CN101930245A - 精确参考电压产生器 - Google Patents

Abstract

一种通过采用由振荡器产生的两相不交叠时钟控制的比较器，代替传统的带隙基准参考电压产生电路结构中的运算放大器，通过放大检测带隙基准参考电压产生电路结构中的两个节点的电压差，输出与这个电压差对应电压宽度和幅度的脉冲信号，再通过脉冲-电平转换器将其脉冲的高度和宽度转换为对应的幅度平缓的电压电平，最后通过缓冲器将它驱动输出给信号VREF端，从而完全抑制传统的运算放大器和比较器中的失调电压对输出参考信号VREF的影响，实现很高的参考电压精度。

Description

精确参考电压产生器

技术领域

本发明涉及参考电压的产生电路。特别地，它涉及一种带反馈环路的参考电压的产生电路，该反馈环路迫使从该参考电压下取出的两个参考电压相等的方法，产生一种与电路的工艺、电压、温度三个参数基本无关参考电压，从而得到比较精确的参考电压，实现一种精度极高的参考电压产生器。

背景技术

众所周知的一种常用的参考电压的产生电路如图1所示，它是带隙基准参考电压的产生电路，运算放大器放大了图1中的X和Y两个节点的电压差，输出后又反馈回来，从而使X点和Y点稳定在近似相等的电压，基准参考电压从运算放大器的输出端得到。理想情况下，其输出参考电压的表达式为：

${\mathrm{Vout}=V}_{\mathrm{BE}2}+\left(V_T\ln n\right)(1+\frac{R_2}{R_3})---\left(1\right)$

其中V_BE2是Q2的基极-发射极电压差，或者就叫基极电压，V_T是绝对温度电压，是个常数，n是Q2发射区面积与Q1发射区面积的比值。然而由于实际情况中运算放大器存在失调电压V_OS，从而使图1所示电路变成图2所示电路，其输出参考电压的表达式变为：

$\mathrm{Vout}=V_{\mathrm{BE}2}+(V_T\ln n-V_{\mathrm{OS}})(1+\frac{R_2}{R_3})---\left(2\right)$

运算放大器的失调电压V_OS是随着工艺、电压、温度变化而变化的，因此，由于失调电压V_OS的存在，使输出的带隙基准电压Vout的精度受到严重影响。

发明内容：

本发明就是为了解决前述这个问题而提出的，本发明提出了一种抑制带隙基准中的失调电压V_OS的电路，实现一种精度极高的参考电压产生器。本发明提供的精确参考电压产生器的基本结构包括：第一分压电路DV1，它的输入端与信号VREF相连；第二比较器COMP2，它的第一输入端与所述第一分压电路DV1的第一输出端相连，它的第二输入端与所述第一分压电路DV1的第二输出端相连；第三时钟发生器CLKGEN3，它的一个输出端与所述第二比较器COMP2的第三输入端相连，它的另一个输出端与所述第二比较器COMP2的第四输入端相连，它的第三个输出端与所述第二比较器COMP2的第五输入端相连，它的第四个输出端与所述第二比较器COMP2的第六输入端相连；第四脉冲-电平转换器PVGEN4，它的一个输入端与所述第二比较器COMP2的一个输出端相连，它的另一个输入端与所述第二比较器COMP2的另一个输出端相连；第五缓冲器BUFF5，它的一端与所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4的输出端相连，它的另一端与所述信号VREF相连。图3为显示本发明精确参考电压产生器的基本功能结构图。

所述第一分压电路DV1，包括：第六电阻R6，它的一端与所述精确参考电压产生器的输入端相连，它的另一端与所述精确参考电压产生器的第一输出端相连；第七电阻R7，它的一端与所述精确参考电压产生器的输入端相连，它的另一端与所述精确参考电压产生器的第二输出端相连；第八电阻R8，它的一端与所述精确参考电压产生器的第一输出端相连；第九单倍稳压器Z9，它的一端与所述第八电阻R8的另一端相连，它的另一端与地相连；第十多倍稳压器Z10，它的一端与所述精确参考电压产生器的第二输出端相连，它的另一端与地相连。图4为显示本发明精确参考电压产生器中第一分压电路DV1基本功能电路图。

