CN1532658A - 能隙基准电压参考电路及产生基准电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其包括：设有恒流源的预调节器(11)，耦合到该预调节器(11)的V_BE偏置电路(12)，所述的恒流源(111)由三对晶体管(M1、M2、M3、M4、M6、M7)组成。本发明提供了低温度系数，高稳定度的能隙基准电压参考电路，改进的Wilson恒流源在预调节器中的应用帮助该参考电路实现了超过90dB的电源抑制比(PSRR)，另外该电路能够在很低的电源电压下进行工作，该电路与传统的能隙基准电压参考电路具有一个更低的电压稳定系数和更低的温度系数。

Description

能隙基准电压参考电路及产生基准电压的方法

技术领域

本发明涉及一种能隙基准电压参考电路及产生基准电压的方法，尤其涉及一种产生具有高稳定度的基准电压的能隙基准电压参考电路及方法。

背景技术

直流稳压电路是现代电子仪表仪器和电子设备必不可少的组成部分。当输入电压在一定范围内变化时，输出电压将保持基本不变，而且当负载电流发生变化时，输出电压也基本保持不变。换句话说，也就是在电源电压和负载电流发生变化时，维持输出电压和基准电压之间的关系基本不变。因此，在直流稳压电路内部需要引入深度负反馈的工作机制。

对于由集成运算放大器构成的直流稳压电路，其工作原理与由分立元件构成的直流稳压电路是相同的，但是由于集成运算放大器的开环增益很高，输出阻抗低，而且集成运算放大器的温度漂移系数较低，因此稳压性能要比由分立元件组成的直流稳压电路好，可以做成高精度直流稳压电路。

由集成运算放大器构成的直流稳压电路一般由以下几部分组成：比较放大器，采样电路，功率晶体管，基准电压源，启动电路，等等。直流稳压电路的基本工作原理是对输出电压的变化进行采样，然后与基准电压进行比较，经过放大后控制串联的输入电压和输出电压之间的调整元件(一般是功率晶体管)，调整功率管两端的电压，使输出电压稳定。其中比较放大器工作在线性放大区域。

从工作原理上来说，直流稳压电路实际上是一个调节电路，在引入比较放大器并接成负反馈后，可以使整个电路保持稳定，同时使输出电压可调。与一般的放大电路相比，比较放大器的输入不是随机信号，而是由基准电压源提供的基准电压。其目标是输出电压不受电源电压，负载和温度的变化而变化。当外界变化使输出电压偏离目标设定值时，这种偏离趋势经过采样电路送到负反馈比较放大器的输入端，与基准电压比较后经过放大，再送去控制调整元件进行调节，形成一个负反馈的闭环调节系统。

基准电压源是维持输出电压稳定的关键因素，必须要有很高的电源抑制比和较低的温度系数。如果由基准电压源提供的基准电压对电源电压和温度的影响比较敏感，依次会将这种影响带给直流稳压电路，使输出电压不够稳定。

一般来说，基准电压源电路有很多种，例如，以场效应型晶体管的阈值电压为基准的基准电压电路，以双极型晶体管的基极-发射极电压为基准的基准电压电路，以双极型晶体管的热电压为基准的基准电压电路(即能隙基准电压参考电路)，等等。

以场效应型晶体管的阈值电压为基准的基准电压电路，可以通过以两个场效应型晶体管的阈值电压的差值来取得低温度系数的基准电压，是比较理想的基准电压源，但是受集成电路生产工艺的影响比较大。

以双极型晶体管的基极-发射极电压为基准的基准电压电路，由于具有较大的负温度系数，不容易调节和控制。

相比之下，以双极型晶体管的热电压为基准的稳压电路相对较为成熟，也较容易控制和调节。这是因为在以双极型晶体管的热电压为基准的稳压电路不但借鉴了以双极型晶体管的基准-发射极电压为基准的基准电压电路的基本调节原理，而且还在此基础上作了很多改进，使以双极型晶体管的热电压为基准的稳压电路具有多种调节手段。

要做到基准电压源具有较高的电源抑制比，必须在基准电压源内部引入与电源电压变化相对独立的变量作为参考对象，并使该参考对象在电源电压变化时保持高度稳定，再通过该参考对象得到所需要的基准电压。同时又要使基准电压具有较低的温度系数，要做到这一点，同样要使该参考对象具有较低且可调的温度系数。通常在场效应型晶体管的制作工艺上可以同时做出双极型晶体管。而由此工艺得到的电阻和双极型晶体管的热电压都具有正的温度系数，通过调节这两种器件温度系数之间的比例关系，就可以得到较低且可调的温度系数。

在能隙基准电压源内部，通过恒流源电路可以得到两个近似相等的支路电流，这两个支路电流的差值在电源电压变化时近似恒定。因此，可以选定这两个支路电流的差值作为参考对象，而且使其中之一的支路电流通过双极型晶体管和电阻就可以使该电流具有较低且可调的温度系数。通过偏置电流的电流镜像作用，把该支路电流镜像到偏置电路中，并通过该支路电流得到基准电压。由此可见，使该参考对象，即恒流源两个支路电流的差值保持高度稳定是基准电压保持稳定的关键因素。本发明在提高参考对象的稳定性方面作出改进。

