產生直流電流的電路裝置的製作方法

2023-08-11 02:18:56 3

專利名稱：產生直流電流的電路裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一個產生直流電流的電路裝置。
對靠插入電池工作的器件的電子電路裝置而言，由於經濟和生態的原因，儘可能低的能源消耗是其追求的目標。因此對這種器件來說，設計當工作時具有低的電源電壓和低功耗的電子電路是非常重要的。在這種情況下，僅由一節電池作為電源，其目的在於省去為升高電源電壓的直流電壓變換器。舉一例子，在這種情況下用本方法供給電壓的電子電路可在電源電壓下降到0.9V時仍可無任何限制地保持運轉，而其正常電源電壓數值為1V。考慮雙極電晶體，基極-發射極電壓在導通狀態下的典型數值約為0.7V這一事實，這就有必要應用以上所述來建立專門的電路框架，因為很多電晶體電路僅在相當高的電源電壓之下才能工作。
在許多領域中需要有穩定的直流電流作為電流基準，此穩定的直流電流與電源電壓的變化無關，例如，由於電池的不同充電狀態引起的電池所提供的電壓變化必須不影響被供電的電子電路的功能。
本發明的目的是提供可作為電流基準的電路裝置，該裝置被用於非常低的電源電壓，最好約0.9V，有簡單的結構，有穩定的工作特性和能提供有負溫度係數的電流。
按本發明該目的由產生直流電流的電路裝置來達到，包括一電流源級，在一輸入端上備有通過一輸入電阻引導的測試電流，包含一個基極-發射極路徑與輸入電阻並聯的電流源三極體，其集電極構成電流源極的輸出端，提供輸出電流。
電流鏡級，它對工作阻抗提供電流源極的鏡翻轉輸出電流，在工作阻抗上產生響應於輸出電流的一個控制電壓。
電流器組。它有提供控制電壓的控制輸入端，並最少有兩個同時受控於控制電壓的輸出端，輸出端上提供互成比例的電流的輸出，其基本的電流是測試電流。
這一點在文章「A Curvature-Corrected Low-Voltage BandgapReference」中可見，該文公開於IEEE雜誌「固態電路」1993年6月第六期第28卷中(P667-P670)。特別是在P668，圖3中公開一個產生直流電流的電路裝置，它由低於1V的電源電壓供電。該電路裝置包含一個基極-發射極路徑上並聯一個電阻的npn的三極體，電阻上流過到電流器組分支電流的一部分。電流器組分支包括一個npn三極體，它以電流鏡電路的形式連接到另一個作為二極體的pnp三極體。這個作為二極體的pnp三極體被另一個npn三極體饋電，後者的基極被連接到前面的NPN三極體的集電極上。該連接由電流源饋電。
已經發現這個已知的電路有強的振蕩可能，儘管有補償措施仍不適合作電流基準。
按本發明的電路裝置中，由電流源、電流器組和電流鏡級構成閉環控制電路，控制電路提供了電路裝置的有效穩定性。按本發明的電路裝置可使用低於0.9V左右的電源電壓而可操作性不受限制。它結構簡單且產生有負溫度係數的直流電流，即電路工作溫度降低時直流電流隨之減小。
較可取的是，電流器組產生的控制電壓通過電電流鏡級影響工作阻抗，該阻抗由三極體的主電流路徑構成，三極體的控制極至少由保證電路裝置能工作的起始電流供電。當仍無電流的電流鏡級進入工作時，起始電流在工作阻抗中產生一個來自電流器組控制輸入端的電流，其結果在同時受控的電流器組輸出端上產生輸出電流，電流源級的測試電流也在其中。在工作中該電流源級同樣也在鏡電流級中產生電流饋給工作阻抗。此外，起始電流可用於調節工作阻抗到要求的阻抗值(電阻值)，為此，優先選用恆定的起始電流。起始電流由被連接到構成工作阻抗的三極體控制極上的電源供電級來提供。
