一種固定電壓參考電路的制作方法
【專利摘要】一種固定電壓參考電路，產生兩個輸出電壓響應電源的輸出。一個輸出參考正電源端VCC且另一個輸出參考負電源端VEE。所提供的第一個△VBE參考電路產生一對溫度補償的電壓。第二個△VBE參考電路運行一個提供第一個△VBE參考的穩壓器。結果，兩個輸出電壓是溫度補償的且實質上不依賴于電源電壓變化。
【專利說明】—種固定電壓參考電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種提供一對電壓的電路，其特別適合于操作射極耦合邏輯(ECL)電路。一個電壓通常對ECL電流源進行偏置并針對負電源端Ki作參考。其它電壓值用作開關的閾值電平且針對正電源端^作參考。作為一個實際問題的ECL電路具有相對小的電壓擺幅并且必須工作在可變電源電壓存在且噪音在一定程度上是一定存在的條件下。ECL系統卓越的措施之一是它的抗干擾性和電源電壓變化的耐受性。在一種意義上，系統將給電源的+和-端子分別提供兩個參考電壓，其方式是，他們不隨任何負載條件或溫度而變化。此外，他們將不會隨電源電壓的變化而變化。作為一個實際問題，這些條件可以類似。如果需要的話，可以為這兩個電壓定制一個受控溫度從而滿足ECL系統的要求。
【背景技術】
[0002]傳統ECL電源供有用的ECL操作的同時，給噪聲容限和電源變化容限留下很大的改進余地。
【發明內容】
[0003]本發明的一個目的是提供一個ECL電源控制電路，其對于電源的變化不敏感并具有低且控制良好的溫度系數。
[0004]本發明的另一個目的是提供一個ECL偏置和參考電勢，其能夠改善噪聲容限并有一個低且控制良好的電壓溫度系數。
[0005]本發明的再一個目的是提供用于ECL系統的電源無關的偏置和閾值電壓，其具有低且控制良好的電壓溫度系數并能夠向其中從動多個輸出電源電路。
[0006]本發明的技術解決方案是:
這些和其它的目的通過使用下面的配置實現。Λ K-發生器提供偏置電流從而使產生具有正溫度系數的電壓。電壓在串聯連接的第一比例電阻器中放大且結合正向偏置PN結的壓降，其產生一個負溫度系數電壓。當合并后的電壓基本上等于推斷為絕對零的硅帶隙(約1.3伏)的電壓，由此產生的電壓基本上具有零溫度系數。組合可以被制成具有任意一個所需要的正或負溫度系數的電壓。對使用NPN晶體管的負電源端，這個電壓是理想的參考。Λ K-發生器中流動的電流被返回到使用第二比例串聯電阻的正電源，其還產生正溫度系數電壓。這是結合了第二個正向偏置PN結的壓降，其提供一個負溫度系數電壓。在這種情況下，合并后的電壓有一個低或零溫度系數且被引用到正電源端。第二Λ K-發生器用來產生第二參考電壓，其用于控制一個內部穩壓電源且依次給兩個Λ Vbe參考提供一個恒定的電流。因此，穩壓電源有一個零或低的溫度系數且兩個輸出電壓和電源電壓無關。此外，多個從屬輸出電路可以被采用，其中隔離的ECL電路可從單電源中運行。最后，如果需要，第二個Λ K-參考和穩壓電源可以從第三個Λ K-參考和穩壓器中運行，其進一步降低電源電壓靈敏度。
[0007]對比專利文獻:CN202475829U —種參考電壓發生電路201120541601.5. 【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1是現有技術的電路的原理圖；
圖2是本發明的基本電路的原理圖；
圖3A是本發明的改進型電路的原理圖；
圖3B是一個不出了圖3A部分的一種替代電路的局部不意圖；
圖3C是一個不出了圖3A部分的另一種替代電路的局部不意圖；
圖4是圖3A的改進型地哪路的原理圖。
[0008]【具體實施方式】:
在圖1所示的現有技術的電路中。當Ki被施加到負電壓電極的端子I時，在典型的射極耦合邏輯中，正電源電極10接地。電路的核心是一個Λ &發生器電路。晶體管12和13在不同的射極電流密度中工作，所以，它們的基極至發射極電壓(Λ Vbe)的值不同。如果晶體管12是二極管連接，其在更高的電流密度中工作，它的Λ K-將超過晶體管13的Λ K-且Δ Vbe的差將在電阻14中出現。該電壓具有線性的正溫度系數且在絕對零度處下降到零。Δ Vbe的實際值有下列關系:
