CN107861554B - 基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路及方法，确保较低电源供电时，不影响带隙基准电路的正常工作，应用于较宽电源范围。电路包括连接的带隙基准电路和启动电路；启动电路由齐纳二极管D1、电阻R1、第一双极晶体管组和第二双极晶体管组组成。该启动方法，齐纳二极管D1的击穿电压BV与三极管Q1、Q4和Q16的BE结电压之差在电阻R2和R3上可以产生与电源电压无关的具有一定温度系数的电流，该电路通过R6、Q6管和Q7管产生与此电流成相反温度系数的补偿电流，两股电流流经Q13管后形成了最终的具有温度补偿特性的基准电流，通过Q14管的镜像作用从Q15管的集电极流出，提供给其他电路模块使用。

Description

基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路及 方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，具体为基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路及方法。

背景技术

带隙基准电路是模拟集成电路芯片中必不可少的组成模块，一般用于产生不随电源电压、温度和工艺变化的稳定的基准电压。带隙基准电路通常具有两个稳定的状态，然而其中一个零电流的稳定态无法使电路正常工作，因此，常常采用启动电路技术迫使基准电路摆脱此非理想状态，使电路在上电后流过一定的电流开始正常工作。

如图1所示，为现有技术公开一种电路中采用的启动电路结构。为了叙述方便，以下将双极型晶体管的基极、集电极和发射极简称为B端、C端和E端。该电路主要由带隙基准电路和启动电路两个单元组成。其中，启动电路由齐纳二极管D1和电阻R1组成，带隙基准电路由电阻(R2、R3、R4、R5、R6)、NPN型双极晶体管(Q1、Q2、Q3、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15)和PNP型双极晶体管(Q4、Q5、Q6、Q7)组成。偏置电压Vbias连接至Q8管的B端，输出基准电流Iref由Q15管的C端输出，AVDD是正电源电压，NAVDD是负电源电压。

启动电路中齐纳二极管D1一端与正电源电压AVDD相连，另一端与Q4、Q5以及电阻R1的一端连接，R1另一端与负电源电压相连。

带隙基准电路中Q1管的B、C端均连接至正电源电压AVDD，E端连接至电阻R2的一端，其另一端与电阻R3的一端和Q7管的B端相连，R3的另一端连接至Q4管的E端。Q2管的B、C端均连接至正电源电压AVDD，E端与Q3管的B、C端相连，Q3管的E端与电阻R4的其中一端和Q6管的B端连接，R4的另一端与R5相连，R5的另一端与Q5的E端相连。电阻R6的一端与正电源电压AVDD相连，另一端与Q6管的E端和Q7管的E端相连，Q6和Q7管的C端共同连接至Q13的B端。Q8的B、C端均连接至偏置电压Vbias和Q5管的C端，E端与Q9管的B端和C端相连，Q9管的E端与Q10管的B端和C端相连，Q10管的E端与Q11管的B端和C端相连，Q11管的E端与Q12管的B端和C端相连，Q12管的E端与负电源电压NAVDD相连。Q13管的B、C、E端分别连接至Q14管的B和C端以及Q6管和Q7管的C端、Q4管的C端和Q15的B端、Q14的E端和负电源电压NAVDD。Q15管的B、C、E端分别连接至Q4管和Q13管的C端、输出基准电流Iref、Q14的C端。

参照图1，当电路上电时，电流从正电源电压AVDD通过齐纳二极管D1和电阻R1流到负电源电压NAVDD，形成通路后驱使电路摆脱零简并工作点，使各器件传输一定的电流开始正常工作。该带隙基准电路通过齐纳二极管D1、Q1管、Q4管、电阻R2和R3产生与电源电压无关具有一定温度系数的电流，通过R6、Q6管和Q7管产生与此电流成相反温度系数的补偿电流后，通过Q13管和Q14管的镜像关系提供给其他电路模块使用。

但是，如图1所示的电路存在如下缺点：

由于现有的国内抗辐照双极工艺水平的限制，在电源电压较低时二极管的击穿电压无法达到国外工艺制造水平，较低的电源电压和较高的二极管击穿电压会导致Q5管进入饱和区，严重影响基准电路的性能，因此该结构的启动电路无法在国内工艺线上使用，极大的限制了其应用范围和电路的可靠性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路及方法，确保在较低的电源供电时，该抗辐照双极型启动电路不会影响带隙基准电路的正常工作，能够应用于较宽的电源范围，灵活性较高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路，包括连接的带隙基准电路和启动电路两个单元；

