CN1926491A - 基准电压产生电路 - Google Patents

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木下雅善
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Abstract

本发明提供一种基准电压产生电路，带隙基准电路(BRG电路)(1)由电流密度不同的二极管元件(D1、D2)，3个电阻元件(R1、R2、R3)，向基准电压输出端子(O)提供电流的P型第1晶体管(Tr1)，通过电流镜结构确定在上述第1晶体管(Tr1)中流过的漏极电流的P型第2晶体管(Tr2)和反馈型控制电路(11)构成。上述BGR电路(1)连接到下拉电路(2)上。该下拉电路(2)具有串联连接的电阻元件(R4)和P型晶体管(Tr4)。上述电阻元件(R4)连接到第2P型晶体管(Tr2)的漏极端子上；P型晶体管(Tr4)的栅极端子连接到基准电压输出端子(O)上，漏极端子接地。因此，能够减少从异常稳定点移动到正常稳定点的启动电路中的消耗电流和元件数。

Description

基准电压产生电路
技术领域
本发明涉及一种与电源电压或温度的变化无关地产生恒定电压的基准电压产生电路，尤其涉及具有即使在稳定在异常稳定点的情况下也使稳定点移动到正常稳定点的启动电路的基准电压产生电路。
背景技术
以前，与电源电压或温度的变化无关地产生恒定电压的基准电压产生电路，被广泛使用在模拟-数字转换器等模拟电路中。
作为这种类型的基准电压产生电路，如图7所示，具有带隙基准电路(以下简称为BGR电路)30。该BGR电路30包括2个不同电流密度的二极管元件D1、D2，3个电阻元件R1、R2、R3，向基准电压输出端子O提供电流的P型第1晶体管Tr1，利用电流镜结构确定上述第1晶体管Tr1中流过的漏极电流的P型第2晶体管Tr2，以及反馈型控制电路31。该反馈型控制电路31由差动放大电路32和N型晶体管Tr3构成，控制上述第2晶体管Tr2的漏极电流。
上述反馈型控制电路31，将二极管D1的阳极与电阻元件R3的连接点作为节点N1，将2个电阻元件R1、R2的连接点作为节点N2，使得在这两个节点N1、N2的电压相等的稳定点上动作稳定。例如，当节点N1的电压比节点N2的电压高时，通过差动放大电路32使晶体管Tr3的栅极电压上升，该晶体管Tr3的漏极电流增加，第2晶体管Tr2的漏极电流增加；结果，第1晶体管Tr1的漏极电流I1增加，基准电压输出端子O的输出电压变大，从而移动到动作稳定点。相反地，当节点N1的电压比节点N2的电压低时，通过差动放大电路32使晶体管Tr3的栅极电压下降，该晶体管Tr3的漏极电流减小，第2晶体管Tr2的漏极电流减小，结果，第1晶体管Tr1的漏极电流I1减小，基准电压输出端子O的输出电压变小，从而移动到动作稳定点。
图8表示这样的基准电压输出端子O的输出电压与节点N1的电压或节点N2的电压间的关系。从图8可知：在基准电压输出端子O的预定输出电压以上的范围内，不论该输出电压值为何，节点N1的电压都是大致恒定的电压。而节点N2的电压随着基准电压输出端子O的输出电压增大而增大。因此，节点N1的电压和节点N2的电压存在交点(正常稳定点)，通过反馈型控制电路31在正常稳定点动作。结果，BGR电路30可以产生不依赖于电源电压的输出电压。
在正常稳定点动作时的基准电压输出端子O的输出电压用下面的公式表示。
输出电压＝Vd+kT/q·R2/R1
                   ·log(Is2/Is1·R2/R3)
