專利名稱：一種改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及基準(zhǔn)電壓源技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源。
背景技術(shù)：
基準(zhǔn)電壓源通常是指在電路中用作電壓基準(zhǔn)的高穩(wěn)定度的電壓源。理想的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)不受電源和溫度的影響，在電路中能提供穩(wěn)定的電壓。隨著集成電路規(guī)模的不斷增大，它成為大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和幾乎所有數(shù)字模擬系統(tǒng)中不可缺少的基本電路模塊，在許多集成電路和電路單元中，都需要精密而又穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)，因此，基準(zhǔn)電壓源在 模擬集成電路中占有很重要的地位，它的精度和穩(wěn)定性直接影響著整個(gè)電子系統(tǒng)的性能和精度。一般常用的基準(zhǔn)電壓源是帶隙基準(zhǔn)電壓源，通常采用雙極型晶體三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是雙極型晶體三極管的基極-發(fā)射極電壓具有負(fù)溫度特性，為抵消基極-發(fā)射極電壓的負(fù)溫度特性，產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的電壓基準(zhǔn)，就需要具有正溫度特性的電壓，研究表明，兩個(gè)工作在不同電流密度下的雙極型晶體三極管的基極-發(fā)射極電壓的差值與溫度成正比，帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理就是利用雙極型晶體三極管構(gòu)造正負(fù)溫度系數(shù)的參數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使具有正溫度系數(shù)特性的基極-發(fā)射極電壓壓差A(yù) VBE與具有負(fù)溫度系數(shù)特性的基極-發(fā)射極電壓VBE相抵消，得到溫度系數(shù)接近與零的基準(zhǔn)電壓。如圖I 所不，參考文獻(xiàn)“A CMOS Bandgap Reference Circuit with Sub-I-VOperation”, H. Banba etc.，IEEE JSSC, Vol. 34，No. 5，May 1999.提供了一種常見(jiàn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源。包括與雙極型晶體三極管具有相同作用的二極管Dl和D2，其中Dl是一個(gè)二極管，D2是N個(gè)二極管，Dl連接場(chǎng)效應(yīng)管Pl，D2通過(guò)電阻R3連接場(chǎng)效應(yīng)管P2，柵極共接的Pl與P2和P3構(gòu)成電流鏡像電路，運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接二極管Dl，運(yùn)算放大器的正輸入端連接與二極管D2連接的電阻R3，運(yùn)算放大器的輸出端連接P1、P2、P3的柵極，與P3串聯(lián)連接的電阻R4的輸出端為基準(zhǔn)電壓輸出端。從圖I可以看出，流過(guò)二極管Dl和D2兩個(gè)支路的電流是分別用兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Pl和P2來(lái)作為兩個(gè)支路的電流源，換句話說(shuō)，圖I中Dl和D2兩條支路的電流匹配是由兩個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Pl和P2來(lái)決定的，實(shí)際情況是，場(chǎng)效應(yīng)管Pl和P2的器件之間的工藝偏差難以避免，因此必然存在失調(diào)電壓，影響Ql和Q2兩條支路的電流匹配精度，造成輸出的基準(zhǔn)電壓更大的偏差。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，將傳統(tǒng)的使用兩個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)管作為雙極型器件兩個(gè)支路的電流源，替換為兩個(gè)支路的電流源來(lái)自于一個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)管，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)匹配電阻形成兩個(gè)電流支路，有效的消除了場(chǎng)效應(yīng)管器件之間的精度失配，減小了失調(diào)電壓對(duì)基準(zhǔn)電壓源輸出的影響，可以得到更高精度的基準(zhǔn)電壓。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是[0007]—種改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括兩個(gè)基極與集電極分別短接的雙極型第一晶體三極管Ql和第二晶體三極管Q2，其中第二晶體三極管Q2包括N個(gè)第一晶體三極管Ql，其特征在于，所述第一晶體三極管Ql的發(fā)射極串聯(lián)第一電阻R21后與第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml的漏極連接，所述第二晶體三極管Q2的發(fā)射極串聯(lián)第二電阻RO和第三電阻R22后也與第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml的漏極連接，所述第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml與第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2構(gòu)成電流鏡像電路，第一晶體三極管Ql的發(fā)射極還與運(yùn)算放大器A的負(fù)輸入端連接，運(yùn)算放大器A的正輸入端連接在第二電阻RO和第三電阻R22之間，運(yùn)算放大器A的輸出端與第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml和第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2的柵極共接，基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓VBG為與第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2串聯(lián)連接的第四電阻Rbg兩端的輸出電壓。所述第一電阻R21和第三電阻R22的阻值相等。所述第一晶體三極管Ql的集電極和發(fā)射極兩端并聯(lián)第五電阻Rll ;所述與第二晶體三極管Q2的發(fā)射極串聯(lián)的第二電阻RO的另一端與第二晶體三極管Q2的集電極之間并 聯(lián)第六電阻R12。所述第六電阻R12和第五電阻Rll的阻值相等。