[发明专利]低噪声带隙基准

说明书

技术领域

本发明涉及带隙电压基准（bandgap voltage reference）的领域。

背景技术

低噪声带隙基准长久以来作为产业目标并且经常被记述在技术刊物中。

众所周知的是，通过将两个电压—双极晶体管Vbe和ΔVbe—相加在一起而生成带隙基准。Vbe具有负TC而ΔVbe具有正TC。当这些电压被相加在一起并且它们之和等于大约1.2V的带隙电压时，所述电压之和的TC接近于0。

由于Vbe通常接近600mV，所以这意味着ΔVbe也必须为约600mV。该600mV的ΔVbe难以利用单对晶体管来生成，原因在于这样做将采用非常大的晶体管比（transistor ratio）。大多数带隙基准使用放大器来增加（gain up）这些晶体管比。例如，如果具有10A到A的晶体管发射极面积比（60mV），则将使用具有～10的增益的放大器来得到600mV，因此可以将其添加到600mV的Vbe以得到1.2V的带隙电压。这工作地非常好，但是该方法的问题在于噪声也被以10增加，这在一些情况下是不希望的。

Kadanka的美国专利No. 5834926示出了通过使用多个双极器件连接来倍增ΔVbe并然后增加结果，噪声将较低。例如，如果可以连接两个10A到A的器件以及然后另一个10A到A的器件，则将具有120mV的ΔVbe，并且获得～600mV将需要仅5的增益。在这种情况下噪声将较低。在使用大约1.2V的Vbe以及1.2V的ΔVbe以得到～2.4V的输出电压的堆叠带隙基准中也这样做。这里的一个问题在于：在堆叠器件时，可能用尽净空（headroom）电压，这对于低压操作而言是不希望的。

一种特别众所周知的带隙基准通常被称作Brokaw带隙基准。图1给出了基本Brokaw带隙基准的电路图。该图示出了所述基准的基本电路。在该电路中，电阻器R1和R2是相等的电阻器，而晶体管T1的发射极远大于晶体管T2的发射极。放大器A的输入连接到电阻器R1和R2。放大器A的输出是基准电压V_ref，其也耦合到晶体管T1和T2的基极。因此，放大器A的输出寻求一种电压输出V_ref以使得晶体管T1和T2的集电极电压相等，即使得两个电阻器R1和R2两端的电压以及通过它们的电流相等。然而，晶体管T1和T2不是相同大小，其中晶体管T1远大于晶体管T2，通常约为晶体管T2的大小的10倍。因此，虽然两个晶体管中的电流相等，但是与晶体管T2相比晶体管T1由于其较低的电流密度而具有较低的基极发射极电压。由于晶体管T1和T2的基极都耦合到输出电压V_ref，所以它们的基极发射极电压的差异出现在电阻器R3两端。因此，通过电阻器R3的电流等于晶体管T2和晶体管T1之间的基极发射极电压的差异除以电阻器R3的电阻。而且，由于电阻器R1和R2相等，所以通过放大器A的输出反馈使得通过电阻器R1和R2以及晶体管T1和T2的电流相等，通过电阻器R4的电流是通过电阻器R3的电流的两倍。根据晶体管的Ebers-Moll模型，以不同电流密度工作的两个晶体管的基极发射极电压（pn结）的差异具有正的温度系数，而单个晶体管的基极发射极电压（pn结）具有负的温度系数。因为通过电阻器R3的电流具有正的温度系数（PTAT），并且通过晶体管T2的电流等于通过电阻器R3的电流，所以电阻器R4两端的电压也具有正的温度系数（PTAT）。结果，从地连接追溯通过电阻器R4以及晶体管T2的发射极-基极电压，可以看到输出电压V_ref是电阻器R4两端的PTAT电压与来自晶体管T2的发射极到基极的负温度系数电压（CTAT）之和。通过适当选择分量数值，可以使得输出电压V_ref等于半导体材料（硅）的带隙电压，其中在输出电压V_ref中具有非常低的温度敏感性或者电源敏感性。

也可以通过使用相同发射极面积但是具有不相等电阻器R1和R2的晶体管T1和T2来实现Brokaw带隙基准。类似地，也已知以下电路：其使用pn结二极管而不是晶体管；和/或其使用三个器件，两个用来生成PTAT电压（以不同电流密度工作的两个pn结两端的电压的差异）而第三个器件用于提供pn结的负温度系数。