CN1162191A - 电压和电流基准电路 - Google Patents

Abstract

具有低温度系数的电压和电源基准电路可使元件数最少以减小集成电路芯片面积。带隙电压基准产生低温度系数的电压。电压跟随器接到该带隙电压基准以产生出相应的基准电压。从带隙电压基准来的随温度变化的电流被镜像并提供到电压跟随器的第一电极。电阻(R4)接在电源端子与电压跟随器第二电极之间，选择该阻值以产生电流来抵消随温度变化的电流的温度依随性。电流镜电路接收随温度变化的电流的剩余部分，输出一个低温度系数的电流。

Description

电压和电流基准电路

本发明涉及电压和电流基准电路，具体涉及具有低温度系数的电压和电流基准电路。

在许多电路设计中，既需要电压基准，又需要电流基准。电压基准在不同电路工作条件下提供一个固定电压。同样地，电流基准在不同电路工作条件下提供一个固定电流。尤其是，电压和电流基准不受供电电压、负载和温度变化的影响。

本领域技术人员周知的一种类型的电压基准为带隙电压基准。一种带隙电压基准近似地提供出硅的带隙电压(1.2605伏)作为基准电压。带隙电压基准设计成在电路工作的温度范围内具有零温度系数。一般说来，带隙电压基准在宽的温度范围内可提供出稳定电压，不受供电电压变化的影响，还可以容易地设计得适合于不同负载的要求。

如果能作出电压基准和电流基准相结合的基准电路，使元件数量最少(从而减小体积)，易于制造，并在宽的温度范围上具有低温度系数，将是很有益处。

图1是按照本发明的电压和电流基准电路的电原理图；及

图2是表示图1所示电压和电流基准电路的温度特性曲线图。

总的来说，大多数集成电路设计中通常应用有二个电路块，它们为电压基准和电流基准。电压基准提供具有低温度系数(TC)的稳定电压，并对供电电源的变化不敏感。基准电压通常用以作为与其它电压相比较的一个基点，所述的其它电压是由一个电路感测或产生的。类似地，电流基准提供具有低温度系数(TC)的稳定电流，对供电电压的变化不敏感。基准电流通常是一个镜像电流，用于集成电路中的偏置电路。

电压基准电路或电流基准电路设计须考虑的一个因素是其电路所需的尺寸或芯片(die)面积。通常，电压基准电路或电流基准电路附属于集成电路的主电路设计。减小电压或电流基准电路所需的面积，有助于使芯片尺寸最小化或增加留给主电路设计所用的面积。

在大多数电压基准设计方面，它们不会固有地产生低TC的电流。类似地，电流基准通常也不产生低TC的电压。因此，电压和电流基准电路通常并不结合在一起，而是设计为两个效率不高的、分离的电路。如果以某种方式将电压基准和电流基准结合为单个电路，则通过消除建立分离的基准电路所需的冗余电路，而会减少面积。图1是电压和电流基准电路110的原理图，该电路使面积最小化，并具有低的温度系数。

用以产生电压和电流基准的方法包括形成一个电压基准电路，以提供一个基准电压；再从该电压基准电路提供一个第一电流。从电压基准电路来的第一电流具有已知的温度系数(TC)。将该基准电压施加到一个电阻上，来产生一个第二电流。据此，由该电阻确定因温度引起的第二电流的变化。选择电阻值和电流，来补偿第一电流的TC。换句话说，通过第二电流的变化以补偿由于温度引起的第一电流的电流变化。第一电流的电流量值大于第二电流。从第一电流减去第二电流，使第一电流余下的电流为基准电流。由于第二电流的温度依随性抵消了第一电流的温度依随性而使第一电流的剩余电流具有低的温度系数。

电压和电流基准电路110包括：晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9和T10；电阻R1、R2、R3和R4；以及电容C1。晶体管T1、T2、T3、T4和T5为双极型NPN晶体管，其集电极、基极和发射极分别对应于第一电极、控制电极和第二电极。晶体管T6、T7、T8、T9和T10为增强型金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)，其漏极、栅极和源极分别对应于第一电极、控制电极和第二电极。晶体管T6、T7和T8为P沟道增强型MOSFET，晶体管T9和T10为N沟道增强型MOSFET。

