CN103558896A

CN103558896A - 一种固定电压参考电路

Info

Publication number: CN103558896A
Application number: CN201310539081.8A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Suzhou Baker Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Baker Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-02-05

Abstract

一种固定电压参考电路，产生两个输出电压响应电源的输出。一个输出参考正电源端V _CC且另一个输出参考负电源端V _EE。所提供的第一个△ V _BE参考电路产生一对温度补偿的电压。第二个△ V _BE参考电路运行一个提供第一个△ V _BE参考的稳压器。结果，两个输出电压是温度补偿的且实质上不依赖于电源电压变化。

Description

一种固定电压参考电路

技术领域

本发明涉及一种提供一对电压的电路，其特别适合于操作射极耦合逻辑（ECL）电路。一个电压通常对ECL电流源进行偏置并针对负电源端V _EE作参考。其它电压值用作开关的阈值电平且针对正电源端V _CC作参考。作为一个实际问题的ECL电路具有相对小的电压摆幅并且必须工作在可变电源电压存在且噪音在一定程度上是一定存在的条件下。 ECL系统卓越的措施之一是它的抗干扰性和电源电压变化的耐受性。在一种意义上，系统将给电源的+和-端子分别提供两个参考电压，其方式是，他们不随任何负载条件或温度而变化。此外，他们将不会随电源电压的变化而变化。作为一个实际问题，这些条件可以类似。如果需要的话，可以为这两个电压定制一个受控温度从而满足ECL系统的要求。

背景技术

传统ECL电源供有用的ECL操作的同时，给噪声容限和电源变化容限留下很大的改进余地。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个ECL电源控制电路，其对于电源的变化不敏感并具有低且控制良好的温度系数。

本发明的另一个目的是提供一个ECL偏置和参考电势，其能够改善噪声容限并有一个低且控制良好的电压温度系数。

本发明的再一个目的是提供用于ECL系统的电源无关的偏置和阈值电压，其具有低且控制良好的电压温度系数并能够向其中从动多个输出电源电路。

本发明的技术解决方案是：

这些和其它的目的通过使用下面的配置实现。△V _BE发生器提供偏置电流从而使产生具有正温度系数的电压。电压在串联连接的第一比例电阻器中放大且结合正向偏置PN结的压降，其产生一个负温度系数电压。当合并后的电压基本上等于推断为绝对零的硅带隙（约1.3伏）的电压，由此产生的电压基本上具有零温度系数。组合可以被制成具有任意一个所需要的正或负温度系数的电压。对使用NPN晶体管的负电源端，这个电压是理想的参考。△V _BE发生器中流动的电流被返回到使用第二比例串联电阻的正电源，其还产生正温度系数电压。这是结合了第二个正向偏置PN结的压降，其提供一个负温度系数电压。在这种情况下，合并后的电压有一个低或零温度系数且被引用到正电源端。第二△V _BE发生器用来产生第二参考电压，其用于控制一个内部稳压电源且依次给两个△V _BE参考提供一个恒定的电流。因此，稳压电源有一个零或低的温度系数且两个输出电压和电源电压无关。此外，多个从属输出电路可以被采用，其中隔离的ECL电路可从单电源中运行。最后，如果需要，第二个△V _BE参考和稳压电源可以从第三个△V _BE参考和稳压器中运行，其进一步降低电源电压灵敏度。

对比专利文献：CN202475829U一种参考电压发生电路 201120541601.5.

附图说明：

图1是现有技术的电路的原理图；

图2是本发明的基本电路的原理图；

图3A是本发明的改进型电路的原理图；

图3B是一个示出了图3A部分的一种替代电路的局部示意图；

图3C是一个示出了图3A部分的另一种替代电路的局部示意图；

图4是图3A的改进型地哪路的原理图。

具体实施方式：

在图1所示的现有技术的电路中。当V _EE被施加到负电压电极的端子1时，在典型的射极耦合逻辑中，正电源电极10接地。电路的核心是一个△V _BE发生器电路。晶体管12和13在不同的射极电流密度中工作，所以，它们的基极至发射极电压（△V _BE）的值不同。如果晶体管12是二极管连接，其在更高的电流密度中工作，它的△V _BE将超过晶体管13的△V _BE且△V _BE的差将在电阻14中出现。该电压具有线性的正温度系数且在绝对零度处下降到零。△V _BE的实际值有下列关系：

