极相连接，并与偏置电路一端相连，偏置电路另一端接地，第十MOS管的源极接第五电阻的另一端，第十MOS管的漏极接可调输出电阻并作为负电压基准Vref输出端，可调输出电阻的另一端接地。

本发明的可调负电压基准电路，利用双极型晶体管基极与发射极电压V_BE及一组电路实现温度系数为负值的恒定输出电流Ictat，利用同类型比例BJT电路的两个BJT管的基极与发射极电压的差ΔV_BE及一组电路形成温度系数为正值的恒定输出电流Iptat，二者通过一定比例叠加得到一个只与电阻温度系数有关的恒定输出电流源Iref，再通过可调输出电阻从而产生一个正比于电阻值的零温度系数可调负电压基准Vref，由于可调输出电阻连续可调，所以基准电压也连续可调，不管实际电压偏大还是偏小，温度系数都接近零，可灵活应用于双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容工艺下的所有负基准电压电路设计。

附图说明

图1是传统的负带隙电压基准源实现电路一；

图2是传统的负带隙电压基准源实现电路二；

图3是传统的负带隙电压基准源原理图；

图4是本发明的可调负电压基准电路原理图；

图5是本发明使用运放电路结构的可调负电压基准电路；

图6是本发明使用正反馈电路结构的可调负电压基准电路；

图7是本发明正温度系数恒定电流源中的同类型比例BJT管电路采用NPN管的可调负电压基准电路；

图8是本发明正温度系数恒定电流源中包括转换电流镜和运算放大器的可调负电压基准电路；

图9是本发明正温度系数恒定电流源中包括转换电流镜和正反馈电路的可调负电压基准电路；

图10是本发明负温度系数恒定电流源偏置电路采用MOS管的可调负电压基准电路。

具体实施方式

本发明的可调负电压基准电路的电路原理如图4所示，它包括一正温度系数恒定电流源10，一负温度系数恒定电流源11，一可调输出电阻Ro；所述正温度系数恒定电流源10与负温度系数恒定电流源11并联，向下连接负电源Vss，向上连接可调输出电阻Ro的一端并作为负电压基准Vref输出端，可调输出电阻Ro的另一端连接地；所述二不同温度系数恒定电流源按照一定比例叠加成一个只与电阻温度系数相关的恒定输出电流源Iref＝k1*Iptat+k2*Ictat，其中Iref为流经可调输出电阻Ro的恒定输出电流源，Iptat为正温度系数恒定电流，Ictat为负温度系数恒定电流，k1与k2是正的比例常数，k1与k2满足等式

