CN1573638A - 恒定电压产生器及使用它的电子设备 - Google Patents

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Abstract

一种恒定电压产生器，包括带隙参考电路、电流供给电路、启动电路和电压电流转换电路，此外，启动电路进一步包括：第一和第二负载元件；与第一负载元件相连的第一晶体管；第二晶体管，其电流容量大于第一晶体管，与第一晶体管共享基极电压并与第二负载元件相连；与第一晶体管相连的第一电阻器；和与第二晶体管相连的第二电阻器，还有，电压电流转换电路的输出被输入至第二晶体管与第二电阻器之间的连接点，第二负载元件与第二晶体管之间连接点上的电流控制电流供给电路。

Description

恒定电压产生器及使用它的电子设备
技术领域
本发明涉及输出恒定电压的恒定电压产生器，特别是包含改进的启动电路的恒定电压产生器，并涉及使用这种恒定电压产生器的电子设备。
背景技术
恒定电压产生器广泛应用于电子电路，以确保模拟电路的精度或减少电路的功耗。恒定电压产生器的一种类型是使用带隙参考电路(例如日本专利申请公报No.H3-164916，日本专利申请公报No.H7-230332)。带隙参考电路是在半导体集成电路上组合匹配的晶体管而构成的，其优点是不依赖于温度。
使用带隙参考电路的恒定电压产生器要求向连接于输出端的负载供应电流的晶体管。这个晶体管的电路型式的一个范例是射极跟随型，那里发射极与恒定电压产生器的输出端相连，但要求较高的电源电压以供给发射极—基极之间的正向偏置电压(Vf)，所以不适合于降低电源电压，这是下面将要说明的问题。因此在相关技术的描述中，将描述这样的电路型式：其集电极与恒定电压产生器输出端相连的晶体管用来提供电流。如果用MOS晶体管而不用双极晶体管构成恒定电压产生器，则其漏极与恒定电压产生器输出端相连的P型MOS晶体管用来提供给电流。
图6是日本专利公报No.H3-164916中描述的第一现有技术的恒定电压产生器电路图。
第一现有技术的恒定电压产生器110包括：带隙参考电路111，电流供给电路112，启动电路113，电压电流转换电路114和启动检测电路115。
带隙参考电路111产生恒定电压产生器110的恒定电压(Vref)，从输出端子(VREF)输出。电流供给电路112将电流提供给与输出端子(VREF)相连的负载和上述带隙参考电路111。启动电路113在电源电压(VCC)启动时通过使电流强行地流入电流供给电路112而启动带隙参考电路111。电压电流转换电路114将输出端子(VREF)的电压转换为电流，并将电流输出至电流供给电路112。启动检测电路115检测电源电压(VCC)的启动，以防止启动电路113影响恒定电压产生器110，这将在后面描述。
带隙参考电路111包括：电阻器124和125，它们并行地连接至输出端子(VREF)，具有相同的电阻值；二极管接法的晶体管121，其与电阻器124的另一端相连；晶体管122，其具有大于晶体管121的发射极—基极面积(较大的电流容量)，与电阻器125的另一端相连并与晶体管121共享基极电压；与晶体管122的发射极相连的电阻器120；和晶体管123，其基极连接至电阻器125与晶体管122之间的连接点，其发射极接地。采用这种结构产生用于从输出端子(VREF)输出的恒定电压(Vref)的电压。
电流供给电路112包括电阻器128和晶体管126以及电阻器129和晶体管127，它们成为电流反射镜。这些晶体管126和127为PNP型。晶体管126将电流提供给输出端子(VREF)，这个电流通过调整流过晶体管127的电流而被控制。
启动电路113包括：与电源电压(Vcc)相连的电阻器130；与电阻器130相连的两级二极管131和132；晶体管133，其基极连接至电阻器130与二极管131之间的连接点；和与晶体管133的发射极相连的电阻器134。