所述第九单倍稳压器Z9，它由一个负端接地的二极管组成，或者由多个二极管串联组成，或者由一个将基极和集电极接地的三极管组成，或者由多个三极管按特定方式组成，而所述“多个三极管按特定方式组成”是这样一种组成方式：这些三极管的集电极都接地，第一个三极管的发射极与所述第八电阻R8的一端相连，第一个三极管的基极与第二个三极管的发射极串联，第二个三极管的基极再与第三个三极管的发射极串联，…，最后一个三极管的基极接地。图5为显示本发明精确参考电压产生器中第一分压电路DV1的第九单倍稳压器Z9的多种电路结构形式。

所述第十多倍稳压器Z10，它的组成方式与所述第九单倍稳压器Z9的组成方式类似，不过将所述第九单倍稳压器Z9的单个二极管或单个三极管由N(N为大于1的自然数)个二极管并联的电路或由N(N为大于1的自然数)个三极管并联的电路代替，就得到所述第十多倍稳压器Z10的电路结构。图6为显示本发明精确参考电压产生器中第一分压电路DV1的第十多倍稳压器Z10的多种电路结构形式，其中m₁，m₂，..,，m_n+1，为大于1的自然数。

所述第二比较器COMP2的第一输入端的输入信号与第二输入端的输入信号，在所述第三时钟发生器CLKGEN3产生的两相不交叠时钟信号高低电平作用下(如果采用CMOS管作开关管，则产生四相不交叠时钟信号)，在所述第二比较器COMP2的两个输入端之间不断相互交换，交替输入到所述第二比较器COMP2的两个输入端，并通过所述第二比较器COMP2进行比较而产生脉冲输出；所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4接收到所述第二比较器COMP2的两个输出端的脉冲信号，将其脉冲的高度和宽度转换为对应的幅度平缓的电压电平；所述第五缓冲器BUFF5接收到所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4产生的电压电平，并将它驱动输出给所述信号VREF端；所述第一分压电路DV1将所述信号VREF进行分压，产生两个分压输出参考信号，并输入到比较器的两个输入端，当这两个分压输出参考信号基本相等时，所述第二比较器COMP2产生占空比极小的脉冲输出，甚至不产生脉冲输出，整个电路进入稳定状态，所述第五缓冲器BUFF5输出精确的参考电压信号VREF。

所述第二比较器COMP2的电路结构是任意结构的电压比较电路，它能在两相不交叠时钟信号高低电平作用下(如果采用CMOS管作开关管，则产生四相不交叠时钟信号)，使其两个输入端的信号之间不断相互交换，并进行比较而产生脉冲输出。

所述第三时钟发生器CLKGEN3是任意结构的振荡器，并能产生两相不交叠时钟信号(如果采用CMOS管作开关管，则产生四相不交叠时钟信号)。

所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4是将其脉冲宽度转换为对应的电压电平电路，或者是脉宽调制电路，或者是电荷泵电路，它们的输出接一个有源或者无源低通滤波器，图7为显示本发明精确参考电压产生器中第四脉冲-电平转换器PVGEN4的多种电路结构形式。

所述第五缓冲器BUFF5由一个单位增益的运算放大器实现，或者由一个射极跟随器实现，或者由一个射极跟随三极管实现，或者由一个源极跟随三极管实现，或者由一个具有单位增益跟随功能的电路实现。图8为显示本发明精确参考电压产生器中第五缓冲器BUFF5的多种电路结构形式。

本发明精确参考电压产生器提供的带隙基准参考电压产生电路的基本结构与图1所示的传统的带隙基准参考电压产生电路结构有很大不同，传统的结构采用运算放大器放大了图1中的X和Y两个节点的电压差，输出后又反馈回来，使X点和Y点稳定在近似相等的电压，在运算放大器的输出端得到所述信号VREF；而在本发明提供的带隙基准参考电压产生电路的基本结构中，采用比较器检测X和Y两个节点的电压差，输出对应的脉冲信号，再通过脉冲-电平转换器将其脉冲的高度和宽度转换为对应的幅度平缓的电压电平，最后通过缓冲器将它驱动输出给所述信号VREF端。

