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CN112306131B - 基准电压电路 - Google Patents

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CN112306131B CN202010743420.4A CN202010743420A CN112306131B CN 112306131 B CN112306131 B CN 112306131B CN 202010743420 A CN202010743420 A CN 202010743420A CN 112306131 B CN112306131 B CN 112306131B
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Abstract

基准电压电路具备：齐纳二极管，其负极经由第一节点与电流源连接，正极与接地点连接；第一电阻，其一端与第一节点连接；第二电阻，其一端与第一电阻的另一端连接；第一二极管，其正极在第二节点上与第二电阻的另一端连接，负极与接地点连接；以及电流控制电路，生成与第一二极管的正极电压对应的控制电流，并使电流源向第一二极管供给与控制电流对应的基准电流。

Description

基准电压电路
技术领域
本发明涉及基准电压电路。
背景技术
一直以来，在电子电路中广泛使用基准电压电路，该基准电压电路对于将供给的电压和阈值电压进行比较的比较器，生成成为该阈值电压的基准电压的基准电压电路。
由于能够以简单的结构生成基准电压，所以具备齐纳二极管、二极管及电阻的结构用于该基准电压电路（例如，参照专利文献1）。
图7所示的现有的基准电压电路100在恒流源103的输出端子与接地点之间，并联连接了齐纳二极管104、和串联连接有电阻107、106及二极管105的电路。另外，齐纳二极管104反向连接，二极管105正向连接。
由此，基准电压电路100从电阻107及106的连接点输出成为基准电压的输出电压Vout。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开昭49-128250号公报。
发明内容
【发明要解决的课题】
在基准电压电路100中，输出电压Vout由（A1）式表示。
上述（A1）式中，Vz是齐纳二极管104的负极的电压，VD是二极管105的正极的电压，R106及R107是电阻106、107各自的电阻值。
另外，流过二极管105的电流I105由（A2）式表示。
在此，电压Vz具有正温度系数，电压VD具有负温度系数。
当电阻106及107的温度系数为0的情况下（不具有温度依赖性的情况下），电流I105具有正温度系数。
若恒流源103供给的电流设为I103，则流过齐纳二极管104的电流I104由（A3）式表示。
当电流I103不具有温度依赖性的情况下，由于电流I105具有正温度系数，所以电流I104具有负温度系数。
即，电流I103不变，随着电流I105对应于温度的上升而增加，电流I104会相对减少。因此，在基准电压电路100的情况下，电流I104随着温度上升而减少，因此变得无法维持电压Vz相对于温度变化的线性。
另一方面，当温度上升而电流I105增加的情况下，为了减小电压VD的负温度系数的影响而增加电流I103，从而保持电压Vz相对于温度变化的线性，并且能够使输出电压Vout的温度系数为0。
然而，为了保持电压Vz的线性，需要将（减小电压VD的负温度系数的影响程度的）较大的电流I103作为偏置电流固定地流入齐纳二极管104，进行基准电压电路的低耗电变得困难。
发明内容
本发明的目的在于提供这样的基准电压电路，即不会增加从恒流源流入齐纳二极管的电流，而施加在齐纳二极管的负极的电压的温度依赖性能够维持线性，并抑制电力消耗而能够节省电力。
【用于解决课题的方案】
