CN105468077A - 一种低功耗带隙基准源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗带隙基准。所述低功耗带隙基准源包括：电流源供电电路、负温度系数电路以及带隙基准源输出电路；电流源供电电路分别与所述负温度系数电路和所述带隙基准源输出电路连接，用于为所述低功耗带隙基准源供电；负温度系数电路，包括至少一个晶体管，用于根据所述电流源供电电路输出的电流，产生随温度变化的负温电压；带隙基准源输出电路，包括多个转移电容、多个时钟开关以及至少一个运算放大器，用于根据所述时钟开关的通断以及所述运算放大器的反馈，在所述转移电容的极板上产生用于抵消所述负温电压的电荷的变化量，以使带隙基准源输出电路输出与绝对温度无关的参考电压信号。本发明提供的技术方案降低了带隙基准源的功耗。

Description

一种低功耗带隙基准源

技术领域

本发明涉及电源技术，具体涉及一种低功耗带隙基准源。

背景技术

带隙基准源是集成电路中不可或缺的构成模块，它的作用是为其他电路模块提供一个与温度无关的基准电压。混合信号系统中，如ADC(Analog-to-DigitalConverter，模数转换器)、DAC(Digitaltoanalogconverter，数模转换器)以及传感器等电子器件的高精度也取决于带隙基准源的精度。

现有技术的带隙基准源，通常利用双极结型晶体管的基极-发射极电压V_BE的负温度系数，即随温度的提高V_BE减小，与正温度系数的电压相加以消除带隙基准源中的一阶温度，从而产生与一阶温度无关的带隙基准源。现有的带隙基准源通常功耗较高。

发明内容

本发明实施例提供一种低功耗带隙基准源，极大程度上降低了带隙基准源电路的功耗。

本发明提供了一种低功耗带隙基准源。所述低功耗带隙基准源包括：电流源供电电路、负温度系数电路以及带隙基准源输出电路；

其中，所述电流源供电电路分别与所述负温度系数电路和所述带隙基准源输出电路连接，用于为所述低功耗带隙基准源供电；

所述负温度系数电路，包括至少一个晶体管，用于根据所述电流源供电电路输出的电流，产生随温度变化的负温电压；

所述带隙基准源输出电路，包括多个转移电容、多个时钟开关以及至少一个运算放大器，用于根据所述时钟开关的通断以及所述运算放大器的反馈，在所述转移电容的极板上产生用于抵消所述负温电压的电荷的变化量，以使所述带隙基准源输出电路输出与绝对温度无关的参考电压信号。

进一步地，所述带隙基准源输出电路包括第一转移电容、第二转移电容、第三转移电容、正向时钟开关、反向时钟开关和运算放大器；所述正向时钟开关包括第一正向时钟开关和第二正向时钟开关，所述反向时钟开关包括第一反向时钟开关；所述正向时钟开关由正向时钟控制，所述反向时钟开关由反向时钟控制，所述正向时钟与所述反向时钟反相；

其中，所述第一转移电容的第一极板与所述电流源供电电路的输出端连接，所述第一转移电容的第二极板分别与所述第一正向时钟开关的一端和所述第二转移电容的第一极板连接；所述第二转移电容的第二极板分别与所述运算放大器的反向输入端、所述第三转移电容的第一极板和所述第二正向时钟的一端连接；所述第三转移电容的第二极板与所述第一正向时钟开关的另一端和所述第一反向时钟开关的一端连接；所述第二正向时钟开关的另一端分别与所述第一反向时钟开关的另一端和所述运算放大器的输出端连接；所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述带隙基准源输出电路的输出端。

进一步地，所述电流源供电电路包括第一电流源、第二电流源和第三正向时钟开关；

其中，所述第一电流源的输入端和第二电流源的输入端分别与直流供电电源连接；所述第二电流源的输出端与所述第三正向时钟开关的一端连接，所述第三正向时钟开关的另一端与所述第一电流源的输出端连接，所述第一电流源的输出端作为所述电流源供电电路的输出端；所述第三正向时钟开关由所述正向时钟控制。

进一步地，所述第二电流源的输出电流与所述第一电流源的输出电流之比是N-1：1，其中N为大于1的正整数。

进一步地，所述直流供电电源的电压值不小于0.7伏特。

进一步地，所述负温度系数电路中的所述晶体管为晶体三极管；

其中，所述晶体三极管为PNP型三极管，所述PNP型三极管的发射极与所述电流源供电电路的输出端连接，所述PNP型三极管的基极与所述PNP型三极管的集电极连接，所述PNP型三极管的集电极接地；或者

