CN1154032C - 预调节器、产生参考电压的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一个带隙参考电路含有一个预调节器，其通过VBE放大器的使用和从输出的带隙电压VBG的反馈实现了一个低温度系数。此在预调节器中的低温度系数使用于输出带隙电压VBG的带隙参考电路具有一个低温度系数。

Description

预调节器、产生参考电压的电路和方法
技术领域
本发明一般涉及带隙参考电路，并且尤其涉及提供具有低温度系数的带隙参考电路的装置和方法。
背景技术
如图1所示，一个传统的带隙参考电路10含有一个预调节器12，其使用一对电流镜象晶体管Q1和Q2、电阻R1和一套串联连接的二极管D1、D2和D3从电源电压VCC产生一个调节的电压VREG。另外，一个启动电路14-由一个偏压晶体管Q3、另外一套串联连接的二极管D4和D5以及一个电阻R2组成-在启动时偏置了一对VBE差分晶体管Q4和Q5，之后该晶体管Q3断开，以此有效地将启动电路14与其余的带隙参考电路10进行了隔离。
共同的，一个电流源晶体管Q9和一个VBE差分电路16使用一对电流镜象晶体管Q6和Q7、VBE差分晶体管Q4和Q5、一对电阻R3和R4以及一个驱动晶体管Q8从该调节的电压VREG产生具有正温度系数的一个差分电压VDIF。结果是从带隙参考电路10中在电阻R5上输出的带隙电压VBG等于该差分电压VDIF加上晶体管Q5的基极-发射极电压VBE。因为基极-发射极电压VBE具有一个负的温度系数，任何因为温度在基极-发射极电压VBE中所产生的变化都可以通过差分电压VDIF的变化进行计算，所以该带隙电压VBG是相对温度独立的。不幸的是二极管D1、D2和D3的正温度依赖性使该调节的电压VREG相对温度不独立，这依次使带隙电压VBG相对温度不独立。
发明内容
以此，本发明的任务是在该技术领域内提供一个具有低温度系数的改进的带隙参考电路。
上述的任务按照本发明通过如下的的电路、方法和预调节器进行解决。
一个温度补偿的预调节器，用于产生具有低温度系数的调节电压，该温度系数被用于产生一个参考电压，该预调节器含有：
一个电流源；
一个第一单元，含有一个耦合到该电流源的VBE乘法器并且产生具有一个负温度系数的第一电压，该第一电压是在Q23上的电压；以及
一个第二单元，串联地耦合到所述的第一单元并且串联地耦合到所述的电流源，并且产生具有一个正温度系数的第二电压，该第二电压是在R22上的电压，其中所述的调节电压含有所述的第一和第二电压的组合；以及
一个节点，直接将所述的被调节电压耦合到一个外部的调节器电路，其中该外部的调节器电路产生所述的参考电压。
一个用于产生参考电压的电路，该电路含有
(a)一个温度补偿预调节器，用于产生具有低温度系数的调节电压，该预调节器含有：
一个电流源；
一个第一单元，含有一个耦合到该电流源的VBE乘法器并且产生具有一个负温度系数的第一电压，该第一电压是在Q23上的电压；以及
一个第二单元，串联地耦合到所述的第一单元并且串联地耦合到所述的电流源，并且产生具有一个正温度系数的第二电压，该第二电压是在R22上的电压，其中所述的调节电压含有所述的第一和第二电压的组合；以及
一个节点，直接将所述的被调节电压耦合到一个外部的调节器电路，其中该外部的调节器电路产生所述的参考电压，
(b)一个耦合到该预调节器的VBE差分电路，用于从该调节电压产生一个VBE差分电压，
(c)耦合到该VBE差分电路的输出电路，用于从该VBE差分电压和一个基极-发射极电压降产生该参考电压。以及
通过提供一个温度补偿的预调节电压，以产生一个参考电压的方法，该方法含有：
将一个电流从一个电流源驱动到一个第一单元，该第一单元产生具有负温度系数的第一电压，
将该电流驱动到一个第二单元，该第二单元串联于所述第一单元并且串联于所述电流源，其中所述的第二单元产生一个具有正温度系数的第二电压，以及
将所述第一和第二电压进行组合，以提供该温度补偿的预调节电压。
另外本发明还存在如下的改进：
