CN103677059B - 具有温度检测功能的参考电压源电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有温度检测功能的参考电压源电路，包括第一晶体管、第一电阻和用于实时检测温度的温度检测信号模块；第一晶体管的栅极连接至温度检测信号模块，第一晶体管的源极连接温度检测信号模块的电源Vpower，第一晶体管的漏极串联第一电阻接地，第一晶体管和第一电阻的相应的公共端作为参考电压源。本发明的具有温度检测功能的参考电压源电路，同时实现温度检测和低温度系数的参考电压，不但能够得到温度系数很小的参考电压，并且具备温度传感器的功能，能够检测芯片内部的温度变化。降低电路复杂程度，减少了电路器件，同时可减小芯片面积，从而实现降低成本；并且由于电路模块减少，从而达到减小电源芯片自身耗电目的。

Description

具有温度检测功能的参考电压源电路

技术领域

本发明涉及参考电压源电路领域，尤其涉及一种具有温度检测功能的参考电压源电路。

背景技术

带隙基准在集成电路设计中得到了广泛的应用，尤其在电源管理芯片中，低温度系数的参考电压源是必需的电路模块，电源管理芯片的一切输出电源都是以带隙基准作为参考电压。同时，电源管理芯片一般工作电流都很大，因此需要考虑温度保护，因此温度传感器也是电源管理芯片的必要组成模块。

传统的电源管理芯片为了得到温度系数很小的参考电压和精确的温度传感器，都需要带隙基准和温度传感器两个电路。带隙基准和温度传感器都利用了双极性晶体管的特性，因此各自具有一套双极性晶体管，同时各有一套运算放大器；同时为了减小双极性晶体管之间的误差和运算放大器失调电压对参考电压源带来影响，双极性晶体管和运算放大器的面积也很大，因此传统电源管理芯片的实现方式，电路面积很大，成本很高。同时传统的实现方式，由于采用了两个电路模块，因此电源管理芯片的自身耗电也比较大。而在实际应用中，现有的电子设备都需要降低休眠时的静态耗电，因此对电源管理芯片的自身工作电流的要求也越来越苛刻。

发明内容

鉴于现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种具有温度检测功能的参考电压源电路，满足电源管理芯片低温度系数参考电压和温度保护的需求，降低电路复杂程度，从而实现降低成本，并且达到减小电源芯片自身耗电的目的。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有温度检测功能的参考电压源电路，包括第一晶体管、第一电阻和用于实时检测温度的温度检测信号模块；所述第一晶体管的栅极连接至所述温度检测信号模块，所述第一晶体管的源极连接所述温度检测信号模块的电源Vpower，所述第一晶体管的漏极串联所述第一电阻接地，所述第一晶体管和第一电阻的相应的公共端作为参考电压源。

在其中一个实施例中，所述温度检测信号模块包括第二晶体管、第三晶体管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、反馈放大器、第一三极管、第二三极管和第三三极管；

所述第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的栅极和所述第三晶体管的栅极共连连接至所述反馈放大器的输出端，所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的源极和所述第三晶体管的源极共连连接至所述电源Vpower；

所述第三晶体管的漏极串联所述第四电阻后连接至所述第一三极管的集电极，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的基极与所述第一三极管的集电极相连；所述第三晶体管的漏极还串联第三电阻接地，所述第三晶体管的漏极连接至所述反馈放大器的正极输入端，所述反馈放大器的负极输入端连接至所述第二晶体管的漏极；所述第二晶体管的漏极连接所述第二三极管的集电极，所述第二三极管的基极与所述第二三极管的集电极相连，所述第二三极管的发射极接地，所述第二晶体管的漏极还串联第二电阻接地；

所述第三三极管的基极与所述第一三极管的集电极相连，所述第三三极管的集电极串联所述第五电阻连接至所述电源Vpower，所述第三三极管的发射极接地，所述第三三极管和所述第五电阻的相应的公共端作为温度检测信号源。

在其中一个实施例中，所述第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管均为增强型PMOS管，所述第一三极管、第二三极管和第三三极管均为NPN型双极晶体管。

在其中一个实施例中，所述温度检测信号模块包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、反馈放大器、第一三极管、第二三极管和第三三极管；

所述第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的栅极和所述第三晶体管的栅极共连连接至所述反馈放大器的输出端，所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的源极和所述第三晶体管的源极共连连接至所述电源Vpower；

所述第三晶体管的漏极串联所述第四电阻后连接至所述第一三极管的集电极，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的基极连接第一三极管的集电极；所述第三晶体管的漏极还串联所述第三电阻后接地，所述第三晶体管的漏极连接至反馈放大器的正极输入端，所述反馈放大器的负极输入端连接至所述第二晶体管的漏极；所述第二晶体管的漏极连接所述第二三极管的集电极，所述第二三极管的基极与所述第二三极管的集电极相连，所述第二三极管的发射极接地，所述第二晶体管的漏极还串联所述第二电阻接地；