如图1所示，一个传统的能隙基准电压参考电路1包括一个预调节器11及偏置电路12，所述预调节器包括一个恒流源电路111(由两对晶体管M1，M2，M3和M4组成)，和一个V_BE放大器112(由一对双极型晶体管D1和D2，电阻R1组成)。上述预调节器11提供一个偏置电流给V_BE偏置电路12，该偏置电路12由场效应型晶体管M5，电阻R2，双极型晶体管D3组成。结果是从能隙基准电压参考电路1中在电阻R2上输出的基准电压Vref等于偏置电流与电阻R2的乘积加上晶体管D3的基极-发射极电压V_BE。

因为基极-发射极电压V_BE具有一个负的温度系数，任何因为温度在基极-发射极电压V_BE中所产生的变化都可以通过偏置电流进行计算。所以该基准电压Vref是相对温度独立的。而该电路的主要缺陷在于由晶体管M1和M2组成的恒流源电路所产生的两支路偏置电流的差值对于负载变化的敏感程度较大，致使预调节器中的支路电流与偏置电路中的偏置电流相差较大，这依次使基准电压对于负载变化的敏感程度较大，基准电压变得不够稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一个具有高稳定度的能隙基准电压参考电路以及一种用于产生一个高稳定度基准电压的方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过如下的电路，方法进行解决：

提供一种用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其包括：

一个预调节器，所述的预调节器包括一个用于产生两支路参考电流的恒流源及耦合于该恒流源的用于调节所述参考电流的VBE放大器；

一个耦合到该预调节器的VBE偏置电路，其用于产生与参考电流对等的偏置电流及相应的基准电压；所述的恒流源由三对晶体管组成，所述的偏置电路设有两个电流镜像场效应型晶体管，分别用于镜像预调节器中的两支路参考电流。

以及一种用于产生一个基准电压的方法，包括如下步骤：

产生两支路参考电流；

调节所述参考电流；

产生与参考电流对等的镜像偏置电流及相应的基准电压；

所述的两支路参考电流的差值在电压变化时近似恒定，所述的镜像偏置电流分别对等于上述两支路参考电流，所述的基准电压从该镜像偏置电流和一个基极-发射极电压降中产生。

本发明提供了低温度系数，高稳定度的能隙基准电压参考电路，改进的Wilson恒流源在预调节器中的应用帮助该参考电路实现了超过90dB的电源抑制比(PSRR)另外该电路能够在很低的电源电压(例如VDD＝2.5V)下进行工作，该电路与传统的能隙基准电压参考电路具有一个更低的电压稳定系数和更低的温度系数。

附图说明

图1是示意性描述了一个传统的能隙基准电压参考电路。

图2是示意性描述了根据本发明的一个能隙基准电压参考电路。

具体实施方式

下面结合图2对本发明的一个具体实施形式进行详细的解释。

如图2所示：本发明的能隙基准电压参考电路1同样含有一个预调节器11及偏置电路12，所述的预调节器11包括一个改进的Wilson恒流源111及一个V_BE放大器112，所述恒流源111由晶体管M1，M2，M3，M4，M6和M7组成，即在传统的恒流源的基础上再增加两个晶体管M6、M7，所述V_BE放大器112与传统的放大器一致，其由晶体管D1，D2和电阻R1组成，所述两晶体管D1、D2的基极、集电极均相连，所述电阻R1连接于晶体管D2的发射极上。另外，所述偏置电路12由偏置晶体管M5、M8，一个晶体管D3和一个电阻R2所组成，该偏置电路12是在传统的偏置电路的基础上增加晶体管M8，其用来根据恒流源中的参考偏置电流来产生一个对等的更为精确的偏置电流。结果是从能隙基准电压参考电路中在电阻R2上输出的基准电压Vref等于偏置电流与电阻R2的乘积加上基极-发射极电压V_BE。因为基极-发射极电  V_BE具有一个负的温度系数，任何因为温度在基极-发射极电压V_BE中所产生的变化都可以通过偏置电流对电阻R1的变化来进行抵消。另外还可以通过偏置电路中电阻R2阻值对温度的变化来抵消基极-发射极电压V_BE对温度的变化。所以该基准电压Vref是相对温度独立的，而且是相对于负载敏感度较低的。

该能隙基准电压参考电路在电源电压产生下降变化时，预调节器中两支路的偏置电流减小，引起晶体管M2的漏极电位下降，同时，带动通过晶体管M1的电流也减小，因而晶体管M1和M6的漏极电位也随着下降，但是晶体管M7的漏极电位却基本保持不变。因而V1和V2也将保持不变。对于改进的Wilson恒流源来说，输出阻抗很大，而且由于存在电流源的镜像作用，两支路的偏置电流几乎是完全一致的。

