CN111552345B - 一种补偿带隙基准电压分流的稳压电路 - Google Patents

一种补偿带隙基准电压分流的稳压电路 Download PDF

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Abstract

一种补偿带隙基准电压分流的稳压电路，包括横向PNP三极管PNP1、PNP2、PNP3、PNP4、PNP5、PNP6、PNP7、PNP8、PNP9，纵向三极管NPN1、NPN2、NPN3、NPN4、NPN5、NPN6，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9，电容C1，偏置电流源I1；利用PNP8集电极电流与NPN5的集电极电流之差等于NPN3基极电流与NPN4的基极电流之和，基准电压VREF从R8、R9的分流等于0，输出电压VOUT将完全由基准电压VREF通过R8、R9倍压得到，输出电压在‑40‑150℃全温度范围不受基准基极电流分流影响。

Description

一种补偿带隙基准电压分流的稳压电路
技术领域
本发明涉及稳压电路，尤其涉及一种补偿带隙基准电压分流的稳压电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
使用带隙基准结构设计稳压电路，通常希望输出不受基准电压分流的影响，基准电压分流往往随工艺的波动变化较大，而且低功耗情况下希望基准输出倍压电阻较大，降低功耗，基准电压分流波动严重影响输出电压精度。图1为传统使用带隙基准结构设计的稳压电路，通常希望输出流过R8、R9的电流相等，输出不受NPN3与NPN4的基极电流的分流影响，NPN3与NPN4的基极电流往往随工艺的波动变化较大，而且低功耗情况下希望基准输出倍压电阻R8、R9较大以降低功耗。NPN3与NPN4的基极电流分流波动严重影响输出电压精度受生产工艺波动影响，三极管放大倍数变化较大，尤其是全温度-40-150℃放大倍数变化剧烈，翻倍增加，导致基极电流分流变化巨大，翻倍变化，输出电压精度控制较差。在低功耗领域影响更大，-40-150℃全温度范围输出无法控制精确，且温度系数很差。
发明内容
为了解决稳压电路输出不受基准电压分流的影响，本发明目的在于，设计一种在任何条件下基极电压分流都会得到相同电流供电补偿，不影响输出与基准电压的倍压关系。
为实现上述目的，本发明采用技术方案如下；一种补偿带隙基准电压分流的稳压电路，其特征在于：在稳压电路中增设补偿带隙基准电压分流单元，稳压电路包括电流偏置单元，带隙基准单元和倍压输出单元；
电流偏置单元包括电压源VDD，三极管PNP1、PNP2和PNP3以及电流源I1；电压源VDD的正端连接三极管PNP1的发射极和三极管PNP2的发射极并作为稳压电路的输入端，连接输入VIN，电压源VDD的负端接地并连接偏置电流源I1的负端和三极管PNP3的集电极，三极管PNP3的基极连接电流源I1的正端和三极管PNP1的集电极，三极管PNP1的基极与三极管PNP2的基极互连并连接三极管PNP3的发射极；
带隙基准单元包括三极管PNP4、PNP5、PNP6、PNP7、NPN1、NPN3、NPN4以及电阻R1、R2、R3、R6，R7和电容C1；电阻R1的一端连接三极管NPN1的基极和电流偏置单元中三极管PNP2的集电极，电阻R1的另一端连接三极管PNP4的发射极，三极管PNP4的基极与集电极互连并连接三极管PNP5的发射极，三极管PNP5的基极连接电容C1的一端以及三极管PNP6的集电极和三极管NPN3的集电极，电容C1的另一端连接三极管PNP5的集电极并连接电压源VDD的负端，三极管PNP6的发射极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接三极管NPN1的发射极以及电阻R3的一端、电阻R3的另一端连接三极管PNP7的发射极，三极管PNP7的基极与三极管PNP6的基极互连并连接三极管PNP7的集电极和三极管NPN4的集电极，三极管NPN4的基极与三极管NPN3的基极互连，三极管NPN4的发射极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接三极管NPN3的发射极和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电压源VDD的负端；
倍压输出单元包括三极管NPN2以及电阻R8和R9；三极管NPN2的集电极连接电压源VDD的正端，三极管NPN2的基极连接带隙基准单元中三极管NPN1的基极，三极管NPN2的发射极连接电阻R8的一端并作为并作为稳压电路的输出端，输出电压VOUT，电阻R8的另一端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接电压源VDD的负端；
增设的补偿带隙基准电压分流单元包括三极管PNP8、PNP9、NPN5和NPN6以及电阻R4和R5；电阻R4的一端与电阻R5的一端互连并连接带隙基准单元中三极管NPN1的发射极，电阻R4的另一端连接三极管PNP8的发射极，电阻R5的另一端连接三极管PNP9的发射极，三极管PNP8的基极与三极管PNP9的基极互连并与带隙基准单元中三极管PNP7的基极和三极管PNP6的基极连接在一起，三极管PNP8的集电极连接三极管NPN5的集电极并与带隙基准单元中三极管NPN4的基极和三极管NPN3的基极以及倍压输出单元中电阻R8与电阻R9的连接端连接在一起并产生基准电压VREF，三极管PNP9的集电极连接三极管NPN6的集电极和基极以及三极管NPN5的基极，三极管NPN6的发射极和三极管NPN5的发射极均连接电压源VDD的负端。
