CN102033566B - 双极npn型带隙基准电压电路 - Google Patents

双极npn型带隙基准电压电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极NPN型带隙基准电压电路，在传统双极NPN型带隙基准电压源电路结构基础上，增加固定偏置电路和保护控制电路，利用标准双极NPN型带隙基准源电压源输出基准电压约为1.2伏总是小于二倍BJT管基极发射极电压约1.4伏的特性，在固定偏置电路中实现二倍BJT管基极发射极电压约为1.4伏，再通过比较器实现二倍BJT管基极发射极电压与带隙基准源输出基准电压的比较控制，既能兼顾带隙基准电压源启动又能起过压保护作用。本发明的双极NPN型带隙基准电压电路，当输出的基准电压过高时，能实现电路的自动保护，并且适合在各种双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容的工艺下制造。

Description

双极NPN型带隙基准电压电路
技术领域
本发明涉及电源电路，特别涉及一种双极NPN型带隙基准电压电路。
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双极NPN型带隙基准电压源。双极NPN型带隙基准电压源的原理是利用双极型晶体管(BJT)的基极发射极电压VBE负温度系数和等效热电压VT正温度系数的相互抵消实现零温漂电压基准。传统的双极NPN型带隙基准电压源一般由VBE+kVT二部分组成，VBE是负温度系数约为-2mV/℃，而VT是正温度系数约0.086mV/℃，VBE约0.7V，加上k倍(k＞1)的等效热电压VT，VT又与同类型比例BJT管的基极发射极电压的差ΔVBE相关，故输出电压基准也可表达为VBE+k1ΔVBE，k1为比例常数，输出电压基准的值约1.2V，它是一种稳定可靠的不随温度变化的基准电压。在实际电路设计中常把带隙基准电压再通过电阻网络分压或倍压得到各种不同的基准电压。
图1所示是双极NPN型晶体管工艺下通常的双极NPN型三管带隙基准电压源，由一偏置电流源部分5、三个NPN型比例双极型晶体管(BJT)和三个电阻等组成，图中三个NPN型比例双极型晶体管分别为第一BJT管T1、第二BJT管T2、第三BJT管T3，三个电阻分别为第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3。偏置电流源部分5向上连接电源Vdd，向下连接基准电压Vref输出端，即连接NPN型第三BJT管T3的集电极和第一电阻R1、第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端接NPN型第一BJT管T1的集电极与基极，第二电阻R2的另一端接NPN第二BJT管T2的集电极和NPN第三BJT管T3的基极，NPN第一BJT管T1、第二BJT管T2基极短接，第一BJT管T1的发射极接地，第二BJT管T2的发射极通过第三电阻R3后接地，第三BJT管T3的发射极接地。
图1中偏置电流源部分5提供带隙基准电压电路的启动和偏置，NPN型第一BJT管T1、第二BJT管T2和第一电阻R1、第三电阻R3组成小电流恒流源，若忽略基极电流，则有I2*R3＝VBE1-VBE2＝ΔVBE
所以 I 2 * R 2 = R 2 * Δ V BE R 3
当I1＝I2时，此电路输出基准电压Vref为
Vref = V BE 3 + I 2 * R 2 = V BE 3 + R 2 * Δ V BE R 3 = V BE 3 + R 2 R 3 * V T * ln k
其中VT是等效热电压，NPN型第一BJT管T1、第二BJT管T2的有效发射极面积比例为1∶k(k是大于1的比例系数)，I2为流过第二电阻R2的电流，VBE1为第一BJT管T1的基极发射极电压，VBE2为第二BJT管T2的基极发射极电压，VBE3为第三BJT管T3的基极发射极电压，ΔVBE为第一BJT管T1的基极发射极电压VBE1同第二BJT管T2的基极发射极电压VBE2的差。由于VT具有正温度特性，故在第二电阻R2上产生相应的电压I2*R2具有正温度特性，而第三BJT管T3的基极发射极电压VBE3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电压基准 Vref = V BE 3 + R 2 R 3 * V T * ln k , 当工艺一定，管子匹配，此电路输出基准电压正好接近半导体的带隙电压Vbg约1.2伏。