这里，Vd是二极管元件D1的端子间电压，k为玻耳兹曼常数，T为温度，q为电子电荷量，Is1、Is2分别为二极管元件D1、D2的饱和电流。由于二极管元件D1的端子间电压Vd具有负温度特性，因而设定为使电阻元件R1、R2、R3的电阻值或二极管元件的电流Is1、Is2的温度特性，相对于二极管元件D1的端子间电压Vd的温度特性抵消，从而能够产生不依赖于温度的输出电压。
如上所述，BGR电路30具有能够产生不依赖于电源电压或温度的输出电压的特点。但是，由图8可知，在基准电压输出端子O的输出电压很小的范围内，从第1晶体管Tr1提供的漏极电流I1非常小，存在节点N1的电压和节点N2的电压相交叉的异常稳定点。因此，反馈型控制电路31进行控制使得在该异常稳定点动作稳定，结果，基准电压输出端子O的输出电压变得接近接地电压，将不会输出所希望的电压。因此，如图7所示，在基准电压产生电路中，BGR电路30具有当动作被控制在异常稳定点时使状态从该异常稳定点转移到正常稳定点的启动电路40。
上述现有的启动电路40是专利文献1所记载的结构，从恒流源15向二极管元件16提供电流，生成用于判断正常稳定点的二极管电压，用比较电路17对该二极管电压和BGR电路30的基准电压输出端子O的输出电压进行比较，在基准电压输出端子O的输出电压小的情况下，判断为处于异常稳定点，使P型晶体管18导通，将其漏极电流提供给基准电压输出端子O，使输出电压上升。此外，例如在专利文献2所记载的启动电路中，安装监视输出电压的电压监视电路，在由该电压监视电路判断为处于异常稳定点的情况下，向基准电压输出端子O和上述节点N1提供电压。
专利文献1：专利第3422706号公报(图1)
专利文献2：专利第3185698号公报(图1)
发明内容
但是，在现有的启动电路中，由于需要总是监视基准电压输出端子O的输出电压，因此，存在该监视电路总是消耗电流的缺点。例如，在专利文献1中，在用于产生二极管电压的电流源15、和用于对二极管电压和输出电压进行比较的比较电路17中消耗了电流。在专利文献2中，在监视基准电压输出端子的输出电压的电压监视电路中消耗了电流。这样的电流消耗，例如在用电池驱动的便携设备中内置基准电压产生电路的情况下，存在缩短了便携设备使用时间的缺点。
此外，在现有的启动电路中，监视电路等使用了较多的半导体元件。例如，图7所示的启动电路40中包含的比较电路17，具体而言是如图9所示用使用了多个半导体元件的差动放大器来实现的。因此，为了在半导体衬底上安装这样的多个半导体元件，需要确保很大的面积，使成本提高。
鉴于以上问题，本发明的目的在于，提供一种基准电压产生电路，其具有能够不增加电流消耗并以较少的元件数量实现小面积化的启动电路。
为了解决上述课题，本发明的基准电压产生电路，例如在图7所示的BGR电路中，构成电流镜电路的第1和第2P型晶体管中的第2P型晶体管Tr2，着眼于在异常稳定点上其漏极电流为零值的点，在该状况下，使第2P型晶体管Tr2的漏极电流在启动电路中强行流过，之后，当随着该漏极电流的增大，上述第1P型晶体管的漏极电流增大，基准电压输出端子的输出电压增大时，上述第2P型晶体管Tr2的漏极电流大多在反馈型控制电路中流过，从而将启动电路中流过的电流限定得较小。
具体地说，本发明提供一种基准电压产生电路，从基准电压输出端子产生恒定电压的基准电压，其特征在于，包括：第1二极管元件，其阴极连接到接地电位上；第2二极管元件，其电流密度与上述第1二极管元件不同，且阴极连接到接地电位上；第1电阻元件，其一端连接到所述第2二极管元件的阳极上；第2电阻元件，其一端连接到所述第1电阻元件的另一端上，其另一端连接到所述基准电压输出端子上；第3电阻元件，其一端连接到所述第1二极管元件的阳极上，其另一端连接到所述基准电压输出端子上；第1P型晶体管，对所述基准电压输出端子提供电流；第2P型晶体管，其栅极端子连接到自身的漏极端子和所述第1P型晶体管的栅极端子上；带隙基准电路，具有反馈型控制电路，该反馈型控制电路控制所述第2P型晶体管的漏极电流，使得所述第1二极管元件的阳极电压与所述第1和第2电阻元件彼此连接点的电压相等；以及启动电路，当所述带隙基准电路的基准电压输出端子的输出电压处于异常稳定点时使其向正常稳定点移动，所述启动电路，被配置于所述带隙基准电路的第2P型晶体管的漏极端子与接地电位之间，当所述第2P型晶体管的漏极电流大致为零值时，使该漏极电流增大。
