CN105867499A - 一种实现基准电压源低压高精度的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现基准电压源低压高精度的电路及方法，主要技术方案为在带隙核心电路上引入低阈值耗尽型NMOS管和实时监测的启动电路，将误差放大器的输出接源跟随管NMOS后给Q1和Q2提供电流，减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳定性；进一步地，源跟随管NMOS采用低阈值耗尽型NMOS管，降低了电源电压和基准电压间的压差，使得该结构可以工作在低压系统中；进一步地，启动电路实时监测基准输出电压，消除了输出电压过冲现象，保证基准电压快速稳定地输出。

Description

一种实现基准电压源低压高精度的电路及方法

技术领域

本发明涉及集成电路中带隙基准电压源领域，特别是低压工作模式下的高精度基准电压源。

背景技术

带隙基准电压源由于其输出不受电源电压和温度影响，可以为系统中其它模块提供参考电压，因而广泛应用于模拟集成电路或者数模混合电路。目前，电子系统倾向于低压低功耗和高精度设计。对于高精度的系统设计，带隙基准电压源的精度和稳定性决定了系统性能的好坏；对于低电压工作系统，要求带隙基准电压源在较低的电源电压下输出稳定。

基准电压源的基本产生方式是利用与三极管的基极与集电极电压差V_BE相关的负温度特性电流和与两个三极管的V_BE之差ΔV_BE相关的正温度特性电流叠加产生与电源电压和温度无关的电流，经过一个零温度系数的电阻之后产生与电源电压和温度无关的电压；而零温度系数的电阻一般是由两种温度特性相反的电阻组成。

现有技术的带隙基准电压源如图1所示，包含误差放大器Amp、第一PMOS晶体管PM1、第二PMOS晶体管PM2，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R11、第六电阻R12，第一PNP三极管Q1和第二PNP三极管Q2。其实现方式是：电流I₁由I₂和I₃组成，即I₁＝I₂+I₃，而I₂＝V_X/R11＝V_BE1/R11，I₃＝(V_X-V_BE2)/R12＝(V_BE1-V_BE2)/R12＝ΔV_BE/R12，因此得到与温度和电源电压无关的电流I₁。经过PM2与PM1的镜像作用得到I₄＝I₁，因此V_REF＝I₄*R₄＝I₁*R4，其中R4由两种温度特性相反的电阻串联组成。

图1中实现的前提是忽略X点和Y点的失调电压，但是实际上由于工艺等的偏差，失调是肯定存在的。在图1中，失调电压经误差放大器Amp和共源放大器PM1两级放大后传递到输出，严重影响了输出电压V_REF的精度；同时，由于PM2是共源接法，使得电源电压Vdd和V_REF间存在至少0.7V的管子压降，导致该结构不适用于低压系统。

发明内容

本发明的目的是提出实现基准电压源低压高精度的设计方法，解决现有结构存在的精度不高和不适于低压系统等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种实现基准电压源低压高精度的电路，其特征在于：包括带隙核心电路、启动电路及低阈值源跟随电路；低阈值源跟随电路用于保证使得带隙核心电路的基准输出在低压下也能稳定工作；所述启动电路监测带隙核心电路输出基准电压，从而消除输出电压的上冲现象，保证基准电压的稳定输出；所述带隙核心电路包括第一三极管Q1和第二三极管Q2；第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极和集电极均短接；第一PNP三极管Q1的发射极分别接第一电阻R1一端和接误差放大器Amp的正相输入端X；第一电阻R1另一端接第二电阻R2一端；第二三极管Q2的面积是Q1的n倍；第二三极管Q2发射极接第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端接第二电阻R2另一端；第二电阻R2和第三电阻R3的公共端接误差放大器Amp的反相输入端Y；误差放大器Amp的输出端接第一NMOS管NM1的栅极；所述第一NMOS管NM1的漏极接第四电阻R4一端；第四电阻R4的另一端接电源V_dd；所述低阈值源跟随电路采用源跟随结构，包括第一NMOS管NM1和第四电阻R4；第一NMOS管NM1的源极接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端；第一电阻R1和第二电阻R2的公共端是输出端基准电压V_REF；V_REF的输出公式由以下过程推得：

$V_{REF}=V_{BE2}+\frac{V_{BE1}-V_{BE2}}{R3}(R2+R3)\⇒V_{REF}=V_{BE2}+{\mathrm{\ΔV}}_{BE}(1+\frac{R_2}{R_3})$