所述启动电路由齐纳二极管D1、电阻R1、第一双极晶体管组和第二双极晶体管组组成，齐纳二极管D1一端与正电源电压AVDD相连，另一端与第二双极晶体管组的基极和集电极以及电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与负电源电压NAVDD相连；第一双极晶体管组的发射极连接至带隙基准电路，其基极和集电极均与第二双极晶体管组的发射极相连。

优选的，第一双极晶体管组至少包括一个双极晶体管Q16，当设置有多个双极晶体管时，多个双极晶体管串联设置。

优选的，第二双极晶体管组至少包括一个双极晶体管Q17，当设置有多个双极晶体管时，多个双极晶体管串联设置。

优选的，所述的带隙基准电路由电阻R2、R3、R4、R5和R6，NPN型双极晶体管Q1、Q2、Q3、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14和Q15，以及PNP型双极晶体管Q4、Q5、Q6和Q7组成；

NPN型双极晶体管Q1的基极和集电极均连接至正电源电压AVDD，发射极连接至电阻R2的一端；

电阻R2另一端与电阻R3的一端和PNP型双极晶体管Q7的基极相连，电阻R3的另一端连接至PNP型双极晶体管Q4管的发射极；

NPN型双极晶体管Q2的基极和集电极均连接至正电源电压AVDD，发射极与NPN型双极晶体管Q3的基极和集电极相连；

NPN型双极晶体管Q3的发射极与电阻R4的一端和PNP型双极晶体管Q6的基极连接，电阻R4的另一端经电阻R5与PNP型双极晶体管Q5的发射极相连；

电阻R6的一端与正电源电压AVDD相连，另一端与PNP型双极晶体管Q6的发射极和PNP型双极晶体管Q7的发射极相连，PNP型双极晶体管Q6的发射极和PNP型双极晶体管Q7的集电极共同连接至Q13的基极；

PNP型双极晶体管Q4和PNP型双极晶体管Q5的基极分别连接至第一双极晶体管组的发射极；

NPN型双极晶体管Q8的基极和集电极均连接至偏置电压Vbias和PNP型双极晶体管Q5管的集电极，NPN型双极晶体管Q8的发射极与NPN型双极晶体管Q9的基极和集电极相连；

NPN型双极晶体管Q9的发射极与NPN型双极晶体管Q10的基极和集电极相连，NPN型双极晶体管Q10的发射极与NPN型双极晶体管Q11的基极和集电极相连，NPN型双极晶体管Q11的发射极与NPN型双极晶体管Q12的基极和集电极相连，NPN型双极晶体管Q12的发射极与负电源电压NAVDD相连；

NPN型双极晶体管Q13的基极分别连接至NPN型双极晶体管Q14的基极和集电极，以及PNP型双极晶体管Q6和PNP型双极晶体管Q7的集电极；NPN型双极晶体管Q13的集电极分别连接至PNP型双极晶体管Q4的集电极和NPN型双极晶体管Q15的基极；NPN型双极晶体管Q13的发射极分别连接至NPN型双极晶体管Q14的发射极和负电源电压NAVDD；

NPN型双极晶体管Q15的基极分别连接至PNP型双极晶体管Q4和NPN型双极晶体管Q13的集电极，NPN型双极晶体管Q15的集电极连接至输出基准电流Iref，NPN型双极晶体管Q15的发射极连接至NPN型双极晶体管Q14的集电极。

基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动方法，采用上述的启动电路，包括，

带隙基准电路通过齐纳二极管D1、NPN型双极晶体管Q1、PNP型双极晶体管Q4、第一双极晶体管组、第二双极型晶体管组、电阻R2和电阻R3产生与电源电压无关且具有一定温度系数的电流，通过电阻R6、PNP型双极晶体管Q6和PNP型双极晶体管Q7产生与此电流成相反温度系数的补偿电流后，通过NPN型双极晶体管Q13和NPN型双极晶体管Q14的镜像关系提供给其他电路模块使用；

当启动电路上电时，电流从正电源电压AVDD通过齐纳二极管D1和电阻R1流到负电源电压NAVDD，形成通路后驱使启动电路摆脱零简并工作点，使各器件传输一定的电流开始正常工作。