本发明的上述基准电压产生电路，其特征在于，上述启动电路是栅极端子连接到上述基准电压输出端子上的P型晶体管。
本发明的上述基准电压产生电路，其特征在于，上述启动电路包括栅极端子连接到上述基准电压输出端子上的P型晶体管，以及配置于上述P型晶体管的源极端子与上述带隙基准电路的第2P型晶体管的漏极端子间的电流产生元件。
本发明的上述基准电路产生电路，其特征在于，上述电流产生元件是电阻元件。
本发明的上述基准电压产生电路，其特征在于，上述电流产生元件是二极管元件。
本发明的上述基准电压产生电路，其特征在于，上述电流产生元件是栅极端子连接到漏极端子上的晶体管。
本发明的上述基准电压产生电路，其特征在于，上述电流产生元件是将栅极端子固定为恒定电压的晶体管。
如上所述，在本发明中，当带隙基准电路处于异常稳定点时，虽然第2P型晶体管的漏极电流大致为零值，但由于启动电路使其漏极电流增大，因此，在带隙基准电路中，第1P型晶体管的漏极电流增大，基准电压输出端子的输出电压也上升，随之，反馈型控制电路控制上述基准电压输出端子的输出电压，使得在正常稳定点上稳定。在该正常稳定点上，由于第2P型晶体管的漏极电流几乎都在反馈型控制电路中流过，启动电路中流过的电流值很小，因而电流消耗较小。
尤其是在本发明中，当基准电压输出端子处于异常稳定点时，虽然该基准电压输出端子的电压是接近接地电位的电压，但由于此时启动电路中包含的P型晶体管的栅极-源极间电压变大，因此，使带隙基准电路的第2P型晶体管的漏极电流有效地增加，结果，基准电压输出端子的输出电压迅速上升，反馈型控制电路进行控制，使得在正常稳定点上动作。
另外，在本发明中，由于启动电路由P型晶体管和电流产生元件的串连电路构成，因此，能够将该启动电路中流过的电流值，限制为比带隙基准电路在正常稳定点的第1P型晶体管的漏极电流值小的数值，因此，能够容易地确保在正常稳定点的动作。
如上所述，根据本发明的基准电压产生电路，能够实质上不增加消耗电流地实现启动功能，并且，不需要当前所必须的比较电路或电压监视电路等比较复杂的电路，就能够减少元件数量，减小布局面积，从而能够谋求小型(compact)化和降低成本。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的基准电压产生电路的电路图。
图2是表示在上述基准电压产生电路中，从异常稳定点向正常稳定点移动的过程的输出电压、晶体管的漏极电流等的变化情况的图。
图3是表示本发明的第2实施方式的基准电压产生电路的电路图。
图4是表示本发明的第3实施方式的基准电压产生电路的电路图。
图5是表示本发明的第4实施方式的基准电压产生电路的电路图。
图6是表示上述实施方式的基准电压产生电路的变形例的电路图。
图7是表示现有基准电压产生电路的一个例子的电路图。
图8是说明带隙基准电路的异常稳定点和正常稳定点的图。
图9是表示在现有基准电压产生电路的启动电路中使用的差动放大器电路的结构的电路图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
<第1实施方式>
图1表示本发明的第1实施方式的基准电压产生电路。