其中V_BE1为第一三极管Q1的基极与集电极电压差；V_BE2为第二三极管Q2的基极与集电极电压差；V_BE1和V_BE2的温度系数为-1.5mV/K；V_T为热电压，温度系数为+0.087mV/K；ΔV_BE为V_BE1与V_BE2的差值，温度系数与V_T成正比；n为Q2与Q1的面积之比；所述启动电路包括第一PMOS晶体管PM1、第二NMOS晶体管NM2和第三NMOS晶体管NM3；第一PMOS管PM1的栅极接偏置电压Vb，漏极接第二NMOS管NM2的栅极，源极接电源Vdd；第二NMOS管NM2的栅极接第一PMOS管PM1的漏极，漏极接所述带隙核心电路中第一NMOS管NM1的漏极，源极接接所述带隙核心电路中误差放大器Amp的正相输入端X；第三NMOS管NM3的栅极接所述带隙核心电路中输出端VREF，漏极接第二NMOS管NM2的栅极，源极接地。

进一步的，Q1的个数为1个，Q2的个数为14个，n为14；根据V_REF输出公式可知R2和R3的比值应为5.5。

进一步的，第一NMOS管NM1，采用源跟随结构的低阈值电压的耗尽型NMOS，使得基准输出在低压下也能稳定工作。

本发明还提供一种基于权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：PM1一直处于导通状态，当V_REF小于设定值时，NM3晶体管截止，NM2晶体管导通，X点电压升高，V_o1也随着上升，NM1导通，V_REF上升；当V_REF大于等于设定值时，NM3晶体管导通，NM2晶体管截止，启动结束；Amp的输出V_o1接源跟随管NMOS后给Q1和Q2提供电流，从而减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳定性。

相较于现有技术的基准电压源，本发明具有以下有益效果：误差放大器的输出经源跟随结构NMOS给Q1和Q2提供电流，减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳定性；进一步地，源跟随结构NMOS采用低阈值耗尽型，降低了电源电压和基准电压间的压差，使得该结构可以工作在低压系统中；进一步地，所述的启动电路实时监测基准输出电压，加速启动速度的同时消除了输出电压过冲现象。

附图说明

图1所示为现有技术的基准电压源；

图2所示为本发明的低压高精度基准电压源；

图3所示为本发明的基准输出曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行具体说明。

如图2所示，一种实现基准电压源低压高精度的电路，其包括带隙核心电路、启动电路及低阈值源跟随电路；低阈值源跟随电路用于保证使得带隙核心电路的基准输出在低压下也能稳定工作；所述启动电路监测带隙核心电路输出基准电压，从而消除输出电压的上冲现象，保证基准电压的稳定输出；所述带隙核心电路包括第一三极管Q1和第二三极管Q2；第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极和集电极均短接；第一PNP三极管Q1的发射极分别接第一电阻R1一端和接误差放大器Amp的正相输入端X；第一电阻R1另一端接第二电阻R2一端；第二三极管Q2的面积是Q1的n倍；第二三极管Q2发射极接第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端接第二电阻R2另一端；第二电阻R2和第三电阻R3的公共端接误差放大器Amp的反相输入端Y；误差放大器Amp的输出端接第一NMOS管NM1的栅极；所述第一NMOS管NM1的漏极接第四电阻R4一端；第四电阻R4的另一端接电源V_dd；所述低阈值源跟随电路采用源跟随结构，包括第一NMOS管NM1和第四电阻R4；第一NMOS管NM1的源极接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端；第一电阻R1和第二电阻R2的公共端是输出端基准电压V_REF；V_REF的输出公式由以下过程推得：

$V_{REF}=V_{BE2}+\frac{V_{BE1}-V_{BE2}}{R3}(R2+R3)\⇒V_{REF}=V_{BE2}+{\mathrm{\ΔV}}_{BE}(1+\frac{R_2}{R_3})$

其中V_BE1为第一三极管Q1的基极与集电极电压差；V_BE2为第二三极管Q2的基极与集电极电压差；V_BE1和V_BE2的温度系数为-1.5mV/K；V_T为热电压，温度系数为+0.087mV/K；ΔV_BE为V_BE1与V_BE2的差值，温度系数与V_T成正比；n为Q2与Q1的面积之比；所述启动电路包括第一PMOS晶体管PM1、第二NMOS晶体管NM2和第三NMOS晶体管NM3；第一PMOS管PM1的栅极接偏置电压V_b，漏极接第二NMOS管NM2的栅极，源极接电源V_dd；第二NMOS管NM2的栅极接第一PMOS管PM1的漏极，漏极接所述带隙核心电路中第一NMOS管NM1的漏极，源极接接所述带隙核心电路中误差放大器Amp的正相输入端X；第三NMOS管NM3的栅极接所述带隙核心电路中输出端V_REF，漏极接第二NMOS管NM2的栅极，源极接地。