AFm = (kT/q)h{jyj2)(I)
其中:
k為玻爾茲曼常數 T為絕對溫度 q是電子電荷
jyj2是兩個晶體管中的電流密度比。
[0009]由于電阻器15通過的電流和電阻器14的電流相同，它會通過電阻器15和電阻器14的比值產生一個與Λ K-相關的電壓。
[0010]晶體管13的集電極直接耦合到晶體管16的基極，所以晶體管16的和電阻器15兩端的電壓串聯。晶體管16作為一個誤差放大器且它的集電極耦合到晶體管18的基極，其發射極耦合到電阻器15并作為晶體管13的電源。這是一個負反饋放大器系統，其將電阻14兩端的電壓穩定在Λ Vbeo晶體管19的基極與晶體管18的并聯驅動，從而晶體管19發射極的電位和晶體管18發射極的電位相同。如果電阻20與電阻15匹配，晶體管12和13中的電流相等。這就是說在晶體管12和13的電流密度差完全取決于它們的面積差異。這種幾何關系可以在集成電路制造中相對精確地控制。
[0011]作為一個易于識別的近似方程(1)，如果晶體管13的面積是晶體管12的10倍，在約300° I時，電阻器14兩端的電壓約為60mv，其系數約為0.2毫伏/度。在300° I時，一個典型的結二極管的溫度系數約為-2毫伏/度。因此，如果電阻器15制成電阻器14的值的十倍左右，它會產生一個系數為2毫伏/度的電壓，以便大致和二極管系數相匹配。在這種條件下，晶體管18發射極上的電位將接近1.3伏特，其為絕對零度的硅的外推帶隙電位。
[0012]從上面可以看出，補償電位Vcs的調節的溫度在端口 21是可提供的。參考V冊，電壓V2約為1.3伏。應注意的是，晶體管16的集電極通過電阻器17和電阻器22返回到地面。通常，由于電源電壓的變化，這將導致電路的工作變化。但是，晶體管23是一個作為并聯穩壓器的傳統的襯底連接的PNP晶體管。由于Vcc至V冊的差異增加，電阻器22的電流也增加，因此電阻17，晶體管23將在電阻器17周圍產生大量且并聯的電流，從而減少了晶體管18的基極電位變化。這意味著匕將不受溫度和電源電壓的減少而影響。
[0013]該電路還包含電阻器25，其完成晶體管18的集電極電路到地面。如果電阻器25和電阻器15相同，它會產生一個具有正溫度系數的類似的電壓且射極跟隨器26將該電壓耦合到V挪端子27。因此，晶體管26的Vbe串聯耦合在電阻25兩端的電壓。這意味著參考
在端子27的Vw為K,。對于上述條件的Vj也將是一個補償1.3伏的調節的溫度。
[0014]當圖1的電路是可操作和有用的，但不完全解決它對待的問題。例如，在襯底PNP晶體管23提供了一個相對不受控制的電流增益特性。此外，分流的電流是A7和晶體管23的K-的函數。該電阻器具有正溫度系數，K-具有負溫度系數，導致分流電流中和處理參數一樣的溫度函數有很大的變化。作為一個實際問題，電源電壓的變化在晶體管16的集電極電流中會產生變化。反過來，這將改變晶體管16的K-，從而改變Vj和V,。
[0015]在接下來的討論中，其目的是在由傳統硅單片雙極型器件形成的集成電路(IC)中構造該電路。在這種形式的構建中，NPN晶體管可以制成具有超過200的標準β值。因此，晶體管的基極電流值小于集電極電流的0.5%。在下面的討論中，在一階評估的基極電流的影響可以忽略不計。在本發明的電路只有NPN晶體管存在。由此產生的發射極基極二極管以著名的理論解釋匹配一致。他們相互匹配，性能上是可以預測的且是可靠操作的。還應當指出的是當在集成電路加工難以實現精確的電阻值的時候，可以實現一個更好精確度的電阻率值。如果需要的話，所述電路可以直接結合到ECL電路芯片且此配置提供溫度跟蹤。然而，如果需要，電源芯片可以在不同的IC芯片上。
[0016]圖2所示為本發明的改進的電路。所涉及的部分類似于圖1，使用相同的標號且它們的函數相同。
