CN113805633A - 基于高准确度齐纳的电压参考电路 - Google Patents

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CN113805633A CN202110649313.XA CN202110649313A CN113805633A CN 113805633 A CN113805633 A CN 113805633A CN 202110649313 A CN202110649313 A CN 202110649313A CN 113805633 A CN113805633 A CN 113805633A
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Abstract

公开一种电压参考电路，包括：电源端；接地端；第一电流源和齐纳二极管，其串联连接在所述电源端与所述接地端之间，在其间具有第一节点，且被配置成在所述第一节点处供应齐纳电压；输出节点，其被配置成提供电压参考；以及CTAT电路，其连接在所述第一节点与所述输出节点之间；其中所述CTAT电路包括：两个双极晶体管，所述两个双极晶体管使其相应的发射极在第二节点处连接，且被配置成在操作中具有相等的集电极‑发射极电流，第一双极晶体管的基极连接到所述第一节点，第二双极晶体管的基极连接到第一分压器的中心节点；并且其中所述第一分压器连接在所述第二双极晶体管的所述发射极与所述输出节点之间。

Description

基于高准确度齐纳的电压参考电路
技术领域
本公开涉及电压参考电路，且具体地说，涉及基于温度补偿齐纳(Zener)的电压参考电路。
背景技术
对于许多电子应用，有必要提供准确、已知、固定的参考电压。此类参考电压的要求取决于应用的类型。举例来说，电池管理系统(BMS)产品通常需要对环境或工作温度的变化相对不敏感并在通常以年为单位测量的长时间段内保持稳定的参考电压。也就是说，参考电压必须具有低漂移。例如，漂移可能由组件的老化或由IC封装上的应力引起。
常规地，使用带隙电路来提供已知参考电压。然而，对于长期漂移为关键性能要求的例如BMS产品等应用，基于齐纳二极管的参考电压电路是有吸引力的替代方案。齐纳二极管两端的电压仅随着穿过二极管的电流而缓慢变化，且因此二极管可形成准确参考电压的基础。然而，齐纳二极管通常具有正温度系数(TC)，也就是说，对于固定电流，二极管两端的电压随着温度升高而增加，且因此需要通过添加与绝对温度互补(CTAT)的电路来进行温度补偿。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供一种电压参考电路，包括：电源端，所述电源端被配置成连接到电源电压；接地端，所述接地端被配置成连接到接地电压；第一电流源和齐纳二极管，所述第一电流源和所述齐纳二极管串联连接在所述电源端与所述接地端之间，在其间具有第一节点，且被配置成在所述第一节点处供应齐纳电压(Vz)；输出节点(Vref_hv)，所述输出节点被配置成提供电压参考(Vref_hv，Vref)；以及与绝对温度互补CTAT电路，所述CTAT电路连接在所述第一节点与所述输出节点之间；其中所述CTAT电路包括：第一双极晶体管(Q1)和第二双极晶体管(Q2)，所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管各自具有基极、集电极和发射极，使其相应的发射极在第二节点(Vs)处连接，且被配置成在操作中具有相等的集电极-发射极电流，其中所述第一双极晶体管的所述基极连接到所述第一节点，且所述第二双极晶体管的所述基极连接到第一分压器的中心节点，并且其中所述第一分压器由连接在所述输出节点(Vref_hv)与所述中心节点之间的第一电阻和连接在所述中心节点与所述第二双极晶体管的所述发射极之间的第二电阻组成。
