一种高精度多路输出的基准电压源电路

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，特别涉及一种高精度多路输出的基准电压源电路。

背景技术

作为一款基础的应用电路，基准电压源在数字电路和模拟电路中的应用非常广泛。早期主要应用在的ADC、DAC等一系列高性能数字、模拟集成电路中，后来慢慢扩展到一些大规模集成电路的应用中。目前主流的高性能基准电压源为了提升产品性能和减小产品体积，都只有一个固定的输出电压。在大规模的集成电路应用中，一个基准电压显然是不够的，往往需要多个不同的基准电压作为参考，只能加入多个单一输出的基准电压源电路来满足应用需求，对使用环境提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度、低温漂并且可以多路输出的基准电压源电路，以解决上述针对传统的基准电压电路输出基准电压单一的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度多路输出的基准电压源电路，包括：

启动电路，由电阻和集电极-基极短接的三极管组成，相当于在电源与地之间设置了正向偏置的二极管和电阻，上电瞬间可以产生启动电流，从而开启整个电路；在电路上电后，完成整体电路的安全启动；

偏置电路，与启动电路共用部分器件，采用三极管交叉耦合的形式，结合电阻产生偏置电流，通过电流镜为各支路提供所需的偏置电流；在电路启动后，为内部各支路提供所需的静态电流，保证整体电路的正常工作；

带隙基准电路，作为基准电压源电路的核心模块，提供一个温漂性能极佳的带隙基准电压，直接决定了整个基准电压电路的温漂性能；基于Brokaw带隙基准源模型设计，将两个面积不等的三极管的基极相连、发射极之间串联一个电阻，由于三极管的发射极面积决定了其管压降的大小，所以两个三极管的管压降之间的电压差降落在电阻上，会产生一个基准电流，并流经与之串联的电阻。因此，产生带隙基准电压，为三极管的管压降和降落在电阻上的电压组成。同时在带隙基准电路中设计了激光修调方案，可以对输出基准电压的温度系数进行后期修正；

运算放大器电路，作为基准电压源电路的核心模块，保障整体电路的输出能力，对带隙基准电压进行放大，实现多路高精度电压输出。其输入级采用NPN管组成的差分输入结构，中间级采用PNP管构成的共集电极放大结构，输出级采用NPN管构成的共集电极结构；整体电路结构围绕电流增益来设计，具有很强的负载驱动能力。中间级与输入级之间增加了补偿电容，提升电路的稳定性。输入级增加了过流及输出端口保护电路，提升了整个电路的安全性。在各输出采样电阻中设计了激光修调方案，可以根据实际测试结果进行修正，提升了整体电路的输出精度。

优选的，所述基准电压源电路包括电阻R1～R17、NPN管N1～N14、PNP管P1～P7和电容C1；

电阻R1～R5的第一端均连接电源VCC，电阻R1的第二端连接NPN管N3的集电极和基极；NPN管N3的发射极连接NPN管N1的集电极和N2的基极；NPN管N1的发射极接地GND；

电阻R2的第二端连接PNP管P4的发射极，PNP管P4的基极和集电极同时连接NPN管N4的集电极和PNP管P5～P7的基极；NPN管N4的发射极连接NPN管N1的基极和N2的集电极，NPN管N2的发射极通过电阻R6接地GND；

电阻R3的第二端连接PNP管P5的发射极，PNP管P5的集电极连接PNP管P1的发射极；PNP管P1的集电极和基极同时连接PNP管P2的基极和NPN管N5的集电极；NPN管N5的基极同时连接电容C1的第一端、电阻R11的第一端及NPN管N8的集电极，NPN管N5的发射极与NPN管N6的发射极共同通过电阻R7接地GND；

电阻R4的第二端连接PNP管P6的发射极，PNP管P6的集电极同时连接PNP管P2的发射极、P3的基极及电容C1的第二端；PNP管P2的集电极与NPN管N6的集电极相连，NPN管N6的基极同时与电阻R10的第一端和NPN管N7的集电极连接；

电阻R5的第二端连接PNP管P7的发射极，PNP管P7的集电极同时与PNP管P3的发射极、NPN管N11的基极和集电极以及NPN管N12的基极相连，PNP管P3的集电极接地GND；

NPN管N11的发射极连接NPN管N10的集电极，NPN管N10的发射极同时与NPN管N9的集电极、电阻R16的第一端、电阻R17的第一端及输出端口Vout1相连；NPN管N9的发射极与电阻R10的第二端、电阻R11的第二端相连；NPN管N7的基极分别与NPN管N8的基极、电阻R14的第一端及R13的第一端相连；NPN管N7的发射极与电阻R12的第一端相连，电阻R12的第二端与NPN管N8的发射极及电阻R9的第一端相连；电阻R9的第二端通过电阻R8接地GND；

NPN管N12的集电极连接电源VCC，NPN管N12的发射极与NPN管N10的基极及电阻R17的第二端连接；电阻R16的第二端与NPN管N13的集电极及电阻R15的第一端及输出端口Vout2相连；电阻R15的第二端与NPN管N9的基极、NPN管N14的集电极、电阻R14的第二端及输出端口Vout3连接；电阻R13的第二端接地GND；NPN管N13的基极和发射极共同接地GND；NPN管N14的基极和发射极共同接地GND。