电压基准120为电压和电流基准110产生一个基准电压。电压和电流基准110的一个实施例中采用一个带隙电压基准。该带隙电压基准包括：晶体管T1、T2、T3、T4、T6、T7和T8；以及电阻R1、R2和R3。带隙电压基准是本领域技术人员周知的，它提供具有低温度系数的基准电压。例如，在Paul R.Gray和Robert B.Meyer的“模拟集成电路的分析与设计”(由John wiley和Sons出版，1984年第2版，第289～296页)一书中描述了带隙基准，这里引作参考。

基本的带隙单元由晶体管T1、T2和T4以及电阻R1、R2和R3组成。晶体管T2的集电极和基极共同接至节点12，而发射极接至供电端(例如地)。晶体管T2有一个对应于器件发射区的导电区A。晶体管T4的集电极接至节点15，基极接至节点13，而发射极与地相连接。晶体管T4在节点13上建立一个近似与节点12电压相同的电压。由晶体管T7给晶体管T4提供的偏置电流等于晶体管T1和T2偏置电流的和。带隙电压由晶体管T4和电阻R1产生。电阻R2具有第一端和接地的第二端。晶体管T1的集电极接至节点13，基极接至节点12，发射极接至电阻R2的第一端。晶体管T1具有对应于器件发射区的导电区(NA)，并且该导电区比晶体管T2导电区大N倍。电阻R1的第一端接至节点14，第二端接至节点13。电阻R3的另一端接至节点14，第二端接至节点12。

带隙单元在节点14上产生一个对应于硅的带隙电压(近似为1.2605伏)的电压。在带隙单元中，基极一发射极结电压的负温度系数(TC)由电阻的正温度系数(TC)抵消。温度依随性的抵消在由元件值确定的一个温度上发生。当相同的电流流过晶体管T1和T2时，所组成的单元便是稳定的。电路须配置得可使晶体管T1和T2间的面积比、电阻R2的电阻值和T4的基极一发射极结电压能确定温度依随性抵消时的温度。通常，温度依随性抵消时的温度须选择得居于带隙单元所在集成电路的工作温度范围的中心位置上。

晶体管T3、T6和T7形成偏置网络和反馈环路，以驱动带隙单元到所述的稳定条件。启动电路(未示出)用于建立所希望的稳定工作点。在一个实施例中，在使电压和电流基准电路110驱动到所希望的稳定工作点时，电流源瞬时地给节点15提供一个电流。晶体管T3是基本带隙单元的低阻抗的驱动级。晶体管T3的集电极接至节点16、基极接至节点15，发射极接至节点14。晶体管T6和T7是电流镜级。晶体管T6的漏极、栅极共同接至节点16，源极接至电源供电端(例如V_DD)。晶体管T7镜像反映晶体管T6的电流。晶体管T7的漏极接至节点15，栅极接至节点16，源极接至V_DD。电流镜级用MOSFET实现，但也能够用双极型晶体管等效地实现。晶体管T7的导电区等于晶体管T6的导电区，以提供I(T7)＝I(T3)＝2^*I(R2)的电流。晶体管T4的基极电流为晶体管T1和T2电流的二倍，以补偿带隙单元中晶体管T1和T2的基极电流。

晶体管T8镜像反映晶体管T6的电流，并提供具有已知温度系数的电流I(T8)。偏置晶体管T6的电流I(T3)对应于通过带隙单元中R2的电流I(R2)。尤其是，电流I(T8)像电流I(R2)一样地随温度变化。晶体管T8的漏极接至节点17，栅极接至节点16，源极接至V_DD。

电压跟随器130在输出点V_REF上提供出由带隙单元产生基准电压。输出点V_REF上电压对应于节点14上的电压。电压跟随器130包括晶体管T5。晶体管T5供给电流I(T5)，其量值由电阻R4确定。晶体管T5的集电极接至节点17，基极接至节点15，发射极接至输出点V_REF。电阻R4和第一端接至输出点V_REF，第二端与地相连接。