所述晶体三极管为NPN型三极管，所述NPN型三极管的集电极分别与所述电流源供电电路的输出端和所述NPN型三极管的基极连接，所述NPN型三极管的发射极接地。

进一步地，其特征在于，所述低功耗带隙基准源还包括：缓冲电路；

所述缓冲电路与所述带隙基准源输出电路的输出端相连，用于保持所述参考电压信号持续稳定的输出。

进一步地，所述缓冲电路具体包括：第四正向时钟开关、第二反向时钟开关、缓冲电容和缓冲运算放大器；

其中，所述第二反向时钟开关的一端与所述带隙基准源输出电路的输出端连接，所述第二反向时钟开关的另一端分别与所述第四正向时钟开关的一端、所述缓冲运算放大器的同相输入端和所述缓冲电容的第一极板连接；所述第四正向时钟开关的另一端分别与所述缓冲运算放大器的反相输入端和所述缓冲运算放大器的输出端连接；所述缓冲电容的第二极板接地；所述缓冲运算放大器的输出端输出缓冲电压信号；所述第四正向时钟开关由所述正向时钟控制，所述第二反向时钟开关由所述反向时钟控制。

进一步地，所述参考电压信号的电压值小于1.2伏特。

进一步地，所述正向时钟和所述反向时钟的时钟频率由所述转移电容的充电时间确定。

本发明实施例提供的技术方案，电流源供电电路分别与负温度系数电路和带隙基准源输出电路连接，电流源供电电路用于为低功耗带隙基准源供电，负温度系数电路包括至少一个晶体管，用于根据电流源供电电路输出的电流，产生随温度变化的负温电压，带隙基准源输出电路包括多个转移电容、多个时钟开关以及至少一个运算放大器，用于根据时钟开关的通断以及运算放大器的反馈，在转移电容的极板上产生用于抵消负温电压的电荷的变化量，以使带隙基准源输出电路输出与绝对温度无关的参考电压信号，由于上述各电路中没有电阻，极大程度上降低了带隙基准源的功耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种低功耗带隙基准源的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1是本发明实施例提供的一种低功耗带隙基准源的电路图。参见图1，所述低功耗带隙基准源包括：电流源供电电路10、负温度系数电路11以及带隙基准源输出电路12。

其中，电流源供电电路10分别与负温度系数电路11和带隙基准源输出电路12连接，用于为低功耗带隙基准源供电；

负温度系数电路11，包括至少一个晶体管，用于根据电流源供电电路10输出的电流，产生随温度变化的负温电压；

带隙基准源输出电路12，包括多个转移电容、多个时钟开关以及至少一个运算放大器，用于根据时钟开关的通断以及运算放大器的反馈，在转移电容的极板上产生用于抵消负温电压的电荷的变化量，以使带隙基准源输出电路12输出与绝对温度无关的参考电压信号。

上述低功耗带隙基准源电路中通过带隙基准源输出电路12中时钟开关的通断以及运算放大器的反馈，在转移电容的极板上产生用于抵消负温电压的电荷的变化量，因此电路中不包含电阻，极大程度上降低了带隙基准源的功耗。

参见图1，带隙基准源输出电路12包括第一转移电容C₁、第二转移电容C₂、第三转移电容C₃、正向时钟开关、反向时钟开关和运算放大器A₁，正向时钟开关包括第一正向时钟开关S₁和第二正向时钟开关S₂，反向时钟开关包括第一反向时钟开关S₁’，正向时钟开关由正向时钟控制，反向时钟开关由反向时钟控制，正向时钟与反向时钟反相。正向时钟为高电平时，反向时钟为低电平；正向时钟为高电平时，正向时钟开关闭合；正向时钟为低电平时，正向时钟开关打开；反向时钟为高电平时，反向时钟开关闭合；反向时钟为低电平时，反向时钟开关打开。

