CN103631310B - 带隙基准电压源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带隙基准电压源，主要解决现有基准电压源稳定性差的问题。其包括负反馈模块、带隙基准模块、曲率补偿网络和电阻分压网络；负反馈模块(1)用于调节输出基准电压VO的扰动，带隙基准模块(2)用于产生基准电压VO1，曲率补偿网络(3)用于对带隙基准模块(2)产生的基准电压VO1进行曲率补偿，电阻分压网络(4)用于为曲率补偿网络(3)提供偏置电压；该基准电压VO1通过曲率补偿网络(3)的曲率补偿，改善其随温度变化的曲率，得到补偿后基准电压VO；补偿后基准电压VO的扰动通过负反馈模块(1)进行调节，保持输出基准电压的稳定。本发明有效地改善了基准电压VO随温度变化的曲率，可用于DC-DC转换器。

Description

带隙基准电压源

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是带隙基准电压源，可用于DC-DC转换器。

背景技术

基准电路在模拟集成电路中是一个非常重要的模块。该模块为电路中的其他模块提供了精准的电压。其精度和稳定性很大程度上影响了电路的其他性能。随着电路技术的发展，系统的日益复杂，其对在模数，模数转换电路模块的要求也越来越高，这就需要提高基准模块的精度和稳定度。由于电路在使用的过程中，电路元件会发热，从而改变基准电路所处的环境温度，所以基准模块的温度特性对于一个电路来说相当重要。基准电路可以分为带隙基准电压源和带隙基准电流源，分别为电路提供基准电压和基准电流。

图1给出了传统的带隙基准源电路原理图，其原理是利用三极管基极和发射极之间的电压和两个三极管的基极发射极压差的温度系数，通过设计电路使二者的温度系数刚好抵消，可得到对电源电压，工艺参数和温度系数不敏感的基准电压。

但是由于传统的带隙基准只是一阶补偿，温度曲线是一条曲线。随着温度的上升，电压是呈现下降趋势的。而且由于工艺、温度、失调电压等原因，会使基准电压发生偏移，进一步加大了基准的温度系数，这就会造成基准电压的波动，从而使得电路内部的参考电压发生变化，影响电路的正常工作。因此传统基准的温度系数难以满足其他模块对于电压基准精度的高要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种带隙基准电压源，以降低温漂，提高带隙基准电压源稳定性。

为实现上述目的，本发明包括负反馈模块、带隙基准模块和电阻分压网络，其特征在于：带隙基准模块与电阻分压网络之间连接有曲率补偿网络，用于补偿输出电压在高温时的曲率，该曲率补偿网络，设有四个输入端和一个输出端；该电阻分压网络设有一个输入端和两个输出端；

所述曲率补偿网络，其第一输入端Ｆ与带隙基准模块的第一输出端K连接，获取带隙基准模块提供的基准电压VO1；其第二输入端L与电阻分压网络的第二输出端J连接，形成第一电压负反馈；其第三输入端M与电阻分压网络的第二输出端I连接，形成第二电压负反馈；其输出端G输出补偿后基准电压VO；其第四输入端N与带隙基准模块的第二输出端E连接，获取带隙基准模块提供的控制电压VC2。

上述带隙基准电压源，其特征在于负反馈模块，包括2个NPN三极管，1个PNP三极管和3个电阻，即第一NPN三极管Q1，第二NPN三极管Q2；第一PNP三极管QP1；第一限流电阻R1，第二限流电阻R2，第三限流电阻R3；

所述第一NPN三极管Q1，其基极连接偏置电压VBIAS，其集电极连接第一PNP三极管QP1的集电极，其发射极连接第二限流电阻R2的一端；第二限流电阻R2的另一端接地；

所述第二NPN型三极管Q2，其基极接第一PNP三极管QP1和第一NPN三极管Q1的集电极，其发射极连第三限流电阻R3的一端，其集电极连带隙基准模块输出的控制电压VC2；第三限流电阻R3的另一端连接地；

所述第一PNP三极管QP1，其基极接带隙基准模块的输入端，同时连接带隙基准模块输出的控制电压VC1，其发射极连接第一限流电阻R1的一端；第一限流电阻R1的另一端连接第一NPN三极管Q1的发射极。

上述带隙基准电压源，其特征在于带隙基准模块，包括2个PNP型三极管、2个NPN型三极管、5个限流电阻，即第二PNP三极管QP2，第三PNP三极管QP3；第三NPN三极管Q3，第四NPN三极管Q4；第四限流电阻R4，第五限流电阻R5，第六限流电阻R6，第七限流电阻R7，第八限流电阻R8；