本发明第一实施例之基本结构的精确参考电压产生器如图9所示，在该图中，所述第二比较器的第一输入端接所述第一分压电路DV1的第一输出端Y，再通过开关K1和开关K2分别接到比较器核的两个输入端，所述第二比较器的第二输入端接所述第一分压电路DV1的第二输出端X，再通过开关K3和开关K4分别接到比较器核的两个输入端；所述第三时钟发生器CLKGEN3产生的四相不交叠时钟信号Q1和Q2、Q3和Q4分别控制所述第二比较器的开关K1和开关K4、开关K2和开关K3，其中时钟信号Q1、Q2、Q3、Q4的时序关系如图10所示；所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4由一个电荷泵电路，再接一个有源或者无源低通滤波器组成，它接收到所述第二比较器COMP2的两个输出端的脉冲信号，分别控制它的恒流源开关K5和K6，再通过它的低通滤波器，将其脉冲的高度和宽度转换为对应的幅度平缓的电压电平；所述第五缓冲器BUFF5是由一个N型MOS管或者一个N型绝缘栅场效应晶体管构成，其漏极接电源，而其栅极接收到所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4产生的电压电平，再通过源极将它驱动输出给所述信号VREF端。

在本发明第二实施例之基本结构的精确参考电压产生器如图11所示，在该图中，所述第一分压电路DV1将所述信号VREF进行分压，所述第九单倍稳压器Z9采用图5f所示的结构，所述第十多倍稳压器Z10采用图6f所示的结构；所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4由一个脉宽调制电路，再接一个有源或者无源低通滤波器组成；所述第五缓冲器BUFF5是由一个输出端与负极输入端直接相连运算放大器构成，形成单位增益驱动电路，以驱动输出信号VREF端。

另外，根据本说明书和说明书附图，以及本领域的常识，本发明的每个功能电路模块都有许多电路形式和结构，它们的组合能形成很多具体实施例子，本说明书不再在此具体列举，但是只要采用本发明的***结构，就属于本发明权利包括的范围。

附图说明

参照附图会更好地理解下面公开的本发明，其中：

图1为传统的带隙基准参考电压产生电路图

图2为实际的传统的带隙基准参考电压产生电路图

图3为显示本发明精确参考电压产生器的基本功能结构图

图4为显示本发明精确参考电压产生器中第一分压电路DV1基本功能电路图

图5为显示本发明精确参考电压产生器中第一分压电路DV1的第九单倍稳压器Z9的多种电路结构形式

图6为显示本发明精确参考电压产生器中第一分压电路DV1的第十多倍稳压器Z10的多种电路结构形式，其中m₁，m₂，...，m_n+1，为大于1的自然数

图7为显示本发明精确参考电压产生器中第四脉冲-电平转换器PVGEN4的多种电路结构形式

图8为显示本发明精确参考电压产生器中第五缓冲器BUFF5的多种电路结构形式

图9为显示本发明第一实施例之基本结构的精确参考电压产生器的电路结构功能图

图10为显示本发明第一实施例中的第三时钟发生器CLKGEN3产生的四相不交叠时钟信号Q1、Q2、Q3、Q4的工作时序图

图11为显示本发明第二实施例之基本结构的精确参考电压产生器的电路结构功能图

具体实施方式

现在考察附图，图3为显示本发明精确参考电压产生器的基本功能结构图。如图3所示，本发明精确参考电压产生器的基本功能包括：第一分压电路DV1，第二比较器COMP2，第三时钟发生器CLKGEN3，第四脉冲-电平转换器PVGEN4，第五缓冲器BUFF5，它的输出端与精确参考电压产生器的输出信号VREF相连。