第一转移电容C₁的第一极板M与电流源供电电路10的输出端连接，第一转移电容C₁的第二极板m分别与第一正向时钟开关S₁的一端和第二转移电容C₂的第一极板M连接；第二转移电容C₂的第二极板m分别与运算放大器A₁的反向输入端、第三转移电容C₃的第一极板M和第二正向时钟S₂的一端连接；第三转移电容C₃的第二极板m与第一正向时钟开关S₁的另一端和第一反向时钟开关S₁’的一端连接；第二正向时钟开关S₂的另一端分别与第一反向时钟开关S₁’的另一端和运算放大器A₁的输出端连接；运算放大器A₁的同相输入端接地，运算放大器A₁的输出端作为带隙基准源输出电路12的输出端，输出的参考电压信号为V_ref。

电流源供电电路10包括第一电流源I_S1、第二电流源I_S2和第三正向时钟开关S₃。其中，第一电流源I_S1的输入端和第二电流源I_S2的输入端分别与直流供电电源VDD连接；第二电流源I_S2的输出端与第三正向时钟开关S₃的一端连接，第三正时钟开关S₃的另一端与第一电流源I_S1的输出端连接，第一电流源I_S1的输出端作为电流源供电电路10的输出端；第三正向时钟开关S₃由正向时钟控制。进一步地，直流供电电源VDD的电压值可以不小于0.7伏特，使得低功耗带隙基准源有一个较低的供电电压。直流供电电源VDD的电压值，本发明不作具体限定，可根据实际情况进行设置。

负温度系数电路11中的晶体管为晶体三极管，参见图1，晶体三极管为PNP型三极管Q₁，PNP型三极管Q₁的发射极e与电流源供电电路10的输出端连接，PNP型三极管Q₁的基极b与PNP型三极管Q₁的集电极c连接，PNP型三极管Q₁的集电极c接地。另外，晶体三极管还可以是为NPN型三极管，采用NPN型三极管的负温度系数电路11中，NPN型三极管的集电极分别与电流源供电电路10的输出端和NPN型三极管的基极连接，NPN型三极管的发射极接地。

进一步地，参见图1，低功耗带隙基准源还可以包括缓冲电路13。缓冲电路13与带隙基准源输出电路12的输出端相连，用于保持参考电压信号V_ref持续稳定的输出。缓冲电路13包括第四正向时钟开关S₄、第二反向时钟开关S₂’、缓冲电容C₄和缓冲运算放大器A₂。其中，第二反向时钟开关S₂’的一端与带隙基准源输出电路12的输出端连接，第二反向时钟开关S₂’的另一端分别与第四正向时钟开关S₄的一端、缓冲运算放大器A₂的同相输入端和缓冲电容C₄的第一极板M连接；第四正向时钟开关S₄的另一端分别与缓冲运算放大器A₂的反相输入端和缓冲运算放大器A₂的输出端连接；缓冲电容C₄的第二极板m接地；缓冲运算放大器A₂的输出端输出缓冲电压信号V_out；第四正向时钟开关S₄由正向时钟控制，第二反向时钟开关S₂’由反向时钟控制。

如图1所示，该低功耗带隙基准源的工作原理如下：

当正向时钟为高电平时，反向时钟为低电平，此时，S₁、S₂、S₃和S₄闭合，S₁’和S₂’打开，放大器A₁被接成单位负反馈的形式，第二转移电容C₂和第三转移电容C₃并联，并联之后与第一转移电容C₁串联。

电流源供电电路10中第一电流源I_S1的输出电流为I₀，第二电流源I_S2的输出电流为(N-1)I₀，NI₀流入负温度系数电路11中的PNP型三极管Q₁，结点X的电压设为V_BE0，结点Z的电位为虚拟地，

PNP型三极管Q₁的基极-发射极间的电压V_BB0：

$V_{BE0}=V_T\ln \left(\frac{{\mathrm{NI}}_0}{I_{\mathrm{\δ}}}\right)---\left(1\right)$

上式中，V_T是热电压；I_C是三极管集电极的电流；I_S是三极管的饱和电流。其中，V_T的具体表达式为：式中k是波尔兹曼常数；T是绝对温度；q是电子的电荷。

则节点Y的电压值V_Y0：

$V_{Y0}=\frac{C_1}{C_1+C_2+C_3}{V}_{BE0}---\left(2\right)$

则节点Y处第二转移电容C₂的第一极板M的电荷量和第三转移电容C₃的第二极板m的电荷量的总和q₁：

$q_1=\frac{C_1(C_2+C_3)}{C_1+C_2+C_3}{V}_{BE0}---\left(3\right)$

由于电容两极板的电荷量极性相反，所以，节点Z处第二转移电容C₂的第二极板m的电荷量和第三转移电容C₃的第一极板M的电荷量总和q₂：

$q_2=-\frac{C_1(C_2+C_3)}{C_1+C_2+C_3}{V}_{BE0}---\left(4\right)$

当反向时钟为高电平时，正向时钟为低电平，此时，S₁’和S₂’闭合，S₁、S₂、S₃和S₄打开，放大器A₁通过第三转移电容C₃连接成负反馈的形式，第一转移电容C₁、第二转移电容C₂和第三转移电容C₃串联，

