CN114546019B - 一种温度系数可调的基准电压源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度系数可调的基准电压源电路。该基准电压源电路包括第一路电流产生电路和第二路电压调节电路,第一路电流产生电路主要由四个NPN管,一个PMOS管,两个电阻,两个可变电阻组成;第二路电压调节电路主要由两个NPN管,五个PMOS管,三个电阻,一个可变电阻组成。本发明具有温度系数可调的特点,可以很好的满足各种模拟射频电路不同温度系数偏置电压的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于基准电压源电路设计技术领域,涉及一种用于模拟射频电路的温度系数可调的基准电压源。
背景技术
基准电压源和基准电流源是模拟射频电路的重要组成部分,为整个电路提供偏置。产生基准是为了得到一个与温度和电源无关的直流电压或电流。许多模拟射频电路的性能受到基准的影响,如差分对的偏置电流是通过基准产生的,它影响着差分对的噪声、电压增益等关键指标;AD/DA系统中也需要稳定的基准来确定其输入或输出的全程范围。
对于大多数模拟射频电路而言,传统确定温度特性的基准通常从以下三种形式中选择:(1)与温度无关的基准;(2)一些晶体管的Gm保持不变,即常数Gm特性的基准;(3)与绝对温度成正比(PTAT)的基准。这三种基准的温度特性单一,应用范围受限。如在高速分频器电路中,工作频率对温度及偏置电流极为敏感。在较宽的频率范围内,分频器在高频、高温下工作需要更大的电流,因此与温度无关的基准无法满足使用要求。若采用PTAT基准,温度越低电流越小,则会导致低温时电流减小过多,使分频器的直流工作点偏出正常工作区。因此传统基准难以满足高速电路的要求,且形式单一,通用性较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提出一种温度系数可调的基准电压源,可实现正温度系数、负温度系数和不随温度变化的基准,以满足不同模拟射频电路的使用需求。电路结构简单、通用性强。
本发明的技术解决方案是:
一种温度系数可调的基准电压源,包括第一路电流产生电路和第二路电压调节电路;
第一路电流产生电路包括NPN管Q1、NPN管Q2、NPN管Q3、NPN管Q4、PMOS管M1、电阻R1、可变电阻R2、可变电阻R3、电阻R4;第二路电压调节电路包括NPN管Q5、NPN管Q6、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、电阻R5、电阻R6、可变电阻R7、可变电阻R8;
NPN管Q1的基极、集电极和NPN管Q2的基极连接在一起,同时通过电阻R1连接至电源VDD,NPN管Q1的发射极同时连接至NPN管Q3的集电极和NPN管Q4的基极;NPN管Q2的集电极同时连接至PMOS管M1的漏极、PMOS管M1的栅极、PMOS管M2的栅极、PMOS管M3的漏极,NPN管Q2的发射极同时连接至NPN管Q3的基极和NPN管Q4的集电极,并通过可变电阻R3连接至地GND;NPN管Q3的发射极连接至地GND;NPN管Q4的发射极通过可变电阻R2连接至地GND;PMOS管M1的源极通过电阻R4连接至电源VDD;
NPN管Q5的集电极同时连接至PMOS管M2的漏极、PMOS管M5的漏极和PMOS管M6的栅极,NPN管Q5的基极连接至NPN管Q6的基极、NPN管Q6的集电极和PMOS管M6的漏极,同时作为整个电路的电压输出端VBG;NPN管Q5的发射极通过可变电阻R7连接至地GND;NPN管Q6的发射极通过可变电阻R8连接至地GND;PMOS管M2的源极通过电阻R5连接至电源VDD;PMOS管M3的栅极连接至控制信号S的输入端,PMOS管M3的源极连接至PMOS管M4的漏极和PMOS管M5的栅极;PMOS管M4的栅极连接至控制信号SN的输入端,PMOS管M4的源极连接至电源VDD;PMOS管M5的源极通过电阻R6连接至电源VDD;PMOS管M6的源极连接至电源VDD。
进一步地,所述NPN管Q1、NPN管Q2、NPN管Q3和NPN管Q4的单元NPN管参数完全一样,NPN管Q1和NPN管Q4并联的单元NPN管数量是NPN管Q2和NPN管Q3的8倍。
进一步地,所述电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值相等,PMOS管M1、PMOS管M2和PMOS管M5的参数完全一样。
进一步地,所述可变电阻R8的阻值需随着可变电阻R7一起变化,保持阻值一致,NPN管Q5和NPN管Q6的参数完全一致。
