CN112015226A - 一种宽电源电压范围的高精度电压基准源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，包括第一支路、第二支路、第三支路和电压输出支路，其利用两个运算放大器实现与绝对温度成正比的电流Iptat和与绝对温度成反比的电流Ictat叠加输出。该电压基准源的输出电压精确度高，输出电压值与第一支路和第三支路的带隙路径上的电阻、电压输出电路的电阻相关，输出范围可调，适于较大范围的电源电压；且可作为温度传感器和基准电流源。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，更具体的说是涉及一种宽电源电压范围的高精度电压基准源。
背景技术
在很多电子产品中均会用到电压基准源，他们可以是独立的，也可能集成在更多功能的器件中。譬如，在数据转换器中，基准源提供了一个绝对电压，与输入电压进行比较以确定适当的数字输出；在电压调节器中，基准源提供了一个已知的电压值，用它与输出作比较，得到一个用于调节输出电压的反馈。在电压检测器中，基准源被当作一个设置触发点的门限。
电压基准源作为电子器件的重要部件，其精度是相当重要的参数。现有的电压基准源很多，譬如申请号为201610268920.0的“带隙基准源电路”专利技术，其通过构建镜像电流支路、带隙路径和运算放大器输出一个与温度无关的基准电压Vref，解决现有电压基准源在电源电压较大时会有明显的衬底漏电现象，在一定程度上提高了电压基准源的精度。但是，其输出为一固定基准电压，且电压范围小。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种宽电源电压范围的高精度电压基准源。
本发明通过下述技术方案实现：
一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，包括第一支路和第二支路，所述第一支路和第二支路均包括一镜像电流电路和一连接在该镜像电流电路输出端的带隙路径，所述第一支路和第二支路的镜像电流电路互为镜像，所述镜像电流电路包括一个镜像MOS管和一个共源共栅MOS管，所述第一支路和第二支路的镜像电流电路的输出端分别连接在第一运算放大器的正相输入端和反相输入端，所述第一运算放大器输出端与镜像MOS管的栅极连接且第一运算放大器的输出电压小于电源电压；
所述第一支路的带隙路径包括相串联的一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管和一电阻；所述第二支路的带隙路径包括一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管；
还包括第三支路和电压输出支路；
所述第三支路包括一镜像电流电路和一连接在该镜像电流电路输出端的带隙路径；所述第三支路的带隙路径包括相并联的一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管和一负温度系数电阻；
所述第二支路和第三支路的镜像电流电路输出端分别连接在第二运算放大器的反相输入端和正相输入端，所述第二运算放大器的输出端与第三支路的镜像MOS管栅极连接；
所述电压输出支路包括一与第三支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路和连接在镜像电流电路输出端的电压输出电路。
本方案在现有电压基准源结构的基础上做了改进，第一支路、第二支路的镜像电流电路互为镜像，第三支路、电压输出支路的镜像电流电路互为镜像，镜像电流电路包括一个镜像MOS管和一个共源共栅MOS管，镜像MOS管的源极与电源相连，第一运算放大器使得第一支路、第二支路镜像电流电路的输出端电压相等，从而流过第一电阻的电流与第二支路双极型晶体管的发射级电流相同，都为Iptat，该电流与温度正相关。第二运算放大器使第二支路、第三支路镜像电流电路的输出端电压相等，第二支路、第三支路的双极型晶体管尺寸相同，使得第二支路、第三支路双极型晶体管的发射极电流相同，都为Iptat。流过第三支路的负温度系数电阻的电流为：第三支路双极型晶体管Vbe3/第三支路的带隙路径的负温度系数电阻，该电流与温度负相关。流过第三支路镜像电流电路的电流为Iptat+流过第三支路的带隙路径负温度系数电阻电流，通过调节第三支路的该负温度系数电阻，可以调节第三支路镜像电流电路电流的温度系数，从而叠加形成与温度无关或弱正温度系数的电流。电压输出支路的镜像电流电路通过镜像第三支路，其流过镜像电流电路的电流同样为Iptat+流过第三支路的带隙路径负温度系数电阻电流，该电流与温度无关或弱正温度系数，从而输出与温度无关的电压。采用该电路结构，其输出电压值与第一支路和第三支路的带隙路径上的电阻、电压输出电路的电阻、第一支路带隙路径上的双极型晶体管发射极尺寸相关，输出电压范围可调，且适于较大范围的电源电压。
作为优选，为了便于对输出电压精准度的调节，电压输出电路包括相并联的分压输出支路和调节支路，所述分压输出支路包括相串联的第一电阻和第二电阻，所述调节支路包括第三电阻，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻均为负温度系数电阻。
作为优选，还包括温度传感器支路，所述温度传感器支路包括一与第一支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路和一连接在该镜像电流电路输出端与地之间的负温度系数电阻。
作为优选，还包括用于调节电压输出支路电流的电流调节电路。
进一步的，所述电流调节电路包括一与第三支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路和连接在该镜像电流电路输出端与电压输出电路之间的开关器件。