所述第二PNP三极管QP2，其基极连接第三PNP三极管QP3的基极，其集电极连接负反馈模块的输出控制电压VC1，其发射极连接第四限流电阻R4的一端，第四限流电阻R4的另一端连接带隙基准模块输出的控制电压VC2；

所述第三PNP三极管QP3，其基极连接自身的集电极，其发射极连接第六限流电阻R6的一端；第六限流电阻R6的另一端连接带隙基准模块输出的控制电压VC2；

所述第三NPN三极管Q3，其基极连接第四NPN三极管Q4基极，同时输出基准电压VO1；其集电极连接带隙基准模块输出的控制电压VC1，其发射极连接第七限流电阻R7和第八限流电阻R8的公共端；第七限流电阻R7的另一端接第四NPN三极管Q4的发射极；第八限流电阻R8的另一端接地；

所述第四NPN三极管Q4，其基极连接带隙模块输出的基准电压VO1，其集电极连接第三PNP三极管QP3的集电极，其发射极连接第七限流电阻R7的一端；第七限流电阻R7的另一端连接第八限流电阻R8的一端；

所述第五限流电阻R5，其一端连接带隙模块输出的控制电压VC2，其另一端连接外部电源VIN。

上述的带隙基准电压源，其特征在于曲率补偿网络，包括3个NPN型三极管和4个电阻，即第五NPN三极管Q5，第六NPN三极管Q6，第七NPN三极管Q7；第十二限流电阻R12，第十三限流电阻R13，第十四限流电阻R14和补偿电阻R15；

第五NPN三极管Q5，其基极连接带隙基准模块输出的控制电压VC2，其集电极连接外部电源VIN，其发射极连接补偿电阻R15的一端，同时连接电阻分压网络的输入端；

第六NPN三极管Q6，其基极接电阻分压网络输出的第二偏置电压V2，其集电极接带隙基准输出VO1，同时连接第五NPN三极管Q5的集电极，其发射极接第十二限流电阻R12的一端，该限流电阻R12的另一端接第十三限流电阻R13和第十四限流电阻R14的公共端；第十四限流电阻R14的另一端连接地;

第七NPN三极管Q7，其基极连接电阻分压网络输出的第一偏置电压V1，其集电极连接带隙基准模块输出的基准电压VO1，同时连接到补偿电阻R15的另一端；其发射极接第十三限流电阻R13的一端；第十三流电阻R13的另一端连接第五NPN三极管Q5的发射极。

上述带隙基准电压源，其特征在于电阻分压网络模块，该电路包括3个限流电阻，即第九限流电阻R9，第十限流电阻R10，第十一限流电阻R11；这三个限流电阻串联连接形成电阻分压网络，为曲率补偿网络提供偏置电压。

本发明与现有技术相比由于添加了一个曲率补偿网络，通过该网络为输出电压叠加一组具有正温度系数的电压，改变其随温度的变化率，从而使得输出电压的温漂减小，提高了基准电压的稳定性。

附图说明

图1为传统的带隙基准电路；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明电路原理图；

图4为本发明的输出波形图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

参照图2，本发明的带隙基准电压源包括：负反馈模块1、带隙基准模块2、曲率补偿网络3、电阻分压网络4；

所述负反馈模块1，用于通过反馈稳定输出的基准电压；该模块设有两个输入端A、C和一个输出B；其中第一输入端A接一个外部偏置电压VBIAS，第二输入端C接带隙基准模块输出的控制电压VC2；输出端B接到带隙基准模块的输入端D；

所述带隙基准模块2，用于产生补偿前的基准电压；该模块设有一个输入端D，两个输出端E，K；其中输入端D接负反馈模块的输出VC1，第一输出端K接曲率补偿网络的第一输入端F，第二输出端E接负反馈模块的输入端C；

所述曲率补偿网络3，用于补偿基准电压随温度变化的曲率；该模块设有四个输入端F，L，M，N和一个输出端G；其中第一输入端Ｆ与带隙基准模块2的第一输出端K连接，获取带隙基准模块2提供的基准电压VO1；其第二输入端L与电阻分压网络4的第一输出端J连接，形成第一电压负反馈；其第三输入端M与电阻分压网络4的第二输出端I连接，形成第二电压负反馈；其输出端G输出补偿后基准电压VO；其第四输入端N与带隙基准模块2的第二输出端E连接，获取带隙基准模块2提供的控制电压VC2；