在这个启动电路113中，当电源电压(VCC)启动时，晶体管133的基极电压通过两级二极管131和132变成双倍正向偏置电压(Vf)，晶体管133接通。在这个晶体管133中，由流过由电阻器134的电阻值确定的电流，这个电流流入上述电流供给电路112的晶体管127。结果，电流从晶体管126提供给输出端子(VREF)和上述带隙参考电路111，带隙参考电路111被启动。
在启动检测电路115中，在电源电压(VCC)启动之后，通过晶体管143的接通(ON)电流而使启动电路113的晶体管133的基极电压下降，使晶体管133断开(OFF)。
电压电流转换电路114包括其基极与输出端子(VREF)相连的晶体管139，和与晶体管139的发射极相连的电阻器140。晶体管139的发射极电压低于输出端子(VREF)的恒定电压(Vref)，其量值为正向偏置电压(Vf)，这个电压加到电阻器140上。因此，在电源电压(VCC)启动之后，上述电流供给电路112受由电阻器140的电阻值确定的电流控制。
在第一现有技术的恒定电压产生器中，利用上述电压电流转换电路114的结构，随输出端子(VREF)的恒定电压(Vref)而定的电流能从电流供给电路112提供给输出端子(VREF)。
图7是描述在日本专利申请公报No.H7-230332中所述的第二现有技术的恒定电压产生器的电路图。第二现有技术的恒定电压产生器150包括带隙参考电路151，电流供给电路152和启动电路153。带隙参考电路151基本上具有与第一现有技术的带隙参考电路111相同的结构。
电流供给电路152基本上起与第一现有技术的电流供给电路112相同的功能作用，其包括为电流反射镜的晶体管166和167。这些晶体管166和167也是PNP型。晶体管166将电流提供给输出端子(VREF)，这个电流通过利用带隙参考电路151的晶体管163调整流过晶体管167的电流而被控制。
启动电路153包括：与电源电压(Vcc)相连的电阻器170，与电阻器170相连的两级二极管171和172，和连接至电阻器170与二极管171之间连接点的二极管173。这个启动电路153基本上起到与第一现有技术的启动电路113相同的功能作用，但是启动是通过将电流直接从电阻器170提供给带隙参考电路151的方法进行的，而不是利用晶体管。
启动电路153的二极管173是为了防止启动电路153在电源电压(VCC)启动之后对恒定电压产生器150的影响。带隙参考电路151的晶体管163的输出直接输入至电流供给电路152。
因此在第二现有技术的恒定电压产生器150中，能省略第一现有技术的电压电流转换电路114和启动检测电路115，这可使结构简化。
如上所述，在上述恒定电压产生器110和150中，电流反射镜结构的PNP晶体管配置在电流供给电路112或152中，通过控制这个电流反射镜结构的输入，向输出端(VREF)提供稳定的电流。在恒定电压产生器110和150中，配置具有两级二极管的启动电路113或153，一旦带隙参考电路111或151启动后，防止启动电路113或153对恒定电压产生器110和150的影响。
但是，这些恒定电压产生器110和150不企图以低的电源电压(VCC)操作，对这些恒定电压产生器施加约1.3V的低电源电压(VCC)是困难的。换句话说，正向偏置电压(Vf)约为0.7V，仅串连的两级二极管就需要约1.4V电压。这个正向偏置电压(Vf)一般随着温度减小而增加，所以如果考虑环境温度，这一应用甚至更困难。
近来，不仅手提式的电子设备而且台式电子设备，对恒定电压产生器的电源电压(VCC)使用较低电压的要求变得更为强烈，这是由于低功耗的流行。另一方面，即使在其电源电压(VCC)为1.3V这样的低电压的情况下，要求输出电流为1mA或以上的大电流的情况也增多。
这些恒定电压产生器110和150基于假定预定的电流从电流供给电路提供给输出端子(VREF)，而不通过负反馈利用电流供给电路来补偿与输出端子(VREF)相连的负载差异。
