專利名稱：能隙基準電壓參考電路及產(chǎn)生基準電壓的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能隙基準電壓參考電路及產(chǎn)生基準電壓的方法，尤其涉及一種產(chǎn)生具有高穩(wěn)定度的基準電壓的能隙基準電壓參考電路及方法。
背景技術：
直流穩(wěn)壓電路是現(xiàn)代電子儀表儀器和電子設備必不可少的組成部分。當輸入電壓在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓將保持基本不變，而且當負載電流發(fā)生變化時，輸出電壓也基本保持不變。換句話說，也就是在電源電壓和負載電流發(fā)生變化時，維持輸出電壓和基準電壓之間的關系基本不變。因此，在直流穩(wěn)壓電路內(nèi)部需要引入深度負反饋的工作機制。
對于由集成運算放大器構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路，其工作原理與由分立元件構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路是相同的，但是由于集成運算放大器的開環(huán)增益很高，輸出阻抗低，而且集成運算放大器的溫度漂移系數(shù)較低，因此穩(wěn)壓性能要比由分立元件組成的直流穩(wěn)壓電路好，可以做成高精度直流穩(wěn)壓電路。
由集成運算放大器構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路一般由以下幾部分組成比較放大器，采樣電路，功率晶體管，基準電壓源，啟動電路，等等。直流穩(wěn)壓電路的基本工作原理是對輸出電壓的變化進行采樣，然后與基準電壓進行比較，經(jīng)過放大后控制串聯(lián)的輸入電壓和輸出電壓之間的調(diào)整元件(一般是功率晶體管)，調(diào)整功率管兩端的電壓，使輸出電壓穩(wěn)定。其中比較放大器工作在線性放大區(qū)域。
從工作原理上來說，直流穩(wěn)壓電路實際上是一個調(diào)節(jié)電路，在引入比較放大器并接成負反饋后，可以使整個電路保持穩(wěn)定，同時使輸出電壓可調(diào)。與一般的放大電路相比，比較放大器的輸入不是隨機信號，而是由基準電壓源提供的基準電壓。其目標是輸出電壓不受電源電壓，負載和溫度的變化而變化。當外界變化使輸出電壓偏離目標設定值時，這種偏離趨勢經(jīng)過采樣電路送到負反饋比較放大器的輸入端，與基準電壓比較后經(jīng)過放大，再送去控制調(diào)整元件進行調(diào)節(jié)，形成一個負反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
基準電壓源是維持輸出電壓穩(wěn)定的關鍵因素，必須要有很高的電源抑制比和較低的溫度系數(shù)。如果由基準電壓源提供的基準電壓對電源電壓和溫度的影響比較敏感，依次會將這種影響帶給直流穩(wěn)壓電路，使輸出電壓不夠穩(wěn)定。
一般來說，基準電壓源電路有很多種，例如，以場效應型晶體管的閾值電壓為基準的基準電壓電路，以雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓為基準的基準電壓電路，以雙極型晶體管的熱電壓為基準的基準電壓電路(即能隙基準電壓參考電路)，等等。
以場效應型晶體管的閾值電壓為基準的基準電壓電路，可以通過以兩個場效應型晶體管的閾值電壓的差值來取得低溫度系數(shù)的基準電壓，是比較理想的基準電壓源，但是受集成電路生產(chǎn)工藝的影響比較大。
以雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓為基準的基準電壓電路，由于具有較大的負溫度系數(shù)，不容易調(diào)節(jié)和控制。
相比之下，以雙極型晶體管的熱電壓為基準的穩(wěn)壓電路相對較為成熟，也較容易控制和調(diào)節(jié)。這是因為在以雙極型晶體管的熱電壓為基準的穩(wěn)壓電路不但借鑒了以雙極型晶體管的基準-發(fā)射極電壓為基準的基準電壓電路的基本調(diào)節(jié)原理，而且還在此基礎上作了很多改進，使以雙極型晶體管的熱電壓為基準的穩(wěn)壓電路具有多種調(diào)節(jié)手段。