所述第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml和第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2的跨導(dǎo)gm相等。本實(shí)用新型的技術(shù)效果本實(shí)用新型提供的一種改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，相比于參考文獻(xiàn)的現(xiàn)有技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于，將傳統(tǒng)的使用兩個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為雙極型器件兩個(gè)支路的電流源，替換為兩個(gè)支路的電流源來(lái)自于一個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)匹配電阻形成兩個(gè)電流支路，而電阻的匹配精度要遠(yuǎn)高于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的匹配精度，因此有效的消除了器件之間的精度失配，并且由于減少了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的使用個(gè)數(shù)，最大程度地減小了失調(diào)電壓的產(chǎn)生來(lái)源，因此可以得到更高精度的基準(zhǔn)電壓。

圖I是參考文獻(xiàn)所示的基準(zhǔn)電壓源的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的改進(jìn)的基準(zhǔn)電壓源的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖2所示，一種改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括兩個(gè)基極與集電極分別短接的雙極型第一晶體三極管Ql和第二晶體三極管Q2，其中第二晶體三極管Q2包括N個(gè)第一晶體三極管Q1，第一晶體三極管Ql的發(fā)射極串聯(lián)第一電阻R21后與第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml的漏極連接，第二晶體三極管Q2的發(fā)射極串聯(lián)第二電阻RO和第三電阻R22后也與第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml的漏極連接，第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml與第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2構(gòu)成電流鏡像電路，第一晶體三極管Ql的發(fā)射極還與運(yùn)算放大器A的負(fù)輸入端連接，運(yùn)算放大器A的正輸入端連接在第二電阻RO和第三電阻R22之間，運(yùn)算放大器A的輸出端與第一P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml和第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2的柵極共接，基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓VBG為與第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2串聯(lián)連接的第四電阻Rbg兩端的輸出電壓。其中第一電阻R21和第三電阻R22的阻值相等；另外，第一晶體三極管Ql的集電極和發(fā)射極兩端并聯(lián)第五電阻R11，與第二晶體三極管Q2的發(fā)射極串聯(lián)的第二電阻RO的另一端與第二晶體三極管Q2的集電極之間并聯(lián)第六電阻R12;第六電阻R12和第五電阻Rll的阻值相等；第一P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml和第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2的跨導(dǎo)gm相等。首先說(shuō)明本實(shí)用新型的工作原理圖2中節(jié)點(diǎn)I和節(jié)點(diǎn)2在由運(yùn)算放大器A、P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml以及由電阻R21、R22、R0、R11、R12共同組成的閉合環(huán)路的作用下，在不考慮工藝偏差和失調(diào)電壓的情況下，它們的電壓是相等的，即V1=V2，也即電阻網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)支路的電流大小I_ZTAT在理想情況下是完全一致的?，F(xiàn)在我們通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)2所在支路的電流來(lái)考察一下I_ZTAT的溫度特性首先，兩個(gè)雙極型晶體三極管Ql和Q2由于基極和集電極短接在一起，實(shí)際上這個(gè)時(shí)候它們就是兩個(gè)普通的二極管，只是Ql是一個(gè)二極管(m=l)，Q2是N個(gè)二極管(m=N).其次，I_ZTAT實(shí)際上是流經(jīng)電阻R12的電流(記為I_R12)和流經(jīng)電阻RO的電流(記為I_R0)之和，即I_ZTAT=I_R12+I_R0。下面我們分別來(lái)計(jì)算這兩個(gè)電流流經(jīng)電阻R12的電流I_R12=V2/R12=Vl/R12=Vbel/R12，其中Vbel是Ql的基極-發(fā)射極間電壓差，Vl=Vbel ;流經(jīng)電阻 RO 的電流I_R0=(V2-Vbe2)/R0=(Vl-Vbe2)/R0=(Vbel-Vbe2)/RO= (kT/q) InN/RO ;因此，I_ZTAT=I_R12+I_R0=Vbel/R12+(kT/q) InN/RO。注意到 Vbel 的溫 度系數(shù)是負(fù)的，而熱電壓kT/Q的溫度系數(shù)是正的，因此只要調(diào)整R0，R12和N的適當(dāng)比例，就可以實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的電流I_ZTAT。這個(gè)零溫度系數(shù)電流經(jīng)過(guò)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2的鏡像作用，在電阻Rbg上形成電壓，即可得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VBG。另外再說(shuō)明一下本實(shí)用新型的圖2相比于參考文獻(xiàn)的圖I的優(yōu)勢(shì)如前所述，在由運(yùn)算放大器A，P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml以及由R21，R22, R0, Rll, R12等電阻網(wǎng)絡(luò)共同組成的閉合環(huán)路的作用下，在忽略失調(diào)電壓的情況下，節(jié)點(diǎn)I和節(jié)點(diǎn)2的電壓是完全一樣的(假設(shè)環(huán)路增益足夠大)，但在實(shí)際情況下，由于器件之間的工藝偏差總是難以避免的，因此失調(diào)電壓總是存在的，就導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)I和節(jié)點(diǎn)2的電壓是有誤差的，這種誤差會(huì)傳遞到輸出端VBG造成更大的偏差。