本发明的实施方式所涉及的基准电压电路，其特征在于具备：齐纳二极管，其负极经由第一节点与电流源连接，正极与接地点连接；第一电阻，其一端与所述第一节点连接；第二电阻，其一端与所述第一电阻的另一端连接；第一二极管，其正极在第二节点上与所述第二电阻的另一端连接，负极与接地点连接；以及电流控制电路，生成与所述第一二极管的正极电压对应的控制电流，并使所述电流源向所述第一二极管供给与该控制电流对应的基准电流。
依据本发明的基准电压电路，能够提供这样的基准电压电路，即不会增加从恒流源流入齐纳二极管的电流，而施加在齐纳二极管的负极的电压的温度依赖性能够维持线性，并抑制电力消耗而能够节省电力。
附图说明
图1是示出依据第一实施方式的基准电压电路的结构例的电路图。
图2是示出V/I转换元件的一个例子的电路图。
图3是示出依据第一实施方式的基准电压电路的变形例的电路图。
图4是示出依据第二实施方式的基准电压电路的结构例的电路图。
图5是示出依据第三实施方式的基准电压电路的结构例的电路图。
图6是示出依据第四实施方式的基准电压电路的结构例的电路图。
图7是示出现有的基准电压电路的电路图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本实施方式进行说明。
＜第一实施方式＞
图1是示出依据第一实施方式的基准电压电路的结构例的电路图。
基准电压电路1具备电流反射镜电路10、电流控制电路20、电阻31（第一电阻）、32（第二电阻）、齐纳二极管ZD及二极管D1。
电流反射镜电路10具备p沟道型的晶体管11及12，晶体管11的漏极与输出端子T0连接，晶体管12的漏极与输入端子Ti连接。
电流控制电路20是基准电压电路1中的电流源，具备误差放大电路OP1、晶体管21及V/I转换元件22。
齐纳二极管ZD的负极与电流反射镜电路10的输出端子T0连接，正极与接地点连接。
电阻31的一端与齐纳二极管ZD的负极连接，另一端与电阻32的一端及输出端子Tvout连接。
电阻32的另一端与二极管D1的正极连接。
二极管D1的负极与接地点连接。
晶体管21为n沟道型的晶体管，其漏极与电流反射镜电路10的输入端子Ti连接，栅极与误差放大电路OP1的输出端子连接，源极与V/I转换元件22的一端连接。
误差放大电路OP1的同相输入端子与二极管D1的正极连接，反相输入端子与V/I转换元件22的一端连接。
V/I转换元件22的另一端与接地点连接，将二极管D1的电压VD转换为控制电流Icon。
图2是示出V/I转换元件的一个例子的电路图。在图2中，V/I转换元件22具备二极管22A、电阻22B、电阻22C及二极管22D。
V/I转换元件22的一端和另一端之间并联连接有二极管22A、电阻22B及电阻22C和二极管22D的串联电路。在此，在从V/I转换元件22的一端到另一端，二极管22A及22D正向连接。
基准电压电路1向晶体管11及12的源极施加电源电压VDD，从而从输出端子Tvout输出输出电压Vout。
此时，在齐纳二极管ZD中流过电流IZD，从而在齐纳二极管ZD的负极产生电压VZ作为反向电压。另外，在二极管D1中流过电流ID1，从而在二极管D1的正极产生电压VD作为正向电压。
对应于电压VZ、电压VD、电阻31及32的分压比，来决定输出电压Vout。以下的（1）式中，将电阻31及32的电阻值分别设为R31、R32。
而且，齐纳二极管ZD的电压VZ具有正温度系数，与二极管D1的电压VD的负温度系数取平衡，使得基准电压电路1的输出电压Vout不具有温度依赖性（温度系数为“0”）。因此，当在齐纳二极管ZD中流动电流IZD作为偏置电流时，以满足以下的（2）式的方式设定电阻31及32的电阻值R31、R32。
上述（2）式中，（dVZ／dT）表示每单位的温度变化带来的负极电压VZ的变化量，具有正温度系数。另外，（dVD／dT）表示每单位的温度变化带来的电压VD的变化量，具有负温度系数。
电流控制电路20作为V/I转换电路发挥功能，该V/I转换电路将二极管D1的电压VD转换为与该电压VD对应的控制电流Icon。
即，误差放大电路OP1使晶体管21进行负反馈处理，从而V/I转换元件22的电压降会与电压VD相等。因此，会从电流反射镜电路10的输入端子Ti向V/I转换元件22流入与电压VD对应的控制电流Icon。
