專利名稱：高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬集成基準(zhǔn)電壓源電路。
背景技術(shù)：
基準(zhǔn)電壓源(voltage references)是指被用作電壓參考的高精確、高穩(wěn)定度的電 壓源，理想的基準(zhǔn)電壓是一個(gè)與電源、溫度、負(fù)載變化無(wú)關(guān)的量?；鶞?zhǔn)電壓源是現(xiàn)代模擬電 路極為重要的組成部分，它對(duì)高新模擬電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要作用。在許多模擬 電路中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中都需要高精 度、高穩(wěn)定度的電壓基準(zhǔn)源。特別是在精密測(cè)量?jī)x器儀表和現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中，經(jīng)常把集 成電壓基準(zhǔn)源作為系統(tǒng)測(cè)量和校準(zhǔn)的基準(zhǔn)。 世界半導(dǎo)體業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)將帶動(dòng)全球電子信息產(chǎn)品市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，通 信、消費(fèi)類便攜式電子產(chǎn)品及汽車電子領(lǐng)域?qū)⒊蔀橄葘?dǎo)，國(guó)外許多模擬集成電路制造廠商， 如美國(guó)模擬器件公司(ADI)、德州儀器(TI)等公司相繼推出許多種類的高精度集成電壓基 準(zhǔn)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的產(chǎn)品絕大多數(shù)為上述公司的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)企業(yè)只是把基準(zhǔn)電壓源集成 在其他集成電路芯片中，而不是把它作為單純的一個(gè)通用產(chǎn)品來(lái)推向市場(chǎng)，這就大大的限 制了基準(zhǔn)電壓源的使用范圍。隨著MCM(multi-chip module)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用， 研究單芯片集成電壓基準(zhǔn)源對(duì)我國(guó)國(guó)防工業(yè)和通信、消費(fèi)類便攜式電子產(chǎn)品及汽車電子市 場(chǎng)的發(fā)展有著十分重大的意義。 從工作原理角度來(lái)看，設(shè)計(jì)集成基準(zhǔn)電壓源最關(guān)鍵的問(wèn)題是高精度和低溫度系 數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高精度，通常是利用硅半導(dǎo)體材料本身固有的特征電壓作為基準(zhǔn)電壓，20世紀(jì) 70年代初，Widlar首先提出帶隙基準(zhǔn)電壓源的概念和基本設(shè)計(jì)思想，帶隙基準(zhǔn)電壓源由于 在電源電壓、功耗、穩(wěn)定性等方面的優(yōu)點(diǎn)，而得到了廣泛的應(yīng)用。為了獲得低的溫度系數(shù)，很 多研究者在這方面進(jìn)行了大量的研究，例如Timothy利用"A VBE梯子"(△ VBE ladder)技 術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的能隙基準(zhǔn)進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償，從而將能隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)降至5ppm廣C以下。 但報(bào)道的這些研究結(jié)論基本上是基于CMOS工藝的仿真的結(jié)果。常規(guī)CMOS工藝中M0SFET 的D-S之間的最高耐壓一般在18V左右，電流驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，而雙極型晶體管的C-E之間最 高耐壓可以達(dá)到36V，甚至高到80V。并且，雙極型晶體管本身就是電流驅(qū)動(dòng)型器件，更適用 于處理大電流的電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，該電
