CN207623828U - 一种集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路 - Google Patents

Abstract

一种集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路,本实用新型集成带隙基准电路包括主体电路、偏置电路、以及温度保护信号产生电路。主体电路把电源电压信号直接转换为稳定的输出带隙电压信号输出给温度保护产生电路，作为带隙基准电压信号向外输出；偏置电路产生偏置电压提供给主体电路以及温度保护信号产生电路；温度保护产生电路接收偏置电路的偏置信号以及主体电路的输出的带隙电压信号，产生检测温度信号，作为温度保护信号向外输出。该带隙基准电路设计了一种曲率补偿电路,在普通带隙基准电路的基础上,进一步调整了输出基准电压的温度系数,同时集成了温度保护信号提供模块,增加了设计便利性。

Description

一种集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路

技术领域

本实用新型涉及一种集成带隙基准电路结构，特别是一种集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路结构。

背景技术

基准电压是当代模拟电路极为重要的组成部分，对高新模拟电子技术的应用与发展具有重要作用。在许多集成电路中，比如数模转换器、模数转换器、线性稳压器以及开关电源等都需要精密而又稳定的电压基准。在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把集成基准电压源用作系统测量和校准的基准。电压基准电路对温度和精度的有关指标要求比较高。理想的基准电压电路特点为输出恒定电压，该电压与温度无关，与负载变化无关，与输入电压变化无关，与时间无关。目前主要的三种基准电压源：隐埋齐纳二极管、带隙、以及外加离子注入的结型场效应管基准电压源。其中除了带隙结构的基准电压源除外，另外两种均对工艺有特殊要求，一般不能与通用集成电路工艺直接兼容。此实用新型采用的是带隙结构的基准电路结构，与一般BCD集成电路工艺完全兼容，可以直接作为线性稳压器以及开关电源类芯片内部的基准电压。

带隙基准电路的原理是硅双极型晶体管的BE结的电压V_be为负温度系数，晶体管BE结的电压差ΔV_be＝V_be1-V_be2为正的温度系数，理论上当正温度系数的补偿电压与负温度系数的V_be补偿之后，当总电压的温度系数为零的时候，得出的电压与硅半导体的带隙电压相同，故得名为带隙基准。最基本的两种带隙结构是两管能隙基准源和三管能隙基准源。此处采用的是在两管能隙基准源的基础上增加高阶曲率补偿电路，提高温度系数，同时可以提供温度保护信号。

传统的带隙基准电路中的基本的温度补偿办法，一般直接通过Vbe电压和Vt进行补偿。由于Vt和绝对温度成正比，是一个正温度系数的电压，而Vbe是一个负温度系数的电压，输出电压是这两个电压的线性组合。由于Vt是一个一阶温度系数的电压，通过精确调整相关系数可以让输出电压的一阶温度系数被完全抵消，从而得到和温度无关的电压。但是实际应用中，还要考虑输出电压中得不到补偿的高次电压分量。Vt和绝对温度成正比，所以由Vt引入的高阶温度项可以忽略，高阶温度项主要由双极晶体管的Vbe的温度特性引起的，故通过增加曲率补偿电路，补偿高阶的温度漂移，可以进一步提高带隙基准的温度特性。

通常情况下，线性稳压源以及开关电源都属于功率电子电路，一般都需要提供高温保护功能，避免系统高温下损坏。传统方法一般采用独立的温度检测模块,然后通过独立的开关控制模块来控制系统的工作状态达到保护系统，一般采用板级开发，电路结构较复杂，系统占用面积较大，成本较高，设计开发便利性不好。

实用新型内容

本实用新型的技术解决的问题是：在现有技术基础上提供一种集成温度系数高阶曲率补偿电路，同时提供温度保护信号产生信号。进一步提高基准的温度特性，增加设计便利性。

本实用新型的技术方案是：

一种集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路结构，包括依次串联的主体电路、偏置电路和温度保护信号产生电路；

