可調負電壓基準電路的製作方法

2023-11-07 02:28:27

專利名稱：可調負電壓基準電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源電路，特別涉及一種可調負電壓基準電路。
背景技術：
電源管理集成電路中最經典的電壓基準電路就是帶隙電壓基準源。傳統的帶隙電 壓基準源Vbg—般由VBE+nVT 二部分組成，Vbe是負溫度係數雙極型電晶體(BJT)的基極與 發射極電壓，Vt是正溫度係數的等效熱電壓，η為比例係數，n> 1。Vbg受到雙極型電晶體 的基極與發射極電壓Vbe約0. 7V的限制，加上η倍的正溫度係數的等效熱電壓VT，Vt與正 溫度係數恆定電流源中的同類型比例雙極型電晶體電路中的兩個BJT管的基極與發射極 電壓的差Δ Vbe線性相關，故輸出電壓基準也可表達為VBE+ni Δ Vbe組成，Ii1為大於1的常數， 輸出電壓基準值約1.2V，它是一種穩定可靠的不隨溫度變化的基準電壓。用負電源電路適 當調整電路的取樣點就能實現負的帶隙基準電壓。在實際電路設計中常把帶隙電壓基準再 通過電阻網絡分壓或倍壓得到各種不同的基準電壓。通常金屬氧化物半導體場效應管(MOS)電路實現傳統的零溫度係數負帶隙電壓 基準電路有二種。圖1、圖2所示是雙極型電晶體和金屬氧化物場效應管兼容工藝下通常採用的二 種負帶隙電壓基準電路實現方法。圖1所示電路，是由同類型比例雙極型電晶體(BJT)部分20、M0S管比例電流鏡部 分5、運算放大器18和輸出部分電阻R2、第八BJT管T8等組成。MOS管比例電流鏡部分5 由N溝道金屬氧化物場效應管(NMOS)第一 MOS管Tl、第二 MOS管T2、第三MOS管T3組成， 其中第一 MOS管Tl、第二 MOS管T2與第三MOS管T3的寬長比例為1 1 K，K是正的比 例常數。它們的源極(S)都接負電壓源Vss，它們的柵極(G)都連在一起接運算放大器18 輸出端，第一 MOS管Tl管的漏極⑶通過第六BJT管T6的反向PN結接地，第二 MOS管T2 管的漏極通過第七BJT管T7的反向PN結連接第一電阻Rl到地，第三MOS管T3的漏極作 為負電壓基準Vref輸出端，通過第八BJT管T8的反向PN結連接第二電阻R2到地，運算放 大器18負輸入端連接第一 MOS管Tl的漏極和第六BJT管T6的PN結負極端，正輸入端連 接第二 MOS管T2的漏極和第七BJT管T7的PN結的負極端。同類型比例BJT管20部分由 第六BJT管T6、第七BJT管T7和第一電阻Rl組成，其中有效發射區面積第七BJT管T7是 第六BJT管T6的N倍(N> 1)，第六BJT管T6、第七BJT管T7都連接成PN結構。輸出部 分第八BJT管T8也連接成PN結構。該零溫度係數帶隙電壓基準電路是利用運算放大器、MOS比例電流鏡結合同類
型比例雙極型電晶體，第六BJT管T6、第七BJT管T7的基極與發射極電壓差Δ Vbe在第一
AV V - V
電阻Rl上產生與溫度成正比例係數的恆定電流/內擬=一^= BE6m BE7,Vbe6為第六
JilKl
BJT管Τ6的基極與發射極電壓、Vbe7為第七BJT管Τ7的基極與發射極電壓，該正溫度特性 電流通過MOS比例電流鏡相應的比例K在第二電阻R2上產生相應的正溫度係數電壓V2=_K*Iptat*R2，而雙極電晶體第八BJT管T8上基極與發射極電壓Vbe8是負溫度係數電壓， 當二者按一定比例疊加時正好可相互抵消，所以能產生近似為零溫度係數的負電壓基準 Vref = -K*Iptat*R2-VBE8，而這電壓正好接近半導體的帶隙電壓約負1. 2伏。圖2所示電路，是由同類型比例雙極型電晶體(BJT)部分20、M0S管比例電流鏡部 分5、MOS管正反饋電路26和輸出部分第二電阻R2、第八BJT管T8等組成。MOS管比例電 流鏡部分5由N溝道金屬氧化物場效應管(NMOS)第一 MOS管Tl、第二 MOS管T2、第三MOS 管T3組成，其中第一 MOS管Tl、第二 MOS管T2與第三MOS管T3的寬長比例為1 1 K， K是正的比例常數，它們的源極⑶都接負電壓源Vss，它們的柵極(G)都連在一起接P溝 道金屬氧化物場效應管(PMOS)第五MOS管T5的漏極，並且第二 MOS管T2的柵漏極短接， 第一 MOS管Tl管的漏極⑶連接PMOS第四MOS管T4的漏極和柵極，第四MOS管T4、第五 MOS管T5的柵極短接形成偏置節點，NMOS第一 MOS管Tl、NMOS第二 MOS管T2和PMOS第 四MOS管T4、PMOS第五MOS管T5組成正反饋電路。