所述只与电阻温度系数相关的恒定输出电流源Iref通过所述可调输出电阻Ro产生一个正比于可调输出电阻Ro的电阻值的零温度系数可调负电压基准Vref。

Vref＝-(k1*Iptat+k2*Ictat)*Ro，

当

时，Vref就是零温度系数的负电压基准，T为温度。

正温度系数恒定电流源可以采用运算放大器结构，本发明的可调负电压基准电路的实施例一电路如图5所示，是双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容工艺下一种新颖可调的零温漂负电压基准电路，它包括正温度系数恒定电流源10、负温度系数恒定电流源11及可调输出电阻Ro。该正温度系数恒定电流源10包括同类型比例BJT管电路20、MOS管比例电流镜5、运算放大器18。MOS管比例电流镜5包括NMOS第一MOS管T1、NMOS第二MOS管T2、NMOS第三MOS管T3，其中第一MOS管T1、第二MOS管T2与第三MOS管T3的宽长比例为1∶1∶k1，它们的源极都接负电源Vss，它们的栅极都连在一起接运算放大器18输出端，第一MOS管T1的漏极连接同类型比例BJT管电路PNP第六BJT管T6的集电极和基极，第六BJT管T6的发射极接地，第二MOS管T2的漏极连接同类型比例BJT管电路PNP第七BJT管T7的集电极和基极，第七BJT管T7的发射极与第一电阻R1一端相连，第一电阻R1另一端接地，第三MOS管T3的漏极接可调输出电阻Ro并作为负电压基准Vref输出端。运算放大器18负输入端连接第一MOS管T1的漏极和第六BJT管T6的集电极和基极，正输入端连接第二MOS管T2的漏极和同类型比例BJT管电路PNP第七BJT管T7的集电极和基极。同类型比例BJT管电路20包括PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7和第一电阻R1，其中第七BJT管T7的有效发射极面积是第六BJT管T6的N倍(N＞1)，第六BJT管T6、第七BJT管T7都是基极和集电极短接连接成二极管PN结构。负温度系数恒定电流源11包括PNP第八BJT管T8，分压电阻第三电阻R3、第四电阻R4，精密匹配NMOS第九MOS管T9、NMOS第十MOS管T10、第五电阻R5以及偏置电路第六电阻R6；匹配NMOS第九MOS管T9的源极与PNP管第八BJT管T8的集电极、第五电阻R5的一端相连到负电源Vss，NMOS第九MOS管T9的漏极连接PNP第八BJT管T8的基极，并向上与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接第四电阻R4的一端及第九MOS管T9的栅极，第四电阻R4的另一端与PNP第八BJT管T8的发射极和匹配NMOS第十MOS管T10的栅极相连接，并与偏置电路第六电阻R6一端相连，第六电阻R6另一端接地，NMOS第十MOS管T10的源极接第五电阻R5的另一端，第十MOS管T10的漏极接可调输出电阻Ro并作为负电压基准Vref输出端，可调输出电阻Ro的另一端接地。

在图5所示电路中，正温度系数恒定电流源10中NMOS管比例电流镜5中第一MOS管T1、第二MOS管T2与第三MOS管T3的宽长比例为1∶1∶k1，k1是正的比例常数，当忽略失调则图中流过第一MOS管T1的电流I1和流过第二MOS管T2的电流I2相同，I1＝I2，由于运算放大器18的调节，运算放大器18的正输入端同负输入端的的电压相同。同类型比例BJT管电路20决定正温度系数恒定电流Iptat大小。假设PNP第七BJT管T7的有效发射极面积是PNP第六BJT管T6的N倍(N＞1)，从图5得：

运算放大器18的负输入端电压＝-V_BE6，

运算放大器18的正输入端电压＝-V_BE7-I2*R1

因为同类型比例PNP管的有效发射极面积比N等于其反向饱和电流比(Is2/Is1)，

所以基准电流 $I2=\frac{V_{\mathrm{BE}6}-V_{\mathrm{BE}7}}{R1}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{R1}=\frac{V_T}{R1}\ln (\frac{I_1}{I_2}*\frac{I_{s2}}{I_{s1}})=\frac{V_T}{R1}\ln \left(N\right)$ …式1

从式1得I2与等效热电压V_T成正比，而V_T具有正温度系数特性，则I2为Iptat，

由于MOS电流镜，忽略失调效应，NMOS第三MOS管T3、第二MOS管T2的宽长比例为k1，则第三MOS管T3的镜像电流I3为：

$I3=k1*I2=k1*\frac{V_T}{R1}\ln \left(N\right)$ …式2

负温度系数恒定电流源11中PNP第八BJT管T8的基极与发射极电压V_BE8之间并有第三电阻R3、第四电阻R4，由于分压作用，第四电阻R4两端的电压V4为：

$V4=V_{\mathrm{BE}8}*\frac{R_4}{R_3+R_4}$ …式3

由图5可知，-Vgs9-V4＝-I1O*R5-Vgs10    …式4

其中Vgs9为第九MOS管T9的栅源电压，其中Vgs10为第十MOS管T10的栅源电压，I10为流经第五电阻R5的电流，因为第九MOS管T9与第十MOS管T10精密匹配，Vgs9＝Vgs10，所以可得：

