[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200710044766.X
[51]Int.CI.
G05F 3/24 (2006.01)
[43]公开日2008年1月16日[22]申请日2007.08.10[21]申请号200710044766.X
[71]申请人启攀微电子（上海）有限公司
地址201103上海市宜山路1618号D栋4楼[72]发明人余维学 程剑涛 王传芳
[11]公开号CN 101105699A
[74]专利代理机构上海智信专利代理有限公司
代理人缪利明
权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 2 页
[54]发明名称
输出电压可调节的带隙基准电压电路
[57]摘要
本发明公开了一种带隙基准电压电路，包括基准电压配置单元以及电压调节配置单元，其中该电压调节配置单元包括一个输入端、一个输出端以及相互串联的第一调节电阻和第二调节电阻，其中该输出端位于该第一调节电阻和第二调节电阻之间，且与该第一晶体管单元和该第二晶体管单元的基极相连接，该串联的第一调节电阻和第二调节电阻其一端通过该输入端与基准电压输出端相连接，另一端接地。本发明的带隙基准电压电路，可通过调节电阻的比例实现不同的基准电压输出，同时保证了基准电压随温度的最低漂移。
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权 利 要 求 书
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1.一种带隙基准电压电路，包括： 基准电压配置单元，包括： 电源；
MOS晶体管单元，该MOS晶体管单元包括输入端、输出端、以及控制端，其中该输入端与该电源相连接；
运算放大器，包括正极性输入端、负极性输入端、以及输出端，其中该输出端与该MOS晶体管单元的控制端相连接；
第一电阻、第二电阻以及第三电阻，其中该第一电阻的一端与该MOS晶体管单元的输出端相连接，另一端与该运算放大器的正极输入端相连接，该第二电阻的一端与该MOS晶体管单元的输出端相连接，另一端和第三电阻串联，并且该端与该运算放大器的负极输入端相连接；
第一晶体管单元以及第二晶体管单元，该第一晶体管单元与该第二晶体管单元的发射极分别与该第一电阻以及该第三电阻相连接；基准电压输出端，与该MOS晶体管单元的输出端相连接；
其特征在于，该电路进一步包括一电压调节配置单元，包括一个输入端、一个输出端以及相互串联的第一调节电阻和第二调节电阻，其中该输出端位于该第一调节电阻和第二调节电阻之间，且与该第一晶体管单元和该第二晶体管单元的基极相连接，该串联的第一调节电阻和第二调节电阻其一端通过该输入端与基准电压输出端相连接，另一端接地。
2.如权利要求1所述的带隙基准电压电路，其特征在于，所述第一晶体管单元与所述第二晶体管单元的发射极接地。
3.如权利要求1或2所述的带隙基准电压电路，其特征在于，所述第二晶体管单元的集电极面积为所述第一晶体管单元集电极面积的多个倍数。
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4.一种带隙基准电压电路，其特征在于，包括：
如权利要求1所述的基准电压配置单元，作为第一基准电压配置单元； 如权利要求1所述的基准电压配置单元，作为第二基准电压配置单元； 其中：所述第二基准电压配置单元中该第一晶体管单元的基极与所述第一电压配置单元中该第一晶体管单元的发射极相连接，并且所述第二基准电压配置单元中该第二晶体管单元的基极与所述第一电压配置单元中该第二晶体管单元的发射极相连接；
电压调节配置单元，包括一个输入端一个输出端以及相互串联的第一调节电阻和第二调节电阻，其中该输出端位于该第一调节电阻和第二调节电阻之间，且与该第一基准电压配置单元中的该第一晶体管单元和该第一基准电压配置单元中的第二晶体管单元的基极相连接，该串联的第一调节电阻和第二调节电阻其一端通过该输入端与基准电压输出端相连接，另一端接地。 5.如权利要求4所述的带隙基准电压电路，其特征在于，所述第一基准电压配置单元中和所述第二基准电压配置单元中的第一晶体管单元和第二晶体管单元的集电极均接地。
6.如权利要求4或5所述的带隙基准电压电路，其特征在于，所述第一基准电压配置单元中的第二晶体管单元的集电极面积是所述第一基准电压配置单元中第一晶体管单元的集电极面积的多个倍数。
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说 明 书
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输出电压可调节的带隙基准电压电路
技术领域
本发明涉及模拟电子集成电路，具体地说，是一种带隙基准电压电路。背景技术
基准电压源或电压参考(Voltage Reference)通常是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源。随着集成电路规模的不断增大，尤其是系统集成技术(SOC)的发展，它也成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统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，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器，都需要精密而又稳定的电压基准。在数模转换器中，DAC根据呈现在其输入端上的数字输入信号，从DC基准电压中选择和产生模拟输出；在模数转换器中，DC电压基准又与模拟输入信号一起用于产生数字化的输出信号。在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统测量和校准的基准。因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性能和精度。基准源主要有齐纳二极管、掩埋齐纳二极管和带隙电压基准三种结构。