图9为显示本发明第一实施例之基本结构的精确参考电压产生器的电路结构功能图。如图9所示，所述第一分压电路DV1对输入参考电压VREF进行分压，其第一输出端是节点Y，其第二输出端是节点X；所述第二比较器的第一输入端接节点Y，再通过开关K1和开关K2分别接到比较器核的两个输入端，所述第二比较器的第二输入端接所述第一分压电路DV1的第二输出端X，再通过开关K3和开关K4分别接到比较器核的两个输入端；所述第三时钟发生器CLKGEN3产生的两相不交叠时钟信号Q1和Q2分别控制所述第二比较器的开关K1和开关K4、开关K2和开关K3，其中时钟信号Q1、Q2的时序关系如图10所示；在Q1为高电平期间，Q2为低电平，开关K1和开关K4闭合，开关K2和开关K3断开，节点Y的电压通过开关K1进入到所述第二比较器核的正输入端，节点X的电压通过开关K4进入到所述第二比较器核的负输入端；Q1从高电平下降到低电平后，Q2保持为低电平很小一段时间，在此期间，开关K1、K2、K3、K4断开，所述第二比较器核的正/负输入端保持原来的电压；然后Q2从低电平上升到高电平，在Q2为高电平期间，Q1为低电平，开关K2和开关K3闭合，开关K1和开关K4断开，节点Y的电压通过开关K3进入到所述第二比较器核的正输入端，节点X的电压通过开关K2进入到所述第二比较器核的负输入端；Q2从高电平下降到低电平后，Q1保持为低电平很小一段时间，在此期间，开关K1、K2、K3、K4断开，所述第二比较器核的正/负输入端保持原来的电压；然后Q1再从低电平上升到高电平，…。所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4由一个电荷泵电路，再接一个有源或者无源低通滤波器组成，它接收到所述第二比较器COMP2的两个输出端的脉冲信号，分别控制它的恒流源开关K5和K6。在开关K5闭合时，开关K6保持断开，反之亦然；在开关K5和开关K6之间，其中之一断开时，另外一个可能闭合，也可能保持断开，完全由所述第二比较器COMP2的两个输出端的脉冲信号决定。这个电荷泵电路的输出通过一个低通滤波器，将其脉冲的高度和宽度转换为对应的幅度平缓的电压电平；所述第五缓冲器BUFF5是由一个N型MOS管或者一个N型绝缘栅场效应晶体管构成，其漏极接电源，而其栅极接收到所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4产生的电压电平，再通过源极将它驱动输出给所述信号VREF端。在整个***环路达到稳定状态时，节点Y和节点X之间的电压差几乎为零，完全消除了实际电路环境中所述第二比较器COMP2的两个输入端的失调电压的影响，从而可以获得表达式(1)所述的理想结果，从而实现很高的参考电压精度。

下面参照图11，图11为显示本发明第二实施例之基本结构的精确参考电压产生器的电路结构功能图。本发明第二实施例的精确参考电压产生器的电路结构功能图，相对本发明图9显示的第一实施例的精确参考电压产生器的电路结构功能图而言，有3个不同之处：其一，在于在所述第一分压电路DV1中的第九单倍稳压器Z9采用图5f所示的结构代替图5d所示的结构，第十多倍稳压器Z10采用图6f所示的结构代替图6d所示的结构；这样代替的结果是图11所示本发明第二实施例之基本结构的精确参考电压产生器的整个环路***输出参考电压VREF的值，相对图9所示的本发明第一实施例之基本结构的精确参考电压产生器的整个环路***输出参考电压VREF的值提高一倍，从而满足不同的应用场合的需要。其二，所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4由图7b所示的一个脉宽调制电路代替图7b所示的电荷泵电路，这样代替的结果是所述第二比较器核的输出只有一个，完全由脉宽决定比较信号的差异，从而决定脉冲-电平转换器的效果和性能；同时，导致第二实施例之基本结构的精确参考电压产生器的所述第二比较器核的电路与第一实施例所述第二比较器核的电路完全不同。其三，所述第五缓冲器BUFF5是图8e所示的由一个输出端与负极输入端直接相连运算放大器构成，形成单位增益驱动电路，代替图8c所示的由一个N型MOS管或者一个N型绝缘栅场效应晶体管构成源极跟随器，以驱动输出信号VREF端。

如上所述，虽然本发明第一实施例的精确参考电压产生器的结构与第二实施例的精确参考电压产生器的结构有比较大的差别，但由于整个***功能结构相同，最后都将得到同样的效果，在工艺、电压、温度变化比较显著的情况下实现很高的参考电压精度。

Claims (6)

1.一种精确参考电压产生器，包括：

第一分压电路DV1，它的输入端与信号VREF相连；

第二比较器COMP2，它的第一输入端与所述第一分压电路DV1的第一输出端相连，它的第二输入端与所述第一分压电路DV1的第二输出端相连；

第三时钟发生器CLKGEN3，它的一个输出端与所述第二比较器COMP2的第三输入端相连，它的另一个输出端与所述第二比较器COMP2的第四输入端相连，它的第三个输出端与所述第二比较器COMP2的第五输入端相连，它的第四个输出端与所述第二比较器COMP2的第六输入端相连；

