CN114020089B - 一种适用于低电流增益型npn三极管的带隙基准电压源 - Google Patents

一种适用于低电流增益型npn三极管的带隙基准电压源 Download PDF

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Abstract

本发明属于基准源技术领域，具体涉及一种适用于低电流增益型NPN三极管的带隙基准电压源。本发明通过在传统Wildar型带隙基准电压源架构中加入一个附加的三极管电流增益系数Beta消除电路(Beta Cancellation)，即恢复出基极电流再将其反馈到原始架构，可以获得与三极管电流增益系数Beta绝对值无关的高精度基准电压，使传统Wildar型基准电压源架构对三极管电流增益系数Beta不敏感，同时仍然保持对后级运放的较为宽松的输入失调和噪声要求的特点，也适用于低电源电压应用场景。

Description

一种适用于低电流增益型NPN三极管的带隙基准电压源
技术领域
本发明属于基准源技术领域，具体涉及一种适用于低电流增益型NPN三极管的带隙基准电压源。
背景技术
带隙基准电压源(Bandgap)作为电压基准因其高精度的特性在芯片领域被广泛使用。在芯片中，设计者经常需要通过环路控制使某些电压在设定范围以内，或通过需要产生高精度电流，或实现对某些电压信号的比较和监控，这些都离不开片内带隙基准电压源(Bandgap)。而芯片内的带隙基准电压源经常会用到三极管(BJT)作为其关键器件，原理是利用具有负温度特性的三极管基极-发射极电压(VBE)和具有正温度特性的基极-发射极电压差 (delta_VBE)，将两者相加的方法来创造出一个和温度无关的高精度电压值。而在带隙基准电压源中，NPN型三极管因为其灵活的三端接法，搭配不同带隙基准架构可以获得更高精度或更好的失调噪声抑制，即不像寄生PNP型三极管，集电极(collector)只能接衬底(substrate)，只能搭建传统带隙基准架构。例如，NPN三极管可以通过采用Brokaw型带隙基准架构或者 Widlar型带隙基准架构，就可以抑制后级运放的失调和噪声而获得高精度基准电压。但因为成本考虑或者工艺限制，经常在设计中会遇到NPN型三极管没有很高的三极管电流增益系数 (Beta值)。而一些带隙基准架构需要Beta值大于20或50甚至更高才能忽略在理想公式中 Beta变化对最后输出基准电压的影响，从而限制了高精度基准架构的应用，例如Wildar型。同时因为要求工作的电源电压越来越低，部分带隙基准架构也无法满足，例如Brokaw型。如何在只有低电流增益型NPN三极管的情况下，同时获得高精度且兼容低电压工作的带隙基准架构是亟待解决的问题。
Brokaw架构利用自身三极管增益来降低对后级运放失调和噪声的要求，且因基极由运放输出偏置，故最终输出的基准电压受三极管电流增益系数Beta变化不敏感，但因为低工作电压的要求没法在低电源电压高精度基准设计中适用；而Wildar架构具有良好的适用于低电源电压的特性，且同样对后级运放失调和噪声要求不高，但却受限于三极管电流增益系数Beta 敏感的特性而无法在低电流增益型NPN三极管的情况下采用。Brokaw架构(如图1)利用自身三极管增益来降低对后级运放失调和噪声的要求，且因基极由运放输出偏置，故最终输出的基准电压受三极管电流增益系数Beta变化不敏感，但因为低工作电压的要求没法在低电源电压高精度基准设计中适用，即图1中电源电压VDD至少需要比基准输出电压VOUT高M3 管的Vgs电压再加上M2管的Vdsat电压，同时VDD还需要比基准输出电压VOUT高M1管的 Vgs电压减Q1确保在放大区的Vbc电压，才能工作正常，相比之下，Wildar只需要VDD高于基准输出电压VOUT加上一个Vdsat就可以，通常典型两种架构对VDD要求的差别为0.8V左右，故Brokaw架构不适用于低电压要求；而Wildar架构(如图2)具有良好的适用于低电源电压的特性，且同样对后级运放失调和噪声要求不高，但却受限于三极管电流增益系数Beta 敏感的特性而无法在低电流增益型NPN三极管的情况下采用，即图2中R2流经电流为Q1 集电极电流加Q1基极电流加Q2基极电流，R3流经电流为Q2集电极电流加Q3基极电流，即如果三极管电流增益较小，基极电流影响不可忽略，则R2和R3上流经的电流相差1份基极电流，更高精度还对Q3上流经电流有严格的要求，故传统Wildar架构受限于三极管电流增益系数Beta敏感的特性而无法采用。
现有技术对在只有低电流增益型NPN三极管下，设计低电压高精度带隙基准电压源的方法：
1.采用传统带隙基准架构，即采用基极和集电极短接的寄生PNP或者基极和集电极短接的NPN的带隙基准架构，如图3：因为这种架构中集电极和基极短接，故不受三极管电流增益系数Beta在公式中的影响。同时传统带隙基准支持的工作电压较低。缺点是，因为不自带增益放大，后级运放的输入失调和等效输入噪声对最终输出的基准电压的影响很大，为抑制影响，需要很大的面积或者功耗开销，即使采用复杂的chopper方法也会使输出电压存在一定噪声纹波需要抑制。
2.采用电流型带隙基准架构，即将三极管基极-发射极电压(VBE)和基极-发射极电压差 (delta_VBE)先转换为电流信号，再进行相加得到基准电压，如图4。优点是，可以在极低的电源电压下工作，甚至低于带隙电压VBG。缺点仍然是对后级运放有很高的失调和噪声要求。
发明内容