带隙基准的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电源电压和温度无关的特性。利用ΔVBE的正温度系数与双极型晶体管VBE的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压。双极型晶体管提供发射极偏压VBE，由两个晶体管之间的ΔVBE产生VT，通过电阻网络将VT放大α倍；最后将两个电压相加，即VREF＝VBE+αVT，适当选择放大倍数α，使两个电压的温度漂移相互抵消，从而得到在某一温度下的零温度系数的电压基准。下面详细推导这个原理。
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对于一个双极型晶体管NPN，其电流与电压的关系为： IC＝IS exp(VBE/VT) 公式(1)
公式(2)
其中，IS是基极-发射极(BE结)的反向饱和电流，k是Boltzmann常数，q是电子电量，T是绝对温度。正常工作时，三极管基极-发射极电压电流和电压的关系为：
公
式(3)
通过对T取导数，设IC保持不变，最后求得：
公式(4)
对于给定的两个正向偏置的基极-发射极电压VBE1和VBE2，假设两个晶体管的发射极面积比为1∶N(N＞1)，且两个晶体管的集电极电流相等。则两个BE结的电压差ΔVBE可表示为：
公式(5) 这样，ΔVBE就表现出了正温度系数：
公式(6)
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从公式(4)、(6)中，我们分别得到了正、负温度系数的电压。为了得到零温度系数的基准电压，定义基准电压 VREF＝VBE+αVT 公式(7)
通过以上的分析，只要合理的选择α的值就能得到零温度系数的基准电压。
图1为传统的带隙基准电路。该电路是使用运算放大器A 104、三个电阻R1 102、R2 103、R3 105、MOS晶体管单元101和两个寄生晶体管单元Q1 106、Q2 107实现的。晶体管Q2 107是由N个并列的晶体管单元组成，而Q1是一个晶体管单元。
假设基极电流可以忽略，理想放大器104确保X、Y两端的电压值相等。所以流过电阻R3 105的电流为：
公式(8)
公式(9)
在室温下_ΔVBE/_T≈-1.5mV/°K，_VT/_T≈+0.087mV/°K，所以零温度系数的基准电压为：
VREF＝VEB2+17.2VT≈1.25V 公式(10)
为了满足不同应用的需求，图2为2.5V输出的基准电路。晶体管Q3 206、Q4 207集电极面积的比例为1∶N与Q1 208、Q2 209的比例相同。根据基准的原理可得室温下基准的输出电压为：
公式(11)
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上述的传统带隙基准电路的缺点在于：基准的输出电压为一定值，不能随着应用的不同而调节其输出值。特别在A/D和D/A转换器这样的系统中，需要不同电压输出的基准来确定其不同的输入或输出的全程范围时；另外，不同的工艺，室温下，零温度系数的基准输出电压也随之变化。发明内容
为解决现有的带隙基准电压电路中存在的上述问题，本发明提供了一种新型的输出电压可调节的带隙基准电压电路。
根据本发明的一个实施方式，本发明的带隙基准电压电路，包括： 基准电压配置单元，包括： 电源；
MOS晶体管单元，该MOS晶体管单元包括输入端、输出端、以及控制端，其中该输入端与该电源相连接；
运算放大器、包括正极性输入端、负极性输入端、以及输出端，其中该输出端与该MOS晶体管单元的控制端相连接；
第一电阻、第二电阻以及第三电阻，其中该第一电阻的一端与该MOS晶体管单元的输出端相连接，另一端与该运算放大器的正极输入端相连接，该第二电阻的一端与该MOS晶体管单元的输出端相连接，另一端和第三电阻串联，并且该端与该运算放大器的负极输入端相连接；
第一晶体管单元以及第二晶体管单元，该第一晶体管单元与该第二晶体管单元的发射极分别与该第一电阻以及该第三电阻相连接； 基准电压输出端，与该MOS晶体管单元的输出端相连接； 该电路进一步包括一电压调节配置单元，包括一个输入端、一个输出端以及相互串联的第一调节电阻和第二调节电阻，其中该输出端位于该第一调节电阻和第二调节电阻之间，且与该第一晶体管单元和该第二晶体管单元的
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基极相连接，该串联的第一调节电阻和第二调节电阻其一端通过该输入端与基准电压输出端相连接，另一端接地。
根据本发明的另一个实施方式，本发明的带隙基准电压包括： 如上所述的基准电压配置单元，作为第一基准电压配置单元； 如上所述的基准电压配置单元，作为第二基准电压配置单元； 其中：所述第二基准电压配置单元中该第一晶体管单元的基极与所述第一电压配置单元中该第一晶体管单元的发射极相连接，并且所述第二基准电压配置单元中该第二晶体管单元的基极与所述第一电压配置单元中该第二晶体管单元的发射极相连接；
电压调节配置单元，包括一个输入端、一个输出端以及相互串联的第一调节电阻和第二调节电阻，其中该输出端位于该第一调节电阻和第二调节电阻之间，且与该第一基准电压配置单元中的该第一晶体管单元和该第一基准电压配置单元中的第二晶体管单元的基极相连接，该串联的第一调节电阻和第二调节电阻其一端通过该输入端与基准电压输出端相连接，另一端接地。 本发明的带隙基准电压电路，可通过调节电阻的比例实现不同的基准电压输出，同时保证了基准电压随温度的最低漂移。附图说明