第三MOS管T3的漏極作為負電壓基 準Vref輸出端，通過第八BJT管T8的反向PN結連接第二電阻R2到地。同類型比例BJT 管20部分由第六BJT管T6、第七BJT管T7和第一電阻Rl組成，其中發射區面積第七BJT 管T7是第六BJT管T6的N倍(N > 1)，第一電阻Rl —端向上連接到地，另一端連接到第七 BJT管T7的PN結正極端，第七BJT管T7的PN結負極端接PMOS第五MOS管T5的源極，第 六BJT管T6的PN結負極端接第四MOS管T4的源極，PN結正極端接地。該零溫度係數帶隙電壓基準電路是利用正反饋電路、MOS比例電流鏡再結合同 類型比例雙極電晶體，第六BJT管T6、第七BJT管T7的基極與發射極電壓差Δ Vbe在第
一電阻Rl上產生與溫度成正比例係數的恆定電流爾如BE6pi BE7，VBE6為第
六BJT管T6的基極與發射極電壓、Vbe7為第七BJT管T7的基極與發射極電壓，該正溫度 特性電流通過比例電流鏡相應的比例在第二電阻R2上產生相應的正溫度係數電壓V2 =_K*Iptat*R2，而雙極型電晶體第八BJT管T8上基極與發射極電壓Vbe8是負溫度係數電 壓，當二者按一定比例疊加時正好可相互抵消，所以能產生近似為零溫度係數的負電壓基 準Vref = -K*Iptat*R2-VBE8，而這電壓正好接近半導體的帶隙電壓約負1. 2伏。以上所述是傳統常用的與溫度變化無關的負帶隙電壓基準源實現方法，其特點 Vref = -Vbe-H1 Δ Vbe, Vref = -VBE-nVT,(其中 Ii1 和 η 是比例係數，為大於 1 的常數)。Vref 的絕對值總是要大於BJT管基極與發射極電壓Vbe，故它受到BJT管基極與發射極電壓Vbe 約0. 7V的限制，BJT管基極與發射極電壓Vbe的負溫度係數約為_2mV/°C，正溫度係數恆定 電流源的等效熱電壓Vt的正溫度係數約0. 086mV/°C，正溫度係數恆定電流源的等效熱電壓 Vt又與正溫度係數恆定電流源中的同類型比例雙極型電晶體(BJT)電路中的兩個BJT管的 基極與發射極電壓的差△ Vbe線性相關，故輸出電壓基準要達到穩定可靠的不隨溫度變化 的電壓，則正負溫度係數要相互抵消，只有在固定的帶隙電壓基準一定範圍內輸出電壓接 近零溫漂。當工藝一定，管子匹配，圖1、圖2中的輸出電壓基準Vref接近負帶隙電壓基準 源-Vbg，基本就固定在負1.2伏附近。帶隙電壓基準源(Vbg,Bandgapvoltage reference) 用於產生1.2V左右的與溫度變化無關的基準電壓，當把電阻R2加大，則輸出電壓絕對值增 加，但其溫度特性會偏向正溫度係數變化，同理當把電阻R2減小，則輸出電壓絕對值降低， 但其溫度特性會偏向負溫度係數變化。
圖3所示是雙極型電晶體和金屬氧化物場效應管兼容工藝下通常採用的負帶 隙電壓基準電路原理圖，它由恆定正溫度係數的電流源、電阻Ro和連接成PN結構的BJT 管組成。恆定正溫度係數的電流源向下連接負電壓源Vss，向上連接BJT管的PN結負極 端並作為電壓基準Vref輸出端，BJT管的PN結正極端與電阻Ro—端連接，電阻Ro的
另一端連接地。從圖 3 可推出Vref = -k*Iptat*Ro-VBE =-k*~^*Ro-VBE，當
k*^"*^^" + ^^ = 0時，Vref就是零溫度係數的負電壓基準，其中k為正的比例常 Rl 5T 5T
數，Iptat為正溫度係數恆定電流，Vbe為BJT管的基極與發射極電壓，AVbe為正溫度係數 恆定電流源中的同類型比例雙極型電晶體(BJT)電路中的兩個BJT管的基極與發射極電壓 的差，Rl為圖1、圖2所示電路中的第一電阻，T為溫度。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種可調負電壓基準電路，所述負電壓 基準電路能實現包括負帶隙電壓在內的連續可調的零溫漂負電壓基準源，適合 BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工藝實現。為解決上述技術問題，本發明的可調負電壓基準電路，包括一正溫度係數恆定電流源，一負溫度係數恆定電流源，一可調輸出電阻；所述正溫 度係數恆定電流源與所述負溫度係數恆定電流源並聯，向下連接負電源，向上連接可調輸 出電阻的一端並作為負電壓基準Vref輸出端，可調輸出電阻的另一端連接地；所述二不同 溫度係數恆定電流源按照一定比例疊加成一個只與電阻溫度係數相關的恆定輸出電流源， 所述只與電阻溫度係數相關的恆定輸出電流源通過所述可調輸出電阻產生一個正比於可 調輸出電阻的可調負電壓基準Vref， 當kl*^^*Ro+ kl*^~*Iptat + k2*^^*Ro + k2*^^*Ictat = 0時，