所述电阻分压网络4，用于为曲率补偿网络提供偏置电压；该网络设有一个输入端H和两个输出端I，J；其中输入端H接曲率补偿网络输出VO；第一输出端J接曲率补偿网络的第二输入端L，第二输出端I接曲率补偿网络的第三输入端M。

参照图3，本发明的一个电路实例中的负反馈模块1，带隙基准模块2，曲率补偿网络3，电阻分压网络4，其结构如下：

所述负反馈模块1，包括2个NPN三极管，1个PNP三极管和3个电阻，即第一NPN三极管Q1，第二NPN三极管Q2和第一PNP三极管QP1，第一限流电阻R1，第二限流电阻R2，第三限流电阻R3；

该第一NPN三极管Q1连接成共射级电路，用于产生第一NPN三极管Q1所在支路的静态电流，其基极连接偏置电压VBIAS，其集电极连接第一PNP三极管QP1的集电极和第二NPN三极管Q2的基极，其发射极连接第二限流电阻R2的一端，构成第一负反馈电路，保证该电路电流的稳定；第二限流电阻R2的另一端接地。

该第二NPN型三极管Q2用于调节控制电压VC2的大小；其基极接第一PNP三极管QP1集电极，其发射极接第三限流电阻R3的一端，构成第二负反馈电路，保证第一PNP三极管QP1所在电路电流的稳定；其集电极连带隙基准模块2输出的控制电压VC2；第三限流电阻R3的另一端连接地；第一PNP三极管QP1起到负反馈的作用，当输出的基准电压发生变化时，带隙基准模块2输出的控制电压VC1发生变化，引起第一PNP三极管QP1集电极电压发生变化，第一PNP三极管QP1集电极电压的变化引起带隙基准模块2输出的控制电压VC2产生与第一PNP三极管QP1集电极电压变化方向相反的变化，从而保证曲率补偿网络3的输出的基准电压不变；

该第一PNP三极管QP1的基极接带隙基准模块2的输入端，同时连接带隙基准模块2输出的控制电压VC1，发射极连接第一限流电阻R1的一端；第一限流电阻R1的另一端连接控制电压VC2；

所述带隙基准模块2，包括2个PNP型三极管、2个NPN型三极管、5个限流电阻，即第二PNP三极管QP2，第三PNP三极管QP3；第三NPN三极管Q3，第四NPN三极管Q4；第四限流电阻R4，第五限流电阻R5，第六限流电阻R6，第七限流电阻R7，第八限流电阻R8；

该第二PNP三极管QP2，其基极连接第三PNP三极管QP3的基极和集电极，其集电极连接负反馈模块1的输出控制电压VC1，其发射极连接第四限流电阻R4的一端，第四限流电阻R4的另一端连接带隙基准模块2的输出控制电压VC2；

该第三PNP三极管QP3，其基极连接自身的集电极，发射极连接第六限流电阻R6的一端；第六限流电阻R6的另一端连接带隙基准模块2输出的控制电压VC2；

该第二PNP三极管QP2和第三PNP三极管QP3构成电流镜结构，以保证流过第三NPN三极管和第四NPN三极管Q4的电流是相等的；第四限流电阻R4和第六限流电阻R6的阻值必须保持相等，改变这两个电阻的大小可调节的流过第三NPN三极管Q3和第四NPN三极管Q4的静态电流大小；

该第三NPN三极管Q3，其基极连接第四NPN三极管Q4基极，构成带隙基准电路，同时输出补偿前基准电压VO1，其集电极连接带隙基准模块2输出的控制电压VC1，其发射极连接第七限流电阻R7和第八限流电阻R8的公共端；第七限流电阻R7的另一端接第四NPN三极管Q4的发射极；第八限流电阻R8的另一端接地；第七限流电阻R7和第八限流电阻R8的大小决定输出电压的大小及其随温度变化的曲率；

该第四NPN三极管Q4，其基极连接带隙模块2输出的基准电压VO1，集电极连接第三PNP三极管QP3的集电极，其发射极连接第七限流电阻R7的另一端；该第五限流电阻R5，其一端连接带隙模块2输出的控制电压VC2，其另一端连接外部电源VIN。

所述曲率补偿网络3，包括3个NPN型三极管和4个电阻，即第五NPN三极管Q5，第六NPN三极管Q6，第七NPN三极管Q7；第十二限流电阻R12，第十三限流电阻R13，第十四限流电阻R14和补偿电阻R15；