主体电路把外部电源电压信号转换为带隙电压信号后输出给温度保护信号产生电路和外部；偏置电路产生偏置电压提供给主体电路以及温度保护信号产生电路；温度保护信号产生电路接收偏置电路的偏置电压以及主体电路输出的带隙电压信号，产生检测温度信号并向外输出。

所述主体电路包括P型MOS管MP1、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5、P型MOS管MP6，N型MOS管MN1、双极型晶体管N1、双极型晶体管N2、双极型晶体管N3、双极型晶体管N4，电容C1以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5；

电源端VCC分别与P型MOS管MP1的源端和N型MOS管MN1的漏端相连，P型MOS管MP1的栅端接收偏置电路产生的偏置电压，P型MOS管MP1的漏端分别与N型MOS管MN1的栅端、P型MOS管MP4的源端、P型MOS管MP5的源端、P型MOS管MP6的源端相连；P型MOS管MP5的栅端和漏端并联后分别连接P型MOS管MP4的栅端、双极型晶体管N2的集电极；P型MOS管MP4的漏端分别与双极型晶体管N1的集电极、双极型晶体管N4的集电极、电容C1的一端、P型MOS管MP6的栅端相连；双极型晶体管N2的基极分别与双极型晶体管N1的基极、双极型晶体管N4的基极、双极型晶体管N4的发射极、双极型晶体管N3的集电极、电阻R5的一端相连；N型MOS管MN1的发射极与电阻R5的另一端相连，并作为带隙基准电压信号向外输出；双极型晶体管N2的发射极与电阻R1的一端相连；双极型晶体管N1的发射极分别与电阻R1的另一端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与双极型晶体管N3的基极、电阻R3的一端相连，双极型晶体管N3的发射极与电阻R4的一端相连；P型MOS管MP6的漏端、电容C1的另一端、电阻R4的另一端、电阻R3的另一端与地GND相连。

所述偏置电路包含P型MOS管MP7、P型MOS管MP2、双极型晶体管N5、双级型晶体管N6以及电阻R6、电阻R7；

P型MOS管MP2的源端、P型MOS管MP7的源端均与电源线VCC相连；P型MOS管MP2的漏端、P型MOS管MP2的栅端、与双极型晶体管N6的集电极连接后的公共端作为偏置电路的输出端向主体电路和温度保护信号产生电路输出偏置电压；P型MOS管MP7的栅端、双极型晶体管N5的发射极和与电阻R7的一端分别与地GND相连，P型MOS管MP7的漏端与双极型晶体管N5的基极、电阻R6的一端相连，双极型晶体管N5的集电极、双极型晶体管N6的基极与电阻R6的一端相连，双极型晶体管N6的发射极与电阻R7的一端连接，连接后的公共端作为偏置电路的输出端向温度保护信号产生电路输出偏置电压。

所述温度保护信号产生电路包括P型MOS管MP3、双极晶体管N7、双极型晶体管N8、双极型晶体管N9以及电阻R8、电阻R9、电阻R10；

P型MOS管MP3的源端与电源VCC相连，P型MOS管MP3的栅端与双极晶体管N7的集电极连接后的公共端接收偏置电路产生的偏置电压，P型MOS管MP3的漏端与双极晶体管N9的集电极连接，连接后的公共端作为温度保护信号产生电路的输出向外输出温度保护信号；双极晶体管N7的基极与双极型晶体管N8的基极、双极型晶体管N8的集电极、电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与主体电路的输出带隙基准电压信号的端口相连；双极型晶体管N7的发射极、双极型晶体管N8的发射极、双极型晶体管N9的基极分别与电阻R8和电阻R9的并联端相连，电阻R8的另一端接收偏置电路产生的偏置电压；电阻R9的另一端和双极型晶体管N9的发射极分别与地GND相连。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1)本实用新型集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路，在普通带隙基准电路的基础上，进一步调整了输出基准电压的温度系数，同时集成了温度保护信号提供模块，增加了设计便利性；