该控制电流Icon成为流过二极管22A、电阻22B及串联连接有电阻22C和二极管22D的电路的电流的合成电流。
在此，在二极管22A中流过由与二极管D1的面积比（P/N结的面积比）决定的、与电流ID1成比例的电流I22A。二极管22A中的电压降具有负温度系数。
另外，在电阻22B流过与二极管D1的电压VD成比例的电流I22B（＝VD/R22B）。R22B是电阻22B的电阻值。电流I22B具有负温度系数。
在电阻22C及二极管22D中流过与二极管D1的正极电压和二极管22D的正极电压的差电压ΔVD成比例的电流I22C（＝ΔVD/R22C）。R22C是电阻22C的电阻值。差电压ΔVD具有正温度系数。
在从电流控制电路20向输入端子Ti输入控制电流Icon时，电流反射镜电路10从输出端子T0向齐纳二极管ZD及二极管D1输出基于设定的反射系数（mirror ratio）的基准电流Icrt。例如，在输出电流相对于输入电流的反射系数为K的情况下，基准电流Icrt可由以下的（3）式表示。
例如，在二极管D1与二极管22A的面积比为1：1、二极管D1与二极管22D的面积比为1：N（＞1，例如2以上）、K＝1的情况下，基准电流Icrt可由以下的（4）式表示。
在此，I22A＝ID1。
（4）式中，第一项的电流I22A是在具有与二极管D1同样的特性的二极管22A中流过的电流，与流过二极管D1的电流ID1相同。该电流ID1作为与电压VD对应的反馈，从电流反射镜电路10的输出端子T0向二极管D1输出。
因此，第二项的VD/R22B及第三项的ΔVD/R22C从电流反射镜电路10的输出端子T0向齐纳二极管ZD输出。
流过齐纳二极管ZD的电流IZD可由从式（4）除去第一项的（5）式表示。
从上述（5）式可以知晓：第一项及第二项分别是流过电阻22B、及电阻22C和二极管22D的串联电路的电流，不受流过二极管D1的电流ID1影响。
另外，在电阻22B及22C的温度系数为“0”的情况下，电压VD为负温度系数，所以电流VD/R22B的温度系数成为负，而差电压ΔVD为正温度系数，所以电流ΔVD/R22C的温度系数成为正。因而，通过调整电阻22B的电阻值R22B和电阻22C的电阻值R22C，能够将流过齐纳二极管ZD的电流IZD的温度特性任意调整为正或负。
如上述，基准电压电路1生成将与电压VD对应的电流和与流过齐纳二极管ZD的电流IZD对应的电流进行合成的控制电流Icon，并与该控制电流Icon对应地从电流反射镜电路10流出基准电流Icrt，与温度变化对应地调整电流ID1、IZD。
由此，对应于电压VD及电压VZ基于温度依赖性的变动，在二极管D1流过补偿该变动的电流ID1，且使电流IZD流过齐纳二极管ZD，从而能够任意控制电压VZ。
因而，基准电压电路1能够对应于温度变化而将电流IZD调整为所需最小限的电流量并加以供给，因此能够保持施加在齐纳二极管ZD的负极的电压VZ的温度依赖性的线性的同时，达成节省电力。
此外，基准电压电路1也可以构成为通过未图示的启动电路在启动时向电阻31施加既定脉冲电流。
另外，关于V/I转换元件22，设为具备二极管22A、电阻22B、电阻22C及二极管22D的结构而进行了说明，但也可为具备二极管22A、电阻22B、及电阻22C和二极管22D的串联电路的任一个、或者它们的组合的结构。在该结构的情况下，以负极电压VZ保持线性的方式调整电流反射镜电路10的反射系数、或二极管22A、22D的面积比、电阻22B、22C的电阻值等，从电压VD生成控制电流Icon，以使电流ID1和IZD成为对应于温度变化而及时调整的电流Icrt。
图3是示出依据第一实施方式的基准电压电路的变形例的电路图。以下，说明与图1的基准电压电路1不同的结构及动作。
基准电压电路1a相对于图1附加了二极管D2。二极管D2的正极与电流反射镜电路10的输出端子T0连接，负极与电阻31的一端连接。在二极管D2的电压降为VD2的情况下，输出电压Vout可由以下的（6）式表示。
通过附加二极管D2，二极管D2的正极电压为负温度系数，所以与二极管D2的负极连接的电阻31的一端的电压成为正温度系数，该电阻31的一端的电压对应于温度变化而变化。