因此，通过提供被布置成承载相同或几乎相同的电流的一对双极晶体管，其基射极间电压可由此准确地匹配，这可提高齐纳二极管电压的正温度系数消除的准确度。此外，由于晶体管未相对于接地电压堆叠或部分堆叠，因此用于适当操作的电源端所需最小电源电压可低于已知电路中的最小电源电压。
在一个或多个实施例中，所述CTAT电路另外包括第二电流源(I_BIAS_hs)，所述第二电流源连接在所述第一双极晶体管的所述集电极与电源节点之间，且被配置成向所述第一双极晶体管提供偏置电流。
在一个或多个实施例中，所述CTAT电路另外包括FET，所述FET具有连接在所述第二双极晶体管的所述集电极与所述电源节点之间的主端，以及连接到所述第一双极晶体管的所述集电极的控制端，且被配置成匹配穿过所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管的所述集电极-发射极电流。此布置可提供确保匹配电流的特别简单的方法。
在一个或多个实施例中，所述CTAT电路另外包括第三电流源，所述第三电流源连接在所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管的所述发射极与所述接地端之间。所述第三电流源可被配置成吸收的电流等于由所述第二电流源供应的电流的两倍加上穿过所述第二电阻器的电流。这可确保所述两个双极晶体管的发射极电流精确匹配。顺便注意，本文中使用的通用术语“电流源”是指严格意义上的电流源和电流吸收器两者。
在一个或多个实施例中，所述电压参考在所述输出节点处直接提供。在其它实施例中，提供第二分压器，所述第二分压器包括连接在所述输出节点与接地之间的两个电阻器或电阻，且在其间具有中心节点，其中所述电压参考(Vref)在所述第二分压器的所述中心节点处。这允许将参考电压按比例缩放到特定选择的值或范围。
在一个或多个实施例中，所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管各自是NPN晶体管。
在一个或多个实施例中，所述第一双极晶体管和第二双极晶体管是匹配的晶体管。也就是说，所述晶体管可被设计成具有相同或极类似的特性。这可确保直接将来自Q2的基射极间电压的按比例缩放版本电压施加到齐纳电压Vz，尽管仅存在穿过Q1的间接连接。
在一个或多个实施例中，穿过所述第二电阻的电流小于100nA。使用穿过此分压器的低电流可确保晶体管电流几乎相同。
在一个或多个实施例中，所述电压参考电路被配置成以6V与7V之间的电源电压操作。这在现有技术设计中可能是不可能的。
在一个或多个实施例中，所述第二电流源和所述第三电流源各自被配置成具有零温度系数0TC。
在一个或多个实施例中，所述第三电流源被配置成提供由与绝对温度成比例PTAT的分量和CTAT分量组成的电流，其中所述CTAT分量是穿过所述第二电阻器的电流的按比例缩放版本。
本发明的这些以及其它方面将通过下文所描述的实施例显而易见，并且将参考下文所描述的实施例阐明本发明的这些以及其它方面。
附图说明
将参考图式仅借助于例子描述实施例，在图式中：
图1示出基于齐纳二极管且包括温度补偿的常规电压参考电路；
图2示出基于齐纳二极管且包括温度补偿的替代电压参考电路；
图3示出根据一个或多个实施例的基于齐纳二极管且包括温度补偿的电压参考电路；
图4示出根据一个或多个其它实施例的基于齐纳二极管且包括温度系数的电压参考电路；并且
图5示出用于向本公开的实施例提供偏置电流的偏置电路。
应注意，图式是图解说明且未按比例绘制。为在图示中清楚和方便起见，这些图式的各部分的相对尺寸和比例已通过在大小上放大或缩小而示出。相同的附图标记一般用于指在修改的和不同的实施例中的对应或类似特征。
具体实施方式