Figure 2013105390818100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

其中：

k为玻尔兹曼常数

T为绝对温度

q是电子电荷

是两个晶体管中的电流密度比。

由于电阻器15通过的电流和电阻器14的电流相同，它会通过电阻器15和电阻器14的比值产生一个与△V _BE相关的电压。

晶体管13的集电极直接耦合到晶体管16的基极，所以晶体管16的和电阻器15两端的电压串联。晶体管16作为一个误差放大器且它的集电极耦合到晶体管18的基极，其发射极耦合到电阻器15并作为晶体管13的电源。这是一个负反馈放大器系统，其将电阻14两端的电压稳定在△V _BE。晶体管19的基极与晶体管18的并联驱动，从而晶体管19发射极的电位和晶体管18发射极的电位相同。如果电阻20与电阻15匹配，晶体管12和13中的电流相等。这就是说在晶体管12和13的电流密度差完全取决于它们的面积差异。这种几何关系可以在集成电路制造中相对精确地控制。

作为一个易于识别的近似方程（1），如果晶体管13的面积是晶体管12的10倍，在约300°K时，电阻器14两端的电压约为60mv，其系数约为0.2毫伏/度。在300°K时，一个典型的结二极管的温度系数约为-2毫伏/度。因此，如果电阻器15制成电阻器14的值的十倍左右，它会产生一个系数为2毫伏/度的电压，以便大致和二极管系数相匹配。在这种条件下，晶体管18发射极上的电位将接近1.3伏特，其为绝对零度的硅的外推带隙电位。

从上面可以看出，补偿电位V _cs的调节的温度在端口21是可提供的。参考V _EE，电压V ₂约为1.3伏。应注意的是，晶体管16的集电极通过电阻器17和电阻器22返回到地面。通常，由于电源电压的变化，这将导致电路的工作变化。但是，晶体管23是一个作为并联稳压器的传统的衬底连接的PNP晶体管。由于V _CC至V _EE的差异增加，电阻器22的电流也增加，因此电阻17，晶体管23将在电阻器17周围产生大量且并联的电流，从而减少了晶体管18的基极电位变化。这意味着V ₂将不受温度和电源电压的减少而影响。

该电路还包含电阻器25,其完成晶体管18的集电极电路到地面。如果电阻器25和电阻器15相同，它会产生一个具有正温度系数的类似的电压且射极跟随器26将该电压耦合到V _BB端子27。因此，晶体管26的V _BE串联耦合在电阻25两端的电压。这意味着参考V _CC，在端子27的V _BB为V ₁。对于上述条件的V ₁也将是一个补偿1.3伏的调节的温度。

当图1的电路是可操作和有用的，但不完全解决它对待的问题。例如，在衬底PNP晶体管23提供了一个相对不受控制的电流增益特性。此外，分流的电流是R ₁₇和晶体管23的V _BE的函数。该电阻器具有正温度系数，V _BE具有负温度系数，导致分流电流中和处理参数一样的温度函数有很大的变化。作为一个实际问题，电源电压的变化在晶体管16的集电极电流中会产生变化。反过来，这将改变晶体管16的V _BE，从而改变V ₁和V ₂。

在接下来的讨论中，其目的是在由传统硅单片双极型器件形成的集成电路（IC）中构造该电路。在这种形式的构建中，NPN晶体管可以制成具有超过200的标准β值。因此，晶体管的基极电流值小于集电极电流的0.5％。在下面的讨论中，在一阶评估的基极电流的影响可以忽略不计。在本发明的电路只有NPN晶体管存在。由此产生的发射极基极二极管以著名的理论解释匹配一致。他们相互匹配，性能上是可以预测的且是可靠操作的。还应当指出的是当在集成电路加工难以实现精确的电阻值的时候，可以实现一个更好精确度的电阻率值。如果需要的话，所述电路可以直接结合到ECL电路芯片且此配置提供温度跟踪。然而，如果需要，电源芯片可以在不同的IC芯片上。

图2所示为本发明的改进的电路。所涉及的部分类似于图1，使用相同的标号且它们的函数相同。

在此电路中的主要目的之一是在晶体管16中维持一个恒定的电流。当可用其他电路时，稳压器采用此功能。以晶体管31的形式采用第二个△V _BE发生器，其将基极直接耦合到晶体管12的基极。如果晶体管31是工作在较低的电流密度，晶体管12和31之间的△V _BE将在电阻器32的两端出现。晶体管31的集电极通过二极管33、电阻器34和晶体管35返回到V _CC。晶体管36的基极连接到晶体管31的集电极且它的集电极直接耦合到晶体管35的基极。电阻器39返回晶体管36的集电极且晶体管35的基极返回到V _CC。

使用以上描述的概括，如果晶体管31面积是晶体管12面积的10倍，在300°K，将在电阻器32两端大约出现60毫伏且在电阻器34两端出现一个并联电路。将会注意到，两个发射极基极结、晶体管33和36出现在串联电阻34两端的电压中。两个二极管会产生一个-4毫伏/度的系数。因此，电阻器34应该是电阻器32值的20倍，因此，晶体管35的发射极在约2.6伏的电压中工作。这将导致电阻41两端有一个固定的电压，晶体管16有一个固定的发射极电流，因而晶体管16有一个固定的V _BE。晶体管35和36在晶体管31负载电路周围组成一个高增益负反馈环路。晶体管35的发射极的电势对电源电压的变化将进行很好的调节。由于电阻器41是固定的，可以看出流动的电流在这两个△V _BE发生器（晶体管12、13和31中的电流）将是恒定的。