电流源供电电路10中第一电流源I_S1的输出电流为I₀，I₀流入负温度系数电路11中的PNP型三极管Q₁，PNP型三极管Q₁的基极-发射极间的电压V_BB1：

$V_{BE1}=V_{T}ln\left(\frac{I_0}{I_{\mathrm{\δ}}}\right)---\left(5\right)$

结点X的电压设为V_BE1，结点Z的电位为虚拟地，则节点Y的电压值V_Y1：

$V_{Y1}=\frac{C_1}{C_1+C_2}{V}_{BE1}---\left(6\right)$

则节点Y处第二转移电容C₂的第一极板M的电荷量q₃：

$q_3=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}{V}_{BE1}---\left(7\right)$

由于电容两极板的电荷量极性相反，所以，节点Z处第二转移电容C₂的第二极板m的电荷量q₄：

$q_4=-\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}{V}_{BE1}---\left(8\right)$

结点Z处第三转移电容C₃的第一极板M的电荷量为：

$q_5=q_2-q_4=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}{V}_{BE1}-\frac{C_1(C_2+C_3)}{C_1+C_2+C_3}{V}_{BE0}---\left(9\right)$

并且，

q₅＝-V_refC₃(10)

联合公式(9)和(10)可以得出：

$-V_{ref}{C}_3=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}{V}_{BE1}-\frac{C_1(C_2+C_3)}{C_1+C_2+C_3}{V}_{BE0}---\left(11\right)$

联合公式(1)和(5)可以得到：

V_BB0-V_BB1＝V_T1n(N)(12)

由式(12)可知，

V_BB1＝V_BB0-V_T1n(N)(13)

将公式(13)代入公式(11)，可得：

$V_{ref}=\frac{{C_1}^2}{(C_1+C_2+C_3)(C_1+C_2)}\[V_{BE0}+\frac{C_2(C_1+C_2+C_3)}{C_1{C}_3}{V}_{T}ln\left(N\right)\]$

通过设定电容C₁、C₂、C₃的值，一方面可以得到与绝对温度无关的参考电压信号V_ref，另一方面，还可以得到电压值小于1.2伏特的参考电压信号V_ref。进一步地，正向时钟和反向时钟的时钟频率可以是20K，本发明实施例对正向时钟和反向时钟的时钟频率不作具体限定，只要能够大于或者等于转移电容的充电时间即可。

缓冲电路13包括第四正向时钟开关S₄、第二反向时钟开关S₂’、缓冲电容C₄和缓冲运算放大器A₂。其中，第二反向时钟开关S₂’的一端与带隙基准源输出电路12的输出端连接，第二反向时钟开关S₂’的另一端分别与第四正向时钟开关S₄的一端、缓冲运算放大器A₂的同相输入端和缓冲电容C₄的第一极板M连接；第四正向时钟开关S₄的另一端分别与缓冲运算放大器A₂的反相输入端和缓冲运算放大器A₂的输出端连接；缓冲电容C₄的第二极板m接地；缓冲运算放大器A₂的输出端输出缓冲电压信号V_out；第四正向时钟开关S₄由正向时钟控制，第二反向时钟开关S₂’由反向时钟控制。

反向时钟为高电平时，正向时钟为低电平，第二反向时钟开关S₂’闭合，第四正向时钟开关S₄打开，参考电压信号V_ref通过运算放大器A₂输出，且该输出为缓冲电压信号V_out＝V_ref，缓冲电容C₄两极板间的电压为V_out。当反向时钟为低电平时，正向时钟为高电平，第四正向时钟开关S₄闭合，第二反向时钟开关S₂’打开，缓冲电容C₄两极板间的电压为V_out将作为通过运算放大器A₂的输出，此时，V_out＝V_ref。低功耗带隙基准源通过缓冲电路可以将参考电压信号稳定地输出。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种低功耗带隙基准源，其特征在于，包括：电流源供电电路、负温度系数电路以及带隙基准源输出电路；