而器件之間的精度失配是造成這種偏差的根本的物理來(lái)源。因此選取什么樣的器件，例如是晶體管還是電阻等等，對(duì)VBG的失調(diào)大小有著直接的決定性影響。本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)就在于通過(guò)替換造成失調(diào)電壓產(chǎn)生來(lái)源的器件，來(lái)最大程度地減小這種偏差，從而實(shí)現(xiàn)高精度的電壓基準(zhǔn)。如前所述，要使節(jié)點(diǎn)I和節(jié)點(diǎn)2所在的支路電流大小保持一致，關(guān)鍵就在于本實(shí)用新型采用了和參考文獻(xiàn)不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)支路的電流源在圖I中，是用了兩個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Pl和P2來(lái)作為兩個(gè)支路的電流源,而在本實(shí)用新型的圖2，兩個(gè)支路的電流源來(lái)自于同一個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)匹配電阻R22和R21之后分別形成兩個(gè)電流支路，因此，圖I中兩條支路的匹配精度是由兩個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Pl和P2的匹配精度來(lái)決定的，而圖2中則是由兩個(gè)電阻R21和R22的匹配精度來(lái)決定的。眾所周知，電阻的匹配精度要遠(yuǎn)高于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且，還減少了場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用個(gè)數(shù)，這就是說(shuō)，圖2中的失調(diào)電壓的來(lái)源要遠(yuǎn)低于圖1，因此最終可以得到更高精度的基準(zhǔn)電壓。
權(quán)利要求1.一種改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括兩個(gè)基極與集電極分別短接的雙極型第一晶體三極管Ql和第二晶體三極管Q2，其中第二晶體三極管Q2包括N個(gè)第一晶體三極管Q1，其特征在于，所述第一晶體三極管Ql的發(fā)射極串聯(lián)第一電阻R21后與第一P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml的漏極連接，所述第二晶體三極管Q2的發(fā)射極串聯(lián)第二電阻RO和第三電阻R22后也與第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml的漏極連接，所述第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml與第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2構(gòu)成電流鏡像電路，第一晶體三極管Ql的發(fā)射極還與運(yùn)算放大器A的負(fù)輸入端連接，運(yùn)算放大器A的正輸入端連接在第二電阻RO和第三電阻R22之間，運(yùn)算放大器A的輸出端與第一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml和第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2的柵極共接，基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓VBG為與第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2串聯(lián)連接的第四電阻Rbg兩端的輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于，所述第一電阻R21和第 三電阻R22的阻值相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于，所述第一晶體三極管Ql的集電極和發(fā)射極兩端并聯(lián)第五電阻Rll ;所述與第二晶體三極管Q2的發(fā)射極串聯(lián)的第二電阻RO的另一端與第二晶體三極管Q2的集電極之間并聯(lián)第六電阻R12。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于，所述第六電阻R12和第五電阻Rll的阻值相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其特征在于，所述第一P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ml和第二 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2的跨導(dǎo)gm相等。
專利摘要本實(shí)用新型提供的一種改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，將傳統(tǒng)的使用兩個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為雙極型器件兩個(gè)支路的電流源，替換為一個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，用兩個(gè)匹配電阻形成兩個(gè)電流支路，有效的消除了場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件之間的精度失配，減小了失調(diào)電壓對(duì)基準(zhǔn)電壓源輸出的影響，包括兩個(gè)雙極型第一晶體三極管Q1和第二晶體三極管Q2,第一晶體三極管Q1的發(fā)射極串聯(lián)第一電阻R21后與第一P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M1的漏極連接，第二晶體三極管Q2的發(fā)射極串聯(lián)第二電阻R0和第三電阻R22后也與第一P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M1的漏極連接，第一P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M1與第二P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2構(gòu)成電流鏡像電路，基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓VBG為與第二P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管M2串聯(lián)連接的第四電阻Rbg兩端的輸出電壓。
文檔編號(hào)G05F3/20GK202383552SQ20112040366
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者唐婭, 郝躍國(guó) 申請(qǐng)人:唐婭, 郝躍國(guó)