恒定电压产生器110和150的电流供给电路的晶体管具有电流反射镜结构，所以大电流也流过控制侧的晶体管，控制侧的晶体管与输出侧晶体管是成对的关系。通过增加晶体管对的尺寸比率，就能减小这个电流，但这也有实际限制。例如，如果恒定电压产生器设计成尺寸比率为1∶100，并且控制侧符合预定的布置标准，那么输出侧的面积会变成大得实际上不可能实现。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种减小功耗和输出所需电流的恒定电压产生器，同时降低电源电压(VCC)。
为了解决上述问题，根据本发明的恒定电压产生器包括：带隙参考电路，其连接至输出端子并产生恒定电压；电流提供电路，其与输出端子连接并向其提供电流；启动电路，其用于控制启动期间和启动之后流过电流供给电路的电流；和电压电流转换电路，其用于将输出端子的电压起伏转换为电流的起伏；其中启动电路进一步包括：第一和第二负载元件，它们是例如恒定电流源；与第一负载元件相连的第一晶体管；第二晶体管，其电流容量大于第一晶体管，与第一晶体管共享控制端的电压并与第二负载元件相连；与第一晶体管相连的第一电阻器；和与第二晶体管相连的第二电阻器，另外，电压电流转换电路的输出被输入至第二晶体管与第二电阻器之间的连接点，第二负载元件与第二晶体管之间连接点上的电流控制电流供给电路。
这个恒定电压产生器具有一种结构，其中只有一个晶体管正向偏置电压(Vf)在从电源电压(VCC)至地电位的电流路径上产生，所以即使电源电压(VCC)为1.3V，它也能充分地操作。而且，电流供给电路提供的电流受负反馈控制，所以电流能根据负载来提供。
根据本发明，提供的恒定电压产生器，它能在即使电源电压(VCC)低到例如1.3V的情况下操作，能根据输出端子(VREF)的负载输出电流，能输出1mA或以上的电流而不消耗不必要的电流。此外，能够实现一种电子设备，它能在即使电源电压(VCC)较低并消耗较大的电流的情况下操作。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的恒定电压产生器的电路图；
图2是根据本发明第二实施例的恒定电压产生器的电路图；
图3是根据本发明第三实施例的恒定电压产生器的电路图；
图4是根据本发明第四实施例的恒定电压产生器的启动电路的电路图；
图5是根据本发明的恒定电压产生器的输出特性曲线图；
图6是根据第一现有技术的恒定电压产生器电路图；和
图7是根据第二现有技术的恒定电压产生器电路图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的实施例。图1是根据本发明一个实施例的恒定电压产生器的电路图。恒定电压产生器10包括带隙参考电路11，电流供给电路12，启动电路13和电压电流转换电路14。
带隙参考电路11产生从输出端子(VREF)输出恒定电压(Vref)。电流供给电路12向与输出端子(VREF)相连的负载和带隙参考电路11供应电流(Iref)。当电源电压(VCC)启动时，启动电路13强行向电流供给电路12提供电流，并启动带隙参考电路11。带隙参考电路11不仅稳定在恒定电压(Vref)上，而且当电压为0时通过这个启动，恒定电压(Vref)正常地从带隙参考电路11产生。
电压电流转换电路14检测与输出端子(VREF)相连的负载总量，将恒定电压(Vref)的细微起伏转换为反馈电流(Icomp)，并将它输出至启动电路13。
换句话说，如果与输出端子(VREF)相连的负载消耗很大的电流，即使电压稍有下降的话，电压电流转换电路14就减小反馈电流(Icomp)。如果从电压电流转换电路14来的反馈电流(Icomp)减小，启动电路13就增加用来控制电流供给电路12的控制电流(I5)。如果这个控制电流(I5)增加，电流供给电路12就增加将要提供给恒定电压产生器10输出端子(VREF)的电流(Iref)，从而提高它的电压。这样，恒定电压产生器10的输出端子(VREF)被保持在恒定电压(Vref)上。
