CN100476682C - 一种超低电压参考源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低电压参考源电路。该电路包括PTAT电流产生电路、启动电路和低压基准产生电路；PTAT电流产生电路用于产生一个正比于绝对温度电流，该电流为PN结的热电压与其中电阻的比值；该电流镜像到低压基准产生电路；启动电路用于简并零电流的工作点，上电后为低压基准产生电路提供非零初始电流，引导其进入稳定状态，实现电路的正常启动；低压基准产生电路镜像出一个正比于温度的电流，并通过电阻产生低压降，提供低压参考电压。本电压参考源电路基于双极结型晶体管的热电压，产生与该电压成一定比例的参考电压。本发明参考电压源电路简单，实现成本低，能在不同温度下和不同电源电压下给集成电路提供稳定的、可低至10mV级的参考电压。

Description

一种超低电压参考源

技术领域

本发明属于电压基准技术，具体涉及一种超低电压参考源，它尤其适用于集成电路。

背景技术

在集成电路中，往往需要将采样到的输入电压与某一个固定的参考电压进行比较。电路设计者都希望该固定的参考电压在任何时候都是固定的，即不受外界因素的影响，比如电源电压的变化、电路工作温度的变化、集成电路制造工艺的偏差等等。

但是在实际情况中，无法做出完全不受电源电压变化的基准电压源，也无法实现零温度系数的参考电压。我们只是希望电源电压和温度对参考电压的影响降低到足够小，在既有制造工艺情况下，尽量通过电路的匹配性和对称性来降低集成电路制造工艺的偏差。

当前产生固定的参考电压的方式主要有两种：第一种是比较常见的是带隙基准源电路，其主要基于将一个正温度系数的电压与一个负温度系数的电压相加，产生了一个与温度无关的零温度系数电压；第二种是直接采用齐纳二极管稳压。这两种方法可以产生高精度的参考电压，但存在的最大缺陷在于：无法实现超低电压的参考源电路。带隙基准源电路中的负温度系数电压利用的是双极型晶体管的基极和发射级的电压差VBE，该电压通常约为0.7V左右，因此构成的参考电压不可能很低。通常情况下，采用这种原理构成的参考电压一般为1.2V。齐纳二极管的稳压作用采用的是二极管的反向击穿电压，由于工艺的限制，该电压不可能太低。

然而实际使用中，可能需要一个很低的参考电压，比如在几十毫伏。如此低的电压无法依靠传统的方法来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低电压参考源，该电压参考源提供的参考电压低至可以和PN结的热电压进行比较，并且在输入电压发生变化、不同工作温度下可以提供一个恒定的参考电压。

本发明提供的超低电压参考源电路，其特征在于：该电路包括正比于绝对温度电流产生电路、启动电路和低压基准产生电路；

其中，正比于绝对温度电流产生电路用于产生一个正比于绝对温度电流，该电流为PN结的热电压与其中电阻的比值；该电流镜像到低压基准产生电路；启动电路在上电后为低压基准产生电路提供非零初始电流，引导其进入稳定状态，实现电路的正常启动；低压基准产生电路镜像出一个正比于温度的电流，并通过电阻产生低压降，提供低压参考电压；

所述正比于绝对温度电流产生电路由PNP晶体管Q1，电阻R1和NPN晶体管Q4串联组成，电阻R1上的电压降为NPN晶体管Q4的基极提供偏置；

启动电路由电阻R5和电容C1串联构成；

低压基准产生电路由两部分构成，第一部分由PNP晶体管Q2，NPN晶体管Q5串联组成，PNP晶体管Q2的基极与集电极相连接构成二极管形式；第二部分由PNP晶体管Q3和电阻R3串联组成，PNP晶体管Q2与Q3构成电流镜像关系；

NPN晶体管Q4的集电极经过电阻R2和NPN晶体管Q5相连，并为NPN晶体管Q5提供偏置；PNP晶体管Q2集电极与PNP晶体管Q1的基极相连，驱动其基极，在PNP晶体管Q1的集电极中产生与Q2集电极电流成镜像关系的电流；电阻R5的一端连接PNP晶体管Q2的集电极，另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地，电源电压VCC依次通过PNP晶体管Q2、电阻R5和电容C1为电路启动提供非零初始电流。

通常情况下，随着温度的上升，热电压会以每摄氏度0.085mV的速度上升。如果选用负温度系数的电阻与热电压进行配合，可以设计并制造出某温度下零温度系数下的参考电压。室温下的PN结热电压VT为26mV，以此电压为基础，产生一个与该电压相当的电压，从而实现超低电压参考源。本发明基于双极结型晶体管技术，利用了PN结的热电压，通过运算和电路处理，得到一个和热电压成比例的参考电压。由于PN结的热电压不随PN结电压而变化，因此，容易得到一个与外接电压无关的参考电压。热电压是器件温度的弱函数，本发明参考电压源电路简单，实现成本低，能在不同温度下和不同电源电压下给集成电路提供稳定的、可低至10mV级的参考电压。