所述的第二单元含有一个与绝对温度成比例电路。
所述的电流源含有一个Wilson电流源。
另外含有耦合到电流源的反馈电路，用于直接响应于参考电压的反馈进行调节从电流源出来的电流。
所述的VBE差分电路是温度补偿的。
另外含有耦合到电流源的反馈电路，用于直接响应于参考电压的反馈进行调节从电流源出来的电流，其中该反馈电路含有一个反馈双极晶体管。
该输出电路含有一个输出双极晶体管。
另外含有一个启动单元，耦合到该预调节器，用于在启动时从电流源吸收电流。
该启动单元含有一个双极晶体管，该双极晶体管被一个与一个二极管串联的电阻置偏压。
将一个电流驱动到该第一单元的动作包括驱动具有Wilson电流源的电流。
产生一个第一电压的动作包括通过一个VBE乘法器产生所述的电压。
产生一个第二电压的动作包括通过一个与绝对温度成比例(PTAT)电路产生所述的电压。
另外含有响应于从该参考电压的反馈调节该电流，其中该调节动作含有通过耦合到该电流源的反馈电路调节所述的电流。
根据本发明，用于产生一个调节的电压以使其用在从一个带隙参考电路产生一个带隙电压的预调节器含有一个电流源(例如一个wilson电流源)和一个接收来自其中的电流并且产生/箝位该调节的电压的VBE倍增电路。另外，反馈电路根据从带隙电压的反馈调节从电流源流出的电流。
在本发明的其他实施形式中上面所述的预调节器被设置在一个带隙参考电路中。
在本发明的另外的实施形式中，通过将一个电流驱动到一个VBE放大器以产生和箝位一个调节的电压来产生一个参考电压。该电路相应于从参考电压的反馈被调节。另外，一个VBE差分电压使用一个VBE差分电路从该调节的电压中产生，并且该参考电压从该VBE差分电压和一个基极-发射极电压降中产生。
本发明因此提供了低温度系数的带隙参考电路。Wilson电流源在预调节器中的应用帮助该参考电路实现了超过80dB的电源抑制比(PSRR)。另外，该电路能够使用低的电源电压(例如VCC＝2.7V)进行工作。
附图描述
下面结合附图对本发明的实施形式进行详细的解释。
图1是示意性描述了一个传统的带隙参考电路的电路，和
图2是示意性描述了根据本发明的一个带隙参考电路的一个电路。
具体实施方式
如图2所示，根据本发明的一个带隙参考电路20含有一个预调节器22，其使用一套Wilson电流源晶体管Q20、Q21和Q22、一个VBE倍增电路24(由一对电阻R20和R21以及一个晶体管Q23组成)、一个反馈晶体管Q24和一对偏压电阻R22和R23从电源电压VCC产生一个调节的电压VREG。另外，一个启动电路26-由一个偏压晶体管Q25、一个二极管D20和一个电阻R24所组成-在启动时接收来自Wilson电流源晶体管Q20、Q21和Q22的电流。一旦带隙电压VBG被建立，晶体管Q25被断开。
一个第一单元，含有一个耦合到该电流源的VBE乘法器并且产生具有一个负温度系数的第一电压；以及
一个第二单元，串联地耦合到所述的第一单元并且串联地耦合到所述的电流源，并且产生具有一个正温度系数的第二电压，其中所述的调节电压含有所述的第一和第二电压的组合，
“第一电压”是晶体管Q23，即VBE放大器两端的电压。此第一电压具有一个负的温度系数TC。
“第二电压”是在R22两端的电压，通过如下的公式计算：
I2＝(VBG-VBE)/R23
第二电压＝[R22*(VBG-VBE)/R23]，假设该电流镜像具有1∶1的比例。
PTAT-表示“与绝对温度成比例”，意思当然是VPTAT是一个具有正TC的电压。该德尔塔VBE项是Q29和Q30的VBE之间的差，并且此差被乘以R25和R26的比例，以得到VDIF。因为Q24的基极被钳位到具有OTC的VBG，在Q24的发射极上的电压就是VPTAT。
一个节点，直接将所述的被调节电压耦合到一个外部的调节器电路28，其中该外部的调节器电路产生所述的参考电压VBG。