2)本实用新型采用的带隙基准电路部分，实现带高阶曲率补偿的功能，实现超低温度漂移的带隙基准电压输出；

3)本实用新型采用的偏置电路采用倒宽长比器件，同时利用简单负反馈电路实现较稳定的偏置电路，结构相对简单，占用版图面积少；

4)本实用新型采用温度保护信号产生电路，利用BE结的负温度系数特性，提供温度保护信号，同时利用简单正反馈电路，实现带隙基准电压的快速启动。

附图说明

图1为本实用新型电路原理图；

图2为传统的两管能隙基准源电路原理图；

图3为本实用新型主体电路部分电路图；

图4为本实用新型偏置电路部分电路图；

图5为本实用新型温度保护信号产生电路部分电路图；

图6为输出带隙电压随温度变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述：

如图1所示为集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路，该带隙结构采用标准二管带隙基准电路基础上增加高阶曲率补偿电路，采用简单偏置电路，同时集成温度保护信号产生电路。

带隙结构仍采用两管带隙结构。附图2为传统两管能隙基准源电路，输出电压为：

其中，p为流经双极型晶体管N1、双极型晶体型N2的发射极电流比，n为双极型晶体管N2和双极型晶体管N1的发射极电流密度比。

为了使输出电压随温度的变化更小，增加了曲率校正电路。其工作过程是：在温度从负值向正值变化的过程中，电阻R3上会产生一个随温度上升的电压，而双极型晶体管N3的V_be具有负温度系数，故在某一温度T0下，双极型晶体管N3的基极电压大于V_be时，双极型晶体管N3会导通，产生I₀，双极型晶体管N3的集电极电流经过电阻R5，使得电阻R5两端电压降增大，从而抬高输出电压Vb，校正输出电压Vb随温度下降的趋势，形成对参考电压的补偿。若参数设计得当，可使温度低于温度T0之前I₀电流为零，超过温度T0之后，电流I在电阻R5产生的额外电压用于补偿输出电压Vb因温度变化的改变。

双极型晶体管N3未导通前，电阻R3端电压V_R3数值为：

其中，p为N1、N2的发射极电流比，n为双极型晶体管N2、双极型晶体管N1的发射极电流密度比。

此时输出基准电压为：

随着温度的升高，电压V_R3不断变大，而双极型晶体管N3的be结电压V_beN3是随温度的升高而下降的量。这样，通过调整电阻R3、电阻R1的比值，可在合适的温度T0下使双极型晶体管N3导通，获得双极型晶体管N3的集电极电流I_CN3，双极型晶体管N3的发射极电流为I_EN3，此时流经电阻R5的电流 输出基准电压Vb的表达式为：Vb＝Vref+R5*I，适当调整电阻R3、电阻R1、n、以电阻R4的值，就可以得到合适的电流值I，实现对Vb的温度曲率校正，输出带隙基准电压随温度变化情况如图6所示。

通过调节相关器件的参数，可以调节波形中A、B两点的距离以及幅值，从而可以针对具体应用要求，在一定的温度范围内得到很小的温度系数。

如图3所示，主体电路包括P型MOS管MP1、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5、P型MOS管MP6，N型MOS管MN1、双极型晶体管N1、双极型晶体管N2、双极型晶体管N3、双极型晶体管N4，电容C1以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5；电源端VCC分别与P型MOS管MP1的源端和N型MOS管MN1的漏端相连，P型MOS管MP1的栅端接收偏置电路产生的偏置电压，P型MOS管MP1的漏端分别与N型MOS管MN1的栅端、P型MOS管MP4的源端、P型MOS管MP5的源端、P型MOS管MP6的源端相连；P型MOS管MP5的栅端和漏端并联后分别连接P型MOS管MP4的栅端、双极型晶体管N2的集电极；P型MOS管MP4的漏端分别与双极型晶体管N1的集电极、双极型晶体管N4的集电极、电容C1的一端、P型MOS管MP6的栅端相连；双极型晶体管N2的基极分别与双极型晶体管N1的基极、双极型晶体管N4的基极、双极型晶体管N4的发射极、双极型晶体管N3的集电极、电阻R5的一端相连；N型MOS管MN1的发射极与电阻R5的另一端相连，并作为带隙基准电压信号向外输出；双极型晶体管N2的发射极与电阻R1的一端相连；双极型晶体管N1的发射极分别与电阻R1的另一端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与双极型晶体管N3的基极、电阻R3的一端相连，双极型晶体管N3的发射极与电阻R4的一端相连；P型MOS管MP6的漏端、电容C1的另一端、电阻R4的另一端、电阻R3的另一端与地GND相连。