就是零溫度係數的負電壓基準，其中Iptat為正溫度係數恆定電流，Ictat為負溫度係數恆
定電流，kl與k2是正的比例常數，Ro為可調輸出電阻，T為溫度。所述負溫度係數恆定電流源，包括PNP第八BJT管，分壓電阻第三電阻、第四電阻， 匹配NMOS第九MOS管、NMOS第十MOS管、第五電阻以及偏置電路；所述匹配第九MOS管、第 十MOS管的寬長完全一致，第九MOS管的源極與第八BJT管的集電極、第五電阻的一端相 連到負電源，第九MOS管的漏極連接第八BJT管的基極，並向上與第三電阻的一端相連，第 三電阻的另一端接第四電阻的一端及第九MOS管的柵極，第四電阻的另一端與第八BJT管 的發射極和第十MOS管的柵極相連接，並與偏置電路一端相連，偏置電路另一端接地，第十 MOS管的源極接第五電阻的另一端，第十MOS管的漏極接可調輸出電阻並作為負電壓基準 Vref輸出端，可調輸出電阻的另一端接地。本發明的可調負電壓基準電路，利用雙極型電晶體基極與發射極電壓Vbe及一組 電路實現溫度係數為負值的恆定輸出電流Ictat，利用同類型比例BJT電路的兩個BJT管的 基極與發射極電壓的差Δ Vbe及一組電路形成溫度係數為正值的恆定輸出電流Iptat，二者 通過一定比例疊加得到一個只與電阻溫度係數有關的恆定輸出電流源Iref，再通過可調輸出電阻從而產生一個正比於電阻值的零溫度係數可調負電壓基準Vref，由於可調輸出電阻 連續可調，所以基準電壓也連續可調，不管實際電壓偏大還是偏小，溫度係數都接近零，可 靈活應用於雙極型電晶體和金屬氧化物場效應管兼容工藝下的所有負基準電壓電路設計。


圖1是傳統的負帶隙電壓基準源實現電路一；圖2是傳統的負帶隙電壓基準源實現電路二 ；圖3是傳統的負帶隙電壓基準源原理圖；圖4是本發明的可調負電壓基準電路原理圖；圖5是本發明使用運放電路結構的可調負電壓基準電路；圖6是本發明使用正反饋電路結構的可調負電壓基準電路；圖7是本發明正溫度係數恆定電流源中的同類型比例BJT管電路採用NPN管的可 調負電壓基準電路；圖8是本發明正溫度係數恆定電流源中包括轉換電流鏡和運算放大器的可調負 電壓基準電路；圖9是本發明正溫度係數恆定電流源中包括轉換電流鏡和正反饋電路的可調負 電壓基準電路；圖10是本發明負溫度係數恆定電流源偏置電路採用MOS管的可調負電壓基準電路。
具體實施例方式本發明的可調負電壓基準電路的電路原理如圖4所示，它包括一正溫度係數恆定 電流源10，一負溫度係數恆定電流源11，一可調輸出電阻Ro ；所述正溫度係數恆定電流源 10與負溫度係數恆定電流源11並聯，向下連接負電源Vss，向上連接可調輸出電阻Ro的一 端並作為負電壓基準Vref輸出端，可調輸出電阻Ro的另一端連接地；所述二不同溫度系 數恆定電流源按照一定比例疊加成一個只與電阻溫度係數相關的恆定輸出電流源Iref = kl*Iptat+k2*ICtat，其中Iref為流經可調輸出電阻Ro的恆定輸出電流源，Iptat為正溫 度係數恆定電流，Ictat為負溫度係數恆定電流，kl與k2是正的比例常數，kl與k2滿足等
式「*^^ + ^*^^ =…所述只與電阻溫度係數相關的恆定輸出電流源Iref通過所
述可調輸出電阻Ro產生一個正比於可調輸出電阻R0的電阻值的零溫度係數可調負電壓基 JfVref0
就是零溫度係數的負電壓基準，T為溫度。 正溫度係數恆定電流源可以採用運算放大器結構，本發明的可調負電壓基準電路 的實施例一電路如圖5所示，是雙極型電晶體和金屬氧化物場效應管兼容工藝下一種新穎 可調的零溫漂負電壓基準電路，它包括正溫度係數恆定電流源10、負溫度係數恆定電流源11及可調輸出電阻Ro。該正溫度係數恆定電流源10包括同類型比例BJT管電路20、MOS 管比例電流鏡5、運算放大器18。MOS管比例電流鏡5包括NMOS第一 MOS管T1、NM0S第二 MOS管T2、匪OS第三MOS管T3，其中第一 MOS管Tl、第二 MOS管T2與第三MOS管T3的寬 長比例為1 1 kl，它們的源極都接負電源Vss，它們的柵極都連在一起接運算放大器18 輸出端，第一 MOS管Tl的漏極連接同類型比例BJT管電路PNP第六BJT管T6的集電極和 基極，第六BJT管T6的發射極接地，第二 MOS管T2的漏極連接同類型比例BJT管電路PNP 第七BJT管T7的集電極和基極，第七BJT管T7的發射極與第一電阻Rl —端相連，第一電 阻Rl另一端接地，第三MOS管T3的漏極接可調輸出電阻Ro並作為負電壓基準Vref輸出 端。