在图1中，1是BGR电路，2是作为启动电路的下拉(pull-down)电路。上述BGR电路1具有输出恒定电压的基准电压的基准电压输出端子O。
在上述BGR电路1中，D1是第1二极管元件，D2是第2二极管元件，R1是第1电阻元件，R2是第2电阻元件，R3是第3电阻元件，Tr1是P型第1晶体管，Tr2是P型第2晶体管，11是反馈型控制电路。上述第1二极管元件D1的阴极连接到接地电位上。另外，上述第2二极管元件D2的电流密度与上述第1二极管元件D1的电流密度不同，其阴极连接到接地电位上。上述第1电阻元件R1的一端连接到上述第2二极管元件D2的阳极上，另一端连接到上述第2电阻元件R2的一端上。第2电阻元件R2的另一端连接到上述基准电压输出端子O上。第3电阻元件R3的一端连接到上述第1二极管元件D1的阳极上，另一端连接到上述基准电压输出端子O上。
另外，上述第1P型晶体管Tr1的源极端子连接到电源上，其漏极端子连接到上述基准电压输出端子O上，向基准电压输出端子O提供电流。上述第2P型晶体管Tr2与上述第1P型晶体管Tr1共同构成电流镜电路，其源极端子连接到上述电源上，其栅极端子连接到自身的漏极端子和上述第1P型晶体管Tr1的栅极端子上，确定上述第1P型晶体管Tr1内流过的电流。另外，上述反馈型控制电路11控制上述第2P型晶体管Tr2的漏极电流I2，使得上述第1二极管D1的阳极(以下，称为节点N1)电压与上述第1和第2电阻元件R1、R2彼此的连接点(以下，称为节点N2)的电压相等，其具有N型晶体管Tr3和差动放大电路14。该晶体管Tr3的源极端子连接到接地电位上，其漏极端子连接到上述第2P型晶体管Tr2的漏极端子(以下，称为节点N3)上。另外，上述差动放大电路14输入上述2个节点N1、N2的电压，其输出被提供到上述晶体管Tr3的栅极端子。
另外，上述下拉电路2是当上述BGR电路1的基准电压输出端子O的输出电压处于图8所示的异常稳定点时，使其向正常稳定点移动的电路，其具有P型晶体管Tr4。该晶体管Tr4被配置于上述BGR电路1的第2P型晶体管Tr2的漏极端子(即，节点N3)和接地电位之间，其栅极端子连接到上述BGR电路1的基准电压输出端子O上，当上述BGR电路1的第2P型晶体管Tr2的漏极电流I2大致为零值时，使其漏极电流I2增大。
下面，说明本实施方式的动作。这里，第1P型晶体管Tr1和第2P型晶体管Tr2的尺寸相等，利用电流镜结构，关于两个晶体管Tr1、Tr2的漏极电流I1、I2，I1＝I2的关系成立。下面，用图1和图2说明BGR电路1在异常稳定点，向正常稳定点移动时的动作。
最初，在处于异常稳定点的状态下，基准电压输出端子O的输出电压成为接近于接地电位的电压。此时，反馈型控制电路11的差动放大电路14的输出端子的电压，即晶体管Tr3的栅极端子(节点N4)的电压变为0V，晶体管Tr3截止。因此，该晶体管Tr3的漏极电流I3变成I3＝I2＝I1＝0(A)。因此，基准电压输出端子O的输出电压仍旧保持在接地电位。另外，由于晶体管Tr3截止，因此，第2P型晶体管Tr2的漏极端子被上拉为电源电位。
在上述BGR电路1处于异常稳定点时，在下拉电路2中，由于P型晶体管Tr4的栅极端子为接地电位、其源极端子为电源电位、栅极-源极间电压为电源电位，因此，该晶体管Tr4导通，从BGR电路1的第2P型晶体管Tr2开始流过电流I2(＝I4)。由于BGR电路1的第1P型晶体管Tr1，将第2P型晶体管Tr2的电流I2作为电流镜，因此，第1P型晶体管Tr1中也开始流过电流I1，基准电压输出端子O的输出电压上升到异常稳定点和正常稳定点的中间电压。