路具有精度高、電源范圍寬、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、電源電壓調(diào)整率低、溫度系數(shù)小和保護(hù)功能完善，
以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下它包括 PTAT電流產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生PTAT電流； 電壓提升電路，用于提升PTAT電壓，實(shí)現(xiàn)了電路的啟動(dòng)隔離；
電流反饋電路，用于穩(wěn)定輸出電壓，提高其電流的溫度穩(wěn)定性；
過(guò)熱保護(hù)電路，用于輸出管的過(guò)熱保護(hù)； 大電流驅(qū)動(dòng)及過(guò)流保護(hù)電路，用于調(diào)整大負(fù)載電流時(shí)輸出管的輸出電壓；用于大 電流驅(qū)動(dòng)電路中晶體管的過(guò)流保護(hù)； 電源電壓分配電路，用于提高輸出基準(zhǔn)電壓的直流電源抑制特性； 輸出驅(qū)動(dòng)和反接保護(hù)電路，用于加強(qiáng)輸出基準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)能力和電路反接保護(hù)。所述的PTAT電流產(chǎn)生電路由電阻R。 、 R2 、 R3和NPN管、 Q2組成。 所述的電壓提升電路包括電阻&和NPN管Q9、 Q1Q、 Qn管組成的二極管結(jié)構(gòu)。 所述的電流反饋電路由三個(gè)部分組成，即由PNP管Q3、Q4、Q5組成威爾遜電流源；由
電阻R4、 R5和NPN管Q6、 Q7、 Q8組成電流比較電路；由電阻R6、 R7和NPN管Q12、 Q13組成誤差
電路發(fā)放大電路。 所述的過(guò)熱保護(hù)電路由電阻R8、 R9、 R1Q、 Ru， NPN管Q14、 Q16、 Q18和PNP管Q15、 Q17組 成。 所述的大電流驅(qū)動(dòng)及過(guò)流保護(hù)電路由電阻R15， R19 R12、 R14、尺16，和NPN管Q19、 Q22，
PNP管Q23、Q24、Q25、Q26組成。 所述的電源電壓分配電路由電阻R17、 R18， PNP管Q2。和齊納二極管D工組成。
所述的輸出驅(qū)動(dòng)和反接保護(hù)電路由電阻R13、 D2和NPN管Q21組成。
本發(fā)明的工作原理分析如下 QpQ2、R。組成微電流源，產(chǎn)生PTAT電流。因?yàn)镽3 = 3R2，流過(guò)^的電流為4IPTAT。 Q3、 94、95組成威爾遜電流源，即可使兩路電流精確匹配，又可提高其電流的溫度穩(wěn)定性。當(dāng)電路 上電時(shí)，電流源向Q9組成的二極管注入電流，使得Qn管的基極有電流，從而使Q1Q以及 工作；當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后99組成的二極管截止，實(shí)現(xiàn)了電路的啟動(dòng)隔離。穩(wěn)壓二極管Dl，三 極管Q20、Q22和電阻R17、R18、R19組成一個(gè)電源電壓分配電路。穩(wěn)壓二極管D1的擊穿電壓 為5. 8V，當(dāng)V。值低于5. 8V時(shí)，R17和Dl組成的支路斷開(kāi)，R17上沒(méi)有壓降，PNP管Q20截止， 使得A點(diǎn)電壓為電源電壓，再經(jīng)過(guò)一級(jí)射極跟隨器從Q22的發(fā)射極(B點(diǎn))提供電壓給基準(zhǔn) 電路。當(dāng)V。值高于5. 8V時(shí)，R17和Dl組成的支路有電流通過(guò)，R17上的壓降足以使Q20管 導(dǎo)通，A點(diǎn)電位被鉗制在5. 8V+0. 5815V，從而使B點(diǎn)電位被鉗制在5. 8V+0. 5815V-0. 7672V。 這樣可將基準(zhǔn)電路4. 5V 40V的寬電源電壓范圍縮小到4. 5V 5. 6143V這個(gè)很小的范圍 內(nèi)，降低了電源電壓變化對(duì)輸出基準(zhǔn)值的影響，提高了輸出基準(zhǔn)電壓的直流電源抑制特性。
基準(zhǔn)電壓從Q21管的發(fā)射極輸出，Q21管的基極(C點(diǎn))電位在3. 2V左右，這一值 是由微電流源、電阻R1和三極管Q10、Q11組成的電路決定的。電阻R^的引入，使得在B點(diǎn) 電位變化時(shí)C點(diǎn)電位能夠保持恒定。 Q6、 Q7、 R4組成一個(gè)誤差放大器，當(dāng)VMf升高時(shí)，Q21的基極電位升高，Qn和Q1Q管的 基極電位也跟著升高，流過(guò)Q1Q管的電流增大，增大的電流通過(guò)電阻&和R3使流入Q7管基 極的電流增大(因?yàn)?2的集電極電流是由微電流源確定的)，使電流鏡的電流增大。因?yàn)?Q8的基極電位基本恒定，所以電流增大的部分基本上全部流入Q12和Q13組成的達(dá)林頓管，達(dá) 林頓管將誤差電流放大，分走流過(guò)Qw管的一部分電流，從而使輸出電壓下降。