图2所示是双极型晶体管工艺下通常采用的双极NPN型三管带隙基准电压源实例电路。图2与图1相比，图1中的偏置电流源部分5换成了一个具体NPN型第四BJT管T4和第四电阻R4，NPN型第四BJT管T4的集电极和第四电阻R4的一端向上连接电源Vdd，第四电阻R4的另一端连接NPN型第四BJT管T4的基极并向下连接NPN型第三BJT管T3的集电极，NPN型第四BJT管T4的发射极连接基准电压Vref输出端，即第一电阻R1、第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端连接NPN型第一BJT管T1的集电极与基极同时连接第二BJT管T2的基极，第二电阻R2的另一端接NPN第二BJT管T2的集电极和NPN第三BJT管T3的基极，第一BJT管T1的发射极接地，第二BJT管T2的发射极通过第三电阻R3后接地，第三BJT管T3的发射极接地。
传统的带隙基准电压源零温漂电压是固定的1.2伏左右，主要作其他电路部分基准用，当输出的基准电压即使在过高时也不会关断，不能实现电路的自动保护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双极NPN型带隙基准电压电路，当输出的基准电压过高时，能实现电路的自动保护。
为解决上述技术问题，本发明双极NPN型带隙基准电压电路，包括一双极NPN型带隙基准电压源，一保护控制电路，一两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路；
所述双极NPN型带隙基准电压源，可以是包括NPN型比例双极型晶体管第一BJT管、第二BJT管、第三BJT管，以及NPN型第四BJT管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第四BJT管的集电极连接电源，第四BJT管的发射极连接基准电压输出端，即第一电阻、第二电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一BJT管的集电极与基极同时连接第二BJT管的基极，第二电阻的另一端接第二BJT管的集电极和第三BJT管的基极，第一BJT管的发射极接地，第二BJT管的发射极通过第三电阻后接地，第三BJT管的发射极接地，其中第二BJT管的有效发射区面积是第一BJT管的k倍，k＞1；第四电阻的一端连接第四BJT管的基极并连接第三BJT管的集电极，第四电阻的另一端通过P型金属氧化物场效应管第六PMOS管连接到电源；
所述双极NPN型带隙基准电压源，也可以是包括NPN型比例双极型晶体管第一BJT管、第二BJT管、第三BJT管，以及N型金属氧化物场效应管第四NMOS管T4、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第四NMOS管T4的漏极连接电源，第四NMOS管的源极连接基准电压输出端，即第一电阻、第二电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一BJT管的集电极与基极同时连接第二BJT管的基极，第二电阻的另一端接第二BJT管的集电极和第三BJT管的基极，第一BJT管的发射极接地，第二BJT管的发射极通过第三电阻后接地，第三BJT管的发射极接地，其中第二BJT管的有效发射区面积是第一BJT管的k倍，k＞1；第四电阻的一端连接第四NMOS管的栅极并连接第三BJT管的集电极，第四电阻的另一端通过P型金属氧化物场效应管第六PMOS管连接到电源；
所述两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路，包括两个双极型晶体管，所述两个双极型晶体管都分别将基极发射极短接，形成两个基极发射极PN结，其中一个基极发射极PN结的负端接地，正端接另一个基极发射极PN结的负端，另一个基极发射极PN结的正端作为两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端，并通过一栅漏短接的P型金属氧化物场效应管或一电阻接电源；
所述保护控制电路，包括一个P型金属氧化物场效应管第六PMOS管和一个比较器，第六PMOS管的源极接电源，漏极接双极NPN型带隙基准电压源中的第四电阻的另一端，栅极接所述比较器的输出端，所述比较器的正输入端接双极NPN型带隙基准电压源基准电压输出端，负输入端接两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端。
所述两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路中的两个双极型晶体管可以为NPN型或PNP型。