该第五NPN三极管Q5，其基极连接带隙基准模块2输出的控制电压VC2，集电极连接外部电源VIN，发射极连接补偿电阻R15的一端，补偿电阻R15的另一端连接到第七NPN三极管Q7的集电极；第五NPN三极管Q5用于通过反馈的原理来调节输出电压的大小；

该第六NPN三极管Q6，其基极接电阻分压网络4输出的第二偏置电压V2，其集电极接带隙基准2输出VO1，同时连接第五NPN三极管Q7的集电极，其发射极接第十二限流电阻R12的一端，利用第六NPN三极管Q6的发射结电压的负温度特性产生一路正温度系数的电压；该限流电阻R12的另一端接第十三限流电阻R13和第十四限流电阻R14的公共端；第十四限流电阻R14的另一端连接地；

该第七NPN三极管Q7，其基极连接电阻分压网络4输出的第一偏置电压V1，其集电极连接带隙基准模块2输出的基准电压VO1，其发射极接第十三限流电阻R13的一端，第十三流电阻R13的另一端连接第五NPN三极管Q5的发射极；利用第七NPN三极管Q7的发射结电压的负温度特性产生一路正温度系数的电压；

所述电阻分压网络模块4，该电路包括3个限流电阻，即第九限流电阻R9，第十限流电阻R10，第十一限流电阻R11；这三个限流电阻串联连接形成电阻分压网络，为曲率补偿网络3提供偏置电压。

该第九限流电阻R9一端接曲率补偿网络3输出的基准电压VO，另一端接第十限流电阻R10的一端，同时输出第一偏置电压V1；第十限流电阻R10的另一端接第十一限流电阻R11的一端，同时输出第二偏置电压V2；第十一限流电阻R11的另一端接地。

上述电路的工作原理如下：

第二PNP三极管QP2和第三PNP三极管QP3组成电流镜结构，以保证流过第三NPN三极管Q3和第四NPN三极管Q4三极管的电流相等；第七限流电阻R7和第八限流电阻R8的大小可以调节输出电压的大小及其随温度变化的曲率；利用第三NPN三极管Q3和第四NPN三极管Q4三极管发射结电压的负温度特性，和三NPN三极管Q3和第四NPN三极管Q4三极管发射结电压之差的正温度特性叠加实现零温度系数电压VO1。

当温度变化时，输出的基准电压VO1曲率发生变化，利用第六NPN三极管Q6和第七NPN三极管Q7的发射结电压的负温度特性，使得流过这两个三极管的电流呈现出正温度特性，这些电流流过补偿电阻R15，在其上形成一个正温度系数的电压，这个电压叠加在带隙基准模块2产生的补偿前基准电压VO1上，从而可以补偿它随温度变化的曲率，输出补偿后基准电压VO。三个限流电阻R9，R10，R11将输出的基准电压VO分压；限流电阻R9和限流电阻R10的公共端产生第一偏置电压V1，限流电阻R10和限流电阻R11的公共端产生第二偏置电压V2。

当输出基准电压VO上升时，引起控制电压VC1下降，使第一PNP三极管QP1的基极电压下降，第一PNP三极管QP1基极电压下降引起自身发射极电压下降，QP1发射极电压下降引起控制电压VC2下降；控制电压VC2下降后输出到曲率补偿网络3后，使输出的基准电压VO下降；当输出基准电压VO下降时，引起控制电压VC1上升，控制电压VC1上升引起第一PNP三极管QP1的基极电压上升，第一PNP三极管QP1基极电压上升引起自身发射极电压上升，QP1发射极电压上升引起控制电压VC2上升；控制电压VC2上升后输出到曲率补偿网络3后，输出的基准电压VO上升；通过第一PNP三极管QP1的负反馈，稳定输出基准电压VO不变，如图4所示。

从图4可以看出，经过曲率补偿之后输出的带隙基准电压VO的温度漂移得到改善。

以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (3)

1.一种带隙基准电压源，包括：负反馈模块(1)带隙基准模块(2)和电阻分压网络(4)，其特征在于：带隙基准模块(2)与电阻分压网络(4)之间连接有曲率补偿网络(3)，用于补偿输出电压在高温时的曲率，该曲率补偿网络(3)，设有四个输入端和一个输出端；该电阻分压网络(4)设有一个输入端和两个输出端；

