CN202383552U - 一种改进的带隙基准电压源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种改进的带隙基准电压源，将传统的使用两个P型场效应晶体管作为双极型器件两个支路的电流源，替换为一个P型场效应晶体管，用两个匹配电阻形成两个电流支路，有效的消除了场效应晶体管器件之间的精度失配，减小了失调电压对基准电压源输出的影响，包括两个双极型第一晶体三极管Q1和第二晶体三极管Q2,第一晶体三极管Q1的发射极串联第一电阻R21后与第一P型场效应晶体管M1的漏极连接，第二晶体三极管Q2的发射极串联第二电阻R0和第三电阻R22后也与第一P型场效应晶体管M1的漏极连接，第一P型场效应晶体管M1与第二P型场效应晶体管M2构成电流镜像电路，基准电压源的输出电压VBG为与第二P型场效应晶体管M2串联连接的第四电阻Rbg两端的输出电压。
Description
技术领域
本实用新型涉及基准电压源技术领域，特别是涉及一种改进的带隙基准电压源。
背景技术
基准电压源通常是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源。理想的基准电压源应不受电源和温度的影响，在电路中能提供稳定的电压。随着集成电路规模的不断增大，它成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟***中不可缺少的基本电路模块，在许多集成电路和电路单元中，都需要精密而又稳定的电压基准，因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它的精度和稳定性直接影响着整个电子***的性能和精度。
一般常用的基准电压源是带隙基准电压源，通常采用双极型晶体三极管来实现，但是双极型晶体三极管的基极-发射极电压具有负温度特性，为抵消基极-发射极电压的负温度特性，产生与温度无关的电压基准，就需要具有正温度特性的电压，研究表明，两个工作在不同电流密度下的双极型晶体三极管的基极-发射极电压的差值与温度成正比，带隙基准电压源的工作原理就是利用双极型晶体三极管构造正负温度系数的参数进行温度补偿，使具有正温度系数特性的基极-发射极电压压差△VBE与具有负温度系数特性的基极-发射极电压VBE相抵消，得到温度系数接近与零的基准电压。
如图1所示，参考文献“A CMOS Bandgap Reference Circuit with Sub-1-V Operation”,H.Banba etc.,IEEE JSSC,Vol.34,No.5,May 1999.提供了一种常见的带隙基准电压源。包括与双极型晶体三极管具有相同作用的二极管D1和D2，其中D1是一个二极管，D2是N个二极管，D1连接场效应管P1，D2通过电阻R3连接场效应管P2，栅极共接的P1与P2和P3构成电流镜像电路，运算放大器的负输入端连接二极管D1，运算放大器的正输入端连接与二极管D2连接的电阻R3，运算放大器的输出端连接P1、P2、P3的栅极，与P3串联连接的电阻R4的输出端为基准电压输出端。从图1可以看出，流过二极管D1和D2两个支路的电流是分别用两个场效应管P1和P2来作为两个支路的电流源，换句话说，图1中D1和D2两条支路的电流匹配是由两个P型场效应晶体管P1和P2来决定的，实际情况是，场效应管P1和P2的器件之间的工艺偏差难以避免，因此必然存在失调电压，影响Q1和Q2两条支路的电流匹配精度，造成输出的基准电压更大的偏差。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种改进的带隙基准电压源，将传统的使用两个P型场效应管作为双极型器件两个支路的电流源，替换为两个支路的电流源来自于一个P型场效应管，然后经过两个匹配电阻形成两个电流支路，有效的消除了场效应管器件之间的精度失配，减小了失调电压对基准电压源输出的影响，可以得到更高精度的基准电压。
本实用新型的技术方案是：