现在将详细地描述各个电路。
带隙参考电路11包括：电阻器24和25，它们并行地连接至恒定电压产生器10的输出端子(VREF)并有相同的电阻值；二极管接法的晶体管21，其连接至电阻器24的另一端；发射极—基极面积大于晶体管21(电流容量较大)的晶体管22，其与电阻器25的另一端相连并与晶体管21共享基极电压；电阻器20，其连接至晶体管22的发射极；和晶体管33，它的基极连接至电阻器25和晶体管22之间的连接点，发射极则接地。晶体管21、22和23为NPN型。
在晶体管22和21中，产生与晶体管22的发射极—基极面积和晶体管21之比相应的发射极—基极电压差。这个差电压成为电阻器20两端的电压，与电阻器20的电阻值成反比的电流流过电阻器20。这个电流也流过电阻器25，在电阻器25的两端产生正比于这个电流的电压。另一方面，电阻器25和晶体管22之间的连接点上的电压是晶体管23的发射极—基极电压。因此，恒定电压产生器10输出端子(VREF)的电压是如上确定的电阻器25两端的电压晶体管23的发射极—基极电压之和。这两个电压有相反的温度系数，所以通过选择适当的电阻值，能使由带隙参考电路11产生的电压(Vref)不依赖于温度。在这种情况下，电压(Vref)变成约1.25V。
电流供给电路12包括：PNP型晶体管26，其发射极连接至电源电压(VCC)，其基极即控制端被控制电流(I5)控制；和阻止振荡的电容器27。
启动电路13包括：用来提供相等的电流(I1)的第一和第二负载元件29和30；二极管接法(基极和集电极连接)的第一晶体管31，其与第一负载元件29相连；第二晶体管32，其与第一晶体管31共享基极电压，其集电极连接至第二负载元件30；和第一和第二电阻器33和34，它们与晶体管31和32相连，有相同的电阻值。晶体管31和32是NPN型，并且第二晶体管32具有N倍晶体管21的发射极—基极面积，所以具有N倍的电流容量。在第二晶体管32中流过电流(I2)，其是来自第二负载元件30的电流(I1)与电流供给电路12中晶体管26的基极电流(I5)之和。负载元件29和30是恒流源或者是能提供相等的电流(I1)的电阻器。
电压电流转换电路14包括：阻止振荡的电容器35；晶体管36和37，其组成电流反射镜电路，用于传送带隙参考电路11的晶体管23的输出电流(I3)；电阻器40，由它的电阻值确定预定电流(I4)的值；组成电流反射镜电路的晶体管38和39，其用于传送电流(I4)；和其基极连接至晶体管37和38之间连接点的晶体管41。晶体管41的发射极成为电压电流转换电路14的输出，将反馈电流(Icomp)输出至启动电路13的晶体管32与电阻器34之间的连接点。
现在将集中描述启动电路13的操作。
如果在电源启动(供电)时输出端子(VREF)的电压为0，电压电流转换电路14的反馈电流(Icomp)为0。在这种情况下，在启动电路13中下面公式成立：
I1×R+VT×In(N×I1/I2)＝I2×R  -----------------(1)
这里VT是热电压，在初始温度时约26mV。R是电阻器33和34的电阻值。
例如，如果值N为4的R为1kΩ，则用公式(1)求得I1为100μA时的I2的值为129μA。当I1为500μA时，用公式(1)求出I2的值为534μA。
因为I2与I1之间的差成为晶体管26的基极电流(I5)，这个电流的nfe(电流放大系数)倍作为启动电流(Iref)提供给输出端子(VREF)和带隙参考电路11，在带隙参考电路11中产生的电压上升并达到恒定电压(Vref)。
根据公式(1)的上述示例的数值，I5约为30μA，所以如果nfe为100，则启动电流(Iref)变成约3mA。在电源启动之后(供电之后)，I5调整至小于这个值，如后面将要描述的，结果供电电流(Iref)的值，最大约为3mA的大电流输出变为可能。