优选的，在启动电路未启动时，PNP型双极晶体管Q4和PNP型双极晶体管Q5的基极电压为高电平，导致其处于截止状态，随着电源电压不断升高，电流通过正电源AVDD流经齐纳二极管D1和电阻R1到负电源电压NAVDD后形成通路，将PNP型双极晶体管Q4和PNP型双极晶体管Q5的基极电压拉低使其导通，使电路各器件传输一定的电流开始正常工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过在启动电路中设置的第一双极晶体管组和第二双极晶体管组，克服了由于国内抗辐照双极工艺水平对齐纳二极管击穿电压的限制，导致在较低电源电压时Q5管进入饱和区的现象，提高了启动电路性能。根据本发明的启动电路可以看到，当其工作在较低的电源电压时第一双极晶体管组和第二双极晶体管组可以使得Q5管的基极电压抬高两个PN结，留下了足够的余度保证Q5管工作在线性区，使得低电源供电状态下该抗辐照双极型启动电路不会影响带隙基准电路的正常工作。扩大了基于抗辐照双极工艺的启动电路的电压适用范围，提高了灵活性和通用性。

进一步的，通过将第一双极晶体管组和第二双极晶体管组的数量进行改变以适用于更多电路，满足不同具体环境的需求。

附图说明

图1是现有技术中国外某型号电路中所采用的启动电路的电路图。

图2是本发明实例中所述的基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路的电路图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路，如图2所示。包括带隙基准电路和启动电路两个单元；其中，启动电路由齐纳二极管D1、电阻R1、双极型晶体管Q16和Q17组成，带隙基准电路由电阻(R2、R3、R4、R5、R6)、NPN型双极晶体管(Q1、Q2、Q3、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15)和PNP型双极晶体管(Q4、Q5、Q6、Q7)组成。偏置电压Vbias连接至Q8管的B端，输出基准电流Iref由Q15管的C端输出，AVDD是正电源电压，NAVDD是负电源电压。

所述的启动电路中：

齐纳二极管D1一端与正电源电压AVDD相连，另一端与Q17管的B端和C端、电阻R1的一端连接，R1的另一端与负电源电压相连。

Q16的E端连接至Q4管和Q5管的B端，其B、C端均与Q17管的E端相连。

所述的带隙基准电路中：

Q1管的B、C端均连接至正电源电压AVDD，E端连接至电阻R2的一端。

R2另一端与电阻R3的一端和Q7管的B端相连，R3的另一端连接至Q4管的E端。

Q2管的B、C端均连接至正电源电压AVDD，E端与Q3管的B、C端相连。

Q3管的E端与电阻R4的其中一端和Q6管的B端连接，R4的另一端与R5相连，R5的另一端与Q5的E端相连。

电阻R6的一端与正电源电压AVDD相连，另一端与Q6管的E端和Q7管的E端相连，Q6和Q7管的C端共同连接至Q13的B端。

Q8的B、C端均连接至偏置电压Vbias和Q5管的C端，E端与Q9管的B端和C端相连。

Q9管的E端与Q10管的B端和C端相连，Q10管的E端与Q11管的B端和C端相连，Q11管的E端与Q12管的B端和C端相连，Q12管的E端与负电源电压NAVDD相连。

Q13管的B、C、E端分别连接至Q14管的B和C端以及Q6管和Q7管的C端、Q4管的C端和Q15的B端、Q14的E端和负电源电压NAVDD。

Q15管的B、C、E端分别连接至Q4管和Q13管的C端、输出基准电流Iref、Q14的C端。

参照图2，该带隙基准电路通过齐纳二极管D1、Q1管、Q4管、Q16管、Q17管、电阻R2和R3产生与电源电压无关具有一定温度系数的电流，通过R6、Q6管和Q7管产生与此电流成相反温度系数的补偿电流后，通过Q13管和Q14管的镜像关系提供给其他电路模块使用。当电路上电时，电流仍然从正电源电压AVDD通过齐纳二极管D1和电阻R1流到负电源电压NAVDD，形成通路后驱使电路摆脱零简并工作点，使各器件传输一定的电流开始正常工作。

具体的优选实施例如图2所示，其中包括带隙基准电路和启动电路两个单元。

下面对图2所示电路的工作过程进行分析，以说明其功能和效果。为了叙述方便，以下将双极型晶体管的基极、集电极和发射极简称为B端、C端和E端，对每一个双极晶体管，Vb表示其基极电压，Vc表示其集电极电压，Ve表示其发射极电压。偏置电压Vbias连接至Q8管的B端，输出基准电流Iref由Q15管的C端输出，AVDD是+15V电源电压，NAVDD是-15V电源电压。