电容C1为电压和电流基准电路的一个补偿电容，用于防止振荡。电容C1提供闭环稳定性。电容C1接在节点13和15之间。电容C1在节点15上形成一个支配的极点，在标准集成电路处理中，其电容值通常为5～10皮法(pF)。

电流I(T8)大于电流I(T5)，从而产生一个差值电流，馈送至电流镜电路140。电流镜电路140包括晶体管T9和T10。晶体管T9的漏极和栅极共同接至节点17，而源极与地相连接。晶体管T10的漏极接至输出端I_REF1，栅极接至节点17，而源极与地相连接。晶体管T10输出电流I_OUT，它对应于馈送至晶体管T9的差值电流。在电压和电流基准11的实施例中，晶体管T3和T5具有相等的导电区，晶体管T6、T7和T8具有相等的导电区，晶体管T9和T10具有相等的导电区。

下文描述电压和电流基准电路110的工作。电压和电流基准电路110提供出具有低温度系数(TC)的电流和电压。具有带隙单元的电压基准用于产生低温度系数的基准电压。产生出与基本带隙单元来的电流相对应的第一电流。该电流具有基于带隙单元特性的已知的TC。第二电流从基准电压中产生。该第二电流具有的温度特性能对消第一电流的温度特性。从第一电流中减去第二电流，剩余的电流具有低温度系数。下面，描述电压和电流基准电路的一个实施例。应当指出，数值的选取是为了示例的目的，对于具体的应用可以改变元件值，仍会得到很好的结果。

晶体管T1的导电区与晶体管T2的导电区有一定比值。如图1所示，晶体管T1的发射区是晶体管T2发射区的N倍。为了示例起见，令N＝8。电阻R2确定带隙单元的工作电流。在本例中，电阻R1＝电阻R3，R1和R3的电阻值也用于调节输出端电压V_REF。在这一实施例中，在输出端V_REF提供一个等于硅带隙电压(1.2605伏)的基准电压。

初始时，启动电路向晶体管T3基极提供一个电流。在电压和电流基准电路110稳定后，启动电路不再提供电流。当带隙单元已稳定工作于所希望的输出时，晶体管T3提供电流I(T3)。晶体管T1和T2可以配置得可使晶体管T2的基极-发射极结电压等于晶体管T1基极-发射极结电压与电阻R2上电压之和。具体地说，晶体管T1和T2工作在相同的电流下。由于两器件的导电区之间有差别，故晶体管T2的工作电流密度比晶体管T1的高。因此，工作在相同电流条件下时，晶体管T2的基极-发射极结电压比晶体管T1的大。晶体管T1和T2基极-发射极结之间的差值电压加在电阻R2上。电流I(T3)对应于带隙单元的电流。晶体管T6和T8形成电流镜电路，它镜像反映电流I(T3)。晶体管T8输出对应于电流I(T3)的电流I(T8)。在这一实施例中，I(T6)＝I(T8)，所以I(T3)＝I(T8)。

晶体管T5为电压跟随器结构。如果晶体管T5工作在与晶体管T3相同的状态，则输出端电压V_REF与节点14上的电压相同。如果晶体管T3和T5工作在不同的状态，则电阻R1和R3可以提供调节作用，使输出端电压V_REF变为硅带隙电压。电阻R4上的带隙电压产生由晶体管T5传导的电流I(T5)。在这一例子中(为了简化起见)，假定电压和电流基准电路110的各双极型晶体管的β(短路电流放大系数)足够大，可忽略集电极电流和发射极电流之间的差异。

电流I(T8)大于电流I(T5)。从电流I(T8)减去电流I(T5)，使I(T8)的剩余电流馈送至电流镜电路140的晶体管T9。馈送至晶体管T9的电流与T10镜像。在这一例子中，晶体管T9和T10具有相等的导电区。输出电流I_OUT等于馈送至晶体管T9的电流。因此，输出电流I_OUT可由式1来表示。

I_OUT＝I(T8)-I(T5)              (1)