其中，所述电流源供电电路分别与所述负温度系数电路和所述带隙基准源输出电路连接，用于为所述低功耗带隙基准源供电；

所述负温度系数电路，包括至少一个晶体管，用于根据所述电流源供电电路输出的电流，产生随温度变化的负温电压；

所述带隙基准源输出电路，包括多个转移电容、多个时钟开关以及至少一个运算放大器，用于根据所述时钟开关的通断以及所述运算放大器的反馈，在所述转移电容的极板上产生用于抵消所述负温电压的电荷的变化量，以使所述带隙基准源输出电路输出与绝对温度无关的参考电压信号。

2.根据权利要求1所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，所述带隙基准源输出电路包括第一转移电容、第二转移电容、第三转移电容、正向时钟开关、反向时钟开关和运算放大器；所述正向时钟开关包括第一正向时钟开关和第二正向时钟开关，所述反向时钟开关包括第一反向时钟开关；所述正向时钟开关由正向时钟控制，所述反向时钟开关由反向时钟控制，所述正向时钟与所述反向时钟反相；

其中，所述第一转移电容的第一极板与所述电流源供电电路的输出端连接，所述第一转移电容的第二极板分别与所述第一正向时钟开关的一端和所述第二转移电容的第一极板连接；所述第二转移电容的第二极板分别与所述运算放大器的反向输入端、所述第三转移电容的第一极板和所述第二正向时钟的一端连接；所述第三转移电容的第二极板与所述第一正向时钟开关的另一端和所述第一反向时钟开关的一端连接；所述第二正向时钟开关的另一端分别与所述第一反向时钟开关的另一端和所述运算放大器的输出端连接；所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述带隙基准源输出电路的输出端。

3.根据权利要求2所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，所述电流源供电电路包括第一电流源、第二电流源和第三正向时钟开关；

其中，所述第一电流源的输入端和第二电流源的输入端分别与直流供电电源连接；所述第二电流源的输出端与所述第三正向时钟开关的一端连接，所述第三正向时钟开关的另一端与所述第一电流源的输出端连接，所述第一电流源的输出端作为所述电流源供电电路的输出端；所述第三正向时钟开关由所述正向时钟控制。

4.根据权利要求3所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，所述第二电流源的输出电流与所述第一电流源的输出电流之比是N-1：1，其中N为大于1的正整数。

5.根据权利要求3所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，所述直流供电电源的电压值不小于0.7伏特。

6.根据权利要求1所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，所述负温度系数电路中的所述晶体管为晶体三极管；

其中，所述晶体三极管为PNP型三极管，所述PNP型三极管的发射极与所述电流源供电电路的输出端连接，所述PNP型三极管的基极与所述PNP型三极管的集电极连接，所述PNP型三极管的集电极接地；或者

所述晶体三极管为NPN型三极管，所述NPN型三极管的集电极分别与所述电流源供电电路的输出端和所述NPN型三极管的基极连接，所述NPN型三极管的发射极接地。

7.根据权利要求2所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，还包括：缓冲电路；

所述缓冲电路与所述带隙基准源输出电路的输出端相连，用于保持所述参考电压信号持续稳定的输出。

8.根据权利要求7所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，所述缓冲电路具体包括：第四正向时钟开关、第二反向时钟开关、缓冲电容和缓冲运算放大器；

其中，所述第二反向时钟开关的一端与所述带隙基准源输出电路的输出端连接，所述第二反向时钟开关的另一端分别与所述第四正向时钟开关的一端、所述缓冲运算放大器的同相输入端和所述缓冲电容的第一极板连接；所述第四正向时钟开关的另一端分别与所述缓冲运算放大器的反相输入端和所述缓冲运算放大器的输出端连接；所述缓冲电容的第二极板接地；所述缓冲运算放大器的输出端输出缓冲电压信号；所述第四正向时钟开关由所述正向时钟控制，所述第二反向时钟开关由所述反向时钟控制。

9.根据权利要求8所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，所述参考电压信号的电压值小于1.2伏特。

10.根据权利要求2所述的低功耗带隙基准源，其特征在于，所述正向时钟和所述反向时钟的时钟频率由所述转移电容的充电时间确定。