當電路的工作溫度下降時，按本發明的電路裝置產生的直流電流減小。故按本發明的電路有負的溫度係數。根據這種情況，在要求有負溫度係數電流基準時，本發明的電路可產生所要求的基準電流。另一方面，在基準電流輸出端上產生一個有正溫度係數的基準電流的基準電流源也是需要和可能的。更進一步，溫度係數的數值可以進行對照。此時，有正溫度係數的該(另一個)基準電流源的基準電流輸出端被連接到按本發明的電路裝置的電流器組的同時受控的輸出端之一(另一個)上，該電路裝置相當於一個有負溫度係數的基準電流源，有正溫度係數的基準電流可以同所述電流器組的輸出(有負溫度係數)進行線性結合，以構成總輸出電流，即最好電流彼此相加。因為在合適地設計時正的和負的溫度係數彼此抵消，總輸出電流可以與規定的溫度範圍無關。最好一個所謂的「帶隙」電路可被選作為有正溫度係數的基準電流源。這種基準電流源亦稱為帶隙(bandspace)，是具有正溫度係數器件，其基準電流來自該半導體材料的帶隙電壓，這裡使用的電子元件就是用這種材料做成的。
按本發明的電路裝置更優選的實施例在有關的權利要求中有很明確的。
本發明的這些和其他部分根據並參照在以下所述的實施例說明將是很清楚的。
圖中

圖1示出所謂的帶隙電路(帶隙基準)的一個例子。
圖2為按本發明的可產生有負溫度係數的直流電流的電路實施例。
圖3示出在預定溫度範圍內可產生與溫度無關的直流電流的電路裝置。
圖1示出作為帶隙電路(帶隙基準)的基準電流源1，在基準電流輸出端2上提供有正溫度係數基準電流。基準電流源1包括配置成偶極的起始電路3，其一端連到電源供電端4，另一端連到兩個發射極耦合的npn管5、6中第一個的基極。第一個npn三極體5的基極被連到第二個npn管6的集電極，也連到參考電流源1的供電電流輸出端7上。npn三極體5和6的發射極被連到地8。第一個npn三極體5的集電極被連到作為二極體的第一個pnp三極體9的集電極，管9的發射極經發射極電阻10按需要接到電源供電端4。第一個pnp三極體9的基極與後面兩個pnp三極體11，12的基極相連，而管11，12的發射極經發射極電阻13，14按要求與電源供電端4相連。pnp三極體9，11，12構成電流鏡電路，受控於第一個pnp三極體。第二個pnp三極體11的集電極經過電阻15連到第二個npn三極體6的集電極，也連到供電電流輸出端7。此外，第二個pnp三極體11的集電極和第二個npn管6的基極之間有線相連。電流鏡電路的第三個pnp三極體12的集電極構成基準電流源1的基準電流輸出端2。起始電路3包括一個接在電源供電端4和第一個npn三極體5基極之間作為二極體的三極體。
隨著電源端4的電流電壓下降到約0.9V，圖1中所示的基準電流源1，施加隨溫度上升的一個基準電流於該基準電流輸出端2上。
按本發明的電路裝置16的典型實施例示於圖2，用於產生有負溫度係數的直流電流，包括由輸入電阻17和電流源三極體18組成的電流源級。輸入電阻17的一端和由npn三極體構成的電流源三極體18的發射極被接到地8，電流源三極體18的基極與輸入電阻17的另一端彼此相連。電流源三極體18的集電極連到作為二極體的pnp三極體19的集電極和基極，管19的發射極連到電源供電端4。pnp三極體19與下一個三極體20一起構成電流鏡級。為此，pnp三極體19和20的基極彼此相連。pnp三極體20的發射極經過歐姆量級的穩定電阻21接到電源供電端4上。當pnp三極體19的集電極構成電流鏡級的輸入端時下一個pnp三極體20的集電極就是該級的輸出端。這個輸出端經過作為工作阻抗的npn三極體22的集電極-發射極路徑連接到地8。