本发明所述的带隙基准电路中Q1管的B、C端均连接至正电源电压AVDD，E端连接至电阻R2的一端，R2另一端与电阻R3的一端和Q7管的B端相连，R3的另一端连接至Q4管的E端；Q2管的B、C端均连接至正电源电压AVDD，E端与Q3管的B、C端相连；Q3管的E端与电阻R4的其中一端和Q6管的B端连接，R4的另一端与R5相连，R5的另一端与Q5的E端相连；电阻R6的一端与正电源电压AVDD相连，另一端与Q6管的E端和Q7管的E端相连，Q6和Q7管的C端共同连接至Q13的B端；Q8的B、C端均连接至偏置电压Vbias和Q5管的C端，E端与Q9管的B端和C端相连；Q9管的E端与Q10管的B端和C端相连，Q10管的E端与Q11管的B端和C端相连，Q11管的E端与Q12管的B端和C端相连，Q12管的E端与负电源电压NAVDD相连；Q13管的B、C、E端分别连接至Q14管的B和C端以及Q6管和Q7管的C端、Q4管的C端和Q15的B端、Q14的E端和负电源电压NAVDD；Q15管的B、C、E端分别连接至Q4管和Q13管的C端、输出基准电流Iref、Q14的C端。

本发明所述的启动电路中齐纳二极管D1一端与正电源电压AVDD相连，另一端与Q17管的B端和C端、电阻R1的一端连接，R1的另一端与负电源电压相连；Q16的E端连接至Q4管和Q5管的B端，其B、C端均与Q17管的E端相连。

本发明所述的启动方法，基于上述的启动电路，该带隙基准电路中齐纳二极管D1的击穿电压BV与三极管Q1、Q4和Q16的BE结电压之差在电阻R2和R3上可以产生一股与电源电压无关的具有一定温度系数的电流，此外，该电路通过R6、Q6管和Q7管产生与此电流成相反温度系数的补偿电流，两股电流流经Q13管后形成了最终的具有温度补偿特性的基准电流，通过Q14管的镜像作用从Q15管的集电极流出，提供给其他电路模块使用。

在启动电路未启动时，Q4管和Q5管的B端电压为高电平，导致其处于截止状态，随着电源电压不断升高，电流通过正电源AVDD流经齐纳二极管D1和电阻R1到负电源电压NAVDD后形成通路，将Q4管和Q5管的B端电压拉低使其导通，使电路各器件传输一定的电流开始正常工作。以上就是启动电路的工作机理。根据本发明的启动电路可以看到，当其工作在较低的电源电压时，Q16和Q17管可以使得Q5管的B极电压抬高两个PN结，留下了足够的余度保证Q5管工作在线性区，使得低电源供电状态下该抗辐照双极型启动电路不会影响带隙基准电路的正常工作。

本发明的启动电路解决了由于国内抗辐照双极工艺水平对齐纳二极管击穿电压的限制，导致在较低电源电压时Q5管进入饱和区的现象，扩大了基于抗辐照双极工艺的启动电路的电压适用范围，提高了灵活性和通用性。此外，本发明的思想在具体环境下可以对Q16管和Q17管的数量进行改变以适用于更多电路，上述所讨论内容仅仅显示了本发明的其中一种具体方式，并不限制本发明的范围。

综上所述，本专利中带隙基准的启动电路具有抗辐照、可应用于很宽的电压范围内的特点，本发明的改进可将国外电路直接移植至国内工艺线，具有良好的经济前景。

Claims (6)

1.基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路，其特征在于，包括连接的带隙基准电路和启动电路两个单元；

所述启动电路由齐纳二极管D1、电阻R1、第一双极晶体管组和第二双极晶体管组组成，齐纳二极管D1一端与正电源电压AVDD相连，另一端与第二双极晶体管组的基极和集电极以及电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与负电源电压NAVDD相连；第一双极晶体管组的发射极连接至带隙基准电路，其基极和集电极均与第二双极晶体管组的发射极相连。

2.根据权利要求1所述的基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路，其特征在于，第一双极晶体管组至少包括一个双极晶体管Q16，当设置有多个双极晶体管时，多个双极晶体管串联设置。