本发明通过在传统Wildar型带隙基准电压源架构中加入一个附加的三极管电流增益系数 Beta消除电路(Beta Cancellation)，即恢复出基极电流再将其反馈到原始架构，可以获得与三极管电流增益系数Beta绝对值无关的高精度基准电压，使传统Wildar型基准电压源架构对三极管电流增益系数Beta不敏感，同时仍然保持对后级运放的较为宽松的输入失调和噪声要求的特点，也适用于低电源电压应用场景。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种适用于低电流增益型NPN三极管的带隙基准电压源，包括Wildar型带隙基准电压源，其特征在于，还包括三极管电流增益系数Beta消除电路，所述三极管电流增益系数Beta 消除电路从Wildar型带隙基准电压源中获取三极管集电极电流，通过一个附加的三极管恢复出相同电流增益系数Beta的基极电流，并将这个电流用于Wildar型带隙基准电压源架构去消除三极管电流增益系数Beta对输出基准电压的影响。
进一步的，所述Wildar型带隙基准电压源包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和误差放大器；第一三极管Q1的基极和集电极互连，其发射极接地，其集电极通过第二电阻R2后接误差放大器的输出；第二三极管Q2的基极接第一三极管Q1的基极，第二三极管Q2的发射极通过第一电阻 R1后接地，第二三极管Q2的集电极接第三三极管Q3的基极和误差放大器的反相输入端，第二三极管Q2的集电极通过第三电阻R3后接误差放大器的输出；第三三极管的发射极接地，其集电极通接误差放大器的同相输入端，第三三极管的集电极还通过第四电阻R4后接误差放大器的输出；
所述三极管电流增益系数Beta消除电路包括第四三极管Q4、第五三极管Q5、第一MOS 管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和第五MOS管M5；第四三极管Q4的基极接第三三极管Q1的集电极，第四三极管Q4的集电极接第一MOS管M1的漏极，第四三极管Q4的发射极接地；第一MOS管M1的源极接电源VDD，其栅极和漏极互连；第二MOS管M2的源极接电源VDD，其栅极接第一MOS管M1的漏极，第二MOS 管M2的漏极接第五三极管Q5的集电极，第五三极管Q5的基极接第五MOS管M5的源极，第五三极管Q5的发射极接地；第四MOS管M4的源极接电源VDD，其栅极接第三MOS管 M3的漏极，第四MOS管M4的漏极接第一三极管Q1的集电极；第三MOS管M3的源极接电源VDD，其栅极和漏极互连；第五MOS管M5的漏极接第三MOS管M3的漏极，第五 MOS管M5的栅极接第二MOS管的漏极；其中第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和误差放大器输出端连接点为基准电压源输出端。
本发明的方案中，三极管电流增益系数Beta消除电路(Beta Cancellation)：利用一路镜像的集电极电流，流经一个附加的三极管恢复出相同电流增益系数Beta的基极电流，并将这个电流用于传统Wildar型带隙基准电压源架构去消除三极管电流增益系数Beta对输出基准电压的影响。
本发明的有益效果为：本发明通过在传统Wildar型带隙基准电压源架构中加入一个附加的三极管电流增益系数Beta消除电路(Beta Cancellation)，即恢复出基极电流再将其反馈到原始架构，可以获得与三极管电流增益系数Beta绝对值无关的高精度基准电压，使传统Wildar 型基准电压源架构对三极管电流增益系数Beta不敏感，同时仍然保持对后级运放的较为宽松的输入失调和噪声要求的特点，也适用于低电源电压应用场景。
附图说明
图1为通用的Brokaw型带隙基准架构；
图2为通用的Wildar型带隙基准架构；
图3为采用寄生PNP或者NPN的传统带隙基准架构；
图4为电流型带隙基准架构；
图5为带三极管电流增益系数消除电路(Beta Cancellation)的通用Wildar型带隙基准电压改进架构。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案进行详细描述：
图5是对图2中通用Wildar型带隙基准电压架构的优化，即一种带三极管电流增益系数 Beta消除电路(Beta Cancellation)的通用Wildar型带隙基准电压改进架构。图中为Wildar 型带隙基准电压的基本架构，通过创新性的增加Q4-Q5和M1-M5实现了集电极电流的提取，三极管电流增益系数Beta的计算和对传统Wildar型架构中三极管电流增益系数Beta敏感性的消除。
具体工作原理如下：Q4和Q1是完全相同的NPN型三极管，相同的基极和发射极连接确保了Q4和Q1有相同的集电极电流，即实现了集电极电流的提取。通过M1和M2组成的电流镜将这个集电极电流输入到Q5上，Q5的集电极和基极通过M5的反馈确保Q5工作在放大区，即确保Q5和Q4具有相同的集电极电流，因为Q5和Q1-Q4工作在相同的工作区间，即放大区且电流大小一致，所以他们具有相同的三极管电流增益系数Beta，故而M5给Q5 提供的基极电流和Q1-Q4的基极电流基本一致。M3-M4通过另一个电流镜将这个基极电流复制去抵消图3左侧原传统通用Wildar型带隙基准电压架构中的Beta敏感性的非理想因素部分，即传统Wildar架构中R2流经电流为Q1集电极电流，Q1基极电流和Q2基极电流之和，而需要匹配的R3流经电流只有Q2集电极电流和Q3基极电流之和，存在偏差而导致最后基准电压输出受工艺中三极管电流增益系数Beta敏感。