电阻31的一端的电压为正温度系数，因此为了消除输出电压Vout的温度依赖性，由（6）式可知会增加电阻31的电阻值R31。从而，电阻31的电压降增加，输出电压Vout下降。
因此，与图1的结构相比较，在需要更低的输出电压Vout的情况下，如图3所示，能够通过追加二极管D2来容易地实现。
另外，如图3所示，也可以设为附加恒流源41或者42的任一个的结构。
例如，在对齐纳二极管ZD的负极附加恒流源41的情况下，会从恒流源41向齐纳二极管ZD供给电流IZD。由此，电流反射镜电路10供给基准电流Icrt，作为流入二极管D1的电流ID1。在该情况下，成为这样的结构，即流过齐纳二极管ZD的电流IZD不受电压VD的影响，而电流控制电路20对应于温度变化仅进行流过二极管D1的电流ID1的补偿。
因此，V/I转换元件22例如成为仅具备图2的二极管22A的结构，通过与二极管D1同样的电压降，对误差放大电路OP1的反相输入端子施加电压VD。
另外，在对电流反射镜电路10的输入端子Ti附加恒流源42的情况下，也与附加上述恒流源41的情况同样，电流控制电路20成为仅进行流过二极管D1的电流ID1的补偿的结构。
＜第二实施方式＞
图4是示出依据第二实施方式的基准电压电路的结构例的电路图。
基准电压电路1A具备电流源10A、电流控制电路20A、电阻31、32、齐纳二极管ZD及二极管D1。
电流源10A具备p沟道型的晶体管13。
电流控制电路20A具备误差放大电路OP2、V/I转换元件22及晶体管23。
晶体管13的源极上被施加电源电压VDD，栅极与误差放大电路OP2的输出端子及晶体管23的栅极连接，漏极与齐纳二极管ZD的负极及电阻31的一端连接。
晶体管23为p沟道型的晶体管，其源极上被施加电源电压VDD，漏极与V/I转换元件22的一端及误差放大电路OP2的同相输入端子连接。
V/I转换元件22的另一端与接地点连接。
电阻31的另一端与输出端子Tvout及电阻32的一端连接。
电阻32的另一端与二极管D1的正极及误差放大电路OP2的反相输入端子连接。
齐纳二极管ZD的正极与接地点连接。
二极管D1的负极与接地点连接。
电流控制电路20A作为V/I转换电路发挥功能，该V/I转换电路将二极管D1的电压VD转换为与该电压VD对应的控制电流Icon。
误差放大电路OP2及晶体管23构成电压跟随器，所以V/I转换元件22的电压降因晶体管23的负反馈而成为与二极管D1的电压VD同样。
因此，经由晶体管23向V/I转换元件22流入控制电流Icon，作为与二极管D1的电压VD对应的电流。
由于晶体管13及23的栅极电压相等，在晶体管13及23中会流过与纵横比对应的漏极电流。由此，在晶体管13中会流过与在V/I转换元件22中流动的控制电流Icon对应的基准电流Icrt。
如上述，本第二实施方式的基准电压电路与第一实施方式同样，由跟随温度变化而发生变动的正极电压VD生成控制电流Icon，与该控制电流Icon对应地从晶体管13供给流过二极管D1的电流ID1和流过齐纳二极管ZD的电流IZD的合成电流即基准电流Icrt。
因而，本实施方式的基准电压电路能够与温度变化对应地将电流IZD调整为所要最小限的电流量并加以供给，因此能够确保施加在齐纳二极管ZD的负极的电压VZ的温度依赖性的线性的同时，达成节省电力。
＜第三实施方式＞
图5是示出依据第三实施方式的基准电压电路的结构例的电路图。
基准电压电路1B除了具备电流控制电路20B以外，为与第二实施方式同样的结构。
电流控制电路20B具备p沟道型的晶体管24和25、n沟道型的晶体管26和27、及V/I转换元件22。
晶体管24的源极上被施加电源电压VDD，栅极与晶体管25的栅极及漏极连接，漏极与晶体管26的漏极及栅极连接。
晶体管25的源极上被施加电源电压VDD，漏极与晶体管27的漏极连接。
晶体管26的栅极与晶体管27的栅极连接，源极与二极管D1的正极连接。
晶体管27的源极经由V/I转换元件22与接地点连接。
电流控制电路20B作为V/I转换电路发挥功能，该V/I转换电路将二极管D1的电压VD转换为与该电压VD对应的控制电流Icon。