同理，當(dāng)輸出電壓下降時(shí)，通過(guò)Q6、 Q7、 R4組成的誤差放大器和Q12、 Q13組成的達(dá)林 頓管，使得輸出電壓升高，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
電阻R8、 R9、 R10、 Rn和Q14、 Q15、 Q16、 Q17、 Q18管組成過(guò)熱保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出管Q21 的過(guò)熱保護(hù)，如圖l-2所示。圖中的VC端接到(^管的基極。本電路中的溫度保護(hù)點(diǎn)設(shè)在 130°C 。當(dāng)芯片溫度低于130°C時(shí)，電阻R8上的壓降不足以使Q16管和Q17管開(kāi)啟，沒(méi)有電流 流過(guò)電阻R1Q和Rn， Q18管截止；當(dāng)芯片溫度高于13(TC時(shí)，由于PN結(jié)的開(kāi)啟電壓具有負(fù)溫 度系數(shù)，這時(shí)Q14和Q15管組成的兩個(gè)二極管開(kāi)啟電壓下降，使得電阻R8上的壓降升高，達(dá)到 Q16管和Q17管的開(kāi)啟電壓，Q16、 Q17、 R10和Rn組成的支路有電流流過(guò)，電阻R10和Ru分壓使 918管導(dǎo)通，將輸出管921的基極電流分走，減小了流過(guò)921管的電流，從而降低結(jié)溫，達(dá)到過(guò) 熱保護(hù)的目的。電阻R15將過(guò)熱保護(hù)電路部分的電源電壓穩(wěn)定在3. 2V左右，所以芯片電壓 V。的變化對(duì)過(guò)熱保護(hù)電路的影響不大，保證了該部分電路在基準(zhǔn)源芯片的整個(gè)工作電源范 圍(4. 5V 40V)內(nèi)能夠正常工作。 電阻R16為過(guò)流保護(hù)取樣電阻，當(dāng)Q22管的集電極電流達(dá)到過(guò)流保護(hù)點(diǎn)130mA時(shí)，電 阻R16上的壓降使Q23、Q24、Q25、Q26管導(dǎo)通，向電阻R12和R14注入電流，使電阻R12兩端的電壓 足以使Q19管導(dǎo)通，分走Q22管的基極電流，從而降低其集電極電流，達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。
另外在使用過(guò)程中如果不慎將電源端和地接反，D2將開(kāi)通，防止電路內(nèi)部的器件 擊穿損壞。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn) 精度高、電源范圍寬(4. 5 40V)、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)(100霡 100mA)、電源電壓調(diào)整率 低、溫度系數(shù)小(10ppm/°C )和保護(hù)功能完善(具有過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和反接保護(hù))。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖，即采用模塊形式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的電器元件連接示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施例方式本發(fā)明由以下模塊組成 PTAT電流產(chǎn)生電路1 ，由電阻R。、 R2、 R3和NPN管、 Q2組成。R3的阻值是R2的三 倍，他們兩端的電壓相等，所以流過(guò)R2的電流是流過(guò)R3的三倍，從而導(dǎo)致流過(guò)Q2管的電流 是流過(guò)管的三倍，這兩個(gè)管子的B-E結(jié)開(kāi)啟電壓有A VBE = VTln3的偏差，這個(gè)電壓偏差 降在電阻R。上，產(chǎn)生了微電流(PTAT電流)(VTln3)/R。。 電壓提升電路2，電阻&和NPN管Qg、Q『Qn管組成的二極管結(jié)構(gòu)構(gòu)成。