CN201804292U - 基准电压产生电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基准电压产生电路，该电路具有基准电压输出端，包括第一耗尽型NMOS管，第一增强型NMOS管，所述第一耗尽型NMOS管的漏极接电源，第一耗尽型NMOS管的栅极接第一耗尽型NMOS管的源极，所述第一耗尽型NMOS管的源极接第一增强型NMOS管的漏极，第一增强型NMOS管的栅极接第二耗尽型NMOS管的漏极，第一增强型NMOS管的源极接地，所述第一耗尽型NMOS管的源极接至基准电压输出端。本实用新型采用基准电压产生电路结构简单、功率小，并且，本实用新型提供的基准电压产生电路温度特性好，输出端电压不随电源电压变化而变化。

Description

基准电压产生电路

技术领域

本实用新型涉及一种电源电路，尤其涉及一种基准电压产生电路。

背景技术

集成电路设计当中，芯片判断从外界采集的信号是否处于正常状态，通常采用外界信号和基准电压进行比较的方式解决，这就要求产生一个与电源电压、工艺参数、温度无关的基准电压。

目前基准电路电源种类很多，例如，齐纳基准源、带隙基准源、具有二阶段补偿的带隙基准源等。请参阅图1，图1为现有的一种利用三极管和电阻串联方式产生的基准电压产生电路。其中，三极管Q1、Q2的基极分别与各自的集电极相连，三极管Q1、Q2的发射极接地，三极管Q1的集电极连接至运算放大器OP1的正向输入端，三极管Q2的集电极通过电阻R0连接至运算放大器OP1的反相输入端，电阻R1连接至运算放大器的正向输入端和输出端之间，电阻R2连接至运算放大器的反向输入端和输出端之间。

其中，假设三极管Q2与三极管Q1的导电区域面积比为n，其中n大于1，那么三极管Q1与三极管Q2分别所在的两路支路的饱和电流之比I_S1/I_S2＝1/n，设定R1＝R2，根据运算放大器OP1虚短虚断的特性，节点1和节点2的电压相等，即V1＝V2。那么根据三极管Q1和三极管Q2集电极电流I_C1和I_C2的计算公式：I_C1＝(V_OUT-V1)/R1，I_C2＝(V_OUT-V2)/R2，可知，I_C1＝I_C2。

根据三极管发射极电流电压的关系：

V_BE＝V_T ln(I_C/I_S)，

V_T＝KT/q

I_S＝bT^4+m·e^-Eg/kT，

其中，n为三极管导电区的面积；V_T为等效热电压；Eg为绝对0度下，半导体的禁带宽度；I_S为pn结反向饱和电流；K是BoltamanN常数；q是电荷量，b是一比例系数；m＝-1.5。

对上述公式V_BE＝V_Tln(I_C/I_S)两边对温度进行微分，得到V_BE对温度的微分：

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{BE}}}{\∂T}=\frac{V_{\mathrm{BE}}-(4+m)V_T-\mathrm{Eg}/q}{T}$

由此上述公式可知V_BE对温度表现为负温度系数，即V_BE随着温度cm的升高而变小。

通过图1中的电路结构，有如下计算公式，

ΔV_BE＝V_BE1-V_BE2＝R0·I_c2

＝V_Tln(I_C1/I_S1)-V_Tln(I_C2/I_S2)

＝V_Tln n

可得V_BE差值表现为正温度系数。

所以如图1所示的基准电压产生电路产生的输出电压

V_OUT＝I_C2(R2+R0)+V_BE2

＝(V_Tln n)(R0+R2)/R0+V_BE2

＝(V_Tln n)(1+R2/R0)+V_BE2

利用V_BE2的负温度系数与三极管Q1、Q2的发射极电压差值的正温度系数相加，得到零温度系数的基准电压。

上述基准电压产生电路的缺点是电路面积较大，由于有三极管和电阻的构成，造成整个电路的功耗较大。

实用新型内容

本实用新型为解决现有的基准电路产生电路无法满足功耗小、面积小等需求的技术问题，提供一种克服上述问题的基准电压产生电路。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

基准电压产生电路，该电路具有基准电压输出端。该电路包括第一耗尽型NMOS管(N₁)，第一增强型NMOS管(N₀)，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的漏极接电源(V_cc)，第一耗尽型NMOS管(N₁)的栅极与其源极连接，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极接第一增强型NMOS管(N₀)的漏极，第一增强型NMOS管(N₀)的栅极与其漏极连接，第一增强型NMOS管(N₀)的源极接地，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极接至基准电压输出端

所述第一耗尽型NMOS管(N₁)，第一增强型NMOS管(N₀)满足下述公式，

$V_{\mathrm{out}}={2V}_{\mathrm{TN}}+2\sqrt{\frac{W_d/L_d}{W_n/L_n}}{V}_{\mathrm{TD}}$

其中，V_out为基准电压，

为第一耗尽型NMOS管(N₁)的宽长比，V_TD为第一耗尽型NMOS管(N₁)的导通阈值的绝对值；为第一增强型NMOS管(N₀)的宽长比，V_TN为第一增强型NMOS管(N₀)的导通阈值。