优选地，所述三极管PNP1、PNP2、PNP3、PNP4、PNP5、PNP6、PNP7、PNP8和PNP9均为横向PNP三极管，三极管NPN1、NPN2、NPN3、NPN4、NPN5和NPN6均为纵向NPN三极管。
优选地，所述电阻R2、R3、R4和R5四个电阻完全相同；
优选地，所述三极管PNP6、PNP7、PNP8和PNP9四个PNP三极管完全相同；所述三极管NPN5和NPN6两个NPN三极管完全相同。
所述三极管PNP6、PNP7、PNP8和PNP9四个PNP三极管构成的电流镜，可以用四个PMOS管替换，但必须满足三极管NPN5与NPN6完全匹配，才能够补偿带隙基准电压中三极管NPN3和NPN4的基极分流。
本发明的优点和显著效果：本发明通过R2、R3、R4、R5、PNP6、PNP7、PNP8、PNP9建立匹配电流镜，NPN3、NPN4、NPN5、NPN6建立匹配面积个数比，通过PNP8集电极电流与NPN5集电极电流之差等于NPN3基极电流与NPN4基极电流之和，使得流过R8、R9的电流完全相等，输出电压完全不受带隙基准电压分流的影响。
附图说明
图1是传统使用带隙基准结构设计的稳压电路；
图2是在图1基础上增加补偿带隙基准电压分流电路的本发明电路结构图；
图3是本发明稳压电路的基准VREF温度曲线图；
图4是本发明稳压电路的输出VOUT温度曲线图；
图5是无补偿带隙基准分流稳压电路的基准VREF温度曲线图；
图6是无补偿带隙基准分流稳压电路的输出VOUT温度曲线图。
具体实施方式
如图2，本发明包括横向PNP三极管PNP1、PNP2、PNP3、PNP4、PNP5、PNP6、PNP7、PNP8、PNP9，纵向三极管NPN1、NPN2、NPN3、NPN4、NPN5、NPN4NPN6，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9，电容C1，偏置电流源I1。R2、R3、R4、R5电阻完全相同，PNP6、PNP7、PNP8、PNP9管子完全相同，NPN5、NPN6完全相同，形成高度匹配，PNP6、PNP7、PNP8、PNP9集电极电流相等，NPN5、NPN6集电极电流相等，利用PNP8集电极电流与NPN5的集电极电流之差等于NPN3基极电流与NPN4的基极电流之和，基准电压VREF从R8、R9的分流等于0，VOUT将完全由基准电压VREF通过R8、R9倍压得到输出，输出在-40-150℃全温度范围不受NPN3与NPN4的基极电流分流影响。
VDD电压源加在稳压电路的输入端VIN，电压源另一端接地，当VDD＞VOUT+0.7V时。输出稳定在VOUT，
Figure GDA0003359341920000031
基准电压VREF为传统带隙基准，
Figure GDA0003359341920000032
VBENPN3代表代表NPN3基极与发射极之间的电压差，n4代表NPN4的发射极面积，n3代表NPN3的发射极面积，电路通过电流源I1偏置将所有电路打开，VDD经PNP3与NPN1为R2、R3、R4、R5、PNP6、PNP7、PNP8PNP9、NPN3、NPN4、NPN5、NPN6以及R6、R7供电，VDD经PNP3与NPN2为输出供电，NPN2的发射极面积大小决定了稳压器的输出带载能力，PNP6、PNP7、PNP8、PNP9的完全匹配，他们的集电极电流完全相等设为I0，PNP6、PNP7、PNP8、PNP9的集电极电流分别用ICPNP6、ICPNP7、ICPNP8、ICPNP9表示，则
Figure GDA0003359341920000041
NPN3、NPN4、NPN5、NPN6的基极电流分别用IBNPN3、IBNPN4、IBNPN5、IBNPN6表示，则
Figure GDA0003359341920000042
β为NPN管的放大倍数，NPN3、NPN4、NPN5、NPN6的集电极电流分别用ICNPN3、ICNPN4、ICNPN5、ICNPN6表示，则
Figure GDA0003359341920000043
Figure GDA0003359341920000044
所以(ICPNP8-ICNPN5)-(IBNPN3+IBNPN4)＝0；即经过输出VOUT经过电阻R8到基准VREF再经R9到地，VREF从R8抽取的电流为0，所以
Figure GDA0003359341920000045
本发明带隙基准VREF在全温度-40-150℃曲线如图3，输出VOUT在全温度-40-150℃曲线如图4，输出在-40-150℃全温度范围实现完美倍压基准。
图1传统稳压电路实际是没有本发明这种NPN3,NPN4基极电流分流补偿的，即没有图2中的R4、R5、PNP8、PNP9、NPN5、NPN6，此时
Figure GDA0003359341920000046
传统带隙基准VREF在全温度-40-150℃曲线如图5，输出VOUT在全温度-40-150℃曲线如图6，可以看出，传统稳压输出在-40-150℃全温度范围倍压基准受基准分流影响很大。

