一种实现基准电压源低压高精度的电路及方法
【专利摘要】本发明涉及一种实现基准电压源低压高精度的电路及方法，主要技术方案为在带隙核心电路上引入低阈值耗尽型NMOS管和实时监测的启动电路，将误差放大器的输出接源跟随管NMOS后给Q1和Q2提供电流，减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳定性；进一步地，源跟随管NMOS采用低阈值耗尽型NMOS管，降低了电源电压和基准电压间的压差，使得该结构可以工作在低压系统中；进一步地，启动电路实时监测基准输出电压，消除了输出电压过冲现象，保证基准电压快速稳定地输出。
【专利说明】
一种实现基准电压源低压高精度的电路及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及集成电路中带隙基准电压源领域，特别是低压工作模式下的高精度基 准电压源。
【背景技术】
[0002] 带隙基准电压源由于其输出不受电源电压和温度影响，可以为系统中其它模块提 供参考电压，因而广泛应用于模拟集成电路或者数模混合电路。目前，电子系统倾向于低压 低功耗和高精度设计。对于高精度的系统设计，带隙基准电压源的精度和稳定性决定了系 统性能的好坏;对于低电压工作系统，要求带隙基准电压源在较低的电源电压下输出稳定。
[0003] 基准电压源的基本产生方式是利用与三极管的基极与集电极电压差VBE相关的负 温度特性电流和与两个三极管的V BE之差AVBE相关的正温度特性电流叠加产生与电源电压 和温度无关的电流，经过一个零温度系数的电阻之后产生与电源电压和温度无关的电压； 而零温度系数的电阻一般是由两种温度特性相反的电阻组成。
[0004] 现有技术的带隙基准电压源如图1所示，包含误差放大器Amp、第一 PM0S晶体管 PM1、第二PM0S晶体管PM2,第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻 R11、第六电阻R12,第一 PNP三极管Q1和第二PNP三极管Q2。其实现方式是：电流和13组 成，即 Ιι = I2+I3，而l2 = Vx/Rll =Vbei/R1 1，13= (Vx_Vbe2)/R12= (Vbei_Vbe2)/R12= Δ Vbe/R12， 因此得到与温度和电源电压无关的电流Ii。经过PM2与PM1的镜像作用得到I4=h，因此VREF =I4*R4 = I i*R4，其中R4由两种温度特性相反的电阻串联组成。
[0005] 图1中实现的前提是忽略X点和Y点的失调电压，但是实际上由于工艺等的偏差，失 调是肯定存在的。在图1中，失调电压经误差放大器Amp和共源放大器PM1两级放大后传递到 输出，严重影响了输出电压V REF的精度；同时，由于PM2是共源接法，使得电源电压Vdd和VREF 间存在至少0.7V的管子压降，导致该结构不适用于低压系统。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提出实现基准电压源低压高精度的设计方法，解决现有结构存在 的精度不高和不适于低压系统等问题。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是:一种实现基准电压源低压高精度的电 路，其特征在于:包括带隙核心电路、启动电路及低阈值源跟随电路;低阈值源跟随电路用 于保证使得带隙核心电路的基准输出在低压下也能稳定工作;所述启动电路监测带隙核心 电路输出基准电压，从而消除输出电压的上冲现象，保证基准电压的稳定输出;所述带隙核 心电路包括第一三极管Q1和第二三极管Q2;第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极和集电极 均短接;第一 PNP三极管Q1的发射极分别接第一电阻R1-端和接误差放大器Amp的正相输入 端X;第一电阻R1另一端接第二电阻R2-端;第二三极管Q2的面积是Q1的η倍;第二三极管Q2 发射极接第三电阻R3-端，第三电阻R3另一端接第二电阻R2另一端;第二电阻R2和第三电 阻R3的公共端接误差放大器Amp的反相输入端Υ;误差放大器Amp的输出端接第一 NM0S管匪1 的栅极;所述第一 NMOS管NM1的漏极接第四电阻R4-端;第四电阻R4的另一端接电源Vdd;所 述低阈值源跟随电路采用源跟随结构，包括第一匪0S管匪1和第四电阻R4;第一NM0S管匪1 的源极接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端;第一电阻R1和第二电阻R2的公共端是输出端 基准电压Vref ; Vref的输出公式由以下过程推得：
[0009]