所述第三三极管的基极与所述第一三极管的集电极相连，所述第三三极管的集电极连接所述第四晶体管的漏极，所述第四晶体管的源极连接所述电源Vpower，所述第三三极管的发射极接地；

所述第四晶体管的源极和所述第五晶体管的源极分别连接所述电源Vpower，所述第四晶体管的栅极、所述第四晶体管的漏极和所述第五晶体管的栅极共连，所述第五晶体管的漏极串联所述第五电阻接地，所述第五晶体管的漏极和所述第五电阻的相应的公共端作为温度检测信号源。

在其中一个实施例中，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体和第五晶体管均为增强型PMOS管，所述第一三极管、第二三极管和第三三极管均为NPN型双极晶体管。

在其中一个实施例中，所述第二电阻的阻值和所述第三电阻的阻值相同。

在其中一个实施例中，所述第一三极管与所述第二三极管的并联个数比为为N，其中N>1。

本发明的有益效果是：

本发明的具有温度检测功能的参考电压源电路，利用带隙基准电压源中的双极性晶体管，采用一套双极性晶体管，一个运算放大器，同时实现温度检测和低温度系数的参考电压，不但能够得到温度系数很小的参考电压，并且具备温度传感器的功能，能够检测芯片内部的温度变化。其满足电源管理芯片低温度系数参考电压和温度保护的需求，降低电路复杂程度，减少了电路器件，同时可减小芯片面积，从而实现降低成本；并且由于电路模块减少，从而达到减小电源芯片自身耗电目的。

附图说明

图1为本发明的具有温度检测功能的参考电压源电路实施例一的电路图；

图2为本发明的具有温度检测功能的参考电压源电路实施例二的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的具有温度检测功能的参考电压源电路进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1和图2，本发明的一种具有温度检测功能的参考电压源电路一实施例包括第一晶体管M1、第一电阻R1和用于实时检测温度的温度检测信号模块；第一晶体管M1的栅极连接至温度检测信号模块，第一晶体管M1的源极连接温度检测信号模块的电源Vpower，第一晶体管M1的漏极串联第一电阻R1接地，第一晶体管M1和第一电阻R1的相应的公共端作为参考电压源Vref。

较优地，作为一种可实施方式，如图1所示，温度检测信号模块包括第二晶体管M2、第三晶体管M3、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、反馈放大器U、第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3。

第一晶体管M1的栅极、第二晶体管M2的栅极和第三晶体管M3的栅极共连连接至反馈放大器U的输出端，第一晶体管M1的源极、第二晶体管M2的源极和第三晶体管M3的源极共连连接至电源Vpower。

第三晶体管M3的漏极串联第四电阻R4后连接至第一三极管Q1的集电极，第一三极管Q1的发射极接地GND，第一三极管Q1的基极与第一三极管Q1的集电极相连；第三晶体管M3的漏极还串联第三电阻R3接地，第三晶体管M3的漏极连接至反馈放大器U的正极输入端(+)，反馈放大器U的负极输入端(-)连接至第二晶体管M2的漏极；第二晶体管M2的漏极连接第二三极管Q2的集电极，第二三极管Q2的基极与第二三极管Q2的集电极相连，第二三极管Q2的发射极接地，第二晶体管M2的漏极还串联第二电阻R2接地。

第三三极管Q3的基极与第一三极管Q1的集电极相连，第三三极管Q3的集电极串联第五电阻R5连接至电源Vpower，第三三极管Q3的发射极接地，第三三极管Q3和第五电阻R5的相应的公共端作为温度检测信号源V_tsense。

其中，第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体M3管均为增强型PMOS管，第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3均为NPN型双极晶体管；第二电阻的阻值R2和第三电阻R3的阻值相同，即R2＝R3。

较优地，作为另一种可实施方式，如图2所示，温度检测信号模块包括第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、反馈放大器U、第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3。

第一晶体管M1的栅极、第二晶体管M2的栅极和第三晶体管M3的栅极共连连接至反馈放大器U的输出端，第一晶体管M1的源极、第二晶体管M2的源极和第三晶体管M3的源极共连连接至电源Vpower。