本发明的温度系数可调的基准电压源与传统的设计方案相比优点在于:
采用特殊结构实现了温度系数可调的基准电压源,通过改变可变电阻,可得到正温度系数、负温度系数和不随温度变化的电压基准。通用性强,可满足大多数高速电路对基准电压的要求。
通过S、SN可便捷的进行两个档位之间的切换,扩大温度系数可调节范围。同时可根据需要,并联多个可开关支路,实现多档位的调节。
可变电阻可通过电阻串与开关MOS管组合等多种方式实现,结构简单,易于控制。电压源整体电路面积较小,其特殊结构使得可扩展性强,在提供多模式可选的稳定电压的同时,占用芯片面积小,降低了成本。
附图说明
图1为本发明的宽带单片集成低噪声放大器电路示意图。图中:100:第一路电流产生电路、200:第二路电压调节电路。
图2-图4是通过改变控制信号S\SN、调节可变电阻R2、R3、R7的阻值,在-55℃~125℃温度范围内分别实现的正温度系数、负温度系数和不随温度变化的基准电压仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明提出的温度系数可调的偏置基准电压源,包括第一路电流产生电路100和第二路电压调节电路200两部分,具体电路结构和连接关系说明如下。
第一路电流产生电路100包括NPN管Q1、NPN管Q2、NPN管Q3、NPN管Q4、PMOS管M1、电阻R1、可变电阻R2、可变电阻R3、电阻R4。NPN管Q1的基极、集电极和NPN管Q2的基极连接在一起,同时通过电阻R1连接至电源VDD,NPN管Q1的发射极同时连接至NPN管Q3的集电极和NPN管Q4的基极;NPN管Q2的集电极同时连接至PMOS管M1的漏极、PMOS管M1的栅极、PMOS管M2的栅极、PMOS管M3的漏极,NPN管Q2的发射极同时连接至NPN管Q3的基极和NPN管Q4的集电极,并通过可变电阻R3连接至地GND;NPN管Q3的发射极连接至地GND;NPN管Q4的发射极通过可变电阻R2连接至地GND;PMOS管M1的源极通过电阻R4连接至电源VDD。
第二路电压调节电路200包括NPN管Q5、NPN管Q6、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、电阻R5、电阻R6、可变电阻R7、可变电阻R8。NPN管Q5的集电极同时连接至PMOS管M2的漏极、PMOS管M5的漏极和PMOS管M6的栅极,NPN管Q5的基极连接至NPN管Q6的基极、NPN管Q6的集电极和PMOS管M6的漏极,同时作为整个电路的电压输出端VBG;NPN管Q5的发射极通过可变电阻R7连接至地GND;NPN管Q6的发射极通过可变电阻R8连接至地GND;PMOS管M2的源极通过电阻R5连接至电源VDD;PMOS管M3的栅极连接至控制信号S的输入端,PMOS管M3的源极连接至PMOS管M4的漏极和PMOS管M5的栅极;PMOS管M4的栅极连接至控制信号SN的输入端,PMOS管M4的源极连接至电源VDD;PMOS管M5的源极通过电阻R6连接至电源VDD;PMOS管M6的源极连接至电源VDD。
本发明中NPN管Q1、NPN管Q2、NPN管Q3和NPN管Q4的单元NPN管参数完全一样,NPN管Q1和NPN管Q4并联的单元NPN管数量是NPN管Q2和NPN管Q3的8倍。电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值相等;PMOS管M1、PMOS管M2和PMOS管M5的参数完全一样。可变电阻R8的阻值需随着可变电阻R7一起变化,保持阻值一致;NPN管Q5和NPN管Q6的参数完全一致。
可变电阻R2、R3、R7和R8可通过电阻串并多路开关等多种方法实现。电源电压VDD为3.3V。
设流经NPN管Q1、Q2的电流分别为I1、I;流经可变电阻R2、R3、R7的电流分别为I2、I3、I7;NPN管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的基极-发射极电压分别为Vbe1、Vbe2、Vbe3、Vbe4、Vbe5;NPN管Q2、Q3并联的单元管数为m;NPN管Q1、Q4并联的单元管数为8m;NPN管Q1的基极电压为Vref。
可以写出NPN管Q1基极电压Vref的表达式如下:
NPN管Q1基极电压Vref的另一个表达式如下:
根据式(1)、(2)可得到:
根据式
可写出电流I的表达式如下:
S、SN为一对反相的控制信号,当S为“1”、SN为“0”时,PMOS管M3关断、PMOS管M4打开,PMOS管M5的栅极接到VDD,被关断;当S为“0”、SN为“1”时,PMOS管M3打开、PMOS管M4关断,PMOS管M5的栅极接到PMOS管M1的栅极。