4倍PTAT 電流流過(guò)電阻&使PTAT電壓得到提升，再加上兩個(gè)B E結(jié)電壓，保證了輸出管Q21有足夠 高的電位(約3. 2V)。 當(dāng)電路上電時(shí)，模塊四中的電流源向該二極管注入電流，從而使模塊二中Q1Q和Qn 管有電流注入，Qi。管的發(fā)射極電流使模塊一啟動(dòng)，電路進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)電路進(jìn)入平衡狀 態(tài)后，99管連接成的二極管斷開(kāi)，達(dá)到啟動(dòng)隔離的目的。 電流反饋電路3，該模塊由三個(gè)部分組成PNP管Q3、Q4、Q5組成一個(gè)威爾遜電流源， 即可使兩路電流精確匹配，又提高了電流的溫度穩(wěn)定性；電阻R4、R5和NPN管Q6、Q7、Q8組成 了一個(gè)電流比較電路；電阻R6、 R7和NPN管Q12、 Q13組成了誤差電路發(fā)放大電路。這三個(gè)部 分組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了誤差放大和電流反饋功能，保證了輸出電壓穩(wěn)定在2. 5V。
過(guò)熱保護(hù)電路4，由電阻R8、 R9、 R1Q、 Ru， NPN管Q14、 Q16、 Q18和PNP管Q15、 Q17組成。 流過(guò)輸出管的電流較大，其功耗也較大。為了保證輸出管不因溫度過(guò)高而損壞，需對(duì)其進(jìn)行 過(guò)熱保護(hù)。當(dāng)芯片溫度達(dá)到一定值(130°C )時(shí)，電阻上的壓降足以使Q16管和Q17管導(dǎo)通， 有電流流過(guò)電阻Rn，Rn上的壓降使Q^管開(kāi)啟，分走輸出管Qa的基極電流，使流過(guò)921管的 電流降低，發(fā)熱量也跟著下降，從而起到過(guò)熱保護(hù)的作用。 大電流驅(qū)動(dòng)及過(guò)流保護(hù)電路5，由電阻尺15，1 19 R^、Rm、Rw，和NPN管Q『Q^，PNP管 023、024、025、026組成。若直接將電源電壓分配電路6中92。管的發(fā)射極輸出給其他模塊供電， 在基準(zhǔn)輸出端負(fù)載電流較大時(shí)將會(huì)引起很大的電壓偏差，使基準(zhǔn)電路功能變得很差。所以 需要外加一級(jí)電路，保證在基準(zhǔn)輸出端負(fù)載電流較大時(shí)基準(zhǔn)電壓保持穩(wěn)定。
當(dāng)流過(guò)Q22管的電流超過(guò)額定值時(shí)，由電阻R12、R14、R16，NPN管Q19和PNP管Q23、Q24、 Q25、 Q26組成的保護(hù)電路將對(duì)Q22管的過(guò)流進(jìn)行保護(hù)。流過(guò)晶體管的電流過(guò)大會(huì)因過(guò)熱而導(dǎo) 致晶體管發(fā)生不可恢復(fù)的損壞。當(dāng)流過(guò)922管的電流過(guò)大時(shí)，電阻Rw上的壓降使PNP管(^、 Q24、 Q25、 Q26開(kāi)啟，這時(shí)有電流流過(guò)電阻R12和R14，電阻R12上的壓降使NPN管Q19開(kāi)啟，分走 Q22管的基極電流，降低了流過(guò)它的電流，達(dá)到過(guò)流保護(hù)的作用。 電源電壓分配電路6，由電阻R『R^ PNP管Qw和齊納二極管Dj且成。由于芯片 的電源范圍較寬(4. 5V 40V)，如果直接用外接電源對(duì)電路中各模塊供電，不能很好的控 制各模塊功能的穩(wěn)定，輸出基準(zhǔn)電壓的電壓調(diào)整率也較高。當(dāng)電源電壓低于7V時(shí)，齊納二 極管D工截止，沒(méi)有電流流過(guò)電阻R^ PNP管Q^也截止，92。管的發(fā)射極電壓即為電源電壓； 當(dāng)電源電壓高于7V時(shí)，齊納二極管D工擊穿，其兩端電壓穩(wěn)定在5. 8V，這時(shí)電阻R17上的壓降 使Q2。管導(dǎo)通，起發(fā)射極電壓為5. 8V+0. 6V = 6. 4V，在7V 40V的電源范圍內(nèi)，該點(diǎn)的電壓 都基本穩(wěn)定在6. 4V。 輸出驅(qū)動(dòng)和反接保護(hù)電路7，由電阻R13、D2和NPN管Q21組成，R15的作用是吸收Q22 輸出電壓的變化，保證輸出921管基極電壓的穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)輸出端從921管的發(fā)射極輸出，保證 了輸出基準(zhǔn)具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。 另外在使用過(guò)程中如果不慎將電源端和地接反，D2將開(kāi)通，防止電路內(nèi)部的器件 擊穿損壞。