第三晶体管M3的漏极串联第四电阻R4后连接至第一三极管Q1的集电极，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的基极与第一三极管Q1的集电极相连；第三晶体管M3的漏极还串联第三电阻R3后接地，第三晶体管M3的漏极连接至反馈放大器U的正极输入端(+)，反馈放大器的负极输入端(-)连接至第二晶体管M2的漏极；第二晶体管M2的漏极连接第二三极管Q2的集电极，第二三极管Q2的基极与第二三极管Q2的集电极相连，第二三极管Q2的发射极接地，第二晶体管M2的漏极还串联第二电阻R2接地。

第三三极管Q3的基极与第一三极管Q1的集电极相连，第三三极管Q3的集电极连接第四晶体管M4的漏极，第四晶体管M4的源极连接电源Vpower，第三三极管Q3的发射极接地。

第四晶体管M4的源极和第五晶体管M5的源极分别连接电源Vpower，第四晶体管M4的栅极、第四晶体管M4的漏极和第五晶体管M5的栅极共连，第五晶体管M5的漏极串联第五电阻R5接地，第五晶体管M5的漏极和第五电阻R5的相应的公共端作为温度检测信号源V_tsense。

其中，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体M4和第五晶体管M5均为增强型PMOS管。

如图2所示，第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3均为NPN型双极晶体管，第一三极管Q1与第二三极管Q2并联个数比为N，其中N>1。

电阻R2＝R3，稳定工作时，反馈放大器U的正极输出端和负极输出端电压相等，即V1＝V2，所以通过第二电阻R2和第三电阻R3的电流同为I1，反馈放大器U的输出端控制其上端的PMOS管提供偏置电流，第二晶体管M2和第三晶体管M3尺寸相同，其电流大小同为I2，通过第一三极管Q1、第二三极管Q2的电流同为I0，且有I2＝I0+I1，对于较为理想的NPN型双极晶体管，其放大倍数β>>1，基极电流Ib相对集电极电流Ic和发射极电流Ie来说很小，可以认为Ic≈Ie＝I0，根据双极晶体管的工作原理，可以得到：

$I_0=\frac{V_T\ln N}{R_4}=\frac{\mathrm{kT}\ln N}{q{R}_4}$

其中，k为波尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为温度；

而对于第二三极管Q2一侧支路有：

$V2=V_{\mathrm{be}2}=V_T\ln \frac{I_C}{I_S}$

$I_1=\frac{V_{\mathrm{be}2}}{R_2}$

其中，Is为饱和电流；

第一晶体管M1镜像第三晶体管M3、第二晶体管M2的电流，设其镜像比例为1：1，所以：

V_ref＝I₂R₁；

由于双极晶体管的be结电压是负温度系数，设其为-m，则温度为T时：

V_be2＝V_be0[1-m(T-T₀)]

Vbe0为标准温度T0(300K)下的Vbe2电压，综上可得：

$V_{\mathrm{ref}}=(\frac{V_T\ln N}{R_4}+\frac{V_{\mathrm{be}2}}{R_2})R_4=\frac{k{\mathrm{TR}}_1\ln N}{q{R}_4}+\frac{V_{\mathrm{be}0}[1-m(T-T_0)]R_1}{R_2}$

式中是正温度系数项，是负温度系数项，由于第一电阻R1、第二电阻R2和第四电阻R4应用同类型电阻，具有相同的温度特性和精度，所以通过调节第二电阻R2和第四电阻R4的阻值比例，可以使正温度系数项和负温度系数项的温度系数抵消，

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{ref}}}{\∂T}=\frac{k{R}_1\ln N}{q{R}_4}-\frac{m{V}_{\mathrm{be}0}{R}_1}{R_2},$ 当其等于零时， $\frac{R_2}{R_4}=\frac{\mathrm{qm}{V}_{\mathrm{be}0}}{k\ln N},$ 所以第二电阻R2与第四电阻R4取得接近此值的比例时，可以使得Vref具有很小的温度系数，实现了Vref做为基准电压(参考电压)的功能。

对于第三三极管Q3与第一三极管Q1，其并联个数比例为M，其中，M>0。由于具有相同的Vbe电压，第三三极管Q3与第一三极管Q1的集电极电流也成M：1的比例，得到与温度是正相关的，得到PTAT电流I_tsense(proportional to absolute temperature，与绝对温度成正比，简称PTAT)作为温度检测信号，实现温度传感器功能。对于如图1所示的实施例，应用时可以将此电流经过PMOS管第四晶体管M4与第五晶体管M5镜像后流过与第四电阻R4同类型的第五电阻R5，则第五电阻R5上的压降就是仅与温度正相关的电压，此应用可得到：

$V_{\_\mathrm{tsense}}=\frac{\mathrm{MkT}\ln N{R}_5}{q{R}_4}$

在如图1所示的实施例中，应用时可将I_tsense经过从电源连接接下来的第五电阻R5产生压降，也就是第三三极管Q3的集电极电压V3与电源电压之间的压差值，作为仅与温度正相关的检测信号，此应用可得到：