进一步的，Q1的个数为1个，Q2的个数为14个，n为14；根据V_REF输出公式可知R2和R3的比值应为5.5；

进一步的，第一NMOS管NM1，采用源跟随结构的低阈值电压的耗尽型NMOS，使得基准输出在低压下也能稳定工作。

本发明还提供一种基于权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：PM1一直处于导通状态，当V_REF小于设定值时，NM3晶体管截止，NM2晶体管导通，X点电压升高，V_o1也随着上升，NM1导通，V_REF上升；当V_REF大于等于设定值时，NM3晶体管导通，NM2晶体管截止，启动结束；Amp的输出V_o1接源跟随管NMOS后给Q1和Q2提供电流，从而减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳定性。

本发明中的启动电路采用监测基准输出电压的方式，可以消除输出电压的上冲现象，保证基准电压的稳定输出，如图3所示。

Claims (4)

1.一种实现基准电压源低压高精度的电路，其特征在于：包括带隙核心电路、启动电路及低阈值源跟随电路；低阈值源跟随电路用于保证带隙核心电路的基准输出在低压下也能稳定工作；所述启动电路监测带隙核心电路输出基准电压，从而消除输出电压的上冲现象，保证基准电压的稳定输出；

所述带隙核心电路包括第一三极管Q1和第二三极管Q2；第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极和集电极均短接；第一PNP三极管Q1的发射极分别接第一电阻R1一端和接误差放大器Amp的正相输入端X；第一电阻R1另一端接第二电阻R2一端；第二三极管Q2的面积是Q1的n倍；第二三极管Q2发射极接第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端接第二电阻R2另一端；第二电阻R2和第三电阻R3的公共端接误差放大器Amp的反相输入端Y；误差放大器Amp的输出端接第一NMOS管NM1的栅极；所述第一NMOS管NM1的漏极接第四电阻R4一端；第四电阻R4的另一端接电源Vdd；

所述低阈值源跟随电路采用源跟随结构，包括第一NMOS管NM1和第四电阻R4；第一NMOS管NM1的源极接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端；

第一电阻R1和第二电阻R2的公共端是输出端基准电压V_REF；V_REF的输出公式由以下过程推得：

$\begin{array}{c}{V}_{REF}=V_{BE2}+\frac{V_{BE1}-V_{BE2}}{R3}\left(R2+R3\right)\⇒V_{REF}=V_{BE2}+{\mathrm{\ΔV}}_{BE}(1+\frac{R_2}{R_3})\\ \⇒V_{REF}=V_{BE2}+(1+\frac{R_2}{R_3})V_T\ln n,\end{array}$

其中V_BE1为第一三极管Q1基极与集电极电压差；V_BE2为第二三极管Q2基极与集电极电压差；V_T为热电压，温度系数为+0.087mV/K，温度系数与V_T成正比；ΔV_BE为V_BE1与V_BE2的差值；n为Q2与Q1的面积之比；

所述启动电路包括第一PMOS晶体管PM1、第二NMOS晶体管NM2和第三NMOS晶体管NM3；第一PMOS管PM1的栅极接偏置电压V_b，漏极接第二NMOS管NM2的栅极，源极接电源V_dd；第二NMOS管NM2的栅极接第一PMOS管PM1的漏极，漏极接所述带隙核心电路中第一NMOS管NM1的漏极，源极接接所述带隙核心电路中误差放大器Amp的正相输入端X；第三NMOS管NM3的栅极接所述带隙核心电路中输出端V_REF，漏极接第二NMOS管NM2的栅极，源极接地。

2.根据权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路，其特征在于：第一NMOS管NM1，采用源跟随结构的低阈值电压的耗尽型NMOS，使得基准输出在低压下也能稳定工作。

3.根据权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路，其特征在于：Q1的个数为1个，Q2的个数为14个，n为14；根据V_REF输出公式可知R2和R3的比值应为5.5。

4.一种基于权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：PM1一直处于导通状态，当V_REF小于设定值时，NM3晶体管截止，NM2晶体管导通，X点电压升高，V_o1也随着上升，NM1导通，V_REF上升；当V_REF大于等于设定值时，NM3晶体管导通，NM2晶体管截止，启动结束；Amp的输出V_o1接源跟随管NMOS后给Q1和Q2提供电流，从而减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳定性。