图1示出基于齐纳二极管且包括温度补偿的常规电压参考电路100。电路100具有被配置成接收电源电压的电源端10，以及被配置成在接地电压下操作的接地端20。电路包括在电源与接地之间与补偿电路40和电流源50串联连接的齐纳二极管30。电流源50供应穿过齐纳二极管30的电流IZEN。二极管两端的电压Vz相对稳定，但正如已经提到的，呈现正温度系数。因此，补偿电路40与齐纳二极管设置成串联以将与温度相关的电压添加到齐纳电压Vz。电路40的补偿由与由下部电阻器R2 46和上部电阻器R1 48组成的分压器44并联连接的双极晶体管Q1 42组成。双极晶体管的基极连接到电阻除法器的中心节点，也就是说在R2与R1之间，同时分压器的下部端在下部节点55处连接到双极晶体管的发射极，且分压器的上部端连接到双极晶体管的集电极。在输出节点60处的参考电压Vref_hv在双极晶体管的集电极处提供。
从图1可以示出：
Vref_hv＝Vz+Vbe1+VR1 (1)
其中VR1是电阻器R1两端的电压，且Vbe1是双极晶体管Q1的发射极-基极电压。
通过将分压器内的电阻设置得较大，可将基极电流设置得足够低以至于可以忽略不计，然后：
Figure BDA0003106124570000041
从其中可示出
Figure BDA0003106124570000051
Vz具有正温度系数；然而，这由Vbe1的负温度系数补偿。由于此负温度系数大致为-2mV/℃，因此其按因数(1+R1/R2)缩放，其中选择R1与R2之间的比率来抵消齐纳二极管的正温度系数。应了解，这是因为(1+R1/R2)始终大于单位。因此，当0mV/℃<TC1_zener<-2mV/℃时，此结构本身无法产生0TC Vref_hv。
图2示出基于齐纳二极管且包括温度补偿的替代电压参考电路200。此电路大体上类似于图1的电路，不同之处在于补偿电路依赖于第二双极晶体管的Vbe，所述第二双极晶体管将穿过双极晶体管的电流与齐纳电流分离。
电路200具有被配置成接收电源电压的电源端10，以及被配置成在接地电压下操作的接地端20。电路包括在电源与接地之间与补偿电路240和电流源IZEN 50串联连接的齐纳二极管30。电流源50供应穿过齐纳二极管30的电流。因此，补偿电路40与齐纳二极管设置成串联以将与温度相关的电压添加到齐纳电压Vz。电路240的补偿由与由下部电阻器R2 46和上部电阻器R1 48组成的分压器44并联连接的双极晶体管Q1 42组成。双极晶体管的基极连接到电阻除法器的中心节点，也就是说在R2与R1之间，同时分压器的下部端在下部节点55处连接到双极晶体管的发射极，且分压器的上部端连接到双极晶体管的集电极。此电路不同于图1中示出的电路，不同之处在于，在电压Ve下的Q1的集电极不直接连接为参考电压，而是连接到第二双极晶体管Q2 270的基极端。此第二双极晶体管Q2连接在电源10与接地20之间的第二路径中，所述第二双极晶体管Q2与第二分压器64串联，所述第二分压器64包括两个电阻器R4 66和R3 68，其间具有节点Vref。第二分压器64与晶体管Q2的发射极之间的节点表示为Vref_hv。对此电路的分析得出：
Figure BDA0003106124570000052
其中Vbe2是Q2的基射极间电压。假设每个晶体管的偏置电流相同，则Vbe1等于Vbe2，并且上述方程可简化为：
Figure BDA0003106124570000061
因此，此电路类似于图1的电路，但代替恒定电压参考Vref_hV，电压参考的值Vref可通过适当选择第二电阻除法器64中的电阻器来选择。
然而，上述分析依赖于Q1和Q2的基极-发射极电压相同的假设。在实践中，情况未必如此。需要提供一种电路，其中可使Q1和Q2的基极-发射极电压相同，或足够接近以至于差别可以忽略不计。
图3示出根据一个或多个实施例的基于齐纳二极管且包括温度补偿的电压参考电路300。在概念上，此电路不同于图1和2中示出的电路，不同之处在于补偿电路不堆叠在二极管的顶部上，且可因此在较低电源电压下操作。
电路300具有被配置成连接到电源电压的电源端10，以及被配置成连接到接地电压的接地端20。电路包括供应电流IZEN的第一电流源50以及齐纳二极管30，所述第一电流源50和所述齐纳二极管30串联连接在电源端与接地端之间。电流源50与齐纳二极管30之间是第一节点355，在所述第一节点355处存在齐纳电压(Vz)。