当带隙参考电路11产生的电压到达恒定电压(Vref)时，晶体管23接通，电流(I3)通过组成电流反射镜电路的晶体管36和37，提供给晶体管37和38之间的连接点。这个电流(I3)与预定电流(I4)之间的差电流流至晶体管41的基极，然后使晶体管41接通，反馈电流(Icomp)流动。
此外，加至启动电路13中电阻器34的电压上升，流过晶体管32的电流I2下降。结果，晶体管26的基极电流(I5)也下降，使得由晶体管26提供给输出端子(VREF)的电流也下降，并且稳定在与负载相应的电流值上。
当反馈电流Icomp)流动时，在启动电路13中下面的公式成立：
I1R+VT×ln(NI1/I2)＝I2R+IcompR  -----------(2)
如果I1＝I2，即I5＝0，则
Icomp＝(VT/R)×ln(N)  -------------(3)
所以，Icomp是在电流值从0变动至公式(3)的值的范围内。
如果与输出端子(VREF)连接的负载数值波动，则负反馈通过反馈电流(Icomp)的变化而激活，供给的电流(Iref)就改变。
具体地说，如果电流消耗因与输出端子(VREF)相连的负载而增加，输出端子(VREF)的电压稍有降低，则反馈电流(Icomp)也会因带隙参考电路11的晶体管23的电流(I3)减小而减小。
结果，启动电路13的晶体管32的电流(I2)增加，供给电流(Iref)也增加。这样，通过供给电流(Iref)的增加，补偿了输出端子(VREF)的电压下降，所以恒定电压(Vref)稳定地输出。
在本发明的恒定电压产生器10中，启动电路13如上面那样组成，结果两级正偏置电压(Vf)不出现在从电源电压(VCC)至地电位的所有电流路径上。因此，即使电源电压(VCC)为低电压时，恒定电压产生器10通常也能输出恒定电压(Vref)。
图5是描述根据本发明的电源电压(VCC)与输出端子(VREF)之间关系的特性曲线图。如果电源电压(VCC)大于0.7V，即为正向偏置电压(Vf)，输出端子(VREF)的上限就变成电源电压(VCC)减去0.05V，即电流供给电路12的晶体管26的饱和电压(Vsat)。当电源电压(VCC)为1.3V时，稳定的电压(Vref)即为1.25V的电压输出至输出端子(VREF)。
现在将描述根据第二实施例的恒定电压产生器。这个恒定电压产生器50具有将第一实施例的电压电流转换电路简化后的电压电流转换电路，图2是它的电路图。
电压电流转换电路54包括：阻止振荡的电容器35，组成电流反射镜电路的晶体管36和37，晶体管38和晶体管41。晶体管38的基极与带隙参考电路11的成为电流反射镜的晶体管21的基极相连，所以正比于流过晶体管21的电流流过晶体管38。这个电流和流过晶体管37的电流进行比较，这个电流的基本操作与第一实施例相同。
现在将描述根据第三实施例的恒定电压产生器。在这个恒定电压产生器60中，带隙参考电路和电压电流转换电路不同于第一和第二实施例，图3是它的电路图。
带隙参考电路61包括：二极管接法的晶体管71；与这个晶体管71相连的电阻器74；二极管接法的晶体管72，它的发射极—基极面积是晶体管71的预定倍数；与这个晶体管72相连的电阻器70；和与电阻器70另一端相连的电阻器75。如果输出端子(VREF)输出恒定电压(Vref)，则晶体管71与电阻器74之间连接点的电压以及电阻器70与电阻器75之间连接点的电压相匹配。
电压电流转换电路62包括差动放大电路以及将信号输出的晶体管86。电压电流转换电路62输入来自晶体管71与电阻器74之间的连接点的信号和来自电阻器70与电阻器75之间的连接点的信号，并输出与它们的差相对应的反馈电流(Icomp)。
正如第一和第二实施例的带隙参考电路和电压电流转换电路，如果与输出端子(VREF)相连的负载值改变，则通过反馈电流(Icomp)的改变而激活负反馈，供给电流也改变。晶体管71与电阻器74之间连接点上的电压和电阻器70与电阻器75之间连接点上的电压相匹配。结果，输出端子(VREF)保持为恒定电压(Vref)。