进一步的，该基准电压产生电路还包括第二增强型NMOS管(N₂)，所述第二增强型NMOS管(N₂)的漏极与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，第二增强型NMOS管(N₂)的栅极接第二增强型NMOS管(N₂)的漏极，所述第二增强型NMOS管(N₂)的源极接第一增强型NMOS管(N₀)的漏极，其中，第二增强型NMOS管(N₂)具有与第一增强型NMOS管(N₀)相同的宽长比及导通阈值。

进一步的，该基准电压产生电路还包括一低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的输入端与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，所述低压差线性稳压器的输出端为基准电压输出端。

进一步的，所述低压差线性稳压器包括运算放大器(OP)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、以及三极管(Q₀)，其中，运算放大器(OP)的正相输入端与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，运算放大器(OP)的反相输入端通过第一电阻(R₁)接地，运算放大器的输出端与三极管(Q₀)的基极相连，三极管(Q0)的集电极通过第二电阻(R₂)连接至电源(V_cc)，三极管(Q₀)的发射极与运算放大器(OP)的反相输入端相连，所述三极管(Q₀)的发射极接至基准电压输出端。

本实用新型采用基准电压产生电路只是通过简单的几个MOS管搭建而成，结构简单，整个电路所占的面积较小。由于通过MOS管搭建而成，所以电路本身具有功率小的特点，并且，本实用新型提供的基准电压产生电路温度特性好，输出端电压不随电源电压变化而变化。

附图说明

图1是一种现有基准电压产生电路的结构示意图；

图2是本实用新型提供的基准电压产生电路一实施例的电路结构示意图；

图3是本实用新型提供的基准电压产生电路的另一实施例的电路结构示意图；

图4是本实用新型提供的基准电压产生电路的再一实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种基准电压产生电路，请参阅图2，在本实用新型提供的一种实施方式中，该基准电压产生电路具有基准电压输出端。

该电路包括第一耗尽型NMOS管(N₁)，第一增强型NMOS管(N₀)，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的漏极接电源(V_cc)，第一耗尽型NMOS管(N₁)的栅极接第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极接第一增强型NMOS管(N₀)的漏极，第一增强型NMOS管(N₀)的栅极接第一耗尽型NMOS管(N₀)的漏极，第一增强型NMOS管(N₀)的源极接地，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极接至基准电压输出端，

所述第一耗尽型NMOS管(N₁)，第一增强型NMOS管(N₀)满足下述公式，

$V_{\mathrm{out}}={2V}_{\mathrm{TN}}+2\sqrt{\frac{W_d/L_d}{W_n/L_n}}{V}_{\mathrm{TD}}$

其中，V_out为基准电压，为第一耗尽型NMOS管(N₁)的宽长比，V_TD为第一耗尽型NMOS管(N₁)的导通阈值的绝对值；

为第一增强型NMOS管(N₀)的宽长比，V_TN为第一增强型NMOS管(N₀)的导通阈值。

下面，就本实用新型提供的该实施例产生基准电压的原理做一介绍，如下：

参看图1，V_out为基准电压，

为第一耗尽型NMOS管(N₁)的宽长比，V_TD为第一耗尽型NMOS管(N₁)的导通阈值的绝对值；为第一增强型NMOS管(N₀)的宽长比，V_TN为第一增强型NMOS管(N₀)的导通阈值

在图1所示的电路结构中，因为第一耗尽型NMOS管(N₁)和第一增强型NMOS管(N₀)采用是串联结构，所以流经第一耗尽型NMOS管(N₁)和第一增强型NMOS管(N₀)的电流是相同。

其中，根据增强型MOS管、耗尽型MOS管电流和导通阈值电压的关系，可以得到：

$I=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}{W}_d}{L_d}{V_{\mathrm{TD}}}^2---\left(1\right)$

$I=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}{W}_n}{L_n}{(\frac{{V_{\mathrm{out}}}_{}}{2}-V_{\mathrm{TN}})}^2---\left(2\right)$

其中式(1)和式(2)中的电流相等，所以可以得到输出电压V_out与MOS管导通阈值、以及宽长比的关系式：

$V_{\mathrm{out}}=2V_{\mathrm{TN}}+2\sqrt{\frac{W_d/L_d}{W_n/L_n}}{V}_{\mathrm{TD}}$

耗尽型的MOS管的导通阈值V_TD是负温度系数的值，即随着温度的升高V_TD变小，而增强型MOS管的导通阈值是正温度系数的值，即V_TN随着温度的升高而增大。

由于V_TN为正温度系数，V_TD为负温度系数，且较为线形，因此总存在着合适的宽长比使得输出电压V_out的温漂很小，即只需要调整W_d/L_d、以及W_n/L_n的参数，就可以得到一个与温度无关的输出电压V_out，并且此输出电压V_out基本不随电源电压变化而变化。