三極體22和20的集電極之間的節點同時構成電流器組的控制輸入端23，電流器組包括兩個pnp三極體24，25，兩管的基極被接到控制輸入端23，兩管的集電極構成電流器組的同時受控輸出端26，27。第一個同時受控輸出端26(即是電流器組的第一個pnp管24的集電極)與輸入電阻17和電流源三極體18之間的節點相連，也就是連到電流源級的輸入端。電流器組的pnp三極體24，25的發射極經過發射極電阻28，29連到電源供電端4。一個穩定電容30被插入到電流器組24，25的控制輸入端23和電流源級17，18的輸入端(即是電流器組24，25的輸出端26)之間。
所述電路裝置16構成閉環控制電路，包括電流源級17，18、電流鏡級19，20，電流器組24，25。該閉環控制電路控制來自電流器組24，25的第二輸出端27的直流電流，有負的溫度係數。電流器組24，25的第二輸出端27構成電路裝置16的輸出。在電路裝置16工作時，電流器組24，25的第一輸出上(即是電流器組第一pnp三極體24的集電極上)的測試電流正比於通過電流源級輸入電阻17的直流電流。測試電流在電阻17上產生電壓，該電壓控制電流源三極體18的集電極電流，此集電極電流構成電流源級17，18的輸出電流。電流源級17，18的輸出電流同時相當於電流鏡級19，20的輸入電流，該輸出電流通過電流鏡級對工作阻抗作鏡翻轉。由電流鏡級19，20產生的電流(電流鏡級的輸出電流)引起作用在工作阻抗上的控制電壓，該電壓通過控制輸入端23控制電流器組24，25和在輸出端26，27上的輸出電流，即測試電流。
從電流源級19，20到工作阻抗22的傳送電流的路徑中的歐姆級穩定電阻21和穩定電容30被附加地用於穩定電路裝置16的工作特性，進一步抑制振蕩趨勢。圖2中構成工作阻抗的三極體22通過控制電極-基極31連接到電源供電級32。該電源供電極包括作為二極體的npn三極體33，其發射極接地，基極接到控制電極31。npn三極體33的基極連到npn三極體33的集電極也連到恆流源34的一端，恆流源也連到電源供電端4上。恆流源34對主電流路徑(即npn三極體33的集電極-發射極路徑)和工作阻抗22的控制電極31提供電流。當電路裝置16進入工作時，即供電電壓被加到電源供電端4時恆流源34經控制電極31的作用在工作阻抗22中產生電流。在電流器組24，25中該電流引起測試電流和在輸出端27上的直流電流。測試電流經由電流源級17，18和電流鏡級19，20使構成電路裝置16的閉環控制電路進入工作狀態。一旦電路裝置16到達工作狀態，由恆流源產生的恆定電流提供了一個穩定的工作阻抗設置。在這種工作狀態下，加到控制極31上的起始電流的作用時間比電流裝置16進入工作所需的時間要長。
圖3是一個連接示意圖，把圖1所示的基準電流源1和圖2所示的有負溫度係數的產生直流電流的電路裝置16相連接，其電路元件已描述過且用相同的參考符號。基準電流源1和電路裝置16被連到相同的電流供電端4上。為了提供有正溫度係數的基準電流，基準電流源1的基準電流輸出端2與有負溫度係數的直流電流電路裝置16的輸出端27在公共輸出端35上相連，另外此例中基準電流和電流器組24，25的輸出端27中的電流在公共端35上線性結合構成總輸出電流。基準電流源1和電路裝置16按在公共輸出端35上的總輸出電流在預定的溫度範圍內與溫度無關為原則進行合適地設計。