现在将描述根据本发明第四实施例的恒定电压产生器。在这个实施例中，只有启动电路不同于前面三个实施例，图4是这个启动电路的电路图。
启动电路90包括：晶体管93和98，它们采用镜像电流结构组成恒流源；晶体管94，其与晶体管93和98共享基极即控制端的电压，其发射极—基极面积为N倍(电流容量为N倍)；具有相同电阻值的电阻器95、96和99；第三负载元件，其为恒流源或电阻器97；和晶体管91和92，它们是第一和第二负载元件，组成电流反射镜电路。由第三负载元件97、晶体管98和电阻器99组成的组，由晶体管91和93以及电阻器95组成的组，和由晶体管92和94以及电阻器96组成的组，分别形成从电源电压(VCC)至地电位的电流路径。
第三负载元件97提供电流(I1)，电流(I1)流过晶体管91和93。在晶体管94中流过电流I2，其是晶体管92的电流与控制电流供给电路的电流(I5)之和。
如上所述，当电源启动(供电)时，公式(1)成立，结果由带隙参考电路11产生的电压上升并到达恒定电压(Vref)。
同样如第一实施例中所述，当反馈电流(Icomp)流过时，在启动电路90中公式(2)成立，当连接至输出端子(VREF)的负载值改变时，负反馈被激活。
在启动电路90中，晶体管91和92的两个集电极电压低于电源电压(VCC)电压，其量值为正偏置电压(Vf)，这样能消除由早期效应引起的流过晶体管91和92的电流的细微差别。因此，启动时用来控制电流供给电路的电流(I5)的建立变得比较容易。
上面描述了根据本发明实施例的恒定电压产生器。使用这种恒定电压产生器，电子设备即使在电源电压(VCC)较低并且消耗电流较大的情况下，也能成功地操作。本发明不限于这些实施例，在权利要求所述事项的范围内，它的设计可进行各种修改。例如，在上述实施例中描述过的是假定为双极型晶体管，但无需说明，某些双极型晶体管可用MOS型代替。

Claims (9)

1.一种用于从输出端子输出恒定电压的恒定电压产生器，包括：
带隙参考电路，其连接至所述输出端子并产生恒定电压；
电流供给电路，其连接至所述输出端子并向其提供电流；
启动电路，其用于控制启动期间和启动之后流过电流供给电路的所述电流；和
电压电流转换电路，其用于将输出端子的电压起伏转换为电流起伏，
其特征在于：所述启动电路进一步包括：第一和第二负载元件；与第一负载元件相连的第一晶体管；第二晶体管，其电流容量大于第一晶体管，与第一晶体管共享控制端电压并与第二负载元件相连；与第一晶体管相连的第一电阻器；和与第二晶体管相连的第二电阻器；和
所述电压电流转换电路的输出被输入至第二晶体管与第二电阻器之间的连接点，第二负载元件与第二晶体管之间连接点上的电流控制所述电流供给电路。
2.根据权利要求1所述的恒定电压产生器，其特征在于：所述电流供给电路包括PNP型晶体管，其基极受第二负载元件和第二晶体管之间连接点上的所述电流控制。
3.根据权利要求1所述的恒定电压产生器，其特征在于：所述第一晶体管为二极管接法。
4.根据权利要求1所述的恒定电压产生器，其特征在于：所述第一和第二晶体管为NPN型。
5.根据权利要求4所述的恒定电压产生器，其特征在于：所述第一晶体管为二极管接法。
6.根据权利要求1所述的恒定电压产生器，其特征在于：所述第一和第二负载元件是恒流源。
7.根据权利要求6所述的恒定电压产生器，其特征在于进一步包括：二极管接法的第三晶体管，其与所述第一和第二晶体管共享控制端电压；与第三晶体管相连的第三电阻器；和用来向第三晶体管供应电流的第三负载元件。
8.根据权利要求7所述的恒定电压产生器，其特征在于：所述第一、第二和第三晶体管为NPN型。
9.一种在低电源电压、大消耗电流条件下操作的电子设备，其特征在于包括根据权利要求1的恒定电压产生器。
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