Claims (1)

1.一种适用于低电流增益型NPN三极管的带隙基准电压源，包括Wildar型带隙基准电压源，其特征在于，还包括三极管电流增益系数Beta消除电路，所述三极管电流增益系数Beta消除电路从Wildar型带隙基准电压源中获取三极管集电极电流，通过一个附加的三极管恢复出相同电流增益系数Beta的基极电流，并将这个电流用于Wildar型带隙基准电压源架构去消除三极管电流增益系数Beta对输出基准电压的影响；
所述Wildar型带隙基准电压源包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和误差放大器；第一三极管Q1的基极和集电极互连，其发射极接地，其集电极通过第二电阻R2后接误差放大器的输出；第二三极管Q2的基极接第一三极管Q1的基极，第二三极管Q2的发射极通过第一电阻R1后接地，第二三极管Q2的集电极接第三三极管Q3的基极和误差放大器的反相输入端，第二三极管Q2的集电极通过第三电阻R3后接误差放大器的输出；第三三极管的发射极接地，其集电极通接误差放大器的同相输入端，第三三极管的集电极还通过第四电阻R4后接误差放大器的输出；
所述三极管电流增益系数Beta消除电路包括第四三极管Q4、第五三极管Q5、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和第五MOS管M5；第四三极管Q4的基极接第三三极管Q1的集电极，第四三极管Q4的集电极接第一MOS管M1的漏极，第四三极管Q4的发射极接地；第一MOS管M1的源极接电源VDD，其栅极和漏极互连；第二MOS管M2的源极接电源VDD，其栅极接第一MOS管M1的漏极，第二MOS管M2的漏极接第五三极管Q5的集电极，第五三极管Q5的基极接第五MOS管M5的源极，第五三极管Q5的发射极接地；第四MOS管M4的源极接电源VDD，其栅极接第三MOS管M3的漏极，第四MOS管M4的漏极接第一三极管Q1的集电极；第三MOS管M3的源极接电源VDD，其栅极和漏极互连；第五MOS管M5的漏极接第三MOS管M3的漏极，第五MOS管M5的栅极接第二MOS管的漏极；其中第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和误差放大器输出端连接点为基准电压源输出端。
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