当基准电压输出端子O的输出电压上升到中间电压，节点N1的电压大于节点N2的电压时，反馈型控制电路11的差动放大电路14使N型晶体管Tr3的栅极电压上升，使得节点N1的电压等于节点N2的电压。这里，上述差动放大电路14，为了减小消耗电流，一般应答速度慢，在晶体管Tr3的栅极端子(节点N4)的电压超过其阈值电压为止的期间内，其漏极电流I3＝0。该期间对应于图2的过渡状态(1)。
之后，当晶体管Tr3的栅极电压超过该晶体管Tr3的阈值电压时，就流出漏极电流I3，第1P型晶体管Tr1的漏极电流I1开始增加，基准电压输出端子O的输出电压上升。当基准电压输出端子O的输出电压上升时，随之下拉电路2的晶体管Tr4的栅极-源极间电压变小，因此，晶体管Tr4的漏极电流I4变小。该期间对应于图2中的过渡状态(2)。
当基准电压输出端子O的输出电压成为取作正常稳定点的电压时，由于差动放大电路14阻止晶体管Tr3的栅极电压上升的控制，因此，基准电压输出端子O的输出电压为恒定。该期间对应于图2的正常状态。此时，4个晶体管Tr1～Tr4的漏极电流I1～I4变为I1＝I2+I3+I4，下拉电路2中消耗的漏极电流I4的电流增加量与BGR电路1的晶体管Tr3的漏极电流I3的电流减少量相等，实质上不增加电流就能够实现启动功能。
这样，除了由反馈型控制电路11所控制的电流I3之外，在下拉电路2中还流过BGR电路1的第2P型晶体管Tr2的漏极电流I2，当下拉电路2中流过的电流I4增加时，使由反馈型控制电路11所控制的电流I3减小，相反地，当下拉电路2中流过的电流I4减小时，使由反馈型控制电路11所控制的电流I3增加，能够总是在正常稳定点上动作。
这里，由于下拉电路2能够用一个晶体管Tr4实现，因此，有很大的减小布局面积的效果。
<第2实施方式>
下面，图3表示本发明的第2实施方式。
在上述第1实施方式中，如果下拉电路2中流过的电流I4，比在BGR电路1中正常状态下所需要的第1P型晶体管Tr1的漏极电流I1大，则第1P型晶体管Tr1的漏极电流I1为大于等于正常状态下所需要的电流值的电流值，将不在正常稳定点上动作。为了避免这种情况，需要对下拉电路2的P型晶体管Tr4的晶体管尺寸进行最优化，使得下拉电路2中流过的电流I4小于正常状态下第1P型晶体管Tr1的漏极电流I1。但是，在异常稳定点上的P型晶体管Tr4中流过的电流I4，与确定其栅极-源极间电压的电源电压的平方成正比。另外，晶体管的制造工艺通常较为复杂，存在漏极电流容易出现差异的缺点。因此，满足上述电流I4小于(正常状态的I1电流)地确定P型晶体管Tr4的尺寸是比较困难的。
因此，在本实施方式中，如图3所示，在下拉电路2A中，除了P型晶体管Tr4还设置有电阻元件(电流产生元件)R4。该电阻元件R4的一端连接到P型晶体管Tr4的源极端子上，另一端连接到BGR电路1的第2P型晶体管Tr2的漏极端子上(节点N3)。
在本实施方式中，基于下拉电路2A的启动功能的基本原理与第1实施方式相同。在本实施方式中，下拉电路2A中流过的电流I4由电阻元件R4的电阻值确定。即，下拉电路2A中流过的电流I4，是用电阻R4的电阻值除节点N3的电压-(基准电压输出端子O的输出电压-晶体管Tr4的阈值电压)而得到的值，与确定节点N3的电压的电源电压的一次方成正比。因此，能够谋求满足上述电流I4小于(正常状态的I1电流)的关系的设计的简化。
<第3实施方式>
接下来，图4中示出了本发明的第3实施方式。
本实施方式中，利用P型晶体管Tr4和二极管(电流产生元件)D3的串连连接构成了下拉电路2B。二极管D3的阳极连接到BGR电路的节点N3上，阴极连接到P型晶体管Tr4的源极端子上。由于其他的结构与第1实施方式相同，因此相同的部分赋以相同的标号并省略其说明。