運算放大器18負輸入端連接第一 MOS管Tl的漏極和第六BJT管T6的集電極和基極， 正輸入端連接第二 MOS管T2的漏極和同類型比例BJT管電路PNP第七BJT管T7的集電極 和基極。同類型比例BJT管電路20包括PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7和第一電 阻Rl，其中第七BJT管T7的有效發射極面積是第六BJT管T6的N倍(N > 1)，第六BJT管 T6、第七BJT管T7都是基極和集電極短接連接成二極體PN結構。負溫度係數恆定電流源 11包括PNP第八BJT管T8，分壓電阻第三電阻R3、第四電阻R4，精密匹配NMOS第九MOS管 T9.NM0S第十MOS管T10、第五電阻R5以及偏置電路第六電阻R6 ；匹配NMOS第九MOS管T9 的源極與PNP管第八BJT管T8的集電極、第五電阻R5的一端相連到負電源Vss，NMOS第九 MOS管T9的漏極連接PNP第八BJT管T8的基極，並向上與第三電阻R3的一端相連，第三電 阻R3的另一端接第四電阻R4的一端及第九MOS管T9的柵極，第四電阻R4的另一端與PNP 第八BJT管T8的發射極和匹配NMOS第十MOS管TlO的柵極相連接，並與偏置電路第六電 阻R6 —端相連，第六電阻R6另一端接地，NMOS第十MOS管TlO的源極接第五電阻R5的另 一端，第十MOS管TlO的漏極接可調輸出電阻Ro並作為負電壓基準Vref輸出端，可調輸出 電阻Ro的另一端接地。在圖5所示電路中，正溫度係數恆定電流源10中NMOS管比例電流鏡5中第一 MOS 管Tl、第二 MOS管T2與第三MOS管T3的寬長比例為1 1 kl，kl是正的比例常數，當 忽略失調則圖中流過第一 MOS管Tl的電流11和流過第二 MOS管T2的電流12相同，11 = 12，由於運算放大器18的調節，運算放大器18的正輸入端同負輸入端的的電壓相同。同類 型比例BJT管電路20決定正溫度係數恆定電流Iptat大小。假設PNP第七BJT管T7的有 效發射極面積是PNP第六BJT管T6的N倍(N > 1)，從圖5得運算放大器18的負輸入端電壓=-Vbe6,運算放大器18的正輸入端電壓=-VBE7_I2*R1因為同類型比例PNP管的有效發射極面積比N等於其反向飽和電流比(Is2/Isl)，所以基準電流 從式1得12與等效熱電壓Vt成正比，而Vt具有正溫度係數特性，則12為Iptat，由於MOS電流鏡，忽略失調效應，匪OS第三MOS管T3、第二 MOS管T2的寬長比例 為kl，則第三MOS管T3的鏡像電流13為
…式 2負溫度係數恆定電流源11中PNP第八BJT管Τ8的基極與發射極電壓Vbe8之間並
9有第三電阻R3、第四電阻R4，由於分壓作用，第四電阻R4兩端的電壓V4為 由圖 5 可知 其中Vgs9為第九MOS管T9的柵源電壓，其中VgslO為第十MOS管TlO的柵源電 壓，Iio為流經第五電阻R5的電流，因為第九MOS管T9與第十MOS管TlO精密匹配，Vgs9 = Vgs 10，所以可得 從式5得IlO與Vbe8成正比，由於雙極型電晶體(BJT)的基極與發射極電壓Vbe具 有負溫度係數特性，IlO為負溫度係數恆定電流Ictat ；圖5中正溫度係數恆定電流源10、負溫度係數恆定電流源11在負電壓基準Vref 輸出端處疊加，形成了恆定電流Iref。 當滿足一定關係式時，就形成了低溫度係數的恆定電流Iref。要實現正負溫度係數的抵消，需滿足= 0，忽略電阻溫漂從式6可得 玄、二0…式7由於等效熱電壓\的正溫度係數約0.086mV/°C，雙極型電晶體(BJT)的基極與發 射極電壓Vbe的負溫度係數約_2mV/°C，則0.086*—ln(N)-2*(R3+『)R5 =0…式 8式8是產生低溫漂電流源的條件，所以圖5電路若設計參數如下PNP第七BJT管T7有效發射極面積是第六BJT管T6的8倍，Rl = 11千歐，R3 = R4 = 20千歐，R5 = 50千歐，NMOS第三MOS管T3、第二 MOS管T2的寬長比例為kl = l,Ro =25千歐；按等效熱電壓Vt常溫下約等於26mV，Vbe8常溫下約等於700mV，則得 零溫漂負電壓基準Vref = -300mV ；當可調輸出電阻Ro變化則Vref變化，但零溫 度係數不變。