而在传统的能隙基准电压参考电路中，在预调节器中使用了基本的恒流源电路，虽然也存在电流源的镜像作用，但由于输出阻抗较小，依次由预调节器本身固有的不对称性，会使两支路的偏置电流出现一定的差异。这一差异通过偏置电路的镜像作用会影响基准电压的稳定性。

该改进的预调节器使该能隙基准电压参考电路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基准电压Vref的能隙基准电压参考电路具有一个更低的电压稳定系数和更低的温度系数。特定的，该调节的基准电压Vref能够如下进行计算。

电压V1，V2能够如下进行确定。

V1＝V_BE1                                              (1)

V2＝V_BE2+IR1                                          (2)

$V_{\mathrm{BE}1}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \frac{I}{I_S}-----\left(3\right)$

$V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \frac{I}{{\mathrm{NI}}_S}-----\left(4\right)$

其中，I是参考偏置电流，N是晶体管D2相对于晶体管D1的尺寸。这样，被调节的参考偏置电流能够如下进行计算。

$I=\frac{\mathrm{KT}}{q}\frac{\ln N}{R_1}------\left(5\right)$

另外，改进的Wilson恒流源的输出阻抗能够如下进行计算。

r0＝g_m2r_ds2r_ds1。                                       (6)

其中，g_m2是晶体管M2的跨导，r_ds2是晶体管M2的输出阻抗，r_ds1是晶体管M1的输出阻抗。

因此，改进的Wilson恒流源具有很大的输出阻抗，其偏置电流对阻抗变化的敏感程度较低。

基准电压Vref能够如下进行计算。

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{BED}2}+\frac{\mathrm{KT}}{q}X\ln N-----\left(7\right)$

其中，X是电阻R2和电阻R1的比值。

然后，能够从上面的等式(7)中计算得到N，R1和R2的合适值，以达到所需要的基准电压Vref和一个较小的温度系数，一个较低的电压稳定系数。例如，0.33V的基准电压，7.8mV/V的电压稳定系数和2.65mV/℃的温度系数能够通过N＝15，R1＝125kΩ，R2＝225kΩ实现。

得益于上述描述和附图中的传授，本专业的技术人员都会想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，本发明不局限于所公开的特定的实施例，如，本发明虽然以场效应型晶体管进行描述，但其它的晶体管技术也是可以使用的，包括BIPOLAR技术。

Claims (11)

1、一种用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其包括：一个预调节器(11)，所述的预调节器(11)包括一个用于产生两支路参考电流的恒流源(111)及耦合于该恒流源的用于调节所述参考电流的V_BE放大器(112)；

一个耦合到该预调节器(11)的V_BE偏置电路(12)，其用于产生与参考电流对等的偏置电流及相应的基准电压；

其特征在于，所述的恒流源(111)由三对晶体管(M1、M2、M3、M4、M6、M7)组成。

2、根据权利要求1所述的用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其特征在于，所述偏置电路(12)设有两个晶体管(M5、M8)，分别用于镜像产生预调节器(11)中的两支路参考电流。

3、根据权利要求1所述的用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其特征在于，所述的V_BE放大器(112)包括两个双极型晶体管(D1、D2)及电阻R1，所述两晶体管(D1、D2)的基极、集电极均相连，所述电阻R1连接于晶体管D2的发射极上。

4、根据权利要求1所述的用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其特征在于，所述的晶体管(M1、M2、M3、M4、M6、M7)为场效应型管。

5、根据权利要求1所述的用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其特征在于，所述的晶体管(M5、M8)为电流镜像场效应型管。

6、根据权利要求1所述的用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其特征在于，所述的偏置电路(12)还设有一电阻(R2)及一双极型晶体管(D3)，该晶体管(D3)的基极与集电极相连。

7、根据权利要求1所述的用于产生一个基准电压的能隙基准电压参考电路，其特征在于，所述的偏置电路(12)还设有一输出电路，用于产生另一较低的基准电压。

8、一种用于产生一个基准电压的方法，其特征在于，包括如下步骤：

产生两支路参考电流；

调节所述参考电流；

产生与参考电流对等的镜像偏置电流及相应的基准电压；

其特征在于，所述的两支路参考电流的差值在电压变化时近似恒定，所述的镜像偏置电流分别对等于上述两支路参考电流，所述的基准电压从该镜像偏置电流和一个基极-发射极电压降中产生。

9、根据权利要求8所述的产生一个基准电压的方法，其特征在于，所述的两支路参考电流由三对晶体管产生。

10、根据权利要求8所述的产生一个基准电压的方法，其特征在于，所述的两支路参考电流通过两个电流镜像场效应型晶体管(M5、M8)产生对等的镜向偏置电流。

11、根据权利要求8所述的产生一个基准电压的方法，其特征在于，将所述的偏置电流作用在输出电阻和双极型晶体管的基极上，从而取得基准电压。

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