从上文可以看出，该电路包括一个有源的串联稳压器，其基于第二△V _BE发生器的参考，其中产生一个稳定的电压使电路基本上比现有技术的电源避免更多的变化。因此，产生V ₁和V ₂的电路在性能上有类似的改善。

我们应当认识到主要目的是稳压的同时还示出温度补偿。此外，过度或不足补偿是一件容易的事情，从而满足特殊的要求，其可以由ECL电路施加。例如，如果电阻器15的值下降至最佳，V ₂将具有一个负温度系数（如果电阻器15的值增加，则具有正温度系数）。类似地，电阻器25将影响V ₁的温度系数。

虽然上面的描述中示出了△V _BE发生器产生电压，其与晶体管面积以及在相等的电流工作的器件有关，其他条件都可以使用。例如，如果使用十比一的发射极面积且电阻器15制成电阻器20值的两倍，电流密度将是二十比一，它产生一个300°K。△V _BE约78毫伏。这为电阻14两端的电压给出了一个约0.26毫伏/度的正温度系数。如果在晶体管12中电阻将电流成比例的增大到晶体管13中的电流两倍，需要将晶体管19制成比晶体管18的两倍大，以至于它们的电流密度和△V _BE相等。很显然，电路服从许多配给和电阻值的条件，其可用于实现广范围的V ₁和V ₂温度系数，其包括零以及正负温度系数。

图3A示出了图2的电路中的一个变体。其中采用相似的部分，使用相同的编号。虚线轮廓45示出了从属输出级。虽然只示出一个，也可以采用多级。该从属可用于运行ECL电路的第二组，其操作独立地连接到端口21和27。端口21'和27'所产生的类似电势从端口21和27分离，这样将不会有相互作用。该部分重复了输出段的相同编号的部分。图3A的电路还包括电阻器46和47。如上所述的晶体管的基极电流仅仅约为集电极电流的0.5％，其可以忽略不计。虽然这在很大程度上是正确的，广泛的温度漂移可以引入二阶效应，其导致温度补偿偏离理想状态。通过简单地引入一个小阻值电阻（例如约150欧姆），△V _BE发生器可以修正基极电流。这种校正主要是在较高的温度下有效。

出现本电路中的电容器48、49和50是用来对高增益放大器部分进行频率补偿。这些部件在较高的频率上产生所需与频率相对的增益起伏下降趋势，以便稳定电路的操作。

图3B和3C是部分原理图，显示了图3A中电路上的变化且联合该电路耦合到晶体管31。在图3B的晶体管36由晶体管36′代替，其中的一个二极管37与发射极串联耦合。这将晶体管31的集电极的上述两个二极管安置在端子11的电位上。由于两个二极管是串联的，省略了二极管33且电阻器34直接连接到晶体管31的集电极。图3C中的第二个备选晶体管36替换为晶体管36′′。在达林顿复合晶体管对配置中，晶体管38耦合到晶体管36′′。电阻器30通过了晶体管38中流动电流的一部分。该电路还将晶体管31的集电极的上述两个二极管置于端子11的电位，从而消除了二极管33需要。达林顿配置也增加了负反馈稳定电路的环路增益。

图4是类似于图3A中电路的原理图，除了仍需进一步改善稳压。在图3A中可以看出，自电阻器39返回到V _CC以后，电源电压的任何变化都将改变电阻器39中流动的电流。反过来将不同于晶体管36的V _BE，其会在晶体管36的V _BE上产生变化。反过来，在晶体管35发射极上的稳压器参考电压上将产生一个二阶变化。

在图4中，电阻器39返回到晶体管49的发射极，它是一个第二稳压参考点。这大大降低了不同于晶体管36中的电流的电源电压变化的影响。

基于第三△V _BE发生器的第二调节器包括晶体管12和46。电阻器54将晶体管46的基极直接耦合到晶体管12的基极。晶体管46工作在较低的电流密度中从而在电阻器47中两端出现△V _BE。电阻器53与电阻器47相关比值从而在两端出现多个△V _BE。三个基极发射极二极管，晶体管48、51和52与电阻器53串联耦合，从而在晶体管49的发射极产生一个参考电压。应该注意的是，如果这个制成的参考等于外插硅带隙的三倍，正、负温度条件将削减到一阶。另外，如之前那样，制成的参考可以是超过或不足的温度补偿从而几乎产生任何所需的特性。晶体管48将晶体管46的集电极电位放大且耦合到晶体管49的基极，其可以提供耦合到它的发射极和晶体管46的负载电路。这提供了稳定参考电位的高增益负反馈。