作为优选，还包括电流源输出支路，所述电流源输出支路包括一与第三支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明第一支路和第二支路输出与温度成正比的电流Iptat，第三支路输出电流为Iptat+流过第三支路的带隙路径负温度系数电阻电流，流过第三支路的带隙路径负温度系数电阻电流与温度成反比，从而叠加输出与温度无关或弱正温度系数的电流，通过电压输出支路镜像输出与温度无关或弱正温度系数的电流，从而输出与温度无关的电压，其电压输出精确度高，且其输出电压值与第一支路和第三支路的带隙路径上的电阻、电压输出电路的电阻、第一支路带隙路径上的双极型晶体管发射极尺寸相关，输出电压范围可调，且适于较大范围的电源电压。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明的原理图。
图2为实施例2的电路原理图。
图3为实施例3的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，包括第一支路、第二支路、第三支路和电压输出支路；所述第一支路和第二支路均包括一镜像电流电路和一连接在该镜像电流电路输出端的带隙路径，所述第一支路和第二支路的镜像电流电路互为镜像，所述镜像电流电路包括一个镜像MOS管和一个共源共栅MOS管，所述第一支路和第二支路的镜像电流电路的输出端分别连接在第一运算放大器的正相输入端和反相输入端，所述第一运算放大器输出端与镜像MOS管的栅极连接且第一运算放大器的输出电压小于电源电压；
第一支路的带隙路径包括相串联的一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管和一电阻；第二支路的带隙路径的带隙路径包括一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管；
第三支路包括一镜像电流电路和一连接在该镜像电流电路输出端的带隙路径；所述第三支路的带隙路径包括相并联的一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管和一电阻；
第二支路和第三支路的镜像电流电路输出端分别连接在第二运算放大器的反相输入端和正相输入端，所述第二运算放大器的输出端与第三支路的镜像MOS管栅极连接；
电压输出支路包括一与第三支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路和连接在镜像电流电路输出端的电压输出电路。
具体的如图1所示，PMOS晶体管M3、M4构成第一支路的镜像电流电路，PMOS晶体管M5、M6构成第二支路的镜像电流电路，M3、M4与M5、M6互为镜像；PMOS晶体管M7、M8构成第三支路的镜像电流电路，PMOS晶体管M11、M12构成电压输出支路的镜像电流电路，M7、M8与M11、M12互为镜像。M3、M5、M7、M11作为镜像MOS管，工作在强反型区饱和区；M4、M6、M8、M12作为共源共栅MOS管，工作在弱反型区亚阈值区；M3、M5、M7、M11的源极与电源电压相连，M4、M6、M8、M12的漏极作为电流的输出端。
第一支路的带隙路径采用双极型晶体管Q2和电阻Rptat串联构成，第二支路的带隙路径采用双极型PNP晶体管Q1构成，第三支路的双极型PNP晶体管Q3和电阻Rctat并联构成，其中，双极型PNP晶体管Q2的发射极尺寸为双极型PNP晶体管Q1的N倍，N为大于1的自然数，双极型PNP晶体管Q1与双极型PNP晶体管Q3的发射极尺寸相等。双极型PNP晶体管Q1、Q2、Q3均采用集电极和基极接地的方式。
第一运算放大器EA1的正相和反相输入端分别连接在PMOS晶体管M4、PMOS晶体管M6的漏极，第一运算放大器EA1输出端连接PMOS晶体管M3的栅极且其输出电压小于电源电压，使PMOS晶体管M4、PMOS晶体管M6的漏极电压相等，即V1＝V2，从而流过电阻Rptat的电流与双极型PNP晶体管Q1的发射极电流相同，均为Iptat，该电流与绝对温度成正比；
其中，△Vbe为双极型PNP晶体管Q1与双极型PNP晶体管Q2的基极和发射极电压差，K为玻尔兹曼常数，T为绝度温度，q为电荷量。
第二运算放大器EA2的反相输入端和正相输入端分别连接在PMOS晶体管M6、PMOS晶体管M8的漏极，第二运算放大器EA2输出端与PMOS晶体管M7相连，使PMOS晶体管M6、PMOS晶体管M8的漏极电压相等,即V1＝V3，双极型PNP晶体管Q1与双极型PNP晶体管Q3的发射极尺寸相等，从而双极型PNP晶体管Q3的发射极电流与双极型PNP晶体管Q1的发射极电流相等，均为Iptat，那流过负温度系数电阻Rctat的电流Ictat为Vbe3/Rctat，其中，Vbe3为双极型PNP晶体管Q3基极和发射极电压差，该电流与绝对温度成反比。则流过PMOS晶体管M7、PMOS晶体管M8的电流是Iptat+Ictat，从而叠加形成与温度无关或弱正温度系数的输出电流。采用该电路，通过调节电阻Rctat的阻值，可以调节Iptat+Ictat的温度系数。
电压输出支路的PMOS晶体管M11、M12通过镜像PMOS晶体管M7、M8的电流，其电流与温度无关或弱正温度系数，从而输出的电压与温度无关。
具体的，电压输出支路的电压输出电路可采用相并联的分压输出支路和调节支路结构，如图1所示，分压输出支路包括相串联的第一电阻R1和第二电阻R2，调节支路包括第三电阻Rtrim，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻Rtrim均为负温度系数电阻。采用该电压输出电路其参考点Vref1的电压为：
参考点Vref2的电压为：
输出电压Vref1与Vref2，其可通过调节第三电阻Rtrim的阻值得到精确的电压值，其输出电压基准的范围可通过选择不同的第一电阻R1和第二电阻R2的阻值来确定，且其电源电压的范围在1.8V～5.5V之间，通过调节电阻Rctat的阻值，可调节其温度系数，精确度高。