如前面所述，由晶体管T1和T2传导的电流是相等的。晶体管T3给晶体管T1和T2提供电流，因此，晶体管T3的电流I(T3)等于电流I(R2)的两倍。电流I(T3)＝2×I(R2)是由晶体管T6给出的电流。在这一例子中，晶体管T6和T8是相同的，并处于电流镜像结构中。I(T8)和带隙单元电流之间的关系可以由式2来表示。

I(T8)＝I(T3)＝2^*I(R2)          (2)

由于晶体管T1和T2之间的基极-发射极结电压的差值引起的通过电阻R2的电流可以由式3来表示。式3中，Vt为对应于KT/q的双极型晶体管的热电压，其中K为波耳兹曼常数，T为温度，q为电子电荷。

I(R2)＝(Vt^*ln(N))/R2           (3)

在本例中，输出端电压V_REF为硅带隙电压(1.2605伏)。电流I(T5)决定于电阻R4，并由式4表示。

I(T5)＝V_带隙/R4                (4)

电流的温度系数乘以电流的量值得到电流温度灵敏度的量度。下文列出的式5使电流I(T8)和I(T5)的电流温度灵敏度相等。式5的结果是抵消电流I(T8)与电流I(T5)的温度依随性。从I(T8)减去I(T5)的差值电流(馈送至晶体管T9)具有低温度系数。

TC(I(T8))^*I(T8)＝TC(I(T5))^*I(T5)              (5)

电流I(T8)的温度系数取决于二个因素。第一，基极-发射极的结电压随温度增高而电压值减小。第二，R2的量值随温度增高而增大。在带隙单元中，晶体管T4基极-发射极结的温度系数和电阻R1上的电压做成在一个预定温度上相抵消，以产生出零TC电压。然而，由带隙单元传导的电流I(R2)不是随温度不变的常量。式6表示出与电流I(R2)对应的温度系数之间的关系。式6中的温度系数对应于在晶体管T1和电阻R2两者已知下电流随温度的变化。温度系数随着所采用的特定芯片处理过程而变化。

TC(I(T8))＝TC(T1)-TC(R2)                        (6)

重新安排式5来解出电流I(T5)，得到式7。

I(T5)＝(TC(I(T8))/TC(R4))^*I(T8)                (7)

利用方程式1中I(T5)的表达式，特别是，式8所示的I_OUT的表达式。

I_OUT＝I(T8)*(1-TC(I(T8))/TC(R4))              (8)

利用式2和3中所描述的关系可计算出电阻R2的值。电流I(T8)式中的R2的值可以由式9表示。

R2＝(Vt^*ln(N))/(0.5^*(I(T8))                  (9)

根据式7，电阻R4的值等于输出端电压V_REF除以电流I(T5)。电阻R4数值由式10表示。

R4＝V_带隙/I(T5)                         (10)

节点14上的电压由输出端电压V_REF开始计算。如前所述，在本例中，输出电压V_REF＝V带隙(硅带隙电压)。计及晶体管T3和T5的基极-发射极结电压(V_be)，如式11所示。

V(节点14)＝V_带隙+V_be(T5)-V_be(T3)     (11)

晶体管T3和T5的基极-发射极结电压(V_be)可以用式12计算。

V_be＝Vt^*ln(I/Is)                     (12)式中，Vt为双极型晶体管的热电压，I为由晶体管给出的电流，Is为随所用的芯片处理而变化的饱和电流。

在这个例子中，电阻R1和R3的电阻值相等，导通相等的电流。R1和R3的电阻值根据式13计算。晶体管T1和T2给出的电流等于I(R2)。

R1＝R3＝(V(节点14)-V_be(T2)/(I(R2))    (13)