图1是现有的一种带隙基准电压电路的原理图； 图2是现有的另一种带隙基准电压电路的原理图；
图3是本发明的带隙基准电压电路的一个实施方式原理图； 图4是本发明的带隙基准电压电路的另一个实施方式原理图。 具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式，更详细地说明本发明的带隙基准电压电路的组成和工作原理。
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如图3所示是本发明的一个实施方式原理图，与图1所示的现有的带隙基准电压电路相比，该实施方式增加了由R4 308及R5 309组成的电压调节配置单元。
具体地，如图3所示，该带隙基准电压电路包括如图1所示的基准电压配置单元以及新增加的电压调节配置单元。其中该基准电压配置单元包括电源Vcc，用于为电路提供电源供应；MOS晶体管单元301，该MOS晶体管单元301包括输入端、输出端、以及控制端，其中该输入端与该电源Vcc相连接；运算放大器A 304，包括正极性输入端Y、负极性输入端X、以及输出端，其中该输出端与该MOS晶体管单元301的控制端相连接；第一电阻R1 302、第二电阻R2 303以及第三电阻R3 305，其中该第一电阻的R1一端与该MOS晶体管单元301的输出端相连接，另一端与该运算放大器的正极输入端Y相连接，该第二电阻的R2一端与该MOS晶体管单元301的输出端相连接，另一端和第三电阻R3串联，并且该端与该运算放大器A 304的负极输入端X相连接；第一晶体管单元Q1 306以及第二晶体管单元Q2 307，该第一晶体管单元Q1 306与该第二晶体管单元Q2 307的发射极分别与该第一电阻R1以及该第三电阻R3相连接；
该电压调节配置单元，包括一个输入端、一个输出端以及相互串联的第一调节电阻R4 308和第二调节电阻R5 309，其中该输入端位于该第一调节电阻R4和第二调节电阻R5之间，且与该第一晶体管单元Q1和该第二晶体管单元Q2的基极相连接，该串联的第一调节电阻R4和第二调节电阻R5其一端通过该输出端与基准电压输出端VREF相连接，另一端接地。 另外，该电路的基准电压输出端VREF与该MOS晶体管单元的输出端相连接。
本实施方式中，第一晶体管单元Q1和第二晶体管单元Q2的基极相互连接，并且集电极均接地。
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根据本实施方式提供的电路结构，结合公式(9)，可以得出基准输出电压为：
公式(11)
公式(12)
结合公式(11)、(12)可得：
公式(13)
由公式(13)可以得到，通过调节第二电阻R2 303、第三电阻R3 305的电阻比例，使基准电压在特定的工艺以及工作温度下实现最低的温漂，同时可以通过调节第一调节电阻R4 308、第二调节电阻R5 309的电阻比例，实现不同的基准输出。
考虑到在现有工艺下实现电阻会有一定的偏差，图3的电路结构在实现高电压输出时精度会受到电阻R4 308、R5 309比值偏差的影响。如图4所示为本发明的另一种低温漂输出可调的带隙基准电路，该结构一般应用于输出电压大于2V的基准电路。
这种新的带隙基准电路由两个上述基准电压配置单元组成的环路组成。其中，第一基准电压配置单元组成的回路包括PMOS管401、放大器A1 410、电阻R4 406、R5 405、R6 408和三极管Q1 415、Q2 416。该环路的作用是确定三极管Q3 411、Q4 412的基极电压。第二基准电压配置单元组成的第二个环路包括PMOS管402、放大器A2 409、电阻R1 403、R2 404、R3 407和三极管Q3 411、Q4 412。该环路是本实施例的带隙基准电路的主体结构。两个环路的连接方式上，该第二基准电压配置单元中该第一晶体管单元Q3
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的基极与所述第一电压配置单元中该第一晶体管单元Q1的发射极相连接，并且所述第二基准电压配置单元中该第二晶体管单元Q4的基极与所述第一电压配置单元中该第二晶体管单元Q2的发射极相连接
本实施方式中，电压调节配置单元的组成与上述实施方式相同，包括第一调节电阻R7 413和第二调节电阻R8 414。并且，该电压调节配置单元的输出端与Q1、Q2的基极相连接。
进一步参照图4，假设放大器A1 410为理想放大器，R4＝R5，当第一个环路稳定时，流过R4 406、R5 405的电流大小相等，Q1 415与Q2 416的集电极面积为1∶N，则：
公式(14)
三极管Q 1415、Q2 416共基极，且基极电压由电阻R7 413、R8 414的比例以及基准的输出电压决定：
公式(15)
VB4＝VE2＝VZ+VEB2 公式(16) VB3＝VE1＝VZ+VEB1 公式(17)
同样假设R1＝R2，三极管Q3 411、Q4 412的发射极电压的差值为：
公式(18)
公式(19)
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由公式(15)、(19)可得：
公式(20)
从公式(20)可得，通过调节R7(413)、R8(414)的比例能够得到不同的输出电压。
综上所述，本发明的带隙基准电压电路，可通过调节电阻的比例实现不同的基准电压输出，同时保证了基准电压随温度的最低漂移。
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