一种改进的带隙基准电压源，包括两个基极与集电极分别短接的双极型第一晶体三极管Q1和第二晶体三极管Q2,其中第二晶体三极管Q2包括N个第一晶体三极管Q1，其特征在于，所述第一晶体三极管Q1的发射极串联第一电阻R21后与第一P型场效应晶体管M1的漏极连接，所述第二晶体三极管Q2的发射极串联第二电阻R0和第三电阻R22后也与第一P型场效应晶体管M1的漏极连接，所述第一P型场效应晶体管M1与第二P型场效应晶体管M2构成电流镜像电路，第一晶体三极管Q1的发射极还与运算放大器A的负输入端连接，运算放大器A的正输入端连接在第二电阻R0和第三电阻R22之间，运算放大器A的输出端与第一P型场效应晶体管M1和第二P型场效应晶体管M2的栅极共接，基准电压源的输出电压VBG为与第二P型场效应晶体管M2串联连接的第四电阻Rbg两端的输出电压。
所述第一电阻R21和第三电阻R22的阻值相等。
所述第一晶体三极管Q1的集电极和发射极两端并联第五电阻R11；所述与第二晶体三极管Q2的发射极串联的第二电阻R0的另一端与第二晶体三极管Q2的集电极之间并联第六电阻R12。
所述第六电阻R12和第五电阻R11的阻值相等。
所述第一P型场效应晶体管M1和第二P型场效应晶体管M2的跨导gm相等。
本实用新型的技术效果：
本实用新型提供的一种改进的带隙基准电压源，相比于参考文献的现有技术，其优势在于，将传统的使用两个P型场效应晶体管作为双极型器件两个支路的电流源，替换为两个支路的电流源来自于一个P型场效应晶体管，然后经过两个匹配电阻形成两个电流支路，而电阻的匹配精度要远高于场效应晶体管的匹配精度，因此有效的消除了器件之间的精度失配，并且由于减少了场效应晶体管的使用个数，最大程度地减小了失调电压的产生来源，因此可以得到更高精度的基准电压。
附图说明
图1是参考文献所示的基准电压源的结构示意图。
图2是本实用新型的改进的基准电压源的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步说明。
如图2所示，一种改进的带隙基准电压源，包括两个基极与集电极分别短接的双极型第一晶体三极管Q1和第二晶体三极管Q2,其中第二晶体三极管Q2包括N个第一晶体三极管Q1，第一晶体三极管Q1的发射极串联第一电阻R21后与第一P型场效应晶体管M1的漏极连接，第二晶体三极管Q2的发射极串联第二电阻R0和第三电阻R22后也与第一P型场效应晶体管M1的漏极连接，第一P型场效应晶体管M1与第二P型场效应晶体管M2构成电流镜像电路，第一晶体三极管Q1的发射极还与运算放大器A的负输入端连接，运算放大器A的正输入端连接在第二电阻R0和第三电阻R22之间，运算放大器A的输出端与第一P型场效应晶体管M1和第二P型场效应晶体管M2的栅极共接，基准电压源的输出电压VBG为与第二P型场效应晶体管M2串联连接的第四电阻Rbg两端的输出电压。其中第一电阻R21和第三电阻R22的阻值相等；另外，第一晶体三极管Q1的集电极和发射极两端并联第五电阻R11，与第二晶体三极管Q2的发射极串联的第二电阻R0的另一端与第二晶体三极管Q2的集电极之间并联第六电阻R12；第六电阻R12和第五电阻R11的阻值相等；第一P型场效应晶体管M1和第二P型场效应晶体管M2的跨导gm相等。
首先说明本实用新型的工作原理：图2中节点1和节点2在由运算放大器A、P型场效应晶体管M1以及由电阻R21、R22、R0、R11、R12共同组成的闭合环路的作用下，在不考虑工艺偏差和失调电压的情况下，它们的电压是相等的，即V1=V2，也即电阻网络中两个支路的电流大小I_ZTAT在理想情况下是完全一致的。现在我们通过分析节点2所在支路的电流来考察一下I_ZTAT的温度特性：首先，两个双极型晶体三极管Q1和Q2由于基极和集电极短接在一起，实际上这个时候它们就是两个普通的二极管，只是Q1是一个二极管(m=1)，Q2是N个二极管(m=N).其次，I_ZTAT实际上是流经电阻R12的电流（记为I_R12）和流经电阻R0的电流(记为I_R0)之和，即I_ZTAT=I_R12+I_R0。