3.根据权利要求1所述的基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路，其特征在于，第二双极晶体管组至少包括一个双极晶体管Q17，当设置有多个双极晶体管时，多个双极晶体管串联设置。

4.根据权利要求1所述的基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动电路，其特征在于，所述的带隙基准电路由电阻R2、R3、R4、R5和R6，NPN型双极晶体管Q1、Q2、Q3、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14和Q15，以及PNP型双极晶体管Q4、Q5、Q6和Q7组成；

NPN型双极晶体管Q1的基极和集电极均连接至正电源电压AVDD，发射极连接至电阻R2的一端；

电阻R2另一端与电阻R3的一端和PNP型双极晶体管Q7的基极相连，电阻R3的另一端连接至PNP型双极晶体管Q4管的发射极；

NPN型双极晶体管Q2的基极和集电极均连接至正电源电压AVDD，发射极与NPN型双极晶体管Q3的基极和集电极相连；

NPN型双极晶体管Q3的发射极与电阻R4的一端和PNP型双极晶体管Q6的基极连接，电阻R4的另一端经电阻R5与PNP型双极晶体管Q5的发射极相连；

电阻R6的一端与正电源电压AVDD相连，另一端与PNP型双极晶体管Q6的发射极和PNP型双极晶体管Q7的发射极相连，PNP型双极晶体管Q6的集电极和PNP型双极晶体管Q7的集电极共同连接至Q13的基极；

PNP型双极晶体管Q4和PNP型双极晶体管Q5的基极分别连接至第一双极晶体管组的发射极；

NPN型双极晶体管Q8的基极和集电极均连接至偏置电压Vbias和PNP型双极晶体管Q5管的集电极，NPN型双极晶体管Q8的发射极与NPN型双极晶体管Q9的基极和集电极相连；

NPN型双极晶体管Q9的发射极与NPN型双极晶体管Q10的基极和集电极相连，NPN型双极晶体管Q10的发射极与NPN型双极晶体管Q11的基极和集电极相连，NPN型双极晶体管Q11的发射极与NPN型双极晶体管Q12的基极和集电极相连，NPN型双极晶体管Q12的发射极与负电源电压NAVDD相连；

NPN型双极晶体管Q13的基极分别连接至NPN型双极晶体管Q14的基极和集电极，以及PNP型双极晶体管Q6和PNP型双极晶体管Q7的集电极；NPN型双极晶体管Q13的集电极分别连接至PNP型双极晶体管Q4的集电极和NPN型双极晶体管Q15的基极；NPN型双极晶体管Q13的发射极分别连接至NPN型双极晶体管Q14的发射极和负电源电压NAVDD；

NPN型双极晶体管Q15的基极分别连接至PNP型双极晶体管Q4和NPN型双极晶体管Q13的集电极，NPN型双极晶体管Q15的集电极连接至输出基准电流Iref，NPN型双极晶体管Q15的发射极连接至NPN型双极晶体管Q14的集电极。

5.基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动方法，其特征在于，采用如权利要求4中所述的启动电路，包括，

带隙基准电路通过齐纳二极管D1、NPN型双极晶体管Q1、PNP型双极晶体管Q4、第一双极晶体管组、第二双极型晶体管组、电阻R2和电阻R3产生与电源电压无关且具有一定温度系数的电流，通过电阻R6、PNP型双极晶体管Q6和PNP型双极晶体管Q7产生与此电流成相反温度系数的补偿电流后，通过NPN型双极晶体管Q13和NPN型双极晶体管Q14的镜像关系提供给其他电路模块使用；

当启动电路上电时，电流从正电源电压AVDD通过齐纳二极管D1和电阻R1流到负电源电压NAVDD，形成通路后驱使启动电路摆脱零简并工作点，使各器件传输一定的电流开始正常工作。

6.根据权利要求5所述的基于抗辐照双极工艺用于宽电源范围的带隙基准启动方法，其特征在于，在启动电路未启动时，PNP型双极晶体管Q4和PNP型双极晶体管Q5的基极电压为高电平，导致其处于截止状态，随着电源电压不断升高，电流通过正电源AVDD流经齐纳二极管D1和电阻R1到负电源电压NAVDD后形成通路，将PNP型双极晶体管Q4和PNP型双极晶体管Q5的基极电压拉低使其导通，使电路各器件传输一定的电流开始正常工作。