更進一步觀察圖3中電路裝置，供電電流輸出端7被連到控制極31上以使基準電流源1提供工作阻抗22的起始電流，在電路進入工作狀態所需的一段時間以後這個起始電流仍被維持，以設置工作阻抗的工作點。圖3方案與圖2相比較可以看出，供電電流級32被省去，被基準電流源1接替，它有雙重功能。
圖3的例子中包括插在電源供電端4和公共輸出端35之間恆流源36，它可提供在總輸出電流上的一個附加恆定電流。
圖3所示的電路可方便地用作晶體振蕩器的電流基準，由普通的1V電壓電源驅動，也可用於無線尋呼器。
權利要求
1.產生直流電流的電路裝置包括一電流源級，在一輸入端上備有通過一輸入電阻引導的測試電流，包含基極發射極路徑與輸入電阻並聯的電流源三極體，其集電極作為提供輸出電流的電流源級的輸出端。電流鏡級，使電流源級的輸出電流對工作阻抗作鏡翻轉，在工作阻抗上產生響應於該輸出電流的控制電壓。電流器組，有提供控制電壓供電的控制輸入端；有至少兩個同時受控於控制電壓的輸出端；這些輸出端上提供互成比例的電流的輸出，其基本的電流作為測試電流。
2.按權利要求1的電路裝置，其特徵在於工作阻抗由三極體的主電流路徑構成，該管的控制極被饋入至少使電路裝置進入工作狀態的起始電流。
3.按權利要求2的電路裝置，其特徵在於作為工作阻抗的三極體的控制級被連到供電電流級。
4.按權利要求3的電路裝置，其特徵在於供電電流級包括一個用作二極體的三極體和一個恆流源。該恆流源給用作二極體的三極體的主電流路徑和形成工作阻抗的三極體的控制極施加電流，所述的兩個三極體的控制極彼此相連。
5.按權利要求1，2或3的電路裝置，其特徵在於，一個基準電流源在其基準電流輸出端上提供一個具有正溫度係數的基準電流，這個基準電流輸出端與電流器組的同時受控輸出端中的一個(第二個)相連，以通過基準電流與所述電流器組輸出電流的線性結合形成總輸出電流。
6.按權利要求5的電路裝置，其特徵在於基準電流源由所謂的帶隙電路構成。
7.按權利要求6的電路裝置，其特徵在於，基準電流源被設計得使總輸出電流在預定的溫度範圍內與溫度無關。
8.按權利要求2與權利要求5，6或7之一結合的電路裝置，其特徵在於基準電流源有供電電流輸出端，該輸出端連到構成工作阻抗的三極體的控制極，用以供給起始電流。
9.按前述權利要求之一的電路裝置，其特徵在於一個穩定電容插接在電流器組的控制輸入端與電流源級的輸入端之間。
10.按前述權利要求之一的電路裝置，其特徵在於，在電流路徑中的歐姆穩定電阻，用於導通從該電流鏡級到工作阻抗的電流。
11.一個無線尋呼器(尋呼器)包括了一個按前面所述權利要求之一的電路裝置。
全文摘要
本發明給出產生直流電流的電路裝置。包括:電流源級,它在一個輸入端上備有通過一輸入電阻引導的測試電流,它包括基極－發射極路徑與輸入電阻並聯的電流源三極體,該管的集電極作為提供輸出電流的電流源級的輸出端。電流鏡級,使電流源級的輸出電流對工作阻抗作鏡翻轉,在工作阻抗上產生響應於該輸出電流的控制電壓。電流器組,有提供控制電壓的控制輸入端;有至少兩個同時受控於控制電壓的輸出端;這些輸出端上有互成比例的電流,其中基本的電流作為測試電流。其結果為:建立一個電流基準,該基準可用非常低的電源電壓,0.9V左右。該基準簡單且有穩定的工作特性,產生有負溫度係數的基準電流。
文檔編號H04Q7/12GK1190474SQ97190473
公開日1998年8月12日 申請日期1997年3月11日 優先權日1996年3月13日
發明者B·迪克, A·維徹恩 申請人:菲利浦電子有限公司