优选的，所述启动电路中的开启电流大小由电阻R1决定，电阻R1的阻值为250kΩ；所述偏置电路中的偏置电流大小电阻R6决定。

优选的，所述偏置电流由PNP管P1和P2组成的镜像电流源传递至比例电流源中，比例电流源由PNP管P4～P7与电阻R2～R5组成，各支路所需的偏置电流分别由对应的比例电阻决定。

优选的，所述带隙基准电路中的NPN管N7与N8的发射极面积设计为12：1，使得NPN管N7的管压降较低，加入电阻R7后，产生一路基准电流来达到整体电路的静态平衡。

优选的，所述电阻R8采用高温度系数的P型基区电阻，与金属薄膜电阻R9成一定比例时，完成带隙基准电压的二阶温度补偿。

优选的，所述电阻R9设计为“凸”字型电阻，在流片后用激光进行电阻修正，用于消除因工艺误差引起的温度漂移失效。

优选的，所述差分输入结构由NPN管N5、N6组成；所述共集电极放大结构由PNP管P3组成；所述共集电极结构由NPN管N12组成。

优选的，所述电容C1为补偿电容，用于连接中间级和输入级；所述NPN管N10、N11和电阻R17组成电路中的过流保护电路；所述NPN管N13和N14采用发射极与基极短接的形式，为输出端口的保护器件。

优选的，输出端口Vout1、Vout2和Vout3的三路基准电压的计算公式如下：

Vout1＝(R13+R14+R15+R16)*V

Vout2＝(R13+R14+R15)*V

Vout3＝(R13+R14)*V

其中V

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种高精度、多路输出的基准电压源电路，在Brokaw带隙基准源模型的基础上完成优化设计。本发明电路内部包含启动电路、偏置电路、带隙基准电路以及运算放大器电路，选择器件包含纵向NPN管、横向PNP管、MOS电容、金属薄膜电阻和P型基区电阻。P型基区电阻为高温度系数电阻，可以引入了一个二阶温度分量，完成带隙基准电压的二阶曲率校正，实现整体电路输出的二阶温度补偿。金属薄膜电阻为低温度系数电阻，后期通过对金属薄膜电阻进行激光修调，提升整体电路的输出精度和温漂系数，实现本发明的高精度、低温漂特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的整体电路功能结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高精度多路输出的基准电压源电路，包括：

启动电路，由电阻和集电极-基极短接的三极管组成，相当于在电源与地之间设置了正向偏置的二极管和电阻，上电瞬间可以产生启动电流，从而开启整个电路；在电路上电后，完成整体电路的安全启动；

偏置电路，与启动电路共用部分器件，采用三极管交叉耦合的形式，结合电阻产生偏置电流，通过电流镜为各支路提供所需的偏置电流；在电路启动后，为内部各支路提供所需的静态电流，保证整体电路的正常工作；

带隙基准电路，作为基准电压源电路的核心模块，提供一个温漂性能极佳的带隙基准电压，直接决定了整个基准电压电路的温漂性能；基于Brokaw带隙基准源模型设计，将两个面积不等的三极管的基极相连、发射极之间串联一个电阻，由于三极管的发射极面积决定了其管压降的大小，所以两个三极管的管压降之间的电压差降落在电阻上，会产生一个基准电流，并流经与之串联的电阻。因此，产生带隙基准电压，为三极管的管压降和降落在电阻上的电压组成。同时在带隙基准电路中设计了激光修调方案，可以对输出基准电压的温度系数进行后期修正；

运算放大器电路，作为基准电压源电路的核心模块，保障整体电路的输出能力，对带隙基准电压进行放大，实现多路高精度电压输出。其输入级采用NPN管组成的差分输入结构，中间级采用PNP管构成的共集电极放大结构，输出级采用NPN管构成的共集电极结构；整体电路结构围绕电流增益来设计，具有很强的负载驱动能力。中间级与输入级之间增加了补偿电容，提升电路的稳定性。输入级增加了过流及输出端口保护电路，提升了整个电路的安全性。在各输出采样电阻中设计了激光修调方案，可以根据实际测试结果进行修正，提升了整体电路的输出精度。

如图1所示，在作为本发明的其中一种具体实施方式中，所述基准电压源电路包括电阻R1～R17、NPN管N1～N14、PNP管P1～P7和电容C1；

电阻R1～R5的第一端均连接电源VCC，电阻R1的第二端连接NPN管N3的集电极和基极；NPN管N3的发射极连接NPN管N1的集电极和N2的基极；NPN管N1的发射极接地GND；

电阻R2的第二端连接PNP管P4的发射极，PNP管P4的基极和集电极同时连接NPN管N4的集电极和PNP管P5～P7的基极；NPN管N4的发射极连接NPN管N1的基极和N2的集电极，NPN管N2的发射极通过电阻R6接地GND；