偏置电路采用简单的电流镜电路，主偏置电路支路利用了倒宽长比P型MOS器件MP7，电路中起大电阻作用，大大节省了电路版图面积。同时利用双极型晶体管N5和电阻R6组成简单负反馈电路，产生相对电源电压变化不敏感的电压作为双极型晶体管N6的基极驱动，同时双极型晶体管N6的发射极接有负反馈电阻，进一步稳定双极型晶体管N6的集电极电流，即提供给整个电路的电流偏置基准。如图4所示，偏置电路包含P型MOS管MP7、P型MOS管MP2、双极型晶体管N5、双级型晶体管N6以及电阻R6、电阻R7；P型MOS管MP2的源端、P型MOS管MP7的源端均与电源线VCC相连；P型MOS管MP2的漏端、P型MOS管MP2的栅端、与双极型晶体管N6的集电极连接后的公共端作为偏置电路的输出端向主体电路和温度保护信号产生电路输出偏置电压；P型MOS管MP7的栅端、双极型晶体管N5的发射极和与电阻R7的一端分别与地GND相连，P型MOS管MP7的漏端与双极型晶体管N5的基极、电阻R6的一端相连，双极型晶体管N5的集电极、双极型晶体管N6的基极与电阻R6的一端相连，双极型晶体管N6的发射极与电阻R7的一端连接，连接后的公共端作为偏置电路的输出端向温度保护信号产生电路输出偏置电压。

在电路后级添加了热保护电路，主要是利用npn双极型晶体管的VBE的负温度系数特性，当温度升高时，原来处于关断状态的双极型晶体管N9变为导通，利用该变化，使得输出信号Vt电压为低，提供给后电路以及器件温度保护信号，利用使能信号关断相应电路，最终达到温度保护的目的。该部分电路中电阻R10、双极型晶体管N8、双极型晶体管N7以及偏置电路部分中P型MOS管MP2和主体电路部分中P型MOS管MP1、N型MOS管MN1一起构成正反馈结构，有效缩短了带隙电路的启动时间。如图5所示，温度保护信号产生电路包括P型MOS管MP3、双极晶体管N7、双极型晶体管N8、双极型晶体管N9以及电阻R8、电阻R9、电阻R10；P型MOS管MP3的源端与电源VCC相连，P型MOS管MP3的栅端与双极晶体管N7的集电极连接后的公共端接收偏置电路产生的偏置电压，P型MOS管MP3的漏端与双极晶体管N9的集电极连接，连接后的公共端作为温度保护信号产生电路的输出向外输出温度保护信号；双极晶体管N7的基极与双极型晶体管N8的基极、双极型晶体管N8的集电极、电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与主体电路的输出带隙基准电压信号的端口相连；双极型晶体管N7的发射极、双极型晶体管N8的发射极、双极型晶体管N9的基极分别与电阻R8和电阻R9的并联端相连，电阻R8的另一端接收偏置电路产生的偏置电压；电阻R9的另一端和双极型晶体管N9的发射极分别与地GND相连。

Claims (4)

1.一种集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路结构，其特征在于：包括依次串联的主体电路、偏置电路和温度保护信号产生电路；