具有电压Vz的齐纳电压节点与输出节点360有关，所述输出节点360被配置成通过补偿电路提供第一电压参考Vref_hv。第一电压参考360还可被视为高电压参考，如根据下文中对较低电压参考的论述将变得更显而易见的。补偿电路采用与连接在第一节点与输出节点之间的与绝对温度互补CTAT电路340的形式。也就是说，(齐纳电压Vz与输出节点处的电压Vref_hv之间的)电压差随着温度或绝对温度升高而减小。
类似于图2中示出的电路，CTAT电路240包括两个双极晶体管Q1370和Q2 380。然而，与图2中示出的电路相比，晶体管被布置成承载类似电流。因此，在示出的实施例中，CTAT电路基于第一双极晶体管Q1 370和第二双极晶体管Q2 380，每个双极晶体管具有基极、集电极和发射极，使其相应的发射极在第二节点365处在电压Vs下连接，且被配置成在操作中具有相等或类似的集电极-发射极电流。
第一双极晶体管的基极连接到第一节点，即齐纳电压节点，并且第二双极晶体管的基极连接到由两个电阻或电阻器R1 315和R2 325组成的分压器的中心节点305。分压器连接在第二双极晶体管的发射极与输出节点(Vref_hv)之间，也就是说，其与第二双极晶体管Q2并联连接。
电流通过两个另外的电流源335和345(所述电流源335和345与提供齐纳电流的第一电流源50分离)供应到两个双极晶体管370 Q1和380 Q2中的每一个。具体地说，第二电流源345连接在第一双极晶体管的集电极与电源节点之间，且被配置成向第一双极晶体管提供偏置电流I_BIAS_hs。并且第三电流源335连接在第一双极晶体管和第二双极晶体管的共同发射极与接地端之间。此电流源被配置成从晶体管对吸收电流I_BIAS_ls。晶体管Q1和Q2并联布置，即晶体管Q1和Q2各自形成在电压Vs下的节点365(也就是说，第一电流源335的高侧)与电压端10之间的两个单独支路的一部分。
两个支路承载类似或相等的电流。确保两个支路之间适当分流的各种方式对于本领域的技术人员将是显而易见的。在图3所描绘的实施例中，这通过FET 390实现。FET可以是p沟道模式FET。FET包括在与第二双极晶体管的支路相同的支路中，并且使所述FET的主端连接在第二双极晶体管的集电极与电源节点之间，且控制端连接到第一双极晶体管的集电极。FET被配置成匹配穿过第一支路和第二支路—也就是说，穿过第一双极晶体管和第二双极晶体管的集电极-发射极电流。(在实践中，穿过第二支路的电流在第二双极晶体管Q2与分压器R1 R2之间共享。然而，如下文将更详细地论述，穿过分压器R1 R2的电流选择为比穿过Q2的电流低若干数量级，且因此实际上可忽略。)
图4示出根据本公开的一个或多个其它实施例的基于齐纳二极管且包括温度系数的电压参考电路。此电路大体上类似于图3的电路：不需要更详细地描述直接对应的部分。然而，此电路具有额外的第二分压器410。此第二分压器410包括连接在输出节点305与接地之间的两个电阻器R3 415和R4 425。第二分压器在电阻器R1与R2之间具有中心节点405。具有电压Vref的电压参考405在第二分压器的中心节点处。如对本领域的技术人员将立即显而易见的，此分压器用于将高电压输出参考Vref_hv按比例缩放为所选择的参考电压Vref。
可如下分析图3和4的电路：
Vrefhv＝Vz-Vbe1+Vbe2+VR1 (5)，
其中VR1是第一分压器中的R1两端的电压。
但由于Q1和Q2承载几乎相同的电流，因此Vbe1和Vbe2相等且可抵消。则，
Vrefhv＝Vz+VR1 (6)。
Q2中的基极电流可被视为是可忽略的，因为电阻R1和R2的值被设置得较大。则，
Figure BDA0003106124570000081
因此
Figure BDA0003106124570000082
将此代入到方程(6)中得出：
Figure BDA0003106124570000083
