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CN108427468A - 一种低温漂快速瞬态响应高电源抑制比带隙基准电压源 - Google Patents

一种低温漂快速瞬态响应高电源抑制比带隙基准电压源 Download PDF

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CN108427468A
CN108427468A CN201810365618.6A CN201810365618A CN108427468A CN 108427468 A CN108427468 A CN 108427468A CN 201810365618 A CN201810365618 A CN 201810365618A CN 108427468 A CN108427468 A CN 108427468A
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CN
China
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drain
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Application number
CN201810365618.6A
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Inventor
唐硕
张国俊
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University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/56—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，尤其涉及一种低温漂，快速瞬态响应，高电源抑制比的带隙基准电压源。该电路包括带隙基准产生电路、误差放大器、启动电路三部分。本发明利用两个双极性晶体管负温度系数的基极‑发射极电压VBE以及VBE的正温度系数差值ΔVBE的线性叠加产生零温度系数的带隙基准电压。与传统结构相比，此电路产生的带隙基准电压温度系数更小，而且启动电路新颖，具有更好的瞬态响应。

Description

一种低温漂快速瞬态响应高电源抑制比带隙基准电压源
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，尤其涉及一种低温漂，快速瞬态响应，高电源抑制比的带隙基准电压源。
背景技术
随着集成电路按摩尔定律的发展，集成电路集成度越来越高，特征尺寸越来越小，电源电压也越来越低，这对芯片的性能和功耗提出了更高的要求。而与此同时，带隙基准作为芯片内为整个电路提供参考的部分，其微小的扰动将严重影响整个系统的稳定，从而产生大的偏差。因此，带隙基准对温度和电源电压的抗干扰能力尤为重要。当温度和电源电压在大范围内波动时，要求基准电压源的输出几乎不变化，从而提供极稳定的电压值。
图1所示为传统的带隙基准电压源，由NPN三级管Q1、Q2、Q3、Q4和电阻R1、R2、R3以及直流电流源I构成。该电路利用一个反馈环使电路工作在特定的一个工作点，该点输出电压等于Q1的基极-发射极电压VBE加上Q1Q2的基极-发射极的差分电压成比例的一个电压值。其中Q1、Q2与R3产生与绝对温度成正比的电流IPTAT，Q3通过对X点电压的变化进行放大从而对X点的电压钳位。
这种基准源的缺点是电流I受电源决定，它将随着电源电压的变化而变化；反馈环只有一个单管Q3，环路增益小，对X点的钳位精度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低温漂快速瞬态响应高电源抑制比的带隙基准电压源。
本发明采用以下技术方案：
本发明提出一种低温漂，快速瞬态响应，高电源抑制比的带隙基准电压源，由带隙基准产生电路、误差放大器、启动电路构成。所述带隙基准产生电路包括：NPN三极管Q1与电阻R1串联，NPN三极管Q2与电阻R2串联，Q1的集电极接R1的负端，Q2的集电极接R2的负端，Q2的基极接Q1的集电极，Q1的发射极与Q2的发射极短接在一起后接电阻R4的正端相接，Q1与Q2的发射极面积比为1:8，R4的负端接电源地；R1的正端与R2的正端短接后接电阻R3的负端，R3的正端接NMOS管MN5的源级，并作为带隙基准电压的输出节点VREF；MN5的漏级接PMOS管MP6的漏级，MN5的栅极与NMOS管MN2的漏级短接在一起作为误差放大器的输出节点VE；MP6的源级接与电阻R7的负端短接作为电压节点VDD，电阻R7的正端接正电源VIN，MP6的栅极与PMOS管MP9的栅极短接后接反相器INV的输出端，INV的输入端接VDD。
所述误差放大器包括：NPN三极管Q3的集电极接NMOS管MN1的源级，Q3的基极接Q1的的集电极，NPN三极管Q4的集电极接NMOS管MN2的源级，Q4的基极接Q2的集电极，Q3的发射极与Q4发射极短接后接电阻R5的正端，R5的负端接电源地；MN1的栅极与MN2的栅极短接后接电压节点VREF，MN1的漏级接PMOS管的MP3的漏级，MN2的漏级接PMOS管的MP4的漏级，MP3栅漏短接后栅极接MP4的栅极，MP3的源级与MP4的源级短接后接VDD。
所述启动电路包括：PMOS管MP9的源级接VDD，MP9的漏级接电阻R6的正端，R6的负端与NMOS管MN11和MN13的漏级、NMOS管的MN7的栅极短接,MN7的漏级与MP3的漏级短接，MN7的源级接NMOS管MN8的漏级，MN8的栅极接VDD，MN8的漏级与电阻R5、R6的负端短接接地；MN11栅漏短接后栅极接NMOS管MN12的栅极，MN12的漏级接MN11的源级，NMOS管M10的漏级接MN13的源级，MN10的栅极与MN13的栅极短接后接VREF，MN10的源级与MN12的源级短接后接地。
附图说明
图1为传统的带隙基准电压源
图2为本发明的低温漂快速瞬态响应高电源抑制比带隙基准电压源整体电路图
图3为本发明的带隙基准产生电路图
图4为本发明的启动电路图
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
图2所示为实现本发明的低温漂快速瞬态响应高电源抑制比带隙基准电压源整体电路图。该带隙基准由带隙基准产生电路、误差放大器、启动电路构成。误差放大器由NPN晶体管Q3、Q4，NMOS管MN1、MN2、MP3、MP4以及电阻R5构成。该放大器的作用是在电压节点A、B与输出节点VREF之间构成负反馈环，提高环路增益，从而对A、B两点的电压钳位使其近似相等。该放大器的增益为：
AV＝g3,4·{[gm1,2·(rCE3,4‖ro1,2)]‖ro3,4} (1)
电源电压抑制比为：
(3)式中T为环路增益。由(1)可知环路增益很高，故电源电压抑制比很小。
图3所示为带隙基准产生电路图，由NPN三极管Q1、Q2电阻R1、R2、R3、R4以及NMOS管MN5构成。该基准利用两个双极性晶体管Q1、Q2负温度系数的基极-发射极电压VBE以及VBE的正温度系数差值ΔVBE的线性叠加产生零温度系数的带隙基准电压。n为Q2与Q1的发射极面积比，故ΔVBE的表达式为：
流过R2的电流为该电流为PTAT电流。R1、R2的阻值相等，前面叙述过通过放大器的钳位作用节点A、B的电压相同，故流过R1、R2的电流相等，故VREF的表达式为：
由(5)式可知，选择合适的就可以得到近乎零温漂的带隙基准电压。
图4是本发明的启动电路部分电路图，由NMOS管MN7、MN8、MN10、MN11、MN12、MN13，电阻R6以及PMOS管MP6构成。当基准工作在零电流状态下时，VREF为0，MN10与MN13工作在截止区，但由于此时MN11MN12为导通状态，故电流流过MN11、MN12，节点C的电位大于一个阈值电压。MN8工作在深三极管区，故MN7导通，D点电位拉低，MP3、MP4开启，MN5栅极电位拉高，电流流入带隙基准产生电路。
带隙基准电压随着电流的增大而逐渐升高，MN10、MN13的栅极电压升高后开启，C点的电位被拉低，MN7截止，MN7所在支路电流为0，运放正常工作，直到VREF的值稳定。该结构的增益为：
AVstart-up＝gm13(ro13‖rR6) (6)
(6)式中R6的阻值与MN13的小信号阻值为同一数量级，故启动电路增益很大，实现快速瞬态响应。