主体电路把外部电源电压信号转换为带隙电压信号后输出给温度保护信号产生电路和外部；偏置电路产生偏置电压提供给主体电路以及温度保护信号产生电路；温度保护信号产生电路接收偏置电路的偏置电压以及主体电路输出的带隙电压信号，产生检测温度信号并向外输出。

2.根据权利要求1所述的集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路结构，其特征在于：所述主体电路包括P型MOS管MP1、P型MOS管MP4、P型MOS管MP5、P型MOS管MP6，N型MOS管MN1、双极型晶体管N1、双极型晶体管N2、双极型晶体管N3、双极型晶体管N4，电容C1以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5；

电源端VCC分别与P型MOS管MP1的源端和N型MOS管MN1的漏端相连，P型MOS管MP1的栅端接收偏置电路产生的偏置电压，P型MOS管MP1的漏端分别与N型MOS管MN1的栅端、P型MOS管MP4的源端、P型MOS管MP5的源端、P型MOS管MP6的源端相连；P型MOS管MP5的栅端和漏端并联后分别连接P型MOS管MP4的栅端、双极型晶体管N2的集电极；P型MOS管MP4的漏端分别与双极型晶体管N1的集电极、双极型晶体管N4的集电极、电容C1的一端、P型MOS管MP6的栅端相连；双极型晶体管N2的基极分别与双极型晶体管N1的基极、双极型晶体管N4的基极、双极型晶体管N4的发射极、双极型晶体管N3的集电极、电阻R5的一端相连；N型MOS管MN1的发射极与电阻R5的另一端相连，并作为带隙基准电压信号向外输出；双极型晶体管N2的发射极与电阻R1的一端相连；双极型晶体管N1的发射极分别与电阻R1的另一端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与双极型晶体管N3的基极、电阻R3的一端相连，双极型晶体管N3的发射极与电阻R4的一端相连；P型MOS管MP6的漏端、电容C1的另一端、电阻R4的另一端、电阻R3的另一端与地GND相连。

3.根据权利要求1所述的集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路结构，其特征在于：所述偏置电路包含P型MOS管MP7、P型MOS管MP2、双极型晶体管N5、双级型晶体管N6以及电阻R6、电阻R7；

P型MOS管MP2的源端、P型MOS管MP7的源端均与电源线VCC相连；P型MOS管MP2的漏端、P型MOS管MP2的栅端、与双极型晶体管N6的集电极连接后的公共端作为偏置电路的输出端向主体电路和温度保护信号产生电路输出偏置电压；P型MOS管MP7的栅端、双极型晶体管N5的发射极和与电阻R7的一端分别与地GND相连，P型MOS管MP7的漏端与双极型晶体管N5的基极、电阻R6的一端相连，双极型晶体管N5的集电极、双极型晶体管N6的基极与电阻R6的一端相连，双极型晶体管N6的发射极与电阻R7的一端连接，连接后的公共端作为偏置电路的输出端向温度保护信号产生电路输出偏置电压。

4.根据权利要求1-3任意所述的集成温度保护以及曲率补偿功能的带隙基准电路结构，其特征在于：所述温度保护信号产生电路包括P型MOS管MP3、双极晶体管N7、双极型晶体管N8、双极型晶体管N9以及电阻R8、电阻R9、电阻R10；

P型MOS管MP3的源端与电源VCC相连，P型MOS管MP3的栅端与双极晶体管N7的集电极连接后的公共端接收偏置电路产生的偏置电压，P型MOS管MP3的漏端与双极晶体管N9的集电极连接，连接后的公共端作为温度保护信号产生电路的输出向外输出温度保护信号；双极晶体管N7的基极与双极型晶体管N8的基极、双极型晶体管N8的集电极、电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与主体电路的输出带隙基准电压信号的端口相连；双极型晶体管N7的发射极、双极型晶体管N8的发射极、双极型晶体管N9的基极分别与电阻R8和电阻R9的并联端相连，电阻R8的另一端接收偏置电路产生的偏置电压；电阻R9的另一端和双极型晶体管N9的发射极分别与地GND相连。