附图说明

图1为本发明超低电压参考源的电路图；

图2为本发明改进的超低电压参考源电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，超低电压参考源电路包括三条由PNP双极结型晶体管构成的电流镜电路组成的电流支路：正比于绝对温度电流产生电路(即PTAT电流产生电路)1、启动电路2和低压基准产生电路3。

PTAT电流产生电路1用于产生一个PTAT电流，该电流是PN结的热电压与其中电阻的比值，同时与PNP双极结型晶体管和NPN双极结型晶体管的电流放大倍数成正比。PTAT电流产生电路1为自偏置电路，存在两个稳定的电流工作点。

启动电路2用于简并零电流的工作点，实现电路的正常启动。

低压基准产生电路3用于产生低压参考电压。

PTAT电流产生电路1产生一个正比于温度的电流，该电流通过低压基准产生电路3镜像出一个正比于温度的电流，电流流过电阻产生低压降，提供低压参考电压。启动电路2在电源上电后为低压基准产生电路3提供非零初始电流，引导其进入稳定状态，实现整个电路的启动。

PTAT电流产生电路1由PNP晶体管Q1，电阻R1和NPN晶体管Q4串联组成，电阻R1上的电压降为NPN晶体管Q4的基极提供偏置。

启动电路2由电阻R5和电容C1串联构成。

低压基准产生电路3由两部分构成，第一部分由PNP晶体管Q2，NPN晶体管Q5串联组成，PNP晶体管Q2的基极与集电极相连接构成二极管形式；第二部分由PNP晶体管Q3和电阻R3串联组成，PNP晶体管Q2与Q3构成电流镜像关系。

PTAT电流产生电路1中的NPN晶体管Q4的集电极经过电阻R2和低压基准产生电路3的NPN晶体管Q5相连并为NPN晶体管Q5提供偏置。低压基准产生电路3中的PNP晶体管Q2集电极与PTAT电流产生电路1中PNP晶体管Q1的基极相连，驱动其基极，在PNP晶体管Q1的集电极中产生与Q2集电极电流成镜像关系的电流。启动电路2中的电阻R5连接低压基准产生电路3中PNP晶体管Q2的集电极，为电路启动提供非零初始电流。

上电后，电源经过二极管连接方式的PNP晶体管Q2、电阻R5、电容C1组成电源到地的通路，会在PNP晶体管Q2所在的支路中产生电流。由于PNP晶体管Q2和Q1的电流镜像关系，在Q1所在的支路中也产生了电流，驱动晶体管Q4和Q5导通。PTAT电流产生电路1中产生电流，实现了PTAT电流产生电路1的启动。由于电容C1的作用，当电路中的电流达到稳定之后，电阻R5上流过的电流几乎为0，它不会影响到电路的正常工作。

在图1的电路中，令PNP晶体管Q1、Q2、Q3的发射极面积相同，则：

I_B1＝I_B2＝I_B3                        (1)

I_C1＝I_C2＝I_C3                        (2)

同时：

I_C5＝I_B1+I_B2+I_B3+I_C2                 (3)

I_B＝I_C/β                            (4)

其中，β为晶体管中集电极电流与基极电流的比值，即电流放大倍数。

所以：

$I_{C5}=(1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}})I_{C1}---\left(5\right)$

I_C1＝I_B4+I_C4+I_B5                    (6)

$I_{C4}=I_{C1}-I_{B4}-I_{B5}$

$=I_{C1}-\frac{I_{C4}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}}-I_{B5}---\left(7\right)$

由(5)和(7)可得：

$I_{C4}=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}-1-\frac{3}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}}}{1+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}}{I}_{C1}---\left(8\right)$

令R2＝2R1，则图1中第一电流支路和第二电流支路有如下关系：

V_A＝V_BE4＝V_BE5+I_B5R2+(I_B5+I_C4)R1

＝V_BE5+(2I_B5+I_B5+I_C4)R1             (9)

ΔV_BE＝V_BE4-V_BE5＝R1(3I_B5+I_C4)      (10)

同时：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}=V_T\ln \frac{I_{C4}{A}_{E5}}{I_{C5}{A}_{E4}}---\left(11\right)$

其中V_T为晶体管的热电压。由(5)、(8)、(10)和(11)可得：

$I_{C3}=I_{C1}=\frac{V_T\ln [\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}-3}{({\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}+1)({\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}+3)}\·\frac{A_{E5}}{A_{E4}}]}{3\frac{1+3/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}}+\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}-1-3/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}}{1+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}}}\·\frac{1}{R1}---\left(12\right)$

则：

V_REF＝I_C3·R3                       (13)

由(12)和(13)式，可以得出一个与电源电压无关的参考电压：

$V_{\mathrm{REF}}=\frac{V_T\ln [\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}-3}{({\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}+1)({\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}+3)}\·\frac{A_{E5}}{A_{E4}}]}{3\frac{1+3/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}}+\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}-1-3/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PNP}}}{1+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{NPN}}}}\·\frac{R3}{R1}---\left(14\right)$