采用真实数值的例子有助于说明电压和电流基准11的设计。在其内采用电压和电流基准11的电路工作在-50℃与150℃之间的温度范围内。在电路工作的温度范围的中心上，例如按上列温度范围在50℃上，解式1～11，可以得到最优结果。假定电压和电流基准11的输出端电压V_REF＝1.2605伏(硅带隙电压)，输出电流I_OUT＝20微安(μA)。还假定双极型晶体管基极-发射极结的TC为每摄氏度百万分之3000(3000ppm/℃)，Is＝1.6×10^-16安(A)，又由于电阻引起的电流变化为4300ppm/℃，晶体管T1和T3的发射区比N＝8，则电压和电流基准110的设计可以按如下步骤解出(所解的公式示于括号中)：

(6)TC(I(T8))＝3000ppm/℃-4300ppm/℃＝-1300ppm/℃；

(7)I(T5)＝(-1300ppm/℃/-4300ppm/℃)^*I(T8)

        ＝0.302^*I(T8)；

(1)I_OUT＝I(T8)^*(1-0.302)＝0.698^*I(T8)＝20μA

    重新移项安排后，

          I(T8)＝20.000μA/0.698＝28.653μA，

    利用式1解出I(T5)，

          I(T5)＝28.653μA-20.000μA＝8.653μA；

(9)R2＝(Vt^*ln(N))/0.5^*(I(T8))＝4038欧

    式中，Vt@50℃＝27.82毫伏(mv)，N＝8；

(10)R4＝1.2605V/8.653μA＝145672欧

             I(T3)＝I(T8)＝28.653μA

             I(R2)＝I(T3)/2＝14.327μA

(12)V_be(T5)＝27.82mV^*In(8.653μA/1.6^*10^-16A)

            ＝0.688伏

(12)V_be(T3)＝27.82mV^*In(28.653μA/1.6^*10^-16A)

            ＝0.721伏

(11)V(节点14)＝(1.2605+0.688-0.721)伏

             ＝1.2275伏

(12)V_be(T2)＝27.82mV^*In(14.327μA/1.6^*10^-16A)

            ＝0.702伏

(13)R1＝R3＝(1.2275V-0.702V)/14.327μA

          ＝36679欧

双极型晶体管T3和T5处于电压跟随器结构中，能用MOSFET器件代替。同样，MOSFET晶体管T6、T7和T8能用双极型晶体管代替。

电阻R5和晶体管T11和T12形成电流镜电路14的另一实施例。电阻R5第一端接至节点17(经由虚线)，而第二端接至节点18。晶体管T11的集电极和基极共同接至节点18，而发射极与地相连接。晶体管12的集电极接至输出端I_REF2，基极接至节点18，而发射极与地相连接。在输出端I_REF2上提供基准电流。在电阻R5上产生电压降，以增加节点17上的电压。

二极管D1和晶体管T13、T14形成电流镜电路14的另一实施例。二极管D1的阳极接至节点17(经由虚线)，而阴极接至节点19。晶体管T13的漏极和栅极共同接至节点18，而源极与地相连接。晶体管14的漏极接至输出端I_ref3，栅极接至节点19，而源极与地相连接。在输出端I_REF3上提供基准电流。在二极管D1上产生电压降，以增加节点17上的电压。

图2是示明图1中电压和电流基准电路110的温度特性曲线图。图2中既示明电压也示明电流的温度特性。图2所示的曲线图是在采用与图1所述例子相似的元件值下从晶体管电平模拟中得出的。该图以50℃为中心，温度范围为200℃。在该温度范围内，电压在1.2577伏与1.2605伏之间变化(变化2.8毫伏)。在该温度范围内，电流在19.25微安与20.50微安之间变化(变化1.25微安)。

至此，可以理解，现已提供一种电压和电流基准电路。该电压和电流基准电路具有低温度系数和最少数量的元件，可减小电路所用的芯片面积。在电路中电压基准产生一个基准电压。由电压基准给出的电流用来产生一个电流基准。来自电压基准的电流的温度系数是已知的。一个电阻由电压基准的基准电压偏置。由该电阻和基准电压产生的电流的温度系数与该电压基准的温度系数相对应。从电压基准给出的电流中减去由该电阻形成的电流，两个电流的温度依随性将互相抵消。从电压基准来的剩余电流便具有低的温度系数。将该剩余电流馈送至电流镜，该镜像电流作为基准电流。

Claims (9)