要做到基準電壓源具有較高的電源抑制比，必須在基準電壓源內(nèi)部引入與電源電壓變化相對獨立的變量作為參考對象，并使該參考對象在電源電壓變化時保持高度穩(wěn)定，再通過該參考對象得到所需要的基準電壓。同時又要使基準電壓具有較低的溫度系數(shù)，要做到這一點，同樣要使該參考對象具有較低且可調(diào)的溫度系數(shù)。通常在場效應型晶體管的制作工藝上可以同時做出雙極型晶體管。而由此工藝得到的電阻和雙極型晶體管的熱電壓都具有正的溫度系數(shù)，通過調(diào)節(jié)這兩種器件溫度系數(shù)之間的比例關系，就可以得到較低且可調(diào)的溫度系數(shù)。
在能隙基準電壓源內(nèi)部，通過恒流源電路可以得到兩個近似相等的支路電流，這兩個支路電流的差值在電源電壓變化時近似恒定。因此，可以選定這兩個支路電流的差值作為參考對象，而且使其中之一的支路電流通過雙極型晶體管和電阻就可以使該電流具有較低且可調(diào)的溫度系數(shù)。通過偏置電流的電流鏡像作用，把該支路電流鏡像到偏置電路中，并通過該支路電流得到基準電壓。由此可見，使該參考對象，即恒流源兩個支路電流的差值保持高度穩(wěn)定是基準電壓保持穩(wěn)定的關鍵因素。本發(fā)明在提高參考對象的穩(wěn)定性方面作出改進。
如圖1所示，一個傳統(tǒng)的能隙基準電壓參考電路1包括一個預調(diào)節(jié)器11及偏置電路12，所述預調(diào)節(jié)器包括一個恒流源電路111(由兩對晶體管M1，M2，M3和M4組成)，和一個VBE放大器112(由一對雙極型晶體管D1和D2，電阻R1組成)。上述預調(diào)節(jié)器11提供一個偏置電流給VBE偏置電路12，該偏置電路12由場效應型晶體管M5，電阻R2，雙極型晶體管D3組成。結(jié)果是從能隙基準電壓參考電路1中在電阻R2上輸出的基準電壓Vref等于偏置電流與電阻R2的乘積加上晶體管D3的基極-發(fā)射極電壓VBE。
因為基極-發(fā)射極電壓VBE具有一個負的溫度系數(shù)，任何因為溫度在基極-發(fā)射極電壓VBE中所產(chǎn)生的變化都可以通過偏置電流進行計算。所以該基準電壓Vref是相對溫度獨立的。而該電路的主要缺陷在于由晶體管M1和M2組成的恒流源電路所產(chǎn)生的兩支路偏置電流的差值對于負載變化的敏感程度較大，致使預調(diào)節(jié)器中的支路電流與偏置電路中的偏置電流相差較大，這依次使基準電壓對于負載變化的敏感程度較大，基準電壓變得不夠穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一個具有高穩(wěn)定度的能隙基準電壓參考電路以及一種用于產(chǎn)生一個高穩(wěn)定度基準電壓的方法。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過如下的電路，方法進行解決提供一種用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其包括一個預調(diào)節(jié)器，所述的預調(diào)節(jié)器包括一個用于產(chǎn)生兩支路參考電流的恒流源及耦合于該恒流源的用于調(diào)節(jié)所述參考電流的VBE放大器；一個耦合到該預調(diào)節(jié)器的VBE偏置電路，其用于產(chǎn)生與參考電流對等的偏置電流及相應的基準電壓；所述的恒流源由三對晶體管組成，所述的偏置電路設有兩個電流鏡像場效應型晶體管，分別用于鏡像預調(diào)節(jié)器中的兩支路參考電流。
以及一種用于產(chǎn)生一個基準電壓的方法，包括如下步驟產(chǎn)生兩支路參考電流；調(diào)節(jié)所述參考電流；產(chǎn)生與參考電流對等的鏡像偏置電流及相應的基準電壓；
所述的兩支路參考電流的差值在電壓變化時近似恒定，所述的鏡像偏置電流分別對等于上述兩支路參考電流，所述的基準電壓從該鏡像偏置電流和一個基極-發(fā)射極電壓降中產(chǎn)生。