正溫度係數恆定電流源可以採用正反饋電路結構，實施例二電路如圖6所示，圖6 所示電路與圖5所示電路的區別在正溫度係數恆定電流源10，圖6採用MOS管正反饋電路 結構，圖5採用運算放大器結構。正溫度係數恆定電流源10採用圖2的正反饋電路結構， 它包括同類型比例BJT管電路20、M0S比例電流鏡5及正反饋電路26 ；MOS管比例電流鏡部 分5由N溝道金屬氧化物場效應管(NMOS)第一 MOS管Tl、第二 MOS管T2、第三MOS管T3 組成，其中第一 MOS管Tl、第二 MOS管T2與第三MOS管T3的寬長比例為1 1 kl，kl是 正的比例常數，它們的源極⑶都接負電源Vss，它們的柵極(G)都連在一起接P溝道金屬
10氧化物場效應管(PMOS)第五MOS管T5的漏極，並且第二 MOS管T2的柵漏極短接，第一 MOS 管Tl管的漏極(D)連接PMOS第四MOS管T4的漏極和柵極，匹配第四MOS管T4、第五MOS 管T5的柵極短接形成偏置節點，NMOS第一 MOS管T1、NM0S第二 MOS管T2和PMOS第四MOS 管T4、PMOS第五MOS管T5組成正反饋電路，實現共源共柵的放大功能。第三MOS管T3的 漏極接可調輸出電阻Ro並作為負電壓基準Vref輸出端。同類型比例BJT管電路20包括 PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7和第一電阻Rl，其中發射區面積第七BJT管T7是第 六BJT管T6的N倍(N > 1)，PNP管第六BJT管T6、第七BJT管T7基極和集電極分別短接 形成PN結二極體結構，第一電阻Rl —端向上連接到地，另一端連接到第七BJT管T7的發 射極，第七BJT管T7的集電極和基極短接並與PMOS第五MOS管T5的源極連接，第六BJT 管T6的集電極和基極短接並與第四MOS管T4的源極連接，發射極接地。正溫度係數恆定電流源10中的同類型比例BJT管電路20的第六BJT管T6、第七 BJT管T7可以採用PNP管，也可以採用NPN管。實施例三電路如圖7所示，圖7所示電路是 由圖5改變而來，它們的差異在正溫度係數恆定電流源10，其中的同類型比例BJT管電路 20，圖5中的同類型比例BJT管電路20是基極和集電極分別短接的PNP第六BJT管T6、PNP 第七BJT管T7，而圖7的同類型比例BJT管電路是基極和集電極分別短接於地的NPN第六 BJT管T6、NPN第七BJT管T7，第七BJT管T7的發射極接第一電阻Rl的一端，第一電阻Rl 的另一端接第二 MOS管T2的漏極和運算放大器18的正輸入端，第六BJT管T6的發射極接 第一 MOS管Tl的漏極和運算放大器18的負輸入端。實施例四電路如圖8所示，圖8所示電路是由圖5所示電路改變而來，它們的差異 在正溫度係數恆定電流源10，圖8所示電路比圖5所示電路多了組轉換電流鏡。它也包括 正溫度係數恆定電流源10、負溫度係數恆定電流源11及可調輸出電阻Ro。正溫度係數恆定 電流源10包括PMOS比例電流鏡5、NM0S轉換電流鏡35、同類型比例BJT管電路20和運算 放大器18，PMOS比例電流鏡5包括PMOS第一 MOS管Tl、PMOS第二 MOS管T2與PMOS第三 MOS管T3，其中第一 MOS管Tl、第二 MOS管T2與第三MOS管T3的寬長比例為1 1 kl， kl是正的比例常數，它們的源極都接地，它們的柵極都連在一起接運算放大器18輸出端， 第一 MOS管Tl的漏極連接同類型比例BJT管電路PNP第六BJT管T6的發射極並與運算放 大器18的負輸入端相連，第六BJT管T6的集電極和基極短接到負電源Vss，第二 MOS管T2 的漏極連接運算放大器18的正輸入端及第一電阻Rl的一端，第一電阻Rl的另一端接同類 型比例BJT管電路PNP第七BJT管T7的發射極，第七BJT管T7的集電極和基極短接到負 電源Vss，第三MOS管T3的漏極連接到轉換電流鏡35的NMOS第十二 MOS管T12的漏極與 柵極，NMOS第十二 MOS管T12、NMOS第十三MOS管T13共柵極，源極都短接到負電源Vss， 形成轉換電流鏡35，第十二 MOS管T12、第十三MOS管T13的寬長比例為1 1，第十三MOS 管T13的漏極接可調輸出電阻Ro並作為負電壓基準Vref輸出端。