CN112527043B - 一种具有工艺补偿的基准电压电路 - Google Patents

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Abstract

一种具有工艺补偿的基准电压电路，通过第二NPN三极管与第一电流源的组合，能够使得第一NPN三极管的集电极电流与其反向饱和电流具有相同趋势的变化，有利于第一NPN三极管基极与发射极之间的电压在不同工艺角下保持基本一致，进而减小基准电压随不同工艺角的变化，实现对基准电压的工艺补偿。

Description

一种具有工艺补偿的基准电压电路
技术领域
本发明涉及基准电压技术，特别是一种具有工艺补偿的基准电压电路，通过第二NPN三极管与第一电流源的组合，能够使得第一NPN三极管的集电极电流与其反向饱和电流具有相同趋势的变化，有利于第一NPN三极管基极与发射极之间的电压在不同工艺角下保持基本一致，进而减小基准电压随不同工艺角的变化，实现对基准电压的工艺补偿。
背景技术
现有技术中的基准电压电路如图1所示，包括运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的输出端为基准电压端Vref，所述运算放大器OPA的负输入端(-)与正输入端(+)之间连接第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端通过第二电阻连接接地端GND，所述第一电阻R1的另一端连接第一NPN三极管QA的发射极，所述第一NPN三极管QA的基极与集电极互连后连接所述运算放大器OPA的输出端。图1中的基准电压Vref是随工艺的工艺角(Process Corner)的变化而变化。一般地，工艺角分为Typical(典型工艺角)，Slow(慢工艺角)，Fast(快工艺角)三类。基准电压Vref随工艺角变化的原因，本发明人分析如下：如图1，运算放大器OPA的输入失调电压等于ΔVbe。因此，流过R1的电流IR1为：
Figure BDA0002206278350000011
忽略OPA的输入偏置电流，得到基准电压Vref的表达式：
Vref＝VBE,QA+(1+(R2/R1))×△Vbe (2)
其中，VBE,QA为QA的基极与发射极的电压差。
Figure BDA0002206278350000012
其中，K是波尔兹曼常数，T是器件(第一NPN三极管QA)所处温度，q是单位电荷电量，IS是器件(第一NPN三极管QA)的反向饱和电流。
式(2)中，ΔVbe由OPA内部的Vos(运算放大器内部的失调电压)确定，可以认为不随芯片所处的工艺角变化。R1是不随QA所处工艺角变化的电阻。进一步，我们可以认为IR1是不随芯片所处的工艺角变化的。式(3)中的IS随工艺角变化。Slow Corner(慢工艺角)下的IS比Typical(典型工艺角)下小，Fast Corner(快工艺角)下IS比Typical(典型工艺角)的IS大。所以，由式(3)可知，VBE在Slow Corner(慢工艺角)下比Typical(典型工艺角)下的大，VBE在Fast Corner(快工艺角)下比Typical下的小。综上，Vref会随芯片所处Corner发生变化。在Slow Corner(慢工艺角)下Vref比Typical(典型工艺角)下的Vref大，在Fast Corner(快工艺角)下Vref比Typical(典型工艺角)下的Vref小。本发明人认为，如果建立第二NPN三极管QB与第一电流源I1的组合，就能够使得第一NPN三极管QA的集电极电流与其反向饱和电流Is具有相同趋势的变化，有利于第一NPN三极管QA基极与发射极之间的电压VBE,QA在不同工艺角下保持基本一致，进而减小基准电压Vref随不同工艺角的变化，实现对基准电压Vref的工艺补偿。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种具有工艺补偿的基准电压电路，通过第二NPN三极管与第一电流源的组合，能够使得第一NPN三极管的集电极电流与其反向饱和电流具有相同趋势的变化，有利于第一NPN三极管基极与发射极之间的电压在不同工艺角下保持基本一致，进而减小基准电压随不同工艺角的变化，实现对基准电压的工艺补偿。