共同的，一个电流源晶体管Q26和一个VBE差分电路28使用一对电流镜象晶体管Q27和Q28、一对VBE差分晶体管Q29和Q30、一对电阻R25和R26以及一个驱动晶体管Q31从该调节的电压VREG产生具有正温度系数的一个差分电压VDIF。结果是从带隙参考电路20中在电阻R27上输出的带隙电压VBG等于该差分电压VDIF加上晶体管Q30的基极-发射极电压VBE。因为基极-发射极电压VBE具有一个负的温度系数，任何因为温度在基极-发射极电压VBE中所产生的变化都可以通过差分电压VDIF的变化进行抵销，所以该带隙电压VBG是相对温度独立的。一个输出晶体管Q32提供到带隙电压VBG的电流。
该改进的预调节器22使该带隙参考电路20相对于传统的先前所描述的通过提供具有一个低温度系数的被调节的电压VREG的带隙参考电路10(见图1)具有一个更低的温度系数。特定的，该调节的电压VREG的温度系数TC能够如下进行计算。
电流I1、I2、I3和I4能够如下进行确定：
                     I2＝(VBG-VBE)/R23                                    (1)
                     I3＝N(VBG-VBE)/R23                                   (2)
其中N是晶体管Q20相对于晶体管Q21的尺寸，
                     I4＝2(VBEQ30-VBEQ29)/R25                               (3)
                       ＝2VT1n(A)/R25                                       (4)
其中A是晶体管Q29相对于晶体管Q30的尺寸，
                     I1＝I3-I4                                           (5)
                       ＝(N(VBG-VBE)/R23)-(2VT1n(A)/R25)                  (6)
                     另外，该调节的电压VREG能够如下进行计算：
VREG＝(1+m)VBE+I1R22                                                      (7)
＝(1+m)VBE+(N(R22/R23))(VBG-VBE)-2VT1n(A)(R22/R25)                       (8)
＝NVBG(R22/R23)+(1+m-N(R22/R23))VBE-2VT1n(A)(R22/R25)
                                                                             (9)
其中m是电阻R20相对于电阻R21的值。
另外，温度系数TC能够如下进行计算：
TC＝dVREG/dT                                         (10)
＝(1+m-N(R22/R23))(dVBE/dT)-21n(A)(R22/R25)(dVT/dT)
                                                       (11)
设置TC＝0并且假定dVBE/dT＝-2mV/℃和dVT/dT＝0.086mV/℃，那么
(1+m-N(R22/R23))/(21n(A)(R22/R25))＝(dVT/dT)/(dVBE/DT)＝
                                      -0.086/2          (12)
然后能够从上面的等式(9)和(12)中计算得到m、N、R22、R23、A和R25的适合值以达到所需要的调节电压VREG和一个零(或者接近零)温度系数TC。例如，1.66V的调节电压VREG和0.09mV/℃的温度系数TC能够通过N＝2，A＝6，m＝0.4，R22、R23＝8K欧姆，和R25＝2.4K欧姆实现。