电阻R3的第二端连接PNP管P5的发射极，PNP管P5的集电极连接PNP管P1的发射极；PNP管P1的集电极和基极同时连接PNP管P2的基极和NPN管N5的集电极；NPN管N5的基极同时连接电容C1的第一端、电阻R11的第一端及NPN管N8的集电极，NPN管N5的发射极与NPN管N6的发射极共同通过电阻R7接地GND；

电阻R4的第二端连接PNP管P6的发射极，PNP管P6的集电极同时连接PNP管P2的发射极、P3的基极及电容C1的第二端；PNP管P2的集电极与NPN管N6的集电极相连，NPN管N6的基极同时与电阻R10的第一端和NPN管N7的集电极连接；

电阻R5的第二端连接PNP管P7的发射极，PNP管P7的集电极同时与PNP管P3的发射极、NPN管N11的基极和集电极以及NPN管N12的基极相连，PNP管P3的集电极接地GND；

NPN管N11的发射极连接NPN管N10的集电极，NPN管N10的发射极同时与NPN管N9的集电极、电阻R16的第一端、电阻R17的第一端及输出端口Vout1相连；NPN管N9的发射极与电阻R10的第二端、电阻R11的第二端相连；NPN管N7的基极分别与NPN管N8的基极、电阻R14的第一端及R13的第一端相连；NPN管N7的发射极与电阻R12的第一端相连，电阻R12的第二端与NPN管N8的发射极及电阻R9的第一端相连；电阻R9的第二端通过电阻R8接地GND；

NPN管N12的集电极连接电源VCC，NPN管N12的发射极与NPN管N10的基极及电阻R17的第二端连接；电阻R16的第二端与NPN管N13的集电极及电阻R15的第一端及输出端口Vout2相连；电阻R15的第二端与NPN管N9的基极、NPN管N14的集电极、电阻R14的第二端及输出端口Vout3连接；电阻R13的第二端接地GND；NPN管N13的基极和发射极共同接地GND；NPN管N14的基极和发射极共同接地GND。

如图1所示，启动电路由电阻R1和电阻R6结合NPN三极管N2管和N3管组成。在电源VCC-地GND之间，N2管和N3管的连接形式等效为正向偏置的二极管，其导通电压等于一个管压降。因此，在电路上电后，等效二极管正向开启，其余电压降落在电阻上，产生开启电流，从而实现整个电路的开启。开启电流大小由电阻R1决定，本实施例中R1阻值为250kΩ，将开启电流限制在微安级，可以保证电路的安全开启。

如图1所示，在作为本发明的其中一种具体实施方式中，三极管N1管和N2管采用交叉耦合的连接形式，结合电阻R6产生一路偏置电流，其大小由电阻R6决定。偏置电流由镜像电流源传递至比例电流源中，比例电流源由PNP三极管P4管、P5管、P6管、P7管与电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5组成，各支路所需的偏置电流分别由对应的比例电阻决定。

如图1所示，带隙基准电路基于Brokaw带隙基准源模型设计，由NPN三极管N7管、N8管和电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R8、电阻R9组成。由于N7管与N8管的发射极面积设计为12：1，使得N7管的管压降较低，加入电阻R7后，产生一路基准电流来达到整体电路的静态平衡。同时，流经N7管和N8管的电流即基准电流，两路基准电流叠加后流经电阻R8和电阻R9至地，在电阻R8和电阻R9上产生的电压，与N8管的管压降相加后输出的电压即带隙基准电压。电阻R8采用高温度系数的P型基区电阻，与金属薄膜电阻R9成一定比例时，可以完成带隙基准电压的二阶温度补偿。将电阻R9设计为“凸”字型的电阻，在流片后用激光进行电阻修正，可以消除因工艺误差引起的温度漂移失效。

如图1所示，运算放大器电路中，NPN三极管N5管和N6管组成了差分输入级，PNP三极管P1管和P2管组成的镜像电流源用作输入级电路的缓冲，拥有较强的电流和电压放大能力。PNP三极管P3管作为中间级，采用共集电极放大结构，只有电流放大能力。输出功率管为NPN三极管N12管，采用多管并联的设计结构，可以实现较大的电流输出。补偿电容C1连接中间级和输入级，可以提升电路的稳定性。NPN三极管N10管、N11管和电阻R17组成电路中的过流保护电路，当电路的输出电流超出保护范围时，降落的R17上的电压达到N10管的开启电压时，N11管和N10管导通，将输出级中N12管的输入电流泄放至带隙基准电路中，从而关闭运算放大器的输出级电路，当输出电流小于保护电流时，输出级电路打开，从而实现电路的过流保护。N13管和N14管采用发射极与基极短接的形式，为输出端口的保护器件。运算放大器的输出电流由电阻R13与带隙基准电压决定，输出的三路基准电压分别由电阻R14、电阻R15、电阻R16与电阻R13的比值及带隙基准电压决定，即：

Vout1＝(R13+R14+R15+R16)*V

Vout2＝(R13+R14+R15)*V

Vout3＝(R13+R14)*V

其中V

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。