，其中Vbei为第一三极管Q1的基极与集电极电压差； VBE2为第二三极管Q2的基极与集电极电压差;VBEdPVBE2的温度系数为-1.5mV/K;V T为热电 压，温度系数为+〇.〇87mV/K; AVbe为￥册1与￥册2的差值，温度系数与VT成正比;η为Q2与Q1的面 积之比；所述启动电路包括第一 PM0S晶体管ΡΜ1、第二匪0S晶体管匪2和第三匪0S晶体管 匪3;第一 PM0S管ΡΜ1的栅极接偏置电压Vb，漏极接第二NM0S管匪2的栅极，源极接电源Vdd; 第二匪0S管匪2的栅极接第一 PM0S管PM1的漏极，漏极接所述带隙核心电路中第一匪0S管 匪1的漏极，源极接接所述带隙核心电路中误差放大器Amp的正相输入端X;第三NM0S管匪3 的栅极接所述带隙核心电路中输出端VREF，漏极接第二NM0S管NM2的栅极，源极接地。
[0010]进一步的，Q1的个数为1个，Q2的个数为14个，η为14;根据Vref输出公式可知R2和R3 的比值应为5.5。
[0011]进一步的，第一匪0S管匪1，采用源跟随结构的低阈值电压的耗尽型NM0S，使得基 准输出在低压下也能稳定工作。
[0012] 本发明还提供一种基于权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路的实 现方法，其特征在于:包括以下步骤:PM1-直处于导通状态，当Vref小于设定值时，NM3晶体 管截止，NM2晶体管导通，X点电压升高，V。!也随着上升，NM1导通，Vref上升；当Vref大于等于设 定值时，匪3晶体管导通，匪2晶体管截止，启动结束;Amp的输出V。!接源跟随管NM0S后给Q1和 Q2提供电流，从而减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳 定性。
[0013] 相较于现有技术的基准电压源，本发明具有以下有益效果:误差放大器的输出经 源跟随结构NM0S给Q1和Q2提供电流，减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的 影响，提高了系统稳定性;进一步地，源跟随结构匪0S采用低阈值耗尽型，降低了电源电压 和基准电压间的压差，使得该结构可以工作在低压系统中；进一步地，所述的启动电路实时 监测基准输出电压，加速启动速度的同时消除了输出电压过冲现象。
【附图说明】
[0014] 图1所示为现有技术的基准电压源；
[0015] 图2所示为本发明的低压高精度基准电压源；
[0016] 图3所示为本发明的基准输出曲线图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行具体说明。
[0018] 如图2所示，一种实现基准电压源低压高精度的电路，其包括带隙核心电路、启动 电路及低阈值源跟随电路;低阈值源跟随电路用于保证使得带隙核心电路的基准输出在低 压下也能稳定工作;所述启动电路监测带隙核心电路输出基准电压，从而消除输出电压的 上冲现象，保证基准电压的稳定输出；所述带隙核心电路包括第一三极管Q1和第二三极管 Q2;第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极和集电极均短接;第一 PNP三极管Q1的发射极分别 接第一电阻R1-端和接误差放大器Amp的正相输入端X;第一电阻R1另一端接第二电阻R2- 端;第二三极管Q2的面积是Q1的η倍;第二三极管Q2发射极接第三电阻R3-端，第三电阻R3 另一端接第二电阻R2另一端;第二电阻R2和第三电阻R3的公共端接误差放大器Amp的反相 输入端Y;误差放大器Amp的输出端接第一匪0S管匪1的栅极;所述第一 NMOS管匪1的漏极接 第四电阻R4-端;第四电阻R4的另一端接电源Vdd;所述低阈值源跟随电路采用源跟随结构， 包括第一 NMOS管匪1和第四电阻R4;第一 NMOS管NM1的源极接第一电阻R1和第二电阻R2的公 共端;第一电阻R1和第二电阻R2的公共端是输出端基准电压Vref ; Vref的输出公式由以下过 程推得：
[0020]
，其中Vbei为第一三极管Q1的基极与集电极电压差； VBE2为第二三极管Q2的基极与集电极电压差;VBEdPVBE2的温度系数为-1.5mV/K;V T为热电 压，温度系数为+〇.〇87mV/K; AVbe为￥册1与￥册2的差值，温度系数与VT成正比;η为Q2与Q1的面 积之比；所述启动电路包括第一 PM0S晶体管ΡΜ1、第二匪0S晶体管匪2和第三匪0S晶体管 匪3;第一 PM0S管ΡΜ1的栅极接偏置电压Vb，漏极接第二NM0S管匪2的栅极，源极接电源Vdd;第 二匪0S管匪2的栅极接第一 PM0S管PM1的漏极，漏极接所述带隙核心电路中第一匪0S管匪1 的漏极，源极接接所述带隙核心电路中误差放大器Amp的正相输入端X;第三匪0S管匪3的栅 极接所述带隙核心电路中输出端Vref，漏极接第二NM0S管匪2的栅极，源极接地。