$I10=V_{\mathrm{BE}8}*\frac{R_4}{(R_3+R_4)R_5}$ …式5

从式5得I10与V_BE8成正比，由于双极型晶体管(BJT)的基极与发射极电压V_BE具有负温度系数特性，I10为负温度系数恒定电流Ictat；

图5中正温度系数恒定电流源10、负温度系数恒定电流源11在负电压基准Vref输出端处叠加，形成了恒定电流Iref。

$\mathrm{Iref}=I3+I10=k1*\frac{V_T}{R1}\ln \left(N\right)+V_{\mathrm{BE}8}*\frac{R_4}{(R_3+R_4)R_5}$ …式6

当满足一定关系式时，就形成了低温度系数的恒定电流Iref。要实现正负温度系数的抵消，需满足

忽略电阻温漂从式6可得：

$\frac{\∂V_T}{\∂T}*\frac{k1}{R1}\ln \left(N\right)+\frac{\∂V_{\mathrm{BE}8}}{\∂T}*\frac{R_4}{(R_3+R_4)R_5}=0$ …式7

由于等效热电压V_T的正温度系数约0.086mV/℃，双极型晶体管(BJT)的基极与发射极电压V_BE的负温度系数约-2mV/℃，则

$0.086*\frac{k1}{R1}\ln \left(N\right)-2*\frac{R_4}{(R_3+R_4)R_5}=0$ …式8

式8是产生低温漂电流源的条件，所以图5电路若设计参数如下：

PNP第七BJT管T7有效发射极面积是第六BJT管T6的8倍，R1＝11千欧，R3＝R4＝20千欧，R5＝50千欧，NMOS第三MOS管T3、第二MOS管T2的宽长比例为k1＝1，Ro＝25千欧；

按等效热电压V_T常温下约等于26mV，V_BE8常温下约等于700mV，则得：

I3＝5uA，I10＝7uA，Iref＝12uA，

零温漂负电压基准Vref＝-300mV；当可调输出电阻Ro变化则Vref变化，但零温度系数不变。

正温度系数恒定电流源可以采用正反馈电路结构，实施例二电路如图6所示，图6所示电路与图5所示电路的区别在正温度系数恒定电流源10，图6采用MOS管正反馈电路结构，图5采用运算放大器结构。正温度系数恒定电流源10采用图2的正反馈电路结构，它包括同类型比例BJT管电路20、MOS比例电流镜5及正反馈电路26；MOS管比例电流镜部分5由N沟道金属氧化物场效应管(NMOS)第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3组成，其中第一MOS管T1、第二MOS管T2与第三MOS管T3的宽长比例为1∶1∶k1，k1是正的比例常数，它们的源极(S)都接负电源Vss，它们的栅极(G)都连在一起接P沟道金属氧化物场效应管(PMOS)第五MOS管T5的漏极，并且第二MOS管T2的栅漏极短接，第一MOS管T1管的漏极(D)连接PMOS第四MOS管T4的漏极和栅极，匹配第四MOS管T4、第五MOS管T5的栅极短接形成偏置节点，NMOS第一MOS管T1、NMOS第二MOS管T2和PMOS第四MOS管T4、PMOS第五MOS管T5组成正反馈电路，实现共源共栅的放大功能。第三MOS管T3的漏极接可调输出电阻Ro并作为负电压基准Vref输出端。同类型比例BJT管电路20包括PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7和第一电阻R1，其中发射区面积第七BJT管T7是第六BJT管T6的N倍(N＞1)，PNP管第六BJT管T6、第七BJT管T7基极和集电极分别短接形成PN结二极管结构，第一电阻R1一端向上连接到地，另一端连接到第七BJT管T7的发射极，第七BJT管T7的集电极和基极短接并与PMOS第五MOS管T5的源极连接，第六BJT管T6的集电极和基极短接并与第四MOS管T4的源极连接，发射极接地。