同類型比例BJT管電路 20包括PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7和第一電阻Rl，其中第七BJT管T7的有效 發射極面積是第六BJT管T6的N倍(N > 1)。負溫度係數恆定電流源11電路結構不變。實施例五電路如圖9所示，圖9所示電路是圖8所示電路的另一種變形電路。它 也包括正溫度係數恆定電流源10、負溫度係數恆定電流源11及可調輸出電阻Ro。它與圖8 所示電路的差異在正溫度係數恆定電流源10，圖9所示電路採用了正反饋電路結構，而圖8 所示電路採用了運算放大器結構。正溫度係數恆定電流源10包括同類型比例BJT管電路20、PMOS比例電流鏡5、正反饋電路和匪OS轉換電流鏡35。PMOS比例電流鏡5包括PMOS 第一 MOS管Tl、PMOS第二 MOS管T2與PMOS第三MOS管T3，其中第一 MOS管Tl、第二 MOS 管T2與第三MOS管T3的寬長比例為1 1 kl，kl是正的比例常數，它們的源極都接地， 它們的柵極都連在一起接NMOS第五MOS管T5的漏極，並且第二 MOS管T2的柵漏極短接， 第一 MOS管Tl的漏極連接NMOS第四MOS管T4的漏極和柵極，匹配NMOS管第四MOS管T4、 第五MOS管T5的柵極短接形成偏置節點，第二 MOS管T2管的柵漏極連接NMOS第五MOS管 T5 的漏極，PMOS 第一 MOS 管 T1、PM0S 第二 MOS 管 T2 和 NMOS 第四 MOS 管 T4、NM0S 第五 MOS 管T5組成正反饋電路結構。PMOS第三MOS管T3的漏極連接到NMOS第十二 MOS管T12的 漏極和柵極，NMOS第十二 MOS管T12、NM0S第十三MOS管T13共柵極，源極都短接到負電源 Vss，形成轉換電流鏡35，第十二 MOS管T12、第十三MOS管T13的寬長比例為1 1，第十三 MOS管T13的漏極接可調輸出電阻Ro並作為負電壓基準Vref輸出端。同類型比例BJT管 電路20包括PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7和第一電阻Rl，其中第七BJT管T7的 有效發射極面積是第六BJT管T6的N倍(N > 1)，PNP第六BJT管T6、PNP第七BJT管T7 基極和集電極分別短接到負電源Vss，PNP第六BJT管T6的發射極連接第四MOS管T4的源 極，第一電阻Rl —端向上連接第五MOS管T5的源極，另一端連接到PNP第七BJT管T7的 發射極。負溫度係數恆定電流源11電路結構不變。負溫度係數恆定電流源11中，負溫度係數恆定電流源11的偏置電路可以用適當 的電阻，如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示電路，也可以選用NMOS管或PMOS管，只是所給偏 置電壓不同。實施例六電路如圖10所示，圖10所示電路是由圖5所示改變而來，它們的差 異在負溫度係數恆定電流源11，其中的偏置電路不同，圖5所示電路的負溫度係數恆定電 流源11的偏置電路是第六電阻R6，而圖10所示電路的負溫度係數恆定電流源11的偏置電 路是PMOS第十一 MOS管Tll，其作用相同。圖10所示電路的負溫度係數恆定電流源11包 括PNP第八BJT管T8，分壓電阻第三電阻R3、第四電阻R4，精密匹配NMOS第九MOS管T9、 NMOS第十MOS管T10、第五電阻R5以及偏置電路PMOS第^^一 MOS管Tll ；匹配NMOS第九 MOS管T9的源極與PNP管第八BJT管T8的集電極、第五電阻R5的一端相連到負電源Vss， NMOS第九MOS管T9的漏極連接PNP第八BJT管T8的基極，並向上與第三電阻R3的一端 相連，第三電阻R3的另一端接第四電阻R4的一端及第九MOS管T9的柵極，第四電阻R4的 另一端與PNP第八BJT管T8的發射極和匹配NMOS第十MOS管TlO的柵極相連接，並與偏 置電路PMOS第十一 MOS管Tll的漏極相連，第i^一 MOS管Tll的源極接地，柵極接偏置電 壓，NMOS第十MOS管TlO的源極接第五電阻R5的另一端，第十MOS管TlO的漏極接可調輸 出電阻Ro並作為負電壓基準Vref輸出端，可調輸出電阻Ro的另一端接地。對於圖5、圖6、圖10的PNP第七BJT管T7和第一電阻Rl的位置可互換，不影響 電路性能，第七BJT管T7的發射極接地，第七BJT管T7的集電極和基極接第一電阻Rl的 一端，第一電阻Rl的另一端接第五MOS管T5的源極(圖6)或運算放大器18的正輸入端 (圖 5、圖 10)。