下面我们分别来计算这两个电流：流经电阻R12的电流I_R12=V2/R12=V1/R12=Vbe1/R12，其中Vbe1是Q1的基极-发射极间电压差,V1=Vbe1；流经电阻R0的电流：I_R0=(V2-Vbe2)/R0=(V1-Vbe2)/R0=(Vbe1-Vbe2)/R0=(kT/q)lnN/R0；因此，I_ZTAT=I_R12+I_R0=Vbe1/R12+(kT/q)lnN/R0。注意到Vbe1的温度系数是负的，而热电压kT/Q的温度系数是正的，因此只要调整R0,R12和N的适当比例，就可以实现零温度系数的电流I_ZTAT。这个零温度系数电流经过P型场效应晶体管M2的镜像作用，在电阻Rbg 上形成电压，即可得到零温度系数的基准电压VBG。
另外再说明一下本实用新型的图2相比于参考文献的图1的优势：如前所述，在由运算放大器A，P型场效应晶体管M1以及由R21,R22,R0,R11,R12等电阻网络共同组成的闭合环路的作用下，在忽略失调电压的情况下，节点1和节点2的电压是完全一样的（假设环路增益足够大），但在实际情况下，由于器件之间的工艺偏差总是难以避免的，因此失调电压总是存在的，就导致节点1和节点2的电压是有误差的，这种误差会传递到输出端VBG造成更大的偏差。而器件之间的精度失配是造成这种偏差的根本的物理来源。因此选取什么样的器件，例如是晶体管还是电阻等等，对VBG的失调大小有着直接的决定性影响。本实用新型的优势就在于通过替换造成失调电压产生来源的器件，来最大程度地减小这种偏差，从而实现高精度的电压基准。如前所述，要使节点1和节点2所在的支路电流大小保持一致，关键就在于本实用新型采用了和参考文献不同的方法来实现这两个支路的电流源：在图1中，是用了两个P型场效应晶体管P1和P2来作为两个支路的电流源，而在本实用新型的图2，两个支路的电流源来自于同一个P型场效应晶体管，然后经过两个匹配电阻R22和R21之后分别形成两个电流支路，因此，图1中两条支路的匹配精度是由两个P型场效应晶体管P1和P2的匹配精度来决定的，而图2中则是由两个电阻R21和R22的匹配精度来决定的。众所周知，电阻的匹配精度要远高于场效应晶体管，并且，还减少了场效应晶体管使用个数，这就是说，图2中的失调电压的来源要远低于图1，因此最终可以得到更高精度的基准电压。
Claims (5)
1.一种改进的带隙基准电压源，包括两个基极与集电极分别短接的双极型第一晶体三极管Q1和第二晶体三极管Q2,其中第二晶体三极管Q2包括N个第一晶体三极管Q1，其特征在于，所述第一晶体三极管Q1的发射极串联第一电阻R21后与第一P型场效应晶体管M1的漏极连接，所述第二晶体三极管Q2的发射极串联第二电阻R0和第三电阻R22后也与第一P型场效应晶体管M1的漏极连接，所述第一P型场效应晶体管M1与第二P型场效应晶体管M2构成电流镜像电路，第一晶体三极管Q1的发射极还与运算放大器A的负输入端连接，运算放大器A的正输入端连接在第二电阻R0和第三电阻R22之间，运算放大器A的输出端与第一P型场效应晶体管M1和第二P型场效应晶体管M2的栅极共接，基准电压源的输出电压VBG为与第二P型场效应晶体管M2串联连接的第四电阻Rbg两端的输出电压。
2.根据权利要求1所述的改进的带隙基准电压源，其特征在于，所述第一电阻R21和第三电阻R22的阻值相等。
3.根据权利要求1所述的改进的带隙基准电压源，其特征在于，所述第一晶体三极管Q1的集电极和发射极两端并联第五电阻R11；所述与第二晶体三极管Q2的发射极串联的第二电阻R0的另一端与第二晶体三极管Q2的集电极之间并联第六电阻R12。
4.根据权利要求3所述的改进的带隙基准电压源，其特征在于，所述第六电阻R12和第五电阻R11的阻值相等。
5.根据权利要求1所述的改进的带隙基准电压源，其特征在于，所述第一P型场效应晶体管M1和第二P型场效应晶体管M2的跨导gm相等。
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