所述曲率补偿网络(3)，其第一输入端F与带隙基准模块(2)的第一输出端K连接，获取带隙基准模块(2)提供的基准电压VO1；其第二输入端L与电阻分压网络(4)的第一输出端J连接，形成第一电压负反馈；其第三输入端M与电阻分压网络(4)的第二输出端I连接，形成第二电压负反馈；其输出端G输出补偿后基准电压VO；其第四输入端N与带隙基准模块(2)的第二输出端E连接，获取带隙基准模块(2)提供的控制电压VC2；该曲率补偿网络(3)，包括3个NPN型三极管和4个电阻，即第五NPN三极管Q5，第六NPN三极管Q6，第七NPN三极管Q7；第十二限流电阻R12，第十三限流电阻R13，第十四限流电阻R14和补偿电阻R15；

第五NPN三极管Q5，其基极连接带隙基准模块(2)输出的控制电压VC2，其集电极连接外部电源VIN，其发射极连接补偿电阻R15的一端，同时连接电阻分压网络(4)的输入端；

第六NPN三极管Q6，其基极接电阻分压网络(4)输出的第二偏置电压V2，其集电极接带隙基准输出VO1，同时连接第七NPN三极管Q7的集电极，其发射极接第十二限流电阻R12的一端，该限流电阻R12的另一端接第十三限流电阻R13和第十四限流电阻R14的公共端；第十四限流电阻R14的另一端连接地；

第七NPN三极管Q7，其基极连接电阻分压网络(4)输出的第一偏置电压V1，其集电极连接带隙基准模块(2)输出的基准电压VO1，同时连接到补偿电阻R15的另一端；其发射极接第十三限流电阻R13的一端；

所述带隙基准模块(2)，包括2个PNP型三极管、2个NPN型三极管、5个限流电阻，即第二PNP三极管QP2，第三PNP三极管QP3；第三NPN三极管Q3，第四NPN三极管Q4；第四限流电阻R4，第五限流电阻R5，第六限流电阻R6，第七限流电阻R7，第八限流电阻R8；

所述第二PNP三极管QP2，其基极连接第三PNP三极管QP3的基极，其集电极连接负反馈模块(1)的输出控制电压VC1，其发射极连接第四限流电阻R4的一端，第四限流电阻R4的另一端与第五限流电阻R5的一端相连，并作为带隙基准模块(2)的输出端，输出控制电压VC2；所述第五限流电阻R5的另一端连接外部电源VIN；

所述第三PNP三极管QP3，其基极连接自身的集电极，其发射极连接第六限流电阻R6的一端；第六限流电阻R6的另一端连接第四限流电阻R4和第五限流电阻R5的公共端；

所述第三NPN三极管Q3，其基极连接第四NPN三极管Q4基极，同时输出基准电压VO1；其集电极连接带隙基准模块(2)输出的控制电压VC1，其发射极连接第七限流电阻R7和第八限流电阻R8的公共端；第七限流电阻R7的另一端接第四NPN三极管Q4的发射极；第八限流电阻R8的另一端接地；

所述第四NPN三极管Q4，其基极连接带隙模块(2)输出的基准电压VO1，其集电极连接第三PNP三极管QP3的集电极，其发射极连接第七限流电阻R7的一端；第七限流电阻R7的另一端连接第八限流电阻R8的一端；

所述电阻分压网络(4)的输入端连接补偿后基准电压VO。

2.根据权利要求1所述的带隙基准电压源，其特征在于负反馈模块(1)，包括2个NPN三极管，1个PNP三极管和3个电阻，即第一NPN三极管Q1，第二NPN三极管Q2；第一PNP三极管QP1；第一限流电阻R1，第二限流电阻R2，第三限流电阻R3；

所述第一NPN三极管Q1，其基极连接偏置电压VBIAS，其集电极连接第一PNP三极管QP1的集电极，其发射极连接第二限流电阻R2的一端；第二限流电阻R2的另一端接地；

所述第二NPN型三极管Q2，其基极接第一PNP三极管QP1和第一NPN三极管Q1的集电极，其发射极连第三限流电阻R3的一端，其集电极连带隙基准模块(2)输出的控制电压VC2；第三限流电阻R3的另一端连接地；

所述第一PNP三极管QP1，其基极连接带隙基准模块(2)输出的控制电压VC1，其发射极连接第一限流电阻R1的一端；第一限流电阻R1的另一端连接第二NPN三极管Q2的集电极。

3.根据权利要求1所述的带隙基准电压源，其特征在于电阻分压网络模块(4)，该电路包括3个限流电阻，即第九限流电阻R9，第十限流电阻R10，第十一限流电阻R11；这三个限流电阻串联连接形成电阻分压网络，为曲率补偿网络(3)提供偏置电压。