[0021]进一步的，Q1的个数为1个，Q2的个数为14个，η为14;根据Vref输出公式可知R2和R3 的比值应为5.5;
[0022]进一步的，第一匪0S管匪1，采用源跟随结构的低阈值电压的耗尽型NM0S，使得基 准输出在低压下也能稳定工作。
[0023] 本发明还提供一种基于权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路的实 现方法，其特征在于:包括以下步骤:PM1-直处于导通状态，当Vref小于设定值时，NM3晶体 管截止，NM2晶体管导通，X点电压升高，V。!也随着上升，NM1导通，Vref上升；当Vref大于等于设 定值时，匪3晶体管导通，匪2晶体管截止，启动结束;Amp的输出V。!接源跟随管NM0S后给Q1和 Q2提供电流，从而减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳 定性。
[0024] 本发明中的启动电路采用监测基准输出电压的方式，可以消除输出电压的上冲现 象，保证基准电压的稳定输出，如图3所示。
【主权项】
1. 一种实现基准电压源低压高精度的电路，其特征在于:包括带隙核心电路、启动电路 及低阈值源跟随电路;低阈值源跟随电路用于保证带隙核心电路的基准输出在低压下也能 稳定工作;所述启动电路监测带隙核心电路输出基准电压，从而消除输出电压的上冲现象， 保证基准电压的稳定输出； 所述带隙核心电路包括第一三极管Q1和第二三极管Q2;第一三极管Q1和第二三极管Q2 的基极和集电极均短接;第一 PNP三极管Q1的发射极分别接第一电阻R1-端和接误差放大 器Amp的正相输入端X;第一电阻R1另一端接第二电阻R2-端;第二三极管Q2的面积是Q1的η 倍;第二三极管Q2发射极接第三电阻R3-端，第三电阻R3另一端接第二电阻R2另一端;第二 电阻R2和第三电阻R3的公共端接误差放大器Amp的反相输入端Υ;误差放大器Amp的输出端 接第一 NMOS管匪1的栅极;所述第一匪0S管匪1的漏极接第四电阻R4-端;第四电阻R4的另 一端接电源Vdd; 所述低阈值源跟随电路采用源跟随结构，包括第一匪OS管匪1和第四电阻R4;第一匪OS 管NM1的源极接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端； 第一电阻R1和第二电阻R2的公共端是输出端基准电压Vref; Vref的输出公式由以下过程 推得：其中VBE1为第一三极管Q1基极与集电极电压差;VBE2为第二三极管Q2基极与集电极电压 差;VT为热电压，温度系数为+0 · 087mV/K，温度系数与VT成正比；Δ VBE为￥册1与￥册2的差值;η 为Q2与Q1的面积之比； 所述启动电路包括第一 PM0S晶体管ΡΜ1、第二NM0S晶体管匪2和第三匪0S晶体管匪3;第 一 PM0S管ΡΜ1的栅极接偏置电压Vb，漏极接第二NM0S管匪2的栅极，源极接电源Vdd;第二NM0S 管匪2的栅极接第一 PM0S管PM1的漏极，漏极接所述带隙核心电路中第一 NM0S管匪1的漏极， 源极接接所述带隙核心电路中误差放大器Amp的正相输入端X;第三NM0S管匪3的栅极接所 述带隙核心电路中输出端Vref，漏极接第二NM0S管匪2的栅极，源极接地。2. 根据权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路，其特征在于:第一 NM0S管 NM1，采用源跟随结构的低阈值电压的耗尽型NM0S，使得基准输出在低压下也能稳定工作。3. 根据权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路，其特征在于:Q1的个数为 1个，Q2的个数为14个，η为14;根据V REF输出公式可知R2和R3的比值应为5.5。4. 一种基于权利要求1所述的实现基准电压源低压高精度的电路的实现方法，其特征 在于:包括以下步骤:PM1-直处于导通状态，当Vref小于设定值时，NM3晶体管截止，匪2晶体 管导通，X点电压升高，Vca也随着上升，匪1导通，Vref上升；当Vref大于等于设定值时，匪3晶体 管导通，NM2晶体管截止，启动结束;Amp的输出Vca接源跟随管NM0S后给Q1和Q2提供电流，从 而减少了系统增益，降低了失调电压对输出电压精度的影响，提高了系统稳定性。
【文档编号】G05F1/56GK105867499SQ201610254830
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】黄淑燕, 阴亚东, 江典棋, 温文颖, 陈愿勇
【申请人】福州福大海矽微电子有限公司