本发明的技术方案如下：
一种具有工艺补偿的基准电压电路，其特征在于，包括第一NPN三极管和第二NPN三极管，所述第二NPN三极管的发射极连接接地端，所述第二NPN三极管的集电极连接所述第一NPN三极管的发射极，所述第二NPN三极管的基极连接第一电流源的输出端，所述第一电流源的输入端分别连接所述第一NPN三极管的基极和集电极，所述第一NPN三极管的集电极连接运算放大器的输出端，所述运算放大器的输出端为基准电压端，所述运算放大器的负输入端与正输入端之间连接第一电阻，所述第一电阻的一端通过第二电阻连接接地端，所述第一电阻的另一端连接第一NPN三极管的发射极。
所述第二NPN三极管与所述第一NPN三极管在芯片中为相邻匹配设置。
所述第二NPN三极管与所述第一NPN三极管处于相同工艺角。
所述第一电流源的电流不随第一NPN三极管所处工艺角的变化而变化。
所述第二NPN三极管的电流放大系数在快工艺角下比典型工艺角下大，在慢工艺角下比典型工艺角下小。
所述第一NPN三极管的集电极电流与其反向饱和电流具有相同趋势的变化。
所述相同趋势的变化为在快工艺角下比典型工艺角下大，在慢工艺角下比典型工艺角下小，使第一NPN三极管基极与发射极之间的电压维持稳定，从而在不同工艺角下实现基准电压的稳定。
本发明的技术效果如下：本发明一种具有工艺补偿的基准电压电路，由于在现有的基准电压电路上建立了第二NPN三极管QB与第一电流源I1的组合，就能够使得第一NPN三极管QA的集电极电流与其反向饱和电流Is具有相同趋势的变化，有利于第一NPN三极管QA基极与发射极之间的电压VBE,QA在不同工艺角下保持基本一致，进而减小基准电压Vref随不同工艺角的变化，实现对基准电压Vref的工艺补偿，也就是在不同工艺角下使第一NPN三极管基极与发射极之间的电压维持稳定，从而实现基准电压的稳定。
附图说明
图1是现有技术中的一种基准电压Vref随工艺角(Process Corner)变化的基准电压电路。工艺角(Process Corner)一般分为Typical(典型工艺角)，Slow(慢工艺角)，Fast(快工艺角)三类。图1中的基准电压Vref会随芯片所述工艺角(Corner)发生变化，在SlowCorner(慢工艺角)下Vref比Typical(典型工艺角)下的Vref大，在Fast Corner(快工艺角)下Vref比Typical下的Vref小。
图2是实施本发明一种具有工艺补偿的基准电压电路结构示意图。
附图标记列示如下：OPA-运算放大器；Vos-运算放大器内部的失调电压；Vref-基准电压或基准电压端；GND-接地端；R1-第一电阻；R2-第二电阻；ΔVbe-第一电阻R1两端的电压(即OPA的输入失调电压)；IR1-流过第一电阻R1的电流；QA-第一NPN三极管；QB-第二NPN三极管；IQA-第一集电极电流；VBE,QA-第一NPN三极管QA基极与发射极之间的电压；I1-第一电流源。
具体实施方式
下面结合附图(图2)对本发明进行说明。
图2是实施本发明一种具有工艺补偿的基准电压电路结构示意图。如图2所示，一种具有工艺补偿的基准电压电路，包括第一NPN三极管QA和第二NPN三极管QB，所述第二NPN三极管QB的发射极连接接地端GND，所述第二NPN三极管QB的集电极连接所述第一NPN三极管QA的发射极，所述第二NPN三极管QB的基极连接第一电流源I1的输出端，所述第一电流源I1的输入端分别连接所述第一NPN三极管QA的基极和集电极，所述第一NPN三极管QA的集电极连接运算放大器OPA的输出端，所述运算放大器OPA的输出端为基准电压端Vref，所述运算放大器OPA的负输入端(-)与正输入端(+)之间连接第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端通过第二电阻R2连接接地端GND，所述第一电阻R1的另一端连接第一NPN三极管QA的发射极。所述第二NPN三极管QB与所述第一NPN三极管QA在芯片中为相邻匹配设置。