正温度系数恒定电流源10中的同类型比例BJT管电路20的第六BJT管T6、第七BJT管T7可以采用PNP管，也可以采用NPN管。实施例三电路如图7所示，图7所示电路是由图5改变而来，它们的差异在正温度系数恒定电流源10，其中的同类型比例BJT管电路20，图5中的同类型比例BJT管电路20是基极和集电极分别短接的PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7，而图7的同类型比例BJT管电路是基极和集电极分别短接于地的NPN第六BJT管T6、NPN第七BJT管T7，第七BJT管T7的发射极接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端接第二MOS管T2的漏极和运算放大器18的正输入端，第六BJT管T6的发射极接第一MOS管T1的漏极和运算放大器18的负输入端。

实施例四电路如图8所示，图8所示电路是由图5所示电路改变而来，它们的差异在正温度系数恒定电流源10，图8所示电路比图5所示电路多了组转换电流镜。它也包括正温度系数恒定电流源10、负温度系数恒定电流源11及可调输出电阻Ro。正温度系数恒定电流源10包括PMOS比例电流镜5、NMOS转换电流镜35、同类型比例BJT管电路20和运算放大器18，PMOS比例电流镜5包括PMOS第一MOS管T1、PMOS第二MOS管T2与PMOS第三MOS管T3，其中第一MOS管T1、第二MOS管T2与第三MOS管T3的宽长比例为1∶1∶k1，k1是正的比例常数，它们的源极都接地，它们的栅极都连在一起接运算放大器18输出端，第一MOS管T1的漏极连接同类型比例BJT管电路PNP第六BJT管T6的发射极并与运算放大器18的负输入端相连，第六BJT管T6的集电极和基极短接到负电源Vss，第二MOS管T2的漏极连接运算放大器18的正输入端及第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端接同类型比例BJT管电路PNP第七BJT管T7的发射极，第七BJT管T7的集电极和基极短接到负电源Vss，第三MOS管T3的漏极连接到转换电流镜35的NMOS第十二MOS管T12的漏极与栅极，NMOS第十二MOS管T12、NMOS第十三MOS管T13共栅极，源极都短接到负电源Vss，形成转换电流镜35，第十二MOS管T12、第十三MOS管T13的宽长比例为1∶1，第十三MOS管T13的漏极接可调输出电阻Ro并作为负电压基准Vref输出端。同类型比例BJT管电路20包括PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7和第一电阻R1，其中第七BJT管T7的有效发射极面积是第六BJT管T6的N倍(N＞1)。负温度系数恒定电流源11电路结构不变。

实施例五电路如图9所示，图9所示电路是图8所示电路的另一种变形电路。它也包括正温度系数恒定电流源10、负温度系数恒定电流源11及可调输出电阻Ro。它与图8所示电路的差异在正温度系数恒定电流源10，图9所示电路采用了正反馈电路结构，而图8所示电路采用了运算放大器结构。正温度系数恒定电流源10包括同类型比例BJT管电路20、PMOS比例电流镜5、正反馈电路和NMOS转换电流镜35。PMOS比例电流镜5包括PMOS第一MOS管T1、PMOS第二MOS管T2与PMOS第三MOS管T3，其中第一MOS管T1、第二MOS管T2与第三MOS管T3的宽长比例为1∶1∶k1，k1是正的比例常数，它们的源极都接地，它们的栅极都连在一起接NMOS第五MOS管T5的漏极，并且第二MOS管T2的栅漏极短接，第一MOS管T1的漏极连接NMOS第四MOS管T4的漏极和栅极，匹配NMOS管第四MOS管T4、第五MOS管T5的栅极短接形成偏置节点，第二MOS管T2管的栅漏极连接NMOS第五MOS管T5的漏极，PMOS第一MOS管T1、PMOS第二MOS管T2和NMOS第四MOS管T4、NMOS第五MOS管T5组成正反馈电路结构。PMOS第三MOS管T3的漏极连接到NMOS第十二MOS管T12的漏极和栅极，NMOS第十二MOS管T12、NMOS第十三MOS管T13共栅极，源极都短接到负电源Vss，形成转换电流镜35，第十二MOS管T12、第十三MOS管T13的宽长比例为1∶1，第十三MOS管T13的漏极接可调输出电阻Ro并作为负电压基准Vref输出端。同类型比例BJT管电路20包括PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7和第一电阻R1，其中第七BJT管T7的有效发射极面积是第六BJT管T6的N倍(N＞1)，PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7基极和集电极分别短接到负电源Vss，PNP第六BJT管T6的发射极连接第四MOS管T4的源极，第一电阻R1一端向上连接第五MOS管T5的源极，另一端连接到PNP第七BJT管T7的发射极。负温度系数恒定电流源11电路结构不变。