Claims (6)

1.一种补偿带隙基准电压分流的稳压电路，其特征在于：在稳压电路中增设补偿带隙基准电压分流单元；稳压电路包括电流偏置单元，带隙基准单元和倍压输出单元；
电流偏置单元包括电压源VDD，三极管PNP1、PNP2和PNP3以及电流源I1；电压源VDD的正端连接三极管PNP1的发射极和三极管PNP2的发射极并作为稳压电路的输入端，连接输入VIN，电压源VDD的负端接地并连接偏置电流源I1的负端和三极管PNP3的集电极，三极管PNP3的基极连接电流源I1的正端和三极管PNP1的集电极，三极管PNP1的基极与三极管PNP2的基极互连并连接三极管PNP3的发射极；
带隙基准单元包括三极管PNP4、PNP5、PNP6、PNP7、NPN1、NPN3、NPN4以及电阻R1、R2、R3、R6，R7和电容C1；电阻R1的一端连接三极管NPN1的基极和电流偏置单元中三极管PNP2的集电极，电阻R1的另一端连接三极管PNP4的发射极，三极管PNP4的基极与集电极互连并连接三极管PNP5的发射极，三极管PNP5的基极连接电容C1的一端以及三极管PNP6的集电极和三极管NPN3的集电极，电容C1的另一端连接三极管PNP5的集电极并连接电压源VDD的负端，三极管PNP6的发射极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接三极管NPN1的发射极以及电阻R3的一端、电阻R3的另一端连接三极管PNP7的发射极，三极管PNP7的基极与三极管PNP6的基极互连并连接三极管PNP7的集电极和三极管NPN4的集电极，三极管NPN4的基极与三极管NPN3的基极互连，三极管NPN4的发射极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接三极管NPN3的发射极和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电压源VDD的负端；
倍压输出单元包括三极管NPN2以及电阻R8和R9；三极管NPN2的集电极连接电压源VDD的正端，三极管NPN2的基极连接带隙基准单元中三极管NPN1的基极，三极管NPN2的发射极连接电阻R8的一端并作为稳压电路的输出端，输出电压VOUT，电阻R8的另一端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接电压源VDD的负端；
增设的补偿带隙基准电压分流单元包括三极管PNP8、PNP9、NPN5和NPN6以及电阻R4和R5；电阻R4的一端与电阻R5的一端互连并连接带隙基准单元中三极管NPN1的发射极，电阻R4的另一端连接三极管PNP8的发射极，电阻R5的另一端连接三极管PNP9的发射极，三极管PNP8的基极与三极管PNP9的基极互连并与带隙基准单元中三极管PNP7的基极和三极管PNP6的基极连接在一起，三极管PNP8的集电极连接三极管NPN5的集电极并与带隙基准单元中三极管NPN4的基极和三极管NPN3的基极以及倍压输出单元中电阻R8与电阻R9的连接端连接在一起并产生基准电压VREF，三极管PNP9 的集电极连接三极管NPN6的集电极和基极以及三极管NPN5的基极，三极管NPN6的发射极和三极管NPN5的发射极均连接电压源VDD的负端。
2.根据权利要求1所述的补偿带隙基准电压分流的稳压电路，其特征在于：所述三极管PNP1、PNP2、PNP3、PNP4、PNP5、PNP6、PNP7、PNP8和PNP9均为横向PNP三极管，三极管NPN1、NPN2、NPN3、NPN4、NPN5和NPN6均为纵向NPN三极管。
3.根据权利要求1所述的补偿带隙基准电压分流的稳压电路，其特征在于：所述电阻R2、R3、R4和R5四个电阻完全相同。
4.根据权利要求1或2或3所述的补偿带隙基准电压分流的稳压电路，其特征在于：所述三极管PNP6、PNP7、PNP8和PNP9四个PNP三极管完全相同；所述三极管NPN5和NPN6两个NPN三极管完全相同。
5.根据权利要求1或2或3所述的补偿带隙基准电压分流的稳压电路，所述三极管PNP6、PNP7、PNP8和PNP9四个PNP三极管构成的电流镜用四个PMOS管替换，但必须满足三极管NPN5与NPN6完全匹配，才能够补偿带隙基准电压中三极管NPN3和NPN4的基极分流。
6.根据权利要求4所述的补偿带隙基准电压分流的稳压电路，所述三极管PNP6、PNP7、PNP8和PNP9四个PNP三极管构成的电流镜用四个PMOS管替换，但必须满足三极管NPN5与NPN6完全匹配，才能够补偿带隙基准电压中三极管NPN3和NPN4的基极分流。
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