圖5到圖10所示電路都是從圖4原理圖衍生而來，它們都包括正溫度係數恆定電 流源10、負溫度係數恆定電流源11及可調輸出電阻Ro三大部分。各自區別在於採用不同 的正溫度係數恆定電流源10、不同的負溫度係數恆定電流源11組合，雖然電路不盡相同， 但最終實現的功能是一樣的。這些電路都是先通過電路設計把正溫度係數恆定電流源和負溫度係數恆定電流源按特定比例疊加，實現只與電阻溫度係數相關的恆定電流源，通過可 調輸出電阻Ro實現可調的零溫度係數的負電壓基準源，由於可調輸出電阻Ro連續可調，所 以基準電壓也連續可調，可靈活應用於雙極型電晶體和金屬氧化物場效應管兼容工藝下的 所有基準負電壓電路設計。當去掉可調輸出電阻Ro時，可直接作為只與電阻溫度係數相關 的恆定電流基準源用。
權利要求
一種可調負電壓基準電路，其特徵在於，包括一正溫度係數恆定電流源，一負溫度係數恆定電流源，一可調輸出電阻；所述正溫度係數恆定電流源與所述負溫度係數恆定電流源並聯，向下連接負電源，向上連接可調輸出電阻的一端並作為負電壓基準Vref輸出端，可調輸出電阻的另一端連接地；所述二不同溫度係數恆定電流源按照一定比例疊加成一個只與電阻溫度係數相關的恆定輸出電流源，所述只與電阻溫度係數相關的恆定輸出電流源通過所述可調輸出電阻產生一個正比於可調輸出電阻的可調負電壓基準Vref，Vref＝ (k1*Iptat+k2*Ictat)*Ro，當時，Vref就是零溫度係數的負電壓基準，其中Iptat為正溫度係數恆定電流，Ictat為負溫度係數恆定電流，k1與k2是正的比例常數，Ro為可調輸出電阻，T為溫度。F2009100574753C0000011.tif
2.根據權利要求1所述的可調負電壓基準電路，其特徵在於，所述負溫度係數恆定電 流源，包括PNP第八BJT管，分壓電阻第三電阻、第四電阻，匹配NMOS第九MOS管、NMOS第 十MOS管、第五電阻以及偏置電路；所述匹配第九MOS管、第十MOS管的寬長完全一致，第九 MOS管的源極與第八BJT管的集電極、第五電阻的一端相連到負電源，第九MOS管的漏極連 接第八BJT管的基極，並向上與第三電阻的一端相連，第三電阻的另一端接第四電阻的一 端及第九MOS管的柵極，第四電阻的另一端與第八BJT管的發射極和第十MOS管的柵極相 連接，並與偏置電路一端相連，偏置電路另一端接地，第十MOS管的源極接第五電阻的另一 端，第十MOS管的漏極接可調輸出電阻並作為負電壓基準Vref輸出端，可調輸出電阻的另 一端接地。
3.根據權利要求2所述的可調負電壓基準電路，其特徵在於，所述偏置電路為第六電 阻，第六電阻一端接第四電阻的另一端、第八BJT管的發射極和第十MOS管的柵極，另一端 接地。
4.根據權利要求2所述的可調負電壓基準電路，其特徵在於，所述偏置電路為PMOS第 十一 MOS管，所述PMOS第十一 MOS管漏極接第四電阻的另一端、第八BJT管的發射極和第 十MOS管的柵極，第十一 MOS管的源極接地，柵極接偏置電壓。
5.根據權利要求2所述的可調負電壓基準電路，其特徵在於，所述正溫度係數恆定電 流源，包括同類型比例BJT管電路、MOS管比例電流鏡、運算放大器；所述MOS管比例電流鏡 包括匪OS第一 MOS管、匪OS第二 MOS管、匪OS第三MOS管，其中第一 MOS管、第二 MOS管 與第三MOS管的寬長比例為1 1 kl，kl為正的比例常數，它們的源極都接負電源，它們 的柵極都連在一起接運算放大器輸出端，運算放大器負輸入端連接第一 MOS管的漏極，正 輸入端連接第二 MOS管的漏極，第三MOS管的漏極連接所述可調輸出電阻作為負電壓基準 Vref輸出端；所述同類型比例BJT管電路包括PNP第六BJT管、PNP第七BJT管和第一電 阻，第一電阻同第七BJT管的PN結串接於所述運算放大器正輸入端和地之間，第六BJT管 的PN結串接於所述運算放大器負輸入端和地之間。
6.根據權利要求2所述的可調負電壓基準電路，其特徵在於，所述正溫度係數恆定電 流源，包括同類型比例BJT管電路、MOS管比例電流鏡及正反饋電路，所述MOS管比例電流 鏡包括匪OS第一 MOS管、NMOS第二 MOS管、NMOS第三MOS管，其中第一 MOS管、第二 MOS管與第三MOS管的寬長比例為1 1 kl，kl是正的比例常數，它們的源極都接負電源，它們 的柵極都連在一起接PMOS第五MOS管的漏極，並且第二 MOS管的柵漏極短接，第一 MOS管 的漏極連接PMOS第四MOS管的漏極和柵極，匹配第四MOS管、第五MOS管的柵極短接形成 偏置節點，第一 MOS管、第二 MOS管和第四MOS管、第五MOS管組成正反饋電路，第三MOS管 的漏極連接所述可調輸出電阻作為負電壓基準Vref輸出端；所述同類型比例BJT管電路包 括PNP第六BJT管、PNP第七BJT管和第一電阻，第一電阻同第七BJT管的PN結串接於所 述第五MOS管源極和地之間，第六BJT管的PN結串接於所述第四MOS管源極和地之間。