负温度系数恒定电流源11中，负温度系数恒定电流源11的偏置电路可以用适当的电阻，如图5、图6、图7、图8、图9所示电路，也可以选用NMOS管或PMOS管，只是所给偏置电压不同。实施例六电路如图10所示，图10所示电路是由图5所示改变而来，它们的差异在负温度系数恒定电流源11，其中的偏置电路不同，图5所示电路的负温度系数恒定电流源11的偏置电路是第六电阻R6，而图10所示电路的负温度系数恒定电流源11的偏置电路是PMOS第十一MOS管T11，其作用相同。图10所示电路的负温度系数恒定电流源11包括PNP第八BJT管T8，分压电阻第三电阻R3、第四电阻R4，精密匹配NMOS第九MOS管T9、NMOS第十MOS管T1O、第五电阻R5以及偏置电路PMOS第十一MOS管T11；匹配NMOS第九MOS管T9的源极与PNP管第八BJT管T8的集电极、第五电阻R5的一端相连到负电源Vss，NMOS第九MOS管T9的漏极连接PNP第八BJT管T8的基极，并向上与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接第四电阻R4的一端及第九MOS管T9的栅极，第四电阻R4的另一端与PNP第八BJT管T8的发射极和匹配NMOS第十MOS管T10的栅极相连接，并与偏置电路PMOS第十一MOS管T11的漏极相连，第十一MOS管T11的源极接地，栅极接偏置电压，NMOS第十MOS管T10的源极接第五电阻R5的另一端，第十MOS管T10的漏极接可调输出电阻Ro并作为负电压基准Vref输出端，可调输出电阻Ro的另一端接地。

对于图5、图6、图10的PNP第七BJT管T7和第一电阻R1的位置可互换，不影响电路性能，第七BJT管T7的发射极接地，第七BJT管T7的集电极和基极接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端接第五MOS管T5的源极(图6)或运算放大器18的正输入端(图5、图10)。

图5到图10所示电路都是从图4原理图衍生而来，它们都包括正温度系数恒定电流源10、负温度系数恒定电流源11及可调输出电阻Ro三大部分。各自区别在于采用不同的正温度系数恒定电流源10、不同的负温度系数恒定电流源11组合，虽然电路不尽相同，但最终实现的功能是一样的。这些电路都是先通过电路设计把正温度系数恒定电流源和负温度系数恒定电流源按特定比例叠加，实现只与电阻温度系数相关的恒定电流源，通过可调输出电阻Ro实现可调的零温度系数的负电压基准源，由于可调输出电阻Ro连续可调，所以基准电压也连续可调，可灵活应用于双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容工艺下的所有基准负电压电路设计。当去掉可调输出电阻Ro时，可直接作为只与电阻温度系数相关的恒定电流基准源用。

Claims (9)