本发明的双极NPN型带隙基准电压电路，在双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容的工艺前提下，在已有的传统常用双极NPN型带隙基准电压源电路结构基础上，增加固定偏置电路和保护控制电路，利用标准双极NPN型带隙基准源电压源输出基准电压约为1.2伏总是小于二倍BJT管基极发射极电压约1.4伏的特性，在固定偏置电路中实现二倍双极型NPN管或PNP管基极发射极电压约为1.4伏，再通过比较器实现二倍BJT管基极发射极电压与带隙基准源输出基准电压的比较控制，既能兼顾带隙基准电压源启动又能起过压保护作用，当带隙基准电压源输出电压大于1.4伏，带隙基准电压源自动关闭保护，维持带隙基准电压源输出基准电压稳定工作在小于二倍BJT管基极发射极电压，最终达到兼顾启动和过压自保护功能。本发明的双极NPN型带隙基准电压电路，当输出的基准电压过高时，能实现电路的自动保护，并且适合在各种双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容的工艺下制造。
附图说明
图1是双极型晶体管工艺下通常的双极NPN型三管带隙基准电压源；
图2是双极型晶体管工艺下通常采用的双极NPN型三管带隙基准电压源实例电路；
图3是本发明的双极NPN型带隙基准电压电路原理图；
图4是本发明的双极NPN型带隙基准电压电路一实施例；
图5是本发明的双极NPN型带隙基准电压电路另一实施例。
具体实施方式
本发明的双极NPN型带隙基准电压电路原理如图3所示，它包含三大部分：一是标准的双极NPN型带隙基准电压源，二是双极NPN型带隙基准电压源的保护控制电路，三是两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路。
所述两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路，包括两个双极型晶体管(BJT)，所述两个双极型晶体管都分别将基极发射极短接，形成二个基极发射极PN结，其中一个基极发射极PN结的负端接地，正端接另一个基极发射极PN结的负端，另一个基极发射极PN结的正端作为两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端，并通过一栅漏短接的P型金属氧化物场效应管(PMOS)或一电阻接电源，所述两个双极型晶体管可以是NPN型也可是PNP型。如图4、图5所示，所述两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路22，包括一个栅漏极短接的P型金属氧化物场效应管第七PMOS管T7和二个基极和集电极短接的NPN双极型晶体管第八BJT管T8、第九BJT管T9，第七PMOS管T7的源极接电源Vdd，短接的栅漏极接第八BJT管T8的基极集电极，并作为两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端，第八BJT管T8的发射极接第九BJT管T9的基极集电极，第九BJT管T9的发射极连接地。
所述双极NPN型带隙基准电压源20，一实施例如图4所示，包括NPN型比例双极型晶体管第一BJT管T1、第二BJT管T2、第三BJT管T3，以及NPN型第四BJT管T4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，图4中第一BJT管T1、第二BJT管T2和第一电阻R1、第三电阻R3组成小电流恒流源，第四BJT管T4和第四电阻R4组成偏置电流源。第四BJT管T4的集电极连接电源Vdd，第四BJT管T4的发射极连接基准电压Vref输出端，即第一电阻R1、第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端连接第一BJT管T1的集电极与基极同时连接第二BJT管T2的基极，第二电阻R2的另一端接第二BJT管T2的集电极和第三BJT管T3的基极，第一BJT管T1的发射极接地，第二BJT管T2的发射极通过第三电阻R3后接地，第三BJT管T3的发射极接地，第一BJT管T1、第二BJT管T2是基极短接的同类型比例BJT管，其中第二BJT管T2的有效发射区面积是第一BJT管T1的k倍，k＞1；第四电阻R4的一端连接第四BJT管T4的基极并连接第三BJT管T3的集电极，第四电阻R4的另一端通过P型金属氧化物场效应管第六PMOS管T6连接到电源Vdd。