[0017]在此電路中的主要目的之一是在晶體管16中維持一個恒定的電流。當可用其他電路時，穩壓器采用此功能。以晶體管31的形式采用第二個Λ K-發生器，其將基極直接耦合到晶體管12的基極。如果晶體管31是工作在較低的電流密度，晶體管12和31之間的Δ &將在電阻器32的兩端出現。晶體管31的集電極通過二極管33、電阻器34和晶體管35返回到Vcco晶體管36的基極連接到晶體管31的集電極且它的集電極直接耦合到晶體管35的基極。電阻器39返回晶體管36的集電極且晶體管35的基極返回到Vcco
[0018]使用以上描述的概括，如果晶體管31面積是晶體管12面積的10倍，在300° K,將在電阻器32兩端大約出現60毫伏且在電阻器34兩端出現一個并聯電路。將會注意到，兩個發射極基極結、晶體管33和36出現在串聯電阻34兩端的電壓中。兩個二極管會產生一個-4毫伏/度的系數。因此，電阻器34應該是電阻器32值的20倍，因此，晶體管35的發射極在約2.6伏的電壓中工作。這將導致電阻41兩端有一個固定的電壓，晶體管16有一個固定的發射極電流，因而晶體管16有一個固定的V他。晶體管35和36在晶體管31負載電路周圍組成一個高增益負反饋環路。晶體管35的發射極的電勢對電源電壓的變化將進行很好的調節。由于電阻器41是固定的，可以看出流動的電流在這兩個Λ K-發生器(晶體管12、13和31中的電流)將是恒定的。
[0019]從上文可以看出，該電路包括一個有源的串聯穩壓器，其基于第二 Λ Ki發生器的參考，其中產生一個穩定的電壓使電路基本上比現有技術的電源避免更多的變化。因此，產生Vj和V2的電路在性能上有類似的改善。
[0020]我們應當認識到主要目的是穩壓的同時還示出溫度補償。此外，過度或不足補償是一件容易的事情，從而滿足特殊的要求，其可以由ECL電路施加。例如，如果電阻器15的值下降至最佳，匕將具有一個負溫度系數(如果電阻器15的值增加，則具有正溫度系數)。類似地，電阻器25將影響Vj的溫度系數。
[0021]雖然上面的描述中示出了Λ ^發生器產生電壓，其與晶體管面積以及在相等的電流工作的器件有關，其他條件都可以使用。例如，如果使用十比一的發射極面積且電阻器15制成電阻器20值的兩倍，電流密度將是二十比一，它產生一個300° K0 Λ &約78毫伏。這為電阻14兩端的電壓給出了一個約0.26毫伏/度的正溫度系數。如果在晶體管12中電阻將電流成比例的增大到晶體管13中的電流兩倍，需要將晶體管19制成比晶體管18的兩倍大，以至于它們的電流密度和Λ K-相等。很顯然，電路服從許多配給和電阻值的條件，其可用于實現廣范圍的K7和匕溫度系數，其包括零以及正負溫度系數。
[0022]圖3Α示出了圖2的電路中的一個變體。其中采用相似的部分，使用相同的編號。虛線輪廓45示出了從屬輸出級。雖然只示出一個，也可以采用多級。該從屬可用于運行ECL電路的第二組，其操作獨立地連接到端口 21和27。端口 21’和27’所產生的類似電勢從端口 21和27分離，這樣將不會有相互作用。該部分重復了輸出段的相同編號的部分。圖3Α的電路還包括電阻器46和47。如上所述的晶體管的基極電流僅僅約為集電極電流的0.5%，其可以忽略不計。雖然這在很大程度上是正確的，廣泛的溫度漂移可以引入二階效應，其導致溫度補償偏離理想狀態。通過簡單地引入一個小阻值電阻(例如約150歐姆)，Δ K-發生器可以修正基極電流。這種校正主要是在較高的溫度下有效。
[0023]出現本電路中的電容器48、49和50是用來對高增益放大器部分進行頻率補償。這些部件在較高的頻率上產生所需與頻率相對的增益起伏下降趨勢，以便穩定電路的操作。
[0024]圖3Β和3C是部分原理圖`，顯示了圖3Α中電路上的變化且聯合該電路耦合到晶體管31。在圖3Β的晶體管36由晶體管36'代替，其中的一個二極管37與發射極串聯耦合。這將晶體管31的集電極的上述兩個二極管安置在端子11的電位上。由于兩個二極管是串聯的，省略了二極管33且電阻器34直接連接到晶體管31的集電極。圖3C中的第二個備選晶體管36替換為晶體管36'，。在達林頓復合晶體管對配置中，晶體管38耦合到晶體管36''。電阻器30通過了晶體管38中流動電流的一部分。該電路還將晶體管31的集電極的上述兩個二極管置于端子11的電位，從而消除了二極管33需要。達林頓配置也增加了負反饋穩定電路的環路增益。