1.一种可调负电压基准电路，其特征在于，包括：

一正温度系数恒定电流源，一负温度系数恒定电流源，一可调输出电阻；所述正温度系数恒定电流源与所述负温度系数恒定电流源并联，向下连接负电源，向上连接可调输出电阻的一端并作为负电压基准Vref输出端，可调输出电阻的另一端连接地；所述二不同温度系数恒定电流源按照一定比例叠加成一个只与电阻温度系数相关的恒定输出电流源，所述只与电阻温度系数相关的恒定输出电流源通过所述可调输出电阻产生一个正比于可调输出电阻的可调负电压基准Vref，

Vref＝-(k1*Iptat+k2*Ictat)*Ro，

当

时，Vref就是零温度系数的负电压基准，其中Iptat为正温度系数恒定电流，Ictat为负温度系数恒定电流，k1与k2是正的比例常数，Ro为可调输出电阻，T为温度。

2.根据权利要求1所述的可调负电压基准电路，其特征在于，所述负温度系数恒定电流源，包括PNP第八BJT管，分压电阻第三电阻、第四电阻，匹配NMOS第九MOS管、NMOS第十MOS管、第五电阻以及偏置电路；所述匹配第九MOS管、第十MOS管的宽长完全一致，第九MOS管的源极与第八BJT管的集电极、第五电阻的一端相连到负电源，第九MOS管的漏极连接第八BJT管的基极，并向上与第三电阻的一端相连，第三电阻的另一端接第四电阻的一端及第九MOS管的栅极，第四电阻的另一端与第八BJT管的发射极和第十MOS管的栅极相连接，并与偏置电路一端相连，偏置电路另一端接地，第十MOS管的源极接第五电阻的另一端，第十MOS管的漏极接可调输出电阻并作为负电压基准Vref输出端，可调输出电阻的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的可调负电压基准电路，其特征在于，所述偏置电路为第六电阻，第六电阻一端接第四电阻的另一端、第八BJT管的发射极和第十MOS管的栅极，另一端接地。

4.根据权利要求2所述的可调负电压基准电路，其特征在于，所述偏置电路为PMOS第十一MOS管，所述PMOS第十一MOS管漏极接第四电阻的另一端、第八BJT管的发射极和第十MOS管的栅极，第十一MOS管的源极接地，栅极接偏置电压。

5.根据权利要求2所述的可调负电压基准电路，其特征在于，所述正温度系数恒定电流源，包括同类型比例BJT管电路、MOS管比例电流镜、运算放大器；所述MOS管比例电流镜包括NMOS第一MOS管、NMOS第二MOS管、NMOS第三MOS管，其中第一MOS管、第二MOS管与第三MOS管的宽长比例为1∶1∶k1，k1为正的比例常数，它们的源极都接负电源，它们的栅极都连在一起接运算放大器输出端，运算放大器负输入端连接第一MOS管的漏极，正输入端连接第二MOS管的漏极，第三MOS管的漏极连接所述可调输出电阻作为负电压基准Vref输出端；所述同类型比例BJT管电路包括PNP第六BJT管、PNP第七BJT管和第一电阻，第一电阻同第七BJT管的PN结串接于所述运算放大器正输入端和地之间，第六BJT管的PN结串接于所述运算放大器负输入端和地之间。

6.根据权利要求2所述的可调负电压基准电路，其特征在于，所述正温度系数恒定电流源，包括同类型比例BJT管电路、MOS管比例电流镜及正反馈电路，所述MOS管比例电流镜包括NMOS第一MOS管、NMOS第二MOS管、NMOS第三MOS管，其中第一MOS管、第二MOS管与第三MOS管的宽长比例为1∶1∶k1，k1是正的比例常数，它们的源极都接负电源，它们的栅极都连在一起接PMOS第五MOS管的漏极，并且第二MOS管的栅漏极短接，第一MOS管的漏极连接PMOS第四MOS管的漏极和栅极，匹配第四MOS管、第五MOS管的栅极短接形成偏置节点，第一MOS管、第二MOS管和第四MOS管、第五MOS管组成正反馈电路，第三MOS管的漏极连接所述可调输出电阻作为负电压基准Vref输出端；所述同类型比例BJT管电路包括PNP第六BJT管、PNP第七BJT管和第一电阻，第一电阻同第七BJT管的PN结串接于所述第五MOS管源极和地之间，第六BJT管的PN结串接于所述第四MOS管源极和地之间。