權(quán)利要求
一種高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，其特征在于它包括PTAT電流產(chǎn)生電路(1)，用于產(chǎn)生PTAT電流；電壓提升電路(2)，用于提升PTAT電壓，實(shí)現(xiàn)了電路的啟動(dòng)隔離；電流反饋電路(3)，用于穩(wěn)定輸出電壓，提高其電流的溫度穩(wěn)定性；過(guò)熱保護(hù)電路(4)，用于輸出管的過(guò)熱保護(hù)；大電流驅(qū)動(dòng)及過(guò)流保護(hù)電路(5)，用于調(diào)整大負(fù)載電流時(shí)輸出管的輸出電壓；用于大電流驅(qū)動(dòng)電路中晶體管的過(guò)流保護(hù)；電源電壓分配電路(6)，用于提高輸出基準(zhǔn)電壓的直流電源抑制特性；輸出驅(qū)動(dòng)和反接保護(hù)電路(7)，用于加強(qiáng)輸出基準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)能力和電路反接保護(hù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，其特征在于所述的PTAT電流產(chǎn)生電路(1)由電阻R0、R2、R3和NPN管Q1、Q2組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，其特征在于所述的電壓提升電路(2)包括電阻R1和NPN管Q9、Q10、Q11管組成的二極管結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，其特征在于所述的電流反饋電路(3)由三個(gè)部分組成，即由PNP管Q3、Q4、Q5組成威爾遜電流源；由電阻R4、R5和NPN管Q6、 Q7、 Q8組成電流比較電路；由電阻R6、 R7和NPN管Q12、 Q13組成誤差電路發(fā)放大電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，其特征在于所述的過(guò)熱保護(hù)電路(4)由電阻R8、R9、R10、R11，NPN管Q14、Q16、Q18和PNP管Q15、Q17組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，其特征在于所述的大電流驅(qū)動(dòng)及過(guò)流保護(hù)電路(5)由電阻R15，R19R12、R14、R16，和NPN管Q19、Q22，PNP管Q23、Q24、Q25、Q26組成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，其特征在于所述的電源電壓分配電路(6)由電阻R17、R18，PNP管Q20和齊納二極管D1組成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，其特征在于所述的輸出驅(qū)動(dòng)和反接保護(hù)電路(7)由電阻R13、 D2和NPN管Q21組成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高精度低漂移集成電壓基準(zhǔn)源電路，它包括PTAT產(chǎn)生電路(1)，用于產(chǎn)生PTAT電流；電壓提升電路(2)，用于提升PTAT電壓，實(shí)現(xiàn)了電路的啟動(dòng)隔離；電流反饋電路(3)，用于穩(wěn)定輸出電壓，提高其電流的溫度穩(wěn)定性；過(guò)熱保護(hù)電路(4)，用于輸出管的過(guò)熱保護(hù)；大電流驅(qū)動(dòng)及過(guò)流保護(hù)電路(5)，用于調(diào)整大負(fù)載電流時(shí)輸出管的輸出電壓；用于大電流驅(qū)動(dòng)電路中晶體管的過(guò)流保護(hù)；電源電壓分配電路(6)，用于提高輸出基準(zhǔn)電壓的直流電源抑制特性；輸出驅(qū)動(dòng)和反接保護(hù)電路(7)，用于加強(qiáng)輸出基準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)能力和電路反接保護(hù)。
文檔編號(hào)G05F3/30GK101697087SQ200910309518
公開(kāi)日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者丁召, 傅興華, 楊發(fā)順, 林潔馨, 馬奎 申請(qǐng)人:貴州大學(xué);