为了实现对流过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻Rtrim电流的微调，可在电压输出支路上连接一电流调节电路，具体的，电流调节电路包括一与第三支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路和连接在该镜像电流电路输出端与电压输出电路之间的开关器件。如图2所示，电流调节电路有两条，一条由PMOS晶体管M9、M10和开关器件SW1构成，另一条由PMOS晶体管M13、M14和开关器件SW2构成，PMOS晶体管M9、M10与PMOS晶体管M7、M8构成镜像，同样的，PMOS晶体管M13、M14与PMOS晶体管M7、M8构成镜像，通过控制开关器件SW1、开关器件SW2可微调流过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻Rtrim电流。
在第一支路连接一启动电路和偏置电路，具体的，如图1所示，在第一支路共源共栅MOS管的栅极和镜像MOS管的源极连接在启动电路和偏置电路上，启动电路和偏置电路可采用现有常规电路实现。
实施例2
基于上述实施例的电路结构和原理，本实施例进行扩展，即基于上述电压基准源，可实现温度传感器功能，具体的，参照图3，利用PMOS晶体管M1、M2构成与PMOS晶体管M3、M4的镜像电流电路，在PMOS晶体管M2漏极与地之间连接一负温度系数电阻Rtemp,流过负温度系数电阻Rtemp的电流为第一支路的镜像电流，为Iptat，得到一与绝对温度成正比的电压Vtemp，可以用作温度传感器。
其中，α表示PMOS晶体管M1、M2构成的镜像电流电路的电流倍数。
实施例3
基于上述任一实施例的电路结构和原理，本实施例进行扩展，即基于上述任一电压基准源，其还可与作为电流源，具体的，参照图3，利用PMOS晶体管M15、M16构成与PMOS晶体管M7、M8的镜像电流电路，PMOS晶体管M16的漏极作为电流源的输出端即可，同样，该输出电流为与温度无关或弱正温度系数的高精度电流源。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，包括第一支路和第二支路，所述第一支路和第二支路均包括镜像电流电路和一连接在该镜像电流电路输出端的带隙路径，所述第一支路和第二支路的镜像电流电路互为镜像，所述镜像电流电路包括一个镜像MOS管和一个共源共栅MOS管，所述第一支路和第二支路的镜像电流电路的输出端分别连接在第一运算放大器的正相输入端和反相输入端，所述第一运算放大器输出端与镜像MOS管的栅极连接且第一运算放大器的输出电压小于电源电压；
所述第一支路的带隙路径包括相串联的一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管和一电阻；所述第二支路的带隙路径包括一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管；
其特征在于：
还包括第三支路和电压输出支路；
所述第三支路包括一镜像电流电路和一连接在该镜像电流电路输出端的带隙路径；所述第三支路的带隙路径包括相并联的一采用二极管连接方式连接的双极型晶体管和一电阻；
所述第二支路和第三支路的镜像电流电路输出端分别连接在第二运算放大器的反相输入端和同相输入端，所述第二运算放大器的输出端与第三支路的镜像MOS管栅极连接；
所述电压输出支路包括一与第三支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路和连接在镜像电流电路输出端的电压输出电路。
2.根据权利要求1所述的一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，其特征在于，所述电压输出电路包括相并联的分压输出支路和调节支路，所述分压输出支路包括相串联的第一电阻和第二电阻，所述调节支路包括第三电阻，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻均为负温度系数电阻。
3.根据权利要求1所述的一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，其特征在于，还包括温度传感器支路，所述温度传感器支路包括一与第一支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路和一连接在该镜像电流电路输出端与地之间的负温度系数电阻。
4.根据权利要求1所述的一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，其特征在于，还包括用于调节电压输出支路电流的电流调节电路。
5.根据权利要求4所述的一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，其特征在于，所述电流调节电路包括一与第三支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路和连接在该镜像电流电路输出端与电压输出电路之间的开关器件。
6.根据权利要求1所述的一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，其特征在于，还包括电流源输出支路，所述电流源输出支路包括一与第三支路镜像电流电路互为镜像的镜像电流电路。
7.根据权利要求1所述的一种宽电源电压范围的高精度电压基准源，其特征在于，所述第一支路连接有启动电路和偏置电路。
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