晶体管24及25构成电流反射镜，与晶体管24和25的反射系数对应的电流流入晶体管26及27，决定晶体管27的源极电压。
例如，在晶体管24及25的反射系数为1：1、晶体管26及27的纵横比相同的情况下，在晶体管26及27中流过相同的漏极电流。由此，晶体管26的源极电压（电压VD）与晶体管27的源极电压相等，即V/I转换元件22的电压降与电压VD同样。
由于与电压VD对应的控制电流Icon经由晶体管25流入V/I转换元件22，在与晶体管25构成电流反射镜的晶体管13中会流过对流过V/I转换元件22的控制电流Icon乘以反射系数的基准电流Icrt。
如上述，基准电压电路1B基于随着温度变化而变动的电压VD，生成控制电流Icon，与该控制电流Icon对应地从晶体管13供给流过二极管D1的电流ID1和流过齐纳二极管ZD的电流IZD的合成电流即基准电流Icrt。
因而，基准电压电路1B能够与温度变化对应地将电流IZD调整为所需最小限的电流量并加以供给，能够保持施加在齐纳二极管ZD的负极的电压VZ的温度依赖性的线性的同时，达成节省电力。
＜第四实施方式＞
图6是示出依据第四实施方式的基准电压电路的结构例的电路图。
基准电压电路1C除了具备电流控制电路20C、双极晶体管BT1、恒流源41以外，为与第一实施方式同样的结构。
电流控制电路20C具备双极晶体管BT2。
双极晶体管BT1及BT2为npn型的双极晶体管，构成电流反射镜。
双极晶体管BT1的集电极与基极及电阻32的另一端连接，发射极与接地点连接。即，双极晶体管BT1与第一实施方式中的二极管D1对应。
双极晶体管BT2的集电极与电流反射镜电路10的输入端子Ti连接，基极与双极晶体管BT1的基极连接，发射极与接地点连接。在此，双极晶体管BT2的基极/发射极与第一实施方式中的V/I转换元件22的二极管22A对应，具有与双极晶体管BT1的基极/发射极同样的二极管特性。
双极晶体管BT1的基极被施加电压VD的情况下，会流过基于电压VD的基极电流，且流过与该基极电流对应的集电极电流（电流ID1）。
基于与双极晶体管BT1的反射系数，在双极晶体管BT2上会流过集电极电流。
双极晶体管BT2的集电极电流是与电压VD对应地流动的控制电流Icon，并向电流反射镜电路10的输入端子Ti输入。
由此，电流反射镜电路10从输出端子T0输出与反射系数对应的基准电流Icrt。
在此，在电流反射镜电路10的反射系数为1：1、双极晶体管BT1及BT2的反射系数为1：1的情况下，从电流反射镜电路10的输出端子输出的基准电流Icrt会与电流ID1相等。
由此，从恒流源41供给流过齐纳二极管ZD的电流IZD，由于不受电压VD的影响，所以电流控制电路20C成为以双极晶体管BT1仅进行流过二极管D1的电流ID1的补偿的结构。
另外，在对电流反射镜电路10的输入端子Ti附加恒流源42的情况下，也与上述的附加恒流源41的情况同样，电流控制电路20C成为仅进行流过集电极和基极短路的双极晶体管BT1（相当于二极管D1）的电流ID1的补偿的结构。
如上述，基准电压电路1C生成与双极晶体管BT1的二极管连接中的电压VD对应的控制电流Icon，对应于该控制电流Icon地从晶体管13流出基准电流Icrt，与温度变化对应地调整电流ID1。
因而，基准电压电路1C能够对应于温度变化而将电流IZD调整为所需最小限的电流量并加以供给，因此能够保持施加在齐纳二极管ZD的负极的电压VZ的温度依赖性的线性的同时，达成节省电力。
以上，参照附图详细说明了实施方式，但是具体结构并不限于这些实施方式，还包括不脱离本发明的要点的范围的设计及变形等。
【标号说明】
1、1A、1B、1C 基准电压电路；10 电流反射镜电路；10A 电流源；11、12、13、21、23、24、25、26、27 晶体管；20、20A、20B、20C 电流控制电路；22 V/I转换元件；22A、22D、D1 二极管；22B、22C、31、32 电阻；41、42 恒流源；BT1、BT2 双极晶体管；OP1、OP2 误差放大电路；ZD齐纳二极管。

Claims (14)

1.一种基准电压电路，其特征在于，具备：