7.根據權利要求2所述的可調負電壓基準電路，其特徵在於，所述正溫度係數恆定電 流源包括MOS比例電流鏡、轉換電流鏡、同類型比例BJT管電路和運算放大器，所述MOS比 例電流鏡包括PMOS第一 MOS管、PMOS第二 MOS管與PMOS第三MOS管，其中第一 MOS管、第 二 MOS管與第三MOS管的寬長比例為1 1 kl，kl是正的比例常數，它們的源極都接地， 它們的柵極都連在一起接運算放大器輸出端，第一 MOS管的漏極連接同類型比例BJT管電 路PNP第六BJT管的發射極並與運算放大器的負輸入端相連，第六BJT管的集電極和基極 短接到負電源，第二 MOS管的漏極連接運算放大器的正輸入端及第一電阻的一端，第一電 阻的另一端接同類型比例BJT管電路PNP第七BJT管的發射極，第七BJT管的集電極和基極 短接到負電源，第三MOS管的漏極連接到轉換電流鏡的NMOS第十二 MOS管的漏極與柵極， NMOS第十二 MOS管、NMOS第十三MOS管共柵極，源極都短接到負電源，形成轉換電流鏡，第 十三MOS管的漏極連接所述可調輸出電阻作為負電壓基準Vref輸出端。
8.根據權利要求2所述的可調負電壓基準電路，其特徵在於，所述正溫度係數恆定電 流源包括MOS比例電流鏡、轉換電流鏡、同類型比例BJT管電路和正反饋電路；所述MOS比 例電流鏡包括PMOS第一 MOS管、PMOS第二 MOS管與PMOS第三MOS管，其中第一 MOS管、第 二 MOS管T2與第三MOS管的寬長比例為1 1 kl，kl是正的比例常數，它們的源極都接 地，它們的柵極都連在一起接NMOS第五MOS管的漏極，並且第二 MOS管的柵漏極短接，第一 MOS管的漏極連接NMOS第四MOS管的漏極和柵極，匹配NMOS管第四MOS管、第五MOS管的柵 極短接形成偏置節點，第二 MOS管的柵漏極連接第五MOS管的漏極，PMOS第一 MOS管、PMOS 第二 MOS管和NMOS第四MOS管、NMOS第五MOS管組成正反饋電路結構；同類型比例BJT管 電路包括PNP第六BJT管、PNP第七BJT管和第一電阻，第六BJT管、第七BJT管基極和集電 極分別短接到負電源，第六BJT管的發射極連接第四MOS管的源極，第一電阻一端向上連接 第五MOS管的源極，另一端連接到第七BJT管的發射極；第三MOS管的漏極連接到NMOS第 十二 MOS管的漏極和柵極，NMOS第十二 MOS管、NMOS第十三MOS管共柵極，源極都短接到負 電源，形成轉換電流鏡，第十三MOS管的漏極連接所述可調輸出電阻作為負電壓基準Vref 輸出端。
9.根據權利要求5、6、7、8所述的可調負電壓基準電路，其特徵在於，電路參數特定比 例關係滿足條件 其中Rl為第一電阻，R3為第三電阻，R4為第四電阻，R5為第五電阻，第二 MOS管與第 三MOS管的寬長比例為1 kl，kl是正的比例常數，同類型比例BJT管電路第六BJT管有 效發射區面積與第七BJT管有效發射區面積的比例為1 N，N> 1，VBE8為PNP第八BJT管的基極射極電壓，Vt為正溫度係數恆定電流源的等效熱電壓，T為溫度。
全文摘要
本發明公開了一種可調負電壓基準電路，包括一正溫度係數恆定電流源，一負溫度係數恆定電流源，一可調輸出電阻；所述正溫度係數恆定電流源與所述負溫度係數恆定電流源並聯，向下連接負電源，向上連接可調輸出電阻的一端並作為負電壓基準輸出端，可調輸出電阻的另一端連接地；所述二不同溫度係數恆定電流源按照一定比例疊加成一個只與電阻溫度係數相關的恆定輸出電流源，通過所述可調輸出電阻產生可調負電壓基準。本發明能實現連續可調的零溫漂負電壓基準源，適合雙極型電晶體和金屬氧化物場效應管兼容工藝實現。
文檔編號G05F3/30GK101930248SQ20091005747
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月25日 優先權日2009年6月25日
發明者崔文兵, 黃繼頗 申請人:上海華虹Nec電子有限公司