增强型NMOS管的导通阈值V_TN一般为0.6V～1.0V之间，所以如图1所示的基准电压产生电路的输出电压V_out的范围也在0.6V～1.0V之间。

对于需要更高基准电压的情况，可以通过改变串联的增强型NMOS管的数量来实现。基于此，进一步的请参照图3，图3示意出了本实用新型提供的基准电压产生电路的另一种实施例。在图1所示电路的基础上，该基准电压产生电路还包括第二增强型NMOS管(N₂)，所述第二增强型NMOS管(N₂)的漏极与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，第二增强型NMOS管(N₂)的栅极接第二增强型NMOS管(N₂)的漏极，所述第二增强型NMOS管(N₂)的源极接第一增强型NMOS管(N₀)的漏极，其中，第二增强型NMOS管(N₂)具有与第一增强型NMOS管(N₀)相同的宽长比及导通阈值。

对于如图3所示的电路，由于有两个增强型NMOS管串联，所以输出电压V_out的范围可以在1.2V～2.4V之间。

按照一般所用基准电压的要求，串联的增强型NMOS管的数量不大于3，因为实际使用中基准电压范围为0V～3V。根据上面所提及的，串联最多3个增强型NMOS管即可实现。

进一步的，该基准电压产生电路还包括一低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的输入端与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，所述低压差线性稳压器的输出端为基准电压输出端。

进一步的请参阅图4，如图4所示，本实施例示意出了低压差线性稳压器的电路示意。该低压差线性稳压器包括运算放大器(OP)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、以及三极管(Q₀)。

其中，运算放大器(OP)的正相输入端与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，运算放大器(OP)的反相输入端通过第一电阻(R₁)接地，运算放大器的输出端与三极管(Q₀)的基极相连，三极管(Q₀)的集电极通过第二电阻(R₂)连接至电源(V_cc)，三极管(Q₀)的发射极与运算放大器(OP)的反相输入端相连，所述三极管(Q₀)的发射极接至基准电压输出端。

在图4中，第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极，即结点1连接至运算放大器是为了保证结点1处和基准电压输出端的电压相等，基准电压输出端的电流I_OUT＝V₁/R₀，可以大大增强输出端驱动负载的能力，其中V₁为结点1处的电压值。

以上的增强型MOS和耗尽型MOS为同一工艺条件下所得。

图4所示的基准电压产生电路采用两个增强型的NMOS管与一个耗尽型的NMOS串联的方式，产生的电压再通过串联一个LDO(低压差线性稳压器)以增强输出端的驱动能力。本实用新型的基准电压产生电路与现有的基准电压产生电路相比，具有以下优势：

1、电路结构简单：只有简单的几个MOS管串联而成；

2、温度特性好；

3、输出端不随电源电压变化而变化；

4、功耗小，驱动能力强；

5、可以通过改变串联增强型NMOS管的宽长比大小、以及数量来调整最终输出电压V_out的大小，灵活性大。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.基准电压产生电路，其特征在于，该电路具有基准电压输出端，该电路包括第一耗尽型NMOS管(N₁)，第一增强型NMOS管(N₀)，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的漏极接电源(V_cc)，第一耗尽型NMOS管(N₁)的栅极与其源极连接，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极接第一增强型NMOS管(N₀)的漏极，第一增强型NMOS管(N₀)的栅极与其漏极连接，第一增强型NMOS管(N₀)的源极接地，所述第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极接至基准电压输出端，

所述第一耗尽型NMOS管(N₁)，第一增强型NMOS管(N₀)满足下述公式，

$V_{\mathrm{out}}={2V}_{\mathrm{TN}}+2\sqrt{\frac{W_d/L_d}{W_n/L_n}}{V}_{\mathrm{TD}}$

其中，V_out为基准电压，

为第一耗尽型NMOS管(N₁)的宽长比，V_TD为第一耗尽型NMOS管(N₁)的导通阈值的绝对值；

为第一增强型NMOS管(N₀)的宽长比，V_TN为第一增强型NMOS管(N₀)的导通阈值。

2.根据权利要求1所述的基准电压产生电路，其特征在于，所述电路还包括第二增强型NMOS管(N₂)，所述第二增强型NMOS管(N₂)的漏极与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，第二增强型NMOS管(N₂)的栅极与其漏极相连，所述第二增强型NMOS管(N₂)的源极接第一增强型NMOS管(N₀)的漏极，其中，第二增强型NMOS管(N₂)具有与第一增强型NMOS管(N₀)相同的宽长比及导通阈值。

3.根据权利要求2所述的基准电压产生电路，其特征在于，所述电路还包括一低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的输入端与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，所述低压差线性稳压器的输出端为基准电压输出端。

4.根据权利要求3所述的基准电压产生电路，其特征在于，所述低压差线性稳压器包括运算放大器(OP)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、以及三极管(Q₀)，其中，运算放大器(OP)的正相输入端与第一耗尽型NMOS管(N₁)的源极相连，运算放大器(OP)的反相输入端通过第一电阻(R₁)接地，运算放大器的输出端与三极管(Q₀)的基极相连，三极管(Q0)的集电极通过第二电阻(R₂)连接至电源(V_cc)，三极管(Q₀)的发射极与运算放大器(OP)的反相输入端相连，所述三极管(Q₀)的发射极接至基准电压输出端。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的基准电压产生电路，其特征在于，耗尽型NMOS管和增强型NMOS管在同一工艺条件下制得。

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