$V_{\_\mathrm{tsense}}=V_{\mathrm{power}}-V_3=\frac{\mathrm{MkT}\ln {\mathrm{NR}}_5}{q{R}_4},$ 仅与温度正相关。

综上所述，以上实施例的具有温度检测功能的参考电压源电路，利用带隙基准电压源中的双极性晶体管，采用一套双极性晶体管，一个运算放大器，同时实现温度检测和低温度系数的参考电压，不但能够得到温度系数很小的参考电压，并且具备温度传感器的功能，能够检测芯片内部的温度变化。其满足电源管理芯片低温度系数参考电压和温度保护的需求，降低电路复杂程度，减少了电路器件，同时可减小芯片面积，从而实现降低成本；并且由于电路模块减少，从而达到减小电源芯片自身耗电目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种具有温度检测功能的参考电压源电路，其特征在于：

包括第一晶体管、第一电阻和用于实时检测温度的温度检测信号模块；所述第一晶体管的栅极连接至所述温度检测信号模块，所述第一晶体管的源极连接所述温度检测信号模块的电源Vpower，所述第一晶体管的漏极串联所述第一电阻接地，所述第一晶体管和第一电阻的相应的公共端作为参考电压源；

所述温度检测信号模块包括第二晶体管、第三晶体管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、反馈放大器、第一三极管、第二三极管和第三三极管；

所述第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的栅极和所述第三晶体管的栅极共连连接至所述反馈放大器的输出端，所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的源极和所述第三晶体管的源极共连连接至所述电源Vpower；

所述第三晶体管的漏极串联所述第四电阻后连接至所述第一三极管的集电极，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的基极与所述第一三极管的集电极相连；所述第三晶体管的漏极还串联第三电阻接地，所述第三晶体管的漏极连接至所述反馈放大器的正极输入端，所述反馈放大器的负极输入端连接至所述第二晶体管的漏极；所述第二晶体管的漏极连接所述第二三极管的集电极，所述第二三极管的基极与所述第二三极管的集电极相连，所述第二三极管的发射极接地，所述第二晶体管的漏极还串联第二电阻接地；

所述第三三极管的基极与所述第一三极管的集电极相连，所述第三三极管的集电极串联所述第五电阻连接至所述电源Vpower，所述第三三极管的发射极接地，所述第三三极管和所述第五电阻的相应的公共端作为温度检测信号源；

或者，所述温度检测信号模块包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、反馈放大器、第一三极管、第二三极管和第三三极管；

所述第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的栅极和所述第三晶体管的栅极共连连接至所述反馈放大器的输出端，所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的源极和所述第三晶体管的源极共连连接至所述电源Vpower；

所述第三晶体管的漏极串联所述第四电阻后连接至所述第一三极管的集电极，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的基极连接第一三极管的集电极；所述第三晶体管的漏极还串联所述第三电阻后接地，所述第三晶体管的漏极连接至反馈放大器的正极输入端，所述反馈放大器的负极输入端连接至所述第二晶体管的漏极；所述第二晶体管的漏极连接所述第二三极管的集电极，所述第二三极管的基极与所述第二三极管的集电极相连，所述第二三极管的发射极接地，所述第二晶体管的漏极还串联所述第二电阻接地；

所述第三三极管的基极与所述第一三极管的集电极相连，所述第三三极管的集电极连接所述第四晶体管的漏极，所述第四晶体管的源极连接所述电源Vpower，所述第三三极管的发射极接地；

所述第四晶体管的源极和所述第五晶体管的源极分别连接所述电源Vpower，所述第四晶体管的栅极、所述第四晶体管的漏极和所述第五晶体管的栅极共连，所述第五晶体管的漏极串联所述第五电阻接地，所述第五晶体管的漏极和所述第五电阻的相应的公共端作为温度检测信号源。

2.根据权利要求1所述的具有温度检测功能的参考电压源电路，其特征在于：

所述第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管均为增强型PMOS管，所述第一三极管、第二三极管和第三三极管均为NPN型双极晶体管。

3.根据权利要求1所述的具有温度检测功能的参考电压源电路，其特征在于：

所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体和第五晶体管均为增强型PMOS管，所述第一三极管、第二三极管和第三三极管均为NPN型双极晶体管。

4.根据权利要求1-3任一项所述的具有温度检测功能的参考电压源电路，其特征在于：

所述第二电阻的阻值和所述第三电阻的阻值相同。

5.根据权利要求4所述的具有温度检测功能的参考电压源电路，其特征在于：

所述第一三极管与所述第二三极管的并联个数比为N，其中N>1。