所述第二NPN三极管QB与所述第一NPN三极管QA处于相同工艺角。所述第一电流源I1的电流不随第一NPN三极管QA所处工艺角的变化而变化。所述第二NPN三极管QB的电流放大系数在快工艺角FastCorner下比典型工艺角Typical Corner下大，在慢工艺角Slow Corner下比典型工艺角Typical Corner下小。所述第一NPN三极管QA的集电极电流IQA与其反向饱和电流Is具有相同趋势的变化。所述相同趋势的变化为在快工艺角Fast Corner下比典型工艺角TypicalCorner下大，在慢工艺角SlowCorner下比典型工艺角Typical Corner下小，使第一NPN三极管基极与发射极之间的电压VBE,QA维持稳定，从而在不同工艺角下实现基准电压Vref的稳定。
如图2所示的电路是有工艺补偿的基准电压电路。电压基准Vref如式(4)所示。
Vref＝VBE,QA+(1+(R2/R1))×△Vbe (4)
式中，
Figure BDA0002206278350000041
IQA是流过QA的集电极电流，
Figure BDA0002206278350000042
其中，I1是不随QA所处Corner变化的电流，β是QB的电流放大系数。QA与QB相邻匹配放置，可以认为两个晶体管处在相同工艺角。电流放大系数β在Fast Corner(快工艺角)下比Typical(典型工艺角)下的大，在Slow Corner(慢工艺角)下β比Typical(典型工艺角)下的小。所以IQA在Fast Corner(快工艺角)下比Typical(典型工艺角)下的大，在Slow Corner(慢工艺角)下比Typical(典型工艺角)下的小。具有这样特性的IQA随工艺角Corner变化的趋势与IS是相同的。本方案的IQA与IS的比值随Corner的变化会明显减少。所以，VBE,QA在不同Corner下保持基本一致。本方案能够减小VBE,QA随工艺的变化，也就是减小了Vref随工艺的变化，实现了对电压基准Vref的工艺补偿。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，例如，将本文中的NPN三极管替换为PNP三极管等，采用双极型晶体管为核心的基准电压电路的其他结构等，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有工艺补偿的基准电压电路，其特征在于，包括第一NPN三极管和第二NPN三极管，所述第二NPN三极管的发射极连接接地端，所述第二NPN三极管的集电极连接所述第一NPN三极管的发射极，所述第二NPN三极管的基极连接第一电流源的输出端，所述第一电流源的输入端分别连接所述第一NPN三极管的基极和集电极，所述第一NPN三极管的集电极连接运算放大器的输出端，所述运算放大器的输出端为基准电压端，所述运算放大器的负输入端与正输入端之间连接第一电阻，所述第一电阻的一端通过第二电阻连接接地端，所述第一电阻的另一端连接第一NPN三极管的发射极；
所述第二NPN三极管的电流放大系数在快工艺角下比典型工艺角下大，在慢工艺角下比典型工艺角下小。
2.根据权利要求1所述的具有工艺补偿的基准电压电路，其特征在于，所述第二NPN三极管与所述第一NPN三极管在芯片中为相邻匹配设置。
3.根据权利要求1所述的具有工艺补偿的基准电压电路，其特征在于，所述第二NPN三极管与所述第一NPN三极管处于相同工艺角。
4.根据权利要求1所述的具有工艺补偿的基准电压电路，其特征在于，所述第一电流源的电流不随第一NPN三极管所处工艺角的变化而变化。
5.根据权利要求1所述的具有工艺补偿的基准电压电路，其特征在于，所述第一NPN三极管的集电极电流与其反向饱和电流具有相同趋势的变化。
6.根据权利要求5所述的具有工艺补偿的基准电压电路，其特征在于，所述相同趋势的变化为在快工艺角下比典型工艺角下大，在慢工艺角下比典型工艺角下小，使第一NPN三极管基极与发射极之间的电压维持稳定，从而在不同工艺角下实现基准电压的稳定。
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