电阻器50将晶体管48的集电极电位返回到V _CC。电容器55和56作为电容器49和50补偿高增益晶体管电路。

在图4电路中的电源变化的影响已经降低到一个三阶效应。显然，如果需要，可以添加额外的稳压部分，每一个都是基于另一个△V _BE发生器。然而，通过进行高阶电路产生的增益的效益减少了电路复杂性的增加。因此，预计会采用三个以上△V _BE发生器。

例。

图3的电路使用了传统的集成电路器件。采用了以下组件值。

V _BE约比V _CC低1.3伏且V _CS约比V _EE高1.3伏。采用该电路给传统的ECL器件供电。下图将V _BB（△V _BB）的变化和V _OL (△V _OL)的变化作比较作为电源变化的函数。V _O是ECL逻辑零电平。

可以看出，就△V _BB而言，本发明的电路几乎比现有技术电路的5倍要好的多且就V _OL而言，要超过5倍的好。

已经详细描述了本发明及优选实施例。显然，在本发明的原理和目的范围之内，还有可替代方案和等同物。因此，本发明的范围仅受所附权利要求限制。

Claims

1.一种固定电压参考电路，其特征是：一种产生一个输出电压参考关于连接到电源正极的正端口以及第二输出电压参考关于连接到电源负极的负端口，所述电路包括：产生第一个△V _BE的装置包含第一对晶体管，在不同电流密度中运行第一对晶体管的装置，从所述第一对晶体管的更高电流密度晶体管的基极到发射极的电压减去所述第一对晶体管的更低电流密度晶体管的基极到发射极的电压的装置；△V _BE具有一个电压的正温度系数；产生第一个△V _BE的第一个并联和第二个并联的装置；产生第一个负温度系数电压的装置和将其与所述第一个并联合并产生第一电压的装置，选择第一个并联以至于正负温度系数接近相等；产生第二个负温度系数电压的装置和将其与所述第二个并联合并产生第二电压的装置，选择第二个并联以至于正负温度系数接近相等；在所述产生第一负温度系数电压装置上维持一个恒定电流的装置。

2.根据权利要求1所述的一种固定电压参考电路，其特征是：所述维持恒定电流的装置还包括一个稳压器。

3.根据权利要求2所述的一种固定电压参考电路，其特征是：所述稳压器包括：产生第二个△V _BE的装置包含第二对晶体管，在不同电流密度上运行第二对晶体管的装置，从所述第二对晶体管的更高电流密度晶体管的基极到发射极的电压减去更低电流密度晶体管的基极到发射极的电压的装置，所述第二对晶体管的△V _BE具有正温度系数的电压；产生第二个△V _BE的并联电路装置；产生第三个负温度系数电压的装置和将其与第二个△V _BE的并联电路合并产生参考电压的装置，选择第二个△V _BE以至于正负温度系数接近相等；第一个稳压器装置耦合在正负电极之间从而创建一个调节的电压回路节点；将参考电势耦合到调节器的装置，其中所述调节器在节点处产生调节的电势；从所述节点处运行第一对和第二对晶体管的装置，其中所述第一个△V _BE和第二个△V _BE实质上不受电源电压的变化影响。

4.根据权利要求3所述的一种固定电压参考电路，其特征是：所述第一对和第二对晶体管采用通用的较高电流密度晶体管。

5.根据权利要求4所述的一种固定电压参考电路，其特征是：所述第一个△V _BE与第一电阻器并联产生且第一个和第二个并联是从第二个和第三个电阻器中获得，第二和第三电阻器相连接通过的电流大致等于第一个电阻器中的电流，其中所述并联电路是依靠电阻比值获得的。

6.根据权利要求5所述的一种固定电压参考电路，其特征是：所述第二个△V _BE与第四个电阻器并联产生且第二个△V _BE的并联与第五个电阻器两端相连接，通过的电流基本上等于第四电阻器中的电流，其中所述第二个△V _BE的并联通过第四和第五电阻器的比值获得。

7.根据权利要求6所述的一种固定电压参考电路，其特征是：所述第三负温度系数电压通过串联一对正向偏置的晶体管的发射极基极连接的方式获得。

8.根据权利要求7所述的一种固定电压参考电路，其特征是：还包括第三个△V _BE发生器，第二个稳压器装置耦合在所述正负电极之间，用于将第三个△V _BE发生器的一个并联电路耦合到所述第二稳压器，为此提供一个参考装置，相比于第二稳压器，将第二稳压器在较高的电压上运行，以及将所述第一稳压器耦合到所述第二稳压器的装置，其中所述稳压器的复合操作进一步稳定所述第一和第二输出电压。