并且应用上文所论述的分压器：
Figure BDA0003106124570000084
以上等式首先示出(且正如已经提到的)，与Vref_hv相比，电压参考Vref可根据以下公式缩放：
Figure BDA0003106124570000085
并且其次，通过Q2的基极-发射极电压Vbe2的负温度系数来补偿齐纳电压Vz的正温度系数。如本领域的技术人员将了解，Vbe2的温度系数通常为-2mV/℃。然后，调整R1与R2的比率可以几乎完全消除齐纳二极管的正电压系数。
在图2中示出的电压参考电路中，电源电压必须足以提供齐纳电压、Q1的集电极-发射极电压和Q2的集电极-基极电压的总和。相比之下，如图3和4中示出的本公开的实施例可在较低电源电压下操作。具体地说，由于双极晶体管具有互连的发射极，所以仅需要提供电源电压即可为齐纳电压、Q1的基极-集电极电压以及提供高侧电流源IBIAS_hs 345所需的任何电压降提供足够的裕量。因此，与通常需要大致7V的最小电源电压的例如图2中示出的前述电路相比，本公开的实施例可被配置成以大致6V的最小电源电压操作。
现在转向图5，此图式示出用于使用本领域的技术人员熟悉的技术向本公开的实施例提供偏置电流的偏置电路500。偏置电路提供温度补偿恒流IOTC。温度补偿恒流I0TC可例如用作高侧电流源345中的电流I_BIAS_hs。概括地说，提供温度补偿恒流作为两个电流的总和，所述两个电流又分别基于与绝对温度互补(CTAT)的电流ICTAT和与绝对温度成比例(PTAT)的电流IPTAT使用按比例缩放电流镜来确定。
与绝对温度互补的电流被确定为穿过连接在第一NPN双极晶体管Q3 530的基极与发射极之间的电阻器R5 520的电流。第一NPN双极晶体管与第一FET M1 542串联连接在电源电压505与接地电压515之间。穿过R5的电流通过第一按比例缩放电流镜560的第一支路M3 562供应。按比例缩放电流镜的第二支路M4 564提供按因数<a:1>缩放的此电流，作为电流I0TC的第一部分。
与绝对温度成比例的电流被确定为穿过连接在第二NPN双极晶体管Q4 580的发射极与接地之间的第二电阻器R6 570的电流。第二NPN双极晶体管的集电极与第二FET M2544串联连接到电源电压505。第二FET M2 544与第一FET 542处于电流镜配置540中。此电流镜540包括穿过另外的FET M5 546的另外的按比例缩放的电流副本。此支路提供穿过R6的按<b:1>的因数缩放的电流副本，所述电流副本与第一按比例缩放因数电流组合，以提供电流I0TC的第二部分。
正如已经提到的，此温度补偿电流源I0TC可直接用于向高侧电流源提供电流I_BIAS_hs。类似电路可用于将电流I_bias_ls供应到低侧偏置电流源335。此电流应大致为高侧电流的两倍。更详细地说，所述电流应包括电流IR2，如上文所提及，所述电流IR2可以低至可忽略不计。然而，有可能考虑此内容且通过将此电流设置为与上文所提及的绝对温度互补的电流ICTAT的按比例缩放版本来提供改进的准确度，也就是说IR2＝c.ICTAT。
通过阅读本公开，本领域的技术人员将明白其它变化和修改。此类变化和修改可涉及等效和其它特征，这些等效和其它特征在基于当时的电压参考领域中已经是已知的，且可用作本文已经描述的特征的替代或补充。
尽管所附权利要求书是针对特定特征组合，但是应理解，本发明的公开内容的范围还包括本文中明确地或隐含地公开的任何新颖特征或任何新颖特征组合或该新颖特征的任何概括，而不管该新颖特征是否涉及与当前在任何权利要求中要求保护的本发明相同的发明或该新颖特征是否缓和与本发明所缓和的技术问题相同的任一或全部技术问题。
在单独的实施例的上下文中描述的特征也可以在单个实施例中以组合形式提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施例的情形中所描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合形式提供。申请人特此提醒，在审查本申请或由此衍生的任何另外的申请期间，可针对此类特征和/或此类特征的组合而制定新的权利要求。