所述双极NPN型带隙基准电压源20，另一实施例如图5所示，包括NPN型比例双极型晶体管第一BJT管T1、第二BJT管T2、第三BJT管T3，以及N型金属氧化物场效应管第四NMOS管T4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，图5中第一BJT管T1、第二BJT管T2和第一电阻R1、第三电阻R3组成小电流恒流源，第四NMOS管T4和第四电阻R4组成偏置电流源。第四NMOS管T4的漏极连接电源Vdd，第四NMOS管T4的源极连接基准电压Vref输出端，即第一电阻R1、第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端连接第一BJT管T1的集电极与基极同时连接第二BJT管T2的基极，第二电阻R2的另一端接第二BJT管T2的集电极和第三BJT管T3的基极，第一BJT管T1的发射极接地，第二BJT管T2的发射极通过第三电阻R3后接地，第三BJT管T3的发射极接地，第一BJT管T1、第二BJT管T2是基极短接的同类型比例BJT管，其中第二BJT管T2的有效发射区面积是第一BJT管T1的k倍，k＞1；第四电阻R4的一端连接第四NMOS管T4的栅极并连接第三BJT管T3的集电极，第四电阻R4的另一端通过P型金属氧化物场效应管第六PMOS管T6连接到电源Vdd；
所述保护控制电路21，如图4、图5所示，包括一个P型金属氧化物场效应管第六PMOS管T6和一个比较器11，第六PMOS管T6用作为一个控制开关，受比较器输出控制，第六PMOS管T6的源极接电源Vdd，漏极接双极NPN型带隙基准电压源20中的第四电阻R4的另一端，栅极接所述比较器11的输出端，所述比较器11的正输入端接双极NPN型带隙基准电压源基准电压Vref输出端，负输入端接两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端。
图4所示电路工作过程原理如下：
当电路加电源Vdd开始工作时，第七PMOS管T7和NPN第八BJT管T8、第九BJT管T9导通，第七PMOS管T7短接的栅漏极端输出两倍BJT基极发射极电压固定偏置，约1.4伏，启动瞬间双极NPN型带隙基准电压源20的输出基准电压Vref为零，所述比较器11负输入端取样两倍BJT基极发射极电压固定偏置约1.4伏，正输入端取样带隙基准电压源输出基准电压Vref为零，所以此时比较器11输出低电平，使控制开关第六PMOS管T6导通，第六PMOS管T6与第四电阻R4形成了偏置电流通道，形成偏置电流I3，NPN第三BJT管T3导通产生基极发射极电压VBE3，这时NPN第四BJT管T4的基极电压升高，使第四BJT管T4导通，为双极NPN型三管带隙基准电压源提供了启动电流，双极NPN型带隙基准电压源很快有输出基准电压Vref，当输出基准电压Vref不断上升到1.2伏左右时电路达到平衡，此时工作状态维持双极NPN型带隙基准电压源的正常输出，I4＝I1+I2，I1＝I2，I4为第四BJT管T4的集电极电流，I1为流经第一电阻R1的电流，I2为流经第二电阻R2的电流；当双极NPN型带隙基准电压源的输出基准电压Vref异常，高于1.4伏时，比较器11输出高电平，第六PMOS管T6关断，切断了双极NPN型带隙基准电压源的偏置电流I3，从而使第三BJT管T3、第四BJT管T4截止，双极NPN型带隙基准电压源自动关闭，最终起到双极NPN型带隙基准电压源的过压保护作用。
图5所示电路原理同上，略。
本发明的双极NPN型带隙基准电压电路，在双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容的工艺前提下，在已有的传统常用双极NPN型带隙基准电压源电路结构基础上，增加固定偏置电路和保护控制电路，利用标准双极NPN型带隙基准源电压源输出基准电压约为1.2伏总是小于二倍BJT管基极发射极电压约1.4伏的特性，在固定偏置电路中实现二倍双极型NPN管或PNP管基极发射极电压约为1.4伏，再通过比较器实现二倍BJT管基极发射极电压与带隙基准源输出基准电压的比较控制，既能兼顾带隙基准电压源启动又能起过压保护作用，当带隙基准电压源输出电压大于1.4伏，带隙基准电压源自动关闭保护，维持带隙基准电压源输出基准电压稳定工作在小于二倍BJT管基极发射极电压，最终达到兼顾启动和过压自保护功能。本发明的双极NPN型带隙基准电压电路，当输出的基准电压过高时，能实现电路的自动保护，并且适合在各种双极型晶体管和金属氧化物场效应管兼容的工艺下制造。

Claims (4)

1.一种双极NPN型带隙基准电压电路，其特征在于，包括一双极NPN型带隙基准电压源，一保护控制电路，一两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路；