Claims (4)

1.一种低温漂，快速瞬态响应，高电源抑制比的带隙基准电压源，其特征在于，电压源由带隙基准产生电路(Bandgap Core)、误差放大器(Error Amplifier)、启动电路(start-up)构成。
2.根据权利要求1所述的一种低温漂，快速瞬态响应，高电源抑制比的带隙基准电压源，其特征在于，所述带隙基准产生电路包括：NPN三极管Q1与电阻R1串联，NPN三极管Q2与电阻R2串联，Q1的集电极接R1的负端，Q2的集电极接R2的负端，Q2的基极接Q1的集电极，Q1的发射极与Q2的发射极短接在一起后接电阻R4的正端相接，Q1与Q2的发射极面积比为1:8，R4的负端接电源地；R1的正端与R2的正端短接后接电阻R3的负端，R3的正端接NMOS管MN5的源级，并作为带隙基准电压的输出节点VREF；MN5的漏级接PMOS管MP6的漏级，MN5的栅极与NMOS管MN2的漏级短接在一起作为误差放大器的输出节点VE；MP6的源级接与电阻R7的负端短接作为电压节点VDD，电阻R7的正端接正电源VIN，MP6的栅极与PMOS管MP9的栅极短接后接反相器INV的输出端，INV的输入端接VDD。
3.根据权利要求2所述的一种低温漂，快速瞬态响应，高电源抑制比的带隙基准电压源，其特征在于，所述误差放大器包括：NPN三极管Q3的集电极接NMOS管MN1的源级，Q3的基极接Q1的的集电极，NPN三极管Q4的集电极接NMOS管MN2的源级，Q4的基极接Q2的集电极，Q3的发射极与Q4发射极短接后接电阻R5的正端，R5的负端接电源地；MN1的栅极与MN2的栅极短接后接电压节点VREF，MN1的漏级接PMOS管的MP3的漏级，MN2的漏级接PMOS管的MP4的漏级，MP3栅漏短接后栅极接MP4的栅极，MP3的源级与MP4的源级短接后接VDD。
4.根据权利要求3所述的一种低温漂，快速瞬态响应，高电源抑制比的带隙基准电压源，其特征在于，所述启动电路包括：PMOS管MP9的源级接VDD，MP9的漏级接电阻R6的正端，R6的负端与NMOS管MN11和MN13的漏级、NMOS管的MN7的栅极短接,MN7的漏级与MP3的漏级短接，MN7的源级接NMOS管MN8的漏级，MN8的栅极接VDD，MN8的漏级与电阻R5、R6的负端短接接地；MN11栅漏短接后栅极接NMOS管MN12的栅极，MN12的漏级接MN11的源级，NMOS管M10的漏级接MN13的源级，MN10的栅极与MN13的栅极短接后接VREF，MN10的源级与MN12的源级短接后接地。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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