为了完整起见，还指出，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，术语“一”并不排除多个，并且权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种电压参考电路，其特征在于，包括：
电源端，所述电源端被配置成连接到电源电压；
接地端，所述接地端被配置成连接到接地电压；
第一电流源和齐纳二极管，所述第一电流源和所述齐纳二极管串联连接在所述电源端与所述接地端之间，在其间具有第一节点，且被配置成在所述第一节点处供应齐纳电压(Vz)；
输出节点(Vref_hv)，所述输出节点被配置成提供电压参考(Vref_hv，Vref)；以及
与绝对温度互补CTAT电路，所述CTAT电路连接在所述第一节点与所述输出节点之间；
其中所述CTAT电路包括：
第一双极晶体管(Q1)和第二双极晶体管(Q2)，所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管各自具有基极、集电极和发射极，使其相应的发射极在第二节点(Vs)处连接，且被配置成在操作中具有相等的集电极-发射极电流，
其中所述第一双极晶体管的所述基极连接到所述第一节点，且所述第二双极晶体管的所述基极连接到第一分压器的中心节点，并且
其中所述第一分压器由连接在所述输出节点(Vref_hv)与所述中心节点之间的第一电阻和连接在所述中心节点与所述第二双极晶体管的所述发射极之间的第二电阻组成。
2.根据权利要求1所述的电压参考电路，其特征在于，所述CTAT电路另外包括第二电流源(I_BIAS_hs)，所述第二电流源连接在所述第一双极晶体管的所述集电极与电源节点之间，且被配置成向所述第一双极晶体管提供偏置电流。
3.根据权利要求1或2所述的电压参考电路，其特征在于，所述CTAT电路另外包括FET，所述FET具有连接在所述第二双极晶体管的所述集电极与所述电源节点之间的主端，以及连接到所述第一双极晶体管的所述集电极的控制端，且被配置成匹配穿过所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管的所述集电极-发射极电流。
4.根据在前的任一项权利要求所述的电压参考电路，其特征在于，所述CTAT电路另外包括第三电流源，所述第三电流源连接在所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管的所述发射极与所述接地端之间。
5.根据在前的任一项权利要求所述的电压参考电路，其特征在于，所述第三电流源被配置成吸收的电流等于由所述第二电流源供应的电流的两倍加上穿过所述第二电阻器的电流。
6.根据在前的任一项权利要求所述的电压参考电路，其特征在于，所述电压参考在所述输出节点处直接提供。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的电压参考电路，其特征在于，另外包括第二分压器，所述第二分压器包括连接在所述输出节点与接地之间的两个电阻器，且在其间具有中心节点，其中所述电压参考(Vref)在所述第二分压器的所述中心节点处。
8.根据在前的任一项权利要求所述的电压参考电路，其特征在于，所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管各自是NPN晶体管。
9.根据在前的任一项权利要求所述的电压参考电路，其特征在于，所述第一双极晶体管和第二双极晶体管是匹配的晶体管。
10.根据在前的任一项权利要求所述的电压参考电路，其特征在于，穿过所述第一分压器的电流小于100nA。
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