齐纳二极管，其负极经由第一节点与电流源连接，正极与接地点连接；
第一电阻，其一端与所述第一节点连接；
第二电阻，其一端与所述第一电阻的另一端连接；
第一二极管，其正极经由第二节点与所述第二电阻的另一端连接，负极与接地点连接；以及
电流控制电路，生成与所述第一二极管的正极电压对应的控制电流，并使所述电流源向所述第一二极管供给与该控制电流对应的基准电流。
2.如权利要求1所述的基准电压电路，其特征在于：
所述电流源具备第一电流反射镜电路，该第一电流反射镜电路以所述控制电流为输入电流，并以所述基准电流为输出电流，
所述电流控制电路具备V/I转换元件，该V/I转换元件将所述正极电压转换为所述控制电流。
3.如权利要求2所述的基准电压电路，其特征在于，
所述电流控制电路具备：
第一误差放大电路，其同相输入端子与所述第二节点连接，反相输入端子与所述V/I转换元件的一端连接；以及
n沟道型的第一晶体管，其漏极与所述第一电流反射镜电路的输入端子连接，栅极与所述第一误差放大电路的输出端子连接，源极与所述V/I转换元件的一端连接。
4.如权利要求1所述的基准电压电路，其特征在于：
所述电流源为p沟道型的第二晶体管，该p沟道型的第二晶体管的源极与电源连接，漏极与所述第一节点连接，
所述电流控制电路以所述第二晶体管流出与所述控制电流对应的所述基准电流的方式控制。
5.如权利要求4所述的基准电压电路，其特征在于，
所述电流控制电路具备：
p沟道型的第三晶体管，其源极与所述电源连接；
第二误差放大电路，其反相输入端子与所述第二节点连接，同相输入端子与所述第三晶体管的漏极连接，输出端子与所述第二晶体管的栅极及所述第三晶体管的栅极连接；以及
V/I转换元件，其连接在所述同相输入端子与所述接地点之间，并具有与所述第一二极管同样的特性。
6.如权利要求4所述的基准电压电路，其特征在于，
所述电流控制电路具备：
第二电流反射镜电路；
n沟道型的第四晶体管，其漏极与所述第二电流反射镜电路的输入端子连接；
n沟道型的第五晶体管，其漏极及栅极与所述第二电流反射镜电路的输出端子和所述第四晶体管的栅极连接，源极与所述第二节点连接；以及
V/I转换元件，其连接在所述第四晶体管的源极与接地点之间，并具有与所述第一二极管同样的特性。
7.如权利要求1所述的基准电压电路，其特征在于，具备：
第四二极管，在所述第一节点与所述第一电阻之间正向连接。
8.如权利要求2所述的基准电压电路，其特征在于，具备：
第四二极管，在所述第一节点与所述第一电阻之间正向连接。
9.如权利要求4所述的基准电压电路，其特征在于，具备：
第四二极管，在所述第一节点与所述第一电阻之间正向连接。
10.如权利要求3、权利要求5或权利要求6所述的基准电压电路，其特征在于：
所述V/I转换元件具备第二二极管，该第二二极管具有与所述第一二极管同样的特性。
11.如权利要求3、权利要求5或权利要求6所述的基准电压电路，其特征在于：
所述V/I转换元件并联连接有第二二极管、第三电阻、及串联连接有第四电阻和第三二极管的串联电路的任一个或组合。
12.如权利要求3、权利要求5或权利要求6所述的基准电压电路，其特征在于，具备：
第四二极管，在所述第一节点与所述第一电阻之间正向连接。
13.如权利要求1所述的基准电压电路，其特征在于：
所述电流源具备使电流流入所述齐纳二极管的恒流源、和输出端子与所述第一节点连接的第三电流反射镜电路，
所述第一二极管由npn型的第一双极晶体管形成，该npn型的第一双极晶体管的集电极及基极与二极管连接，发射极与接地点连接，
所述电流控制电路由npn型的第二双极晶体管形成，该npn型的第二双极晶体管的集电极与所述第三电流反射镜电路的输入端子连接，基极与所述第一双极晶体管的集电极及基极连接，发射极与接地点连接，
所述第三电流反射镜电路以所述控制电流为输入电流，并以所述基准电流为输出电流。
14.如权利要求13所述的基准电压电路，其特征在于：
所述第一双极晶体管的基极-发射极的二极管特性，与所述第二双极晶体管的基极-发射极的二极管特性同样。
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