1.一种电压和电流基准电路，用于提供基准电压和基准电流，其特征在于：

一个电压基准，具有提供第一电流的第一端和第二端；

一个晶体管，具有第一电极，连接到所述电压基准第二端，一个控制电极，连接到所述电压基准第一端，和第二电极，用于提供基准电压；

一个电阻，具有第一端，连接至所述晶体管第二电极，和第二端，连接到第一电源端子，这里，所述电阻产生第二电流；

一个电流镜电路，具有一个第一端，连接到所述电压基准的第二端，和一个第二端，用于提供基准电流。

2.权利要求1的电压和电流基准电路，其特征在于，所述第一电流的量值大于所述第二电流的量值，并从所述第一电流中减去所述第二电流，使所述第一电流的剩余电流馈送至所述电流镜电路。

3.权利要求2的电压和电流基准电路，其特征在于，所述电压基准为一个带隙电压基准。

4.权利要求3的电压和电流基准电路，其特征在于，所述电压基准的特征在于：

一个第一电阻，具有第一端和第二端；

一个第一导电型的第一晶体管，具有第一电极，连接到所述第一电阻第二端，以及一个控制电极和一个第二电极；

一个第二电阻，具有第一端连接到所述第一晶体管第二电极，和第二端，连接到所述第一电源端子；

一个第二晶体管，具有所述第一导电型，具有一个第一电极和一个控制电极，共同连接到所述第一晶体管控制电极，以及一个第二电极，连接到所述第一电源端子；

一个第三电阻，具有第一端，连接到所述第一电阻第一端，和第二端，连接到所述第二晶体管第一电极；

一个第三晶体管，具有所述第一导电型，具有一个第一电极，一个控制电极，连接到所述电压基准第一端，和一个第二电极，连接到所述第一电阻第一端；

一个第四晶体管，具有所述第一导电型，具有一个第一电极，连接到所述第三晶体管控制电极，一个控制电极，连接到所述第一电阻第二端，和一个第二电极，连接到所述第一电源端子；

一个第五晶体管，具有第二导电型，具有第一电极和控制电极，共同连接到所述第三晶体管第一电极，以及第二电极，连接到第二电源端子；

一个第六晶体管，具有所述第二导电型，具有第一电极，连接到所述第三晶体管控制电极；控制电极，连接到所述第五晶体管控制电极；和第二电极，连接到所述第二电源端子；

一个第七晶体管，具有所述第二导电型，具有第一电极，连接到所述电压基准第二端；控制电极，连接到所述第五晶体管控制电极；和第二电极，连接到所述第二电源端子；

5.按照权利要求4的电压和电流基准电路，其特征在于，所述电压基准的所述第一和第二晶体管为双极型晶体管，这里，所述第一晶体管的导电区为所述第二晶体管导电区的N倍。

6.按照权利要求5的电压和电流基准电路，其特征在于，所述电流镜电路包括：

一个第一晶体管，具有所述第一导电型，具有第一电极和控制电极，共同接至所述电流镜像电路第一端，以及第二电极，接至所述第一电源端子；

一个第二晶体管，具有所述第一导电型，具有第一电极，接至所述电流镜电路第二端；控制电极，接至所述第一晶体管控制电极；和第二电极，接至所述第一电源端子。

7.按照权利要求6的电压和电流基准电路，其特征在于，所述的电流镜电路还包括一个电阻，接在所述电流镜电路第一端和所述第一晶体管第一电极之间。

8.按照权利要求6的电压和电流基准电路，其特征在于，所述的电流镜电路还包括一个二极管，该二极管的阳极接至所述电流镜电路的第一端，而阴极接至所述第一晶体管的第一电极。

9.一种用于产生基准电压和基准电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：

产生一个基准电压；

产生具有已知温度系数的一个第一电流；

将所述基准电压加给一个电阻以产生一个第二电流；

从所述第一电流中减去所述第二电流，这里，所述第二电流可抵消因温度引起的所述第一电流的变化；

提供出所述第一电流的剩余电流，作为具有低温度系数的一个基准电流。

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