本發(fā)明提供了低溫度系數(shù)，高穩(wěn)定度的能隙基準電壓參考電路，改進的Wilson恒流源在預調(diào)節(jié)器中的應用幫助該參考電路實現(xiàn)了超過90dB的電源抑制比(PSRR)另外該電路能夠在很低的電源電壓(例如VDD＝2.5V)下進行工作，該電路與傳統(tǒng)的能隙基準電壓參考電路具有一個更低的電壓穩(wěn)定系數(shù)和更低的溫度系數(shù)。


圖1是示意性描述了一個傳統(tǒng)的能隙基準電壓參考電路。
圖2是示意性描述了根據(jù)本發(fā)明的一個能隙基準電壓參考電路。
具體實施例方式
下面結(jié)合圖2對本發(fā)明的一個具體實施形式進行詳細的解釋。
如圖2所示本發(fā)明的能隙基準電壓參考電路1同樣含有一個預調(diào)節(jié)器11及偏置電路12，所述的預調(diào)節(jié)器11包括一個改進的Wilson恒流源111及一個VBE放大器112，所述恒流源111由晶體管M1，M2，M3，M4，M6和M7組成，即在傳統(tǒng)的恒流源的基礎上再增加兩個晶體管M6、M7，所述VBE放大器112與傳統(tǒng)的放大器一致，其由晶體管D1，D2和電阻R1組成，所述兩晶體管D1、D2的基極、集電極均相連，所述電阻R1連接于晶體管D2的發(fā)射極上。另外，所述偏置電路12由偏置晶體管M5、M8，一個晶體管D3和一個電阻R2所組成，該偏置電路12是在傳統(tǒng)的偏置電路的基礎上增加晶體管M8，其用來根據(jù)恒流源中的參考偏置電流來產(chǎn)生一個對等的更為精確的偏置電流。結(jié)果是從能隙基準電壓參考電路中在電阻R2上輸出的基準電壓Vref等于偏置電流與電阻R2的乘積加上基極-發(fā)射極電壓VBE。因為基極-發(fā)射極電 VBE具有一個負的溫度系數(shù)，任何因為溫度在基極-發(fā)射極電壓VBE中所產(chǎn)生的變化都可以通過偏置電流對電阻R1的變化來進行抵消。另外還可以通過偏置電路中電阻R2阻值對溫度的變化來抵消基極-發(fā)射極電壓VBE對溫度的變化。所以該基準電壓Vref是相對溫度獨立的，而且是相對于負載敏感度較低的。
該能隙基準電壓參考電路在電源電壓產(chǎn)生下降變化時，預調(diào)節(jié)器中兩支路的偏置電流減小，引起晶體管M2的漏極電位下降，同時，帶動通過晶體管M1的電流也減小，因而晶體管M1和M6的漏極電位也隨著下降，但是晶體管M7的漏極電位卻基本保持不變。因而V1和V2也將保持不變。對于改進的Wilson恒流源來說，輸出阻抗很大，而且由于存在電流源的鏡像作用，兩支路的偏置電流幾乎是完全一致的。
而在傳統(tǒng)的能隙基準電壓參考電路中，在預調(diào)節(jié)器中使用了基本的恒流源電路，雖然也存在電流源的鏡像作用，但由于輸出阻抗較小，依次由預調(diào)節(jié)器本身固有的不對稱性，會使兩支路的偏置電流出現(xiàn)一定的差異。這一差異通過偏置電路的鏡像作用會影響基準電壓的穩(wěn)定性。
該改進的預調(diào)節(jié)器使該能隙基準電壓參考電路相對于傳統(tǒng)的先前所描述的通過提供具有一個低溫度系數(shù)的被調(diào)節(jié)的基準電壓Vref的能隙基準電壓參考電路具有一個更低的電壓穩(wěn)定系數(shù)和更低的溫度系數(shù)。特定的，該調(diào)節(jié)的基準電壓Vref能夠如下進行計算。
電壓V1，V2能夠如下進行確定。
V1＝VBE1(1)V2＝VBE2+IR1 (2)
VBE1=KTqlnIIS-----(3)]]>VBE2=KTqlnINIS-----(4)]]>其中，I是參考偏置電流，N是晶體管D2相對于晶體管D1的尺寸。這樣，被調(diào)節(jié)的參考偏置電流能夠如下進行計算。
I=KTqlnNR1------(5)]]>另外，改進的Wilson恒流源的輸出阻抗能夠如下進行計算。
r0＝gm2rds2rds1。
(6)其中，gm2是晶體管M2的跨導，rds2是晶體管M2的輸出阻抗，rds1是晶體管M1的輸出阻抗。
因此，改進的Wilson恒流源具有很大的輸出阻抗，其偏置電流對阻抗變化的敏感程度較低。
基準電壓Vref能夠如下進行計算。
Vref=VBED2+KTqXlnN-----(7)]]>其中，X是電阻R2和電阻R1的比值。
