[发明专利]一种适用于低电流增益型NPN三极管的带隙基准电压源

说明书

本发明属于基准源技术领域，具体涉及一种适用于低电流增益型NPN三极管的带隙基准电压源。本发明通过在传统Wildar型带隙基准电压源架构中利用一个局部自偏置电路去抵消传统Wildar型带隙基准电压源架构中的基极电流不平衡，同时利用这个局部自偏置提取出的基极电流反馈到电路进一步提高输出基准的精度，即最终获得与Beta绝对值无关的高精度基准电压，使传统Wildar型基准电压源架构对三极管电流增益系数Beta不敏感，同时仍然保持对后级运放的较为宽松的输入失调和噪声要求的特点，且适用于低电源电压应用场景。

技术领域

本发明属于基准源技术领域，具体涉及一种适用于低电流增益型NPN三极管的带隙基准电压源。

背景技术

带隙基准电压源(Bandgap)作为电压基准因其高精度的特性在芯片领域被广泛使用。在芯片中，设计者经常需要通过环路控制使某些电压在设定范围以内，或通过需要产生高精度电流，或实现对某些电压信号的比较和监控，这些都离不开片内带隙基准电压源(Bandgap)。而芯片内的带隙基准电压源经常会用到三极管(BJT)作为其关键器件，原理是利用具有负温度特性的三极管基极-发射极电压(VBE)和具有正温度特性的基极-发射极电压差(delta_VBE)，将两者相加的方法来创造出一个和温度无关的高精度电压值。而在带隙基准电压源中，NPN型三极管因为其灵活的三端接法，搭配不同带隙基准架构可以获得更高精度或更好的失调噪声抑制，即不像寄生PNP型三极管，集电极(collector)只能接衬底(substrate)，只能搭建传统带隙基准架构。例如，NPN三极管可以通过采用Brokaw型带隙基准架构或者Widlar型带隙基准架构，就可以抑制后级运放的失调和噪声而获得高精度基准电压。但因为成本考虑或者工艺限制，经常在设计中会遇到NPN型三极管没有很高的三极管电流增益系数(Beta值)。而一些带隙基准架构需要Beta值大于20或50甚至更高才能忽略在理想公式中Beta变化对最后输出基准电压的影响，从而限制了高精度基准架构的应用，例如Wildar型。同时因为要求工作的电源电压越来越低，部分带隙基准架构也无法满足，例如Brokaw型。如何在只有低电流增益型NPN三极管的情况下，同时获得高精度且兼容低电压工作的带隙基准架构是亟待解决的问题。

Brokaw架构利用自身三极管增益来降低对后级运放失调和噪声的要求，且因基极由运放输出偏置，故最终输出的基准电压受三极管电流增益系数Beta变化不敏感，但因为低工作电压的要求没法在低电源电压高精度基准设计中适用；而Wildar架构具有良好的适用于低电源电压的特性，且同样对后级运放失调和噪声要求不高，但却受限于三极管电流增益系数Beta敏感的特性而无法在低电流增益型NPN三极管的情况下采用。Brokaw架构(如图1)利用自身三极管增益来降低对后级运放失调和噪声的要求，且因基极由运放输出偏置，故最终输出的基准电压受三极管电流增益系数Beta变化不敏感，但因为低工作电压的要求没法在低电源电压高精度基准设计中适用，即图1中电源电压VDD至少需要比基准输出电压VOUT高M3管的Vgs电压再加上M2管的Vdsat电压，同时VDD还需要比基准输出电压VOUT高M1管的Vgs电压减Q1确保在放大区的Vbc电压，才能工作正常，相比之下，Wildar只需要VDD高于基准输出电压VOUT加上一个Vdsat就可以，通常典型两种架构对VDD要求的差别为0.8V左右，故Brokaw架构不适用于低电压要求；而Wildar架构(如图2)具有良好的适用于低电源电压的特性，且同样对后级运放失调和噪声要求不高，但却受限于三极管电流增益系数Beta敏感的特性而无法在低电流增益型NPN三极管的情况下采用，即图2中R2流经电流为Q1集电极电流加Q1基极电流加Q2基极电流，R3流经电流为Q2集电极电流加Q3基极电流，即如果三极管电流增益较小，基极电流影响不可忽略，则R2和R3上流经的电流相差1份基极电流，更高精度还对Q3上流经电流有严格的要求，故传统Wildar架构受限于三极管电流增益系数Beta敏感的特性而无法采用。

现有技术对在只有低电流增益型NPN三极管下，设计低电压高精度带隙基准电压源的方法：