当然，尽管本发明参考了双极性晶体管进行描述，但应该理解的是其他的晶体管技术也是可以使用的，包括MOSFET技术。
尽管本发明已经参考了特殊的实施形式进行了描述，本发明并不局限于这些所描述的实施形式。本发明只是局限于所附的权利要求，其在它的范围内含有所有等同的根据本发明的原则进行工作的设备和方法。

Claims (17)

1.一个温度补偿的预调节器，用于产生具有低温度系数的调节电压，该温度系数被用于产生一个参考电压，该预调节器含有：
一个电流源；
一个第一单元，含有一个耦合到该电流源的VBE乘法器并且产生具有一个负温度系数的第一电压；以及
一个第二单元，串联地耦合到所述的第一单元并且串联地耦合到所述的电流源，并且产生具有一个正温度系数的第二电压，其中所述的调节电压含有所述的第一和第二电压的组合；以及
一个节点，直接将所述的被调节电压耦合到一个外部的调节器电路，其中该外部的调节器电路产生所述的参考电压。
2.如权利要求1的预调节器，其特征在于，所述的第二单元含有一个与绝对温度成比例(PTAT)电路。
3.如权利要求1的预调节器，其特征在于，所述的电流源含有一个Wilson电流源。
4.如权利要求1的预调节器，其特征在于，另外含有耦合到电流源的反馈电路，用于直接响应于参考电压的反馈进行调节从电流源出来的电流。
5.一个用于产生参考电压的电路，该电路含有
(a)一个温度补偿预调节器，用于产生具有低温度系数的调节电压，该预调节器含有：
一个电流源；
一个第一单元，含有一个耦合到该电流源的VBE乘法器并且产生具有一个负温度系数的第一电压；以及
一个第二单元，串联地耦合到所述的第一单元并且串联地耦合到所述的电流源，并且产生具有一个正温度系数的第二电压，其中所述的调节电压含有所述的第一和第二电压的组合；以及
一个节点，直接将所述的被调节电压耦合到一个外部的调节器电路，其中该外部的调节器电路产生所述的参考电压，
(b)一个耦合到该预调节器的VBE差分电路，用于从该调节电压产生一个VBE差分电压，
(c)耦合到该VBE差分电路的输出电路，用于从该VBE差分电压和一个基极-发射极电压降产生该参考电压。
6.如权利要求5的电路，其特征在于，该电流源含有一个Wilson电流源。
7.如权利要求5的电路，其特征在于，所述的第二单元含有一个与绝对温度成比例(PTAT)电路。
8.如权利要求5的电路，其特征在于，所述的VBE差分电路是温度补偿的。
9.如权利要求5的电路，其特征在于，另外含有耦合到电流源的反馈电路，用于直接响应于参考电压的反馈进行调节从电流源出来的电流，其中该反馈电路含有一个反馈双极晶体管。
10.如权利要求5的电路，其特征在于，该输出电路含有一个输出双极晶体管。
11.如权利要求5的电路，其特征在于，另外含有一个启动单元，耦合到该预调节器，用于在启动时从电流源吸收电流。
12.如权利要求5的电路，其特征在于，该启动单元含有一个双极晶体管，该双极晶体管被一个与一个二极管串联的电阻置偏压。
13.通过提供一个温度补偿的预调节电压，以产生一个参考电压的方法，该方法含有：
将一个电流从一个电流源驱动到一个第一单元，该第一单元产生具有负温度系数的第一电压，
将该电流驱动到一个第二单元，该第二单元串联于所述第一单元并且串联于所述电流源，其中所述的第二单元产生一个具有正温度系数的第二电压，以及
将所述第一和第二电压进行组合，以提供该温度补偿的预调节电压。
14.如权利要求13的方法，其特征在于，将一个电流驱动到该第一单元的动作包括驱动具有Wilson电流源的电流。
15.如权利要求13的方法，其特征在于，产生一个第一电压的动作包括通过一个VBE乘法器产生所述的电压。
16.如权利要求13的方法，其特征在于，产生一个第二电压的动作包括通过一个与绝对温度成比例(PTAT)电路产生所述的电压。
17.如权利要求13的方法，其特征在于，另外含有响应于从该参考电压的反馈调节该电流，其中该调节动作含有通过耦合到该电流源的反馈电路调节所述的电流。
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