然后，能夠從上面的等式(7)中計算得到N，R1和R2的合適值，以達到所需要的基準電壓Vref和一個較小的溫度系數(shù)，一個較低的電壓穩(wěn)定系數(shù)。例如，0.33V的基準電壓，7.8mV/V的電壓穩(wěn)定系數(shù)和2.65mV/℃的溫度系數(shù)能夠通過N＝15，R1＝125kΩ，R2＝225kΩ實現(xiàn)。
得益于上述描述和附圖中的傳授，本專業(yè)的技術人員都會想到本發(fā)明的許多修改和其他實施例。因此，本發(fā)明不局限于所公開的特定的實施例，如，本發(fā)明雖然以場效應型晶體管進行描述，但其它的晶體管技術也是可以使用的，包括BIPOLAR技術。
權利要求
1.一種用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其包括一個預調(diào)節(jié)器(11)，所述的預調(diào)節(jié)器(11)包括一個用于產(chǎn)生兩支路參考電流的恒流源(111)及耦合于該恒流源的用于調(diào)節(jié)所述參考電流的VBE放大器(112)；一個耦合到該預調(diào)節(jié)器(11)的VBE偏置電路(12)，其用于產(chǎn)生與參考電流對等的偏置電流及相應的基準電壓；其特征在于，所述的恒流源(111)由三對晶體管(M1、M2、M3、M4、M6、M7)組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其特征在于，所述偏置電路(12)設有兩個晶體管(M5、M8)，分別用于鏡像產(chǎn)生預調(diào)節(jié)器(11)中的兩支路參考電流。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其特征在于，所述的VBE放大器(112)包括兩個雙極型晶體管(D1、D2)及電阻R1，所述兩晶體管(D1、D2)的基極、集電極均相連，所述電阻R1連接于晶體管D2的發(fā)射極上。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其特征在于，所述的晶體管(M1、M2、M3、M4、M6、M7)為場效應型管。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其特征在于，所述的晶體管(M5、M8)為電流鏡像場效應型管。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其特征在于，所述的偏置電路(12)還設有一電阻(R2)及一雙極型晶體管(D3)，該晶體管(D3)的基極與集電極相連。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其特征在于，所述的偏置電路(12)還設有一輸出電路，用于產(chǎn)生另一較低的基準電壓。
8.一種用于產(chǎn)生一個基準電壓的方法，其特征在于，包括如下步驟產(chǎn)生兩支路參考電流；調(diào)節(jié)所述參考電流；產(chǎn)生與參考電流對等的鏡像偏置電流及相應的基準電壓；其特征在于，所述的兩支路參考電流的差值在電壓變化時近似恒定，所述的鏡像偏置電流分別對等于上述兩支路參考電流，所述的基準電壓從該鏡像偏置電流和一個基極-發(fā)射極電壓降中產(chǎn)生。
9.根據(jù)權利要求8所述的產(chǎn)生一個基準電壓的方法，其特征在于，所述的兩支路參考電流由三對晶體管產(chǎn)生。
10.根據(jù)權利要求8所述的產(chǎn)生一個基準電壓的方法，其特征在于，所述的兩支路參考電流通過兩個電流鏡像場效應型晶體管(M5、M8)產(chǎn)生對等的鏡向偏置電流。
11.根據(jù)權利要求8所述的產(chǎn)生一個基準電壓的方法，其特征在于，將所述的偏置電流作用在輸出電阻和雙極型晶體管的基極上，從而取得基準電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生一個基準電壓的能隙基準電壓參考電路，其包括設有恒流源的預調(diào)節(jié)器(11)，耦合到該預調(diào)節(jié)器(11)的V
文檔編號G05F1/10GK1532658SQ0311588
公開日2004年9月29日 申請日期2003年3月19日 優(yōu)先權日2003年3月19日
發(fā)明者黃激, 印義言, 黃 激 申請人:上海華園微電子技術有限公司