7.根据权利要求2所述的可调负电压基准电路，其特征在于，所述正温度系数恒定电流源包括MOS比例电流镜、转换电流镜、同类型比例BJT管电路和运算放大器，所述MOS比例电流镜包括PMOS第一MOS管、PMOS第二MOS管与PMOS第三MOS管，其中第一MOS管、第二MOS管与第三MOS管的宽长比例为1∶1∶k1，k1是正的比例常数，它们的源极都接地，它们的栅极都连在一起接运算放大器输出端，第一MOS管的漏极连接同类型比例BJT管电路PNP第六BJT管的发射极并与运算放大器的负输入端相连，第六BJT管的集电极和基极短接到负电源，第二MOS管的漏极连接运算放大器的正输入端及第一电阻的一端，第一电阻的另一端接同类型比例BJT管电路PNP第七BJT管的发射极，第七BJT管的集电极和基极短接到负电源，第三MOS管的漏极连接到转换电流镜的NMOS第十二MOS管的漏极与栅极，NMOS第十二MOS管、NMOS第十三MOS管共栅极，源极都短接到负电源，形成转换电流镜，第十三MOS管的漏极连接所述可调输出电阻作为负电压基准Vref输出端。

8.根据权利要求2所述的可调负电压基准电路，其特征在于，所述正温度系数恒定电流源包括MOS比例电流镜、转换电流镜、同类型比例BJT管电路和正反馈电路；所述MOS比例电流镜包括PMOS第一MOS管、PMOS第二MOS管与PMOS第三MOS管，其中第一MOS管、第二MOS管T2与第三MOS管的宽长比例为1∶1∶k1，k1是正的比例常数，它们的源极都接地，它们的栅极都连在一起接NMOS第五MOS管的漏极，并且第二MOS管的栅漏极短接，第一MOS管的漏极连接NMOS第四MOS管的漏极和栅极，匹配NMOS管第四MOS管、第五MOS管的栅极短接形成偏置节点，第二MOS管的栅漏极连接第五MOS管的漏极，PMOS第一MOS管、PMOS第二MOS管和NMOS第四MOS管、NMOS第五MOS管组成正反馈电路结构；同类型比例BJT管电路包括PNP第六BJT管、PNP第七BJT管和第一电阻，第六BJT管、第七BJT管基极和集电极分别短接到负电源，第六BJT管的发射极连接第四MOS管的源极，第一电阻一端向上连接第五MOS管的源极，另一端连接到第七BJT管的发射极；第三MOS管的漏极连接到NMOS第十二MOS管的漏极和栅极，NMOS第十二MOS管、NMOS第十三MOS管共栅极，源极都短接到负电源，形成转换电流镜，第十三MOS管的漏极连接所述可调输出电阻作为负电压基准Vref输出端。

9.根据权利要求5、6、7、8所述的可调负电压基准电路，其特征在于，电路参数特定比例关系满足条件：

$\frac{\∂V_T}{\∂T}*\frac{k1}{R1}\ln \left(N\right)+\frac{\∂V_{\mathrm{BE}8}}{\∂T}*\frac{R_4}{(R_3+R_4)R_5}=0$

其中R1为第一电阻，R3为第三电阻，R4为第四电阻，R5为第五电阻，第二MOS管与第三MOS管的宽长比例为1∶k1，k1是正的比例常数，同类型比例BJT管电路第六BJT管有效发射区面积与第七BJT管有效发射区面积的比例为1∶N，N＞1，V_BE8为PNP第八BJT管的基极射极电压，V_T为正温度系数恒定电流源的等效热电压，T为温度。

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