所述双极NPN型带隙基准电压源，包括NPN型比例双极型晶体管第一BJT管、NPN型比例双极型晶体管第二BJT管、NPN型比例双极型晶体管第三BJT管，以及NPN型第四BJT管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第四BJT管的集电极连接电源，第四BJT管的发射极连接基准电压输出端，即第一电阻、第二电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一BJT管的集电极与基极同时连接第二BJT管的基极，第二电阻的另一端接第二BJT管的集电极和第三BJT管的基极，第一BJT管的发射极接地，第二BJT管的发射极通过第三电阻后接地，第三BJT管的发射极接地，其中第二BJT管的有效发射区面积是第一BJT管的k倍，k＞1；第四电阻的一端连接第四BJT管的基极并连接第三BJT管的集电极，第四电阻的另一端通过P型金属氧化物场效应管第六PMOS管连接到电源；
所述两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路，包括两个双极型晶体管，所述两个双极型晶体管都分别将基极发射极短接，形成两个基极发射极PN结，其中一个基极发射极PN结的负端接地，正端接另一个基极发射极PN结的负端，另一个基极发射极PN结的正端作为两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端，并通过一栅漏短接的P型金属氧化物场效应管或一电阻接电源；
所述保护控制电路，包括一个P型金属氧化物场效应管第六PMOS管和一个比较器，第六PMOS管的源极接电源，漏极接双极NPN型带隙基准电压源中的第四电阻的另一端，栅极接所述比较器的输出端，所述比较器的正输入端接基准电压输出端，负输入端接两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端。
2.根据权利要求1所述的双极NPN型带隙基准电压电路，其特征在于，所述两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路中的两个双极型晶体管为NPN型或PNP型。
3.一种双极NPN型带隙基准电压电路，其特征在于，包括一双极NPN型带隙基准电压源，一保护控制电路，一两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路；
所述双极NPN型带隙基准电压源，包括NPN型比例双极型晶体管第一BJT管、NPN型比例双极型晶体管第二BJT管、NPN型比例双极型晶体管第三BJT管，以及N型金属氧化物场效应管第四NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第四NMOS管的漏极连接电源，第四NMOS管的源极连接基准电压输出端，即第一电阻、第二电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一BJT管的集电极与基极同时连接第二BJT管的基极，第二电阻的另一端接第二BJT管的集电极和第三BJT管的基极，第一BJT管的发射极接地，第二BJT管的发射极通过第三电阻后接地，第三BJT管的发射极接地，其中第二BJT管的有效发射区面积是第一BJT管的k倍，k＞1；第四电阻的一端连接第四NMOS管的栅极并连接第三BJT管的集电极，第四电阻的另一端通过P型金属氧化物场效应管第六PMOS管连接到电源；
所述两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路，包括两个双极型晶体管，所述两个双极型晶体管都分别将基极发射极短接，形成两个基极发射极PN结，其中一个基极发射极PN结的负端接地，正端接另一个基极发射极PN结的负端，另一个基极发射极PN结的正端作为两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端，并通过一栅漏短接的P型金属氧化物场效应管或一电阻接电源；
所述保护控制电路，包括一个P型金属氧化物场效应管第六PMOS管和一个比较器，第六PMOS管的源极接电源，漏极接双极NPN型带隙基准电压源中的第四电阻的另一端，栅极接所述比较器的输出端，所述比较器的正输入端接基准电压输出端，负输入端接两倍BJT基极发射极电压固定偏置输出端。
4.根据权利要求3所述的双极NPN型带隙基准电压电路，其特征在于，所述两倍BJT基极发射极电压固定偏置电路中的两个双极型晶体管为NPN型或PNP型。
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