第四脉冲-电平转换器PVGEN4，它的一个输入端与所述第二比较器COMP2的一个输出端相连，它的另一个输入端与所述第二比较器COMP2的另一个输出端相连；

第五缓冲器BUFF5，它的一端与所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4的输出端相连，它的另一端与所述信号VREF相连。

2.根据权利要求1所述精确参考电压产生器，其特征在于，所述第一分压电路DV1，包括：

第六电阻R6，它的一端与所述精确参考电压产生器的输入端相连，它的另一端与所述精确参考电压产生器的第一输出端相连；

第七电阻R7，它的一端与所述精确参考电压产生器的输入端相连，它的另一端与所述精确参考电压产生器的第二输出端相连；

第八电阻R8，它的一端与所述精确参考电压产生器的第一输出端相连；

第九单倍稳压器Z9，它的一端与所述第八电阻R8的另一端相连，它的另一端与地相连；

第十多倍稳压器Z10，它的一端与所述精确参考电压产生器的第二输出端相连，它的另一端与地相连。

3.根据权利要求2所述第一分压电路DV1，其特征在于，所述第九单倍稳压器Z9，它由一个负端接地的二极管组成，或者由多个二极管串联组成，或者由一个将基极和集电极接地的三极管组成，或者由多个三极管按特定方式组成，而所述“多个三极管按特定方式组成”是这样一种组成方式：这些三极管的集电极都接地，第一个三极管的发射极与所述第八电阻R8的一端相连，第一个三极管的基极与第二个三极管的发射极串联，第二个三极管的基极再与第三个三极管的发射极串联，…，最后一个三极管的基极接地。

4.根据权利要求2所述第一分压电路DV1，其特征在于，所述第十多倍稳压器Z10，它的组成方式与所述第九单倍稳压器Z9的组成方式类似，不过将所述第九单倍稳压器Z9的单个二极管或单个三极管由N(N为大于1的自然数)个二极管并联的电路或由N(N为大于1的自然数)个三极管并联的电路代替，就得到所述第十多倍稳压器Z10的电路结构。

5.根据权利要求1所述精确参考电压产生器，其特征在于，所述第二比较器COMP2的第一输入端的输入信号与第二输入端的输入信号，在所述第三时钟发生器CLKGEN3产生的两相不交叠时钟信号高低电平作用下(如果采用CMOS管作开关管，则所述第三时钟发生器CLKGEN3产生四相不交叠时钟信号)，在所述第二比较器COMP2的两个输入端之间不断相互交换，交替输入到所述第二比较器COMP2的两个输入端，并通过所述第二比较器COMP2进行比较而产生脉冲输出；所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4接收到所述第二比较器COMP2的两个输出端的脉冲信号，将其脉冲的高度和宽度转换为对应的幅度平缓的电压电平；所述第五缓冲器BUFF5接收到所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4产生的电压电平，并将它驱动输出给所述信号VREF端；所述第一分压电路DV1将所述信号VREF进行分压，产生两个分压输出参考信号，并输入到比较器的两个输入端，当这两个分压输出参考信号基本相等时，所述第二比较器COMP2产生占空比极小的脉冲输出，甚至不产生脉冲输出，整个电路进入稳定状态，所述第五缓冲器BUFF5输出精确的参考电压信号VREF。

6.根据权利要求1所述精确参考电压产生器，其特征在于，所述第二比较器COMP2的电路结构是任意结构的电压比较电路；所述第三时钟发生器CLKGEN3是任意结构的振荡器，并能产生两相不交叠时钟信号(如果采用CMOS管作开关管，则所述第三时钟发生器CLKGEN3产生四相不交叠时钟信号)；所述第四脉冲-电平转换器PVGEN4是将其脉冲的高度和宽度转换为对应的电压电平电路，或者是脉宽调制电路，或者是电荷泵电路，它们的输出接一个有源或者无源低通滤波器；所述第五缓冲器BUFF5由一个单位增益的运算放大器实现，或者由一个射极跟随器实现，或者由一个射极跟随三极管实现，或者由一个源极跟随三极管实现，或者由一个具有单位增益跟随功能的电路实现。

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