在本实施方式中，下拉电路2B中流过的电流I4，是用二极管D3的端子间的电阻除节点N3的电压-(基准电压输出端子O的输出电压-晶体管Tr4的阈值电压)而得到的值，与上述第2实施方式的使用电阻元件R4的情况相比，虽然确定BGR电路1的节点N3的电压的电流依赖性变大，但由于通常二极管元件D3差异很小，因此，能够谋求满足上述电流I4小于(正常状态下的I1电流)的设计的进一步简化。
<第4实施方式>
下面，图5中示出了本发明的第4实施方式。
在本实施方式中，利用P型晶体管Tr4和另一个P型晶体管(电流产生元件)Tr5的串连连接构成下拉电路2C。上述P型晶体管Tr5的源极端子连接到BGR电路1的节点N3上，漏极端子连接到自身的栅极端子和上述P型晶体管Tr4的源极端子上。
在本实施方式中，下拉电路2C中流过的电流I4，是用晶体管Tr5的源极-漏极端子间电阻除节点N3的电压-(基准电压输出端子O的输出电压-晶体管Tr4的阈值电压)而得到的值。在本实施方式中，由于能够仅以2个晶体管Tr4、Tr5来设计下拉电路2C，因此，不需要如第2和第3实施方式那样地研究电阻R4或二极管D3的特性。
而且，在本实施方式中，晶体管Tr5的栅极端子连接到漏极端子上，但如图6所示，即使设置栅极端子连接到地等恒定的固定电压上的晶体管(电流产生元件)Tr6，利用该晶体管Tr6的源极-漏极间电阻，也能够实现与上述第3实施方式相同的功能。
工业可利用性
如以上的说明，采用本发明，能够不增加消耗电流、且以较少的元件数量实现启动功能，因此，在用于便携设备等的情况下能够延长电池寿命，同时，能够有效地减小布局面积，作为对小型化和低成本化有效的基准电压产生电路是有用的。

Claims (7)

1.一种基准电压产生电路，从基准电压输出端子产生恒定电压的基准电压，其特征在于，包括：
第1二极管元件，其阴极连接到接地电位上；
第2二极管元件，其电流密度与上述第1二极管元件不同，且阴极连接到接地电位上；
第1电阻元件，其一端连接到所述第2二极管元件的阳极上；
第2电阻元件，其一端连接到所述第1电阻元件的另一端上，其另一端连接到所述基准电压输出端子上；
第3电阻元件，其一端连接到所述第1二极管元件的阳极上，其另一端连接到所述基准电压输出端子上；
第1P型晶体管，对所述基准电压输出端子提供电流；
第2P型晶体管，其栅极端子连接到自身的漏极端子和所述第1P型晶体管的栅极端子上；
带隙基准电路，具有反馈型控制电路，该反馈型控制电路控制所述第2P型晶体管的漏极电流，使得所述第1二极管元件的阳极电压与所述第1和第2电阻元件彼此连接点的电压相等；以及
启动电路，当所述带隙基准电路的基准电压输出端子的输出电压处于异常稳定点时使其向正常稳定点移动，
所述启动电路，被配置于所述带隙基准电路的第2P型晶体管的漏极端子与接地电位之间，当所述第2P型晶体管的漏极电流大致为零值时，使该漏极电流增大。
2.根据权利要求1所述的基准电压产生电路，其特征在于：
所述启动电路，是栅极端子连接到所述基准电压输出端子上的P型晶体管。
3.根据权利要求1所述的基准电压产生电路，其特征在于：
所述启动电路具有
栅极端子连接到所述基准电压输出端子上的P型晶体管；以及
配置于所述P型晶体管的源极端子与所述带隙基准电路的第2P型晶体管的漏极端子之间的电流产生元件。
4.根据权利要求3所述的基准电压产生电路，其特征在于：
所述电流产生元件是电阻元件。
5.根据权利要求3所述的基准电压产生电路，其特征在于：
所述电流产生元件是二极管元件。
6.根据权利要求3所述的基准电压产生电路，其特征在于：
所述电流产生元件是栅极端子连接到漏极端子上的晶体管。
7.根据权利要求3所述的基准电压产生电路，其特征在于：
所述电流产生元件是将栅极端子固定为恒定电压的晶体管。
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