电流I7为I的镜像电流,由于PMOS管M1、M2、M5参数一致,当S为“1”、SN为“0”时:I7=I;当S为“0”、SN为“1”时:I7=2I。
可以写出最终带隙电压VBG的表达式如下:
带入(5)式可得到:
当S为“1”时k=1;S为“0”时k=2。式(7)中电阻和电流的温度系数均已相互抵消,只有VT、Vbe3、Vbe5包含温度系数,VBG对温度求偏导可得到:
由上式可知VBG温度系数的正负、大小均可通过改变控制信号S\SN、调节可变电阻R2、R3、R7的阻值来调节。同时由式(5)可知通过调节可变电阻R3的阻值能改变电流I3的大小。
本发明中PMOS管M2、M5的栅指数可分别改为PMOS管M1的不同倍数,以满足设计需求,在改变PMOS管M2、M5时,需要将电阻R5、电阻R6同时改为电阻R4的相应倍数,以保证镜像电流的稳定。
本发明中所有电阻、NPN管、PMOS管均采用同一类型,以消除工艺带来的温度系数偏差。
通过改变控制信号S\SN、调节可变电阻R2、R3、R7的阻值,在-55℃~125℃温度范围内实现的正温度系数、负温度系数和不随温度变化的基准电压仿真示意图如图2、图3、图4所示,其中横轴为温度,单位为摄氏度℃,纵轴为电压,单位为伏特(V)。
图2到图4三个图只是本电路功能的仿真示意图,可以根据实际需要调节控制信号S\SN及可变电阻R2、R3、R7的阻值,在-55℃~125℃温度范围内实现不同温度系数的基准电压。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。
Claims (4)
1.一种温度系数可调的基准电压源,其特征在于:包括第一路电流产生电路(100)和第二路电压调节电路(200);
第一路电流产生电路(100)包括NPN管Q1、NPN管Q2、NPN管Q3、NPN管Q4、PMOS管M1、电阻R1、可变电阻R2、可变电阻R3、电阻R4;第二路电压调节电路(200)包括NPN管Q5、NPN管Q6、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、电阻R5、电阻R6、可变电阻R7、可变电阻R8;
NPN管Q1的基极、集电极和NPN管Q2的基极连接在一起,同时通过电阻R1连接至电源VDD,NPN管Q1的发射极同时连接至NPN管Q3的集电极和NPN管Q4的基极;NPN管Q2的集电极同时连接至PMOS管M1的漏极、PMOS管M1的栅极、PMOS管M2的栅极、PMOS管M3的漏极,NPN管Q2的发射极同时连接至NPN管Q3的基极和NPN管Q4的集电极,并通过可变电阻R3连接至地GND;NPN管Q3的发射极连接至地GND;NPN管Q4的发射极通过可变电阻R2连接至地GND;PMOS管M1的源极通过电阻R4连接至电源VDD;
NPN管Q5的集电极同时连接至PMOS管M2的漏极、PMOS管M5的漏极和PMOS管M6的栅极,NPN管Q5的基极连接至NPN管Q6的基极、NPN管Q6的集电极和PMOS管M6的漏极,同时作为整个电路的电压输出端VBG;NPN管Q5的发射极通过可变电阻R7连接至地GND;NPN管Q6的发射极通过可变电阻R8连接至地GND;PMOS管M2的源极通过电阻R5连接至电源VDD;PMOS管M3的栅极连接至控制信号S的输入端,PMOS管M3的源极连接至PMOS管M4的漏极和PMOS管M5的栅极;PMOS管M4的栅极连接至控制信号SN的输入端,PMOS管M4的源极连接至电源VDD;PMOS管M5的源极通过电阻R6连接至电源VDD;PMOS管M6的源极连接至电源VDD;
端口S/SN根据需要,设置方式为:S连接至电源VDD、SN连接至地GND;或者S连接至地GND、SN连接至电源VDD。
2.根据权利要求1所述的一种温度系数可调的基准电压源,其特征在于:所述NPN管Q1、NPN管Q2、NPN管Q3和NPN管Q4的单元NPN管参数完全一样,NPN管Q1和NPN管Q4并联的单元NPN管数量是NPN管Q2和NPN管Q3的8倍。
3.根据权利要求1所述的一种温度系数可调的基准电压源,其特征在于:所述电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值相等,PMOS管M1、PMOS管M2和PMOS管M5的参数完全一样。
4.根据权利要求1所述的一种温度系数可调的基准电压源,其特征在于:所述可变电阻R8的阻值需随着可变电阻R7一起变化,保持阻值一致,NPN管Q5和NPN管Q6的参数完全一致。
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