通常情况下，β_NPN和β_PNP较大，(14)式简化可以得到：

$V_{\mathrm{REF}}=\frac{R3}{R1}{V}_T\ln \left(\frac{A_{E5}}{A_{E4}}\right)---\left(15\right)$

上述公式中用到的各符号的意义说明如下：

I_B1：表示PNP晶体管Q1的基极电流，其中，符号I表示电流，下标B表示基极，下标1表示晶体管对应的编号，I_B2，I_B3符号的意义可以依照次原则类推。

I_C1：表示PNP晶体管Q1的集电极电流，符号中I表示电流，下标C表示集电极，下标1表示晶体管对应的编号，I_C2，I_C3符号的意义可以依照次原则类推。

β_NPN：表示NPN晶体管对应的电流放大倍数，其中，β表示电流放大倍数，下标NPN表示NPN类型的晶体管。β_PMP表示PNP晶体管对应的电流放大倍数。

V_REF：表示低压参考电压，这是本发明所得到的。

V_BE4：表示晶体管Q4的发射结电压，它与热力学温度T成反比

V_BE5：表示晶体管Q5的发射结电压，它与热力学温度T成反比。

ΔV_BE：表示晶体管Q4与Q5的发射结电压差，它正比与热力学温度T。

V_A：表示节点A的电压。

V_T：表示PN结的热电压。

A_E5：表示晶体管Q5的发射结面积。

A_E4：表示晶体管Q4的发射结面积。

R1，R2，R3：分别表示电阻R1，R2和R3对应的电阻值。

如果R3和R1采用同类型电阻，该参考电压的温度系数为热电压VT的温度系数。通常情况下，该温度系数为0.085mV/℃。

对于上述设计原理，如果想得到室温下零温度系数的参考电压，可以选用负温度系数的电阻做R3，用正温度系数的电阻做R1～R2。

图1的电路实现了电源电压VCC在大范围内变化时，提供一个相对恒定的输出电压V_REF。该输出电压在数值上与晶体管的热电压相比拟，能提供通常带隙基准源电压所不能提供的超低电压。

当电源电压升至较高时，由于晶体管的Early电压的影响，使得基准电流增大，导致输出基准电压也同比增大。为增加基准电压的精度，可以选择Early电压大的集成电路实现工艺来生产该基准电压。

另外，从低压基准产生电路3的第二部分可以看出，Q3的集电极和发射极直接的电压差为电源电压与输出参考电压之差。由于后者很小，使得V_CE3随电源电压的增大而增大，进一步增大了第三电流支路的电流。为减小输出支路由于Early电压带来的误差，可以在第三电流支路中加入一个二极管连接的晶体管，减小了输出电流支路由于电源电压变化带来的误差，同时做到了3个组成电路的匹配。如图2所示，在低压基准产生电路3的电阻R3和PNP晶体管Q3的集电极之间串联二极管连接方式的NPN晶体管Q6和电阻R4。

Claims (2)

1、一种超低电压参考源电路，其特征在于：该电路包括正比于绝对温度电流产生电路(1)、启动电路(2)和低压基准产生电路(3)；

其中，正比于绝对温度电流产生电路(1)用于产生一个正比于绝对温度电流，该电流为PN结的热电压与其中电阻的比值；该电流镜像到低压基准产生电路(3)；启动电路(2)在上电后为低压基准产生电路(3)提供非零初始电流，引导其进入稳定状态，实现电路的正常启动；低压基准产生电路(3)镜像出一个正比于温度的电流，并通过电阻产生低压降，提供低压参考电压；

所述正比于绝对温度电流产生电路(1)由PNP晶体管Q1，电阻R1和NPN晶体管Q4串联组成，电阻R1上的电压降为NPN晶体管Q4的基极提供偏置；

启动电路(2)由电阻R5和电容C1串联构成；

低压基准产生电路(3)由两部分构成，第一部分由PNP晶体管Q2，NPN晶体管Q5串联组成，PNP晶体管Q2的基极与集电极相连接构成二极管形式；第二部分由PNP晶体管Q3和电阻R3串联组成，PNP晶体管Q2与Q3构成电流镜像关系；

NPN晶体管Q4的集电极经过电阻R2和NPN晶体管Q5相连，并为NPN晶体管Q5提供偏置；PNP晶体管Q2集电极与PNP晶体管Q1的基极相连，驱动其基极，在PNP晶体管Q1的集电极中产生与Q2集电极电流成镜像关系的电流；电阻R5的一端连接PNP晶体管Q2的集电极，另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地，电源电压VCC依次通过PNP晶体管Q2、电阻R5和电容C1为电路启动提供非零初始电流。

2、根据权利要求1所述的超低电压参考源电路，其特征在于：在低压基准产生电路(3)中，在PNP晶体管Q3的集电极和电阻R3之间依次串联电阻R4和二极管连接方式的NPN晶体管Q6。

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