[0025]圖4是類似于圖3Α中電路的原理圖，除了仍需進一步改善穩壓。在圖3Α中可以看出，自電阻器39返回到Vcc以后，電源電壓的任何變化都將改變電阻器39中流動的電流。反過來將不同于晶體管36的&，其會在晶體管36的K-上產生變化。反過來，在晶體管35發射極上的穩壓器參考電壓上將產生一個二階變化。
[0026]在圖4中，電阻器39返回到晶體管49的發射極，它是一個第二穩壓參考點。這大大降低了不同于晶體管36中的電流的電源電壓變化的影響。
[0027]基于第三Λ K-發生器的第二調節器包括晶體管12和46。電阻器54將晶體管46的基極直接耦合到晶體管12的基極。晶體管46工作在較低的電流密度中從而在電阻器47中兩端出現Λ V冊。電阻器53與電阻器47相關比值從而在兩端出現多個Λ V詘。三個基極發射極二極管，晶體管48、51和52與電阻器53串聯耦合，從而在晶體管49的發射極產生一個參考電壓。應該注意的是，如果這個制成的參考等于外插硅帶隙的三倍，正、負溫度條件將削減到一階。另外，如之前那樣，制成的參考可以是超過或不足的溫度補償從而幾乎產生任何所需的特性。晶體管48將晶體管46的集電極電位放大且耦合到晶體管49的基極，其可以提供耦合到它的發射極和晶體管46的負載電路。這提供了穩定參考電位的高增益負反饋。
[0028]電阻器50將晶體管48的集電極電位返回到Vcco電容器55和56作為電容器49和50補償高增益晶體管電路。
[0029]在圖4電路中的電源變化的影響已經降低到一個三階效應。顯然，如果需要，可以添加額外的穩壓部分，每一個都是基于另一個Λ K-發生器。然而，通過進行高階電路產生的增益的效益減少了電路復雜性的增加。因此，預計會采用三個以上Λ K-發生器。
[0030]例。
[0031]圖3的電路使用了傳統的集成電路器件。采用了以下組件值。
【權利要求】
1.一種固定電壓參考電路，其特征是:一種產生一個輸出電壓參考關于連接到電源正極的正端口以及第二輸出電壓參考關于連接到電源負極的負端口，所述電路包括:產生第一個Λ Ki的裝置包含第一對晶體管，在不同電流密度中運行第一對晶體管的裝置，從所述第一對晶體管的更高電流密度晶體管的基極到發射極的電壓減去所述第一對晶體管的更低電流密度晶體管的基極到發射極的電壓的裝置K-具有一個電壓的正溫度系數；產生第一個Λ K-的第一個并聯和第二個并聯的裝置；產生第一個負溫度系數電壓的裝置和將其與所述第一個并聯合并產生第一電壓的裝置，選擇第一個并聯以至于正負溫度系數接近相等；產生第二個負溫度系數電壓的裝置和將其與所述第二個并聯合并產生第二電壓的裝置，選擇第二個并聯以至于正負溫度系數接近相等；在所述產生第一負溫度系數電壓裝置上維持一個恒定電流的裝置。
2.根據權利要求1所述的一種固定電壓參考電路，其特征是:所述維持恒定電流的裝置還包括一個穩壓器。
3.根據權利要求2所述的一種固定電壓參考電路，其特征是:所述穩壓器包括:產生第二個Λ Vbe的裝置包含第二對晶體管，在不同電流密度上運行第二對晶體管的裝置，從所述第二對晶體管的更高電流密度晶體管的基極到發射極的電壓減去更低電流密度晶體管的基極到發射極的電壓的裝置，所述第二對晶體管的Λ K-具有正溫度系數的電壓；產生第二個Λ Vbe的并聯電路裝置；產生第三個負溫度系數電壓的裝置和將其與第二個Λ Vbe的并聯電路合并產生參考電壓的裝置，選擇第二個Λ Vbe以至于正負溫度系數接近相等；第一個穩壓器裝置耦合在正負電極之間從而創建一個調節的電壓回路節點；將參考電勢耦合到調節器的裝置，其中所述調節器在節點處產生調節的電勢；從所述節點處運行第一對和第二對晶體管的裝置，其中所述第一個Λ ^和第二個Λ K-實質上不受電源電壓的變化影響。
4.根據權利要求3所述的一種固定電壓參考電路，其特征是:所述第一對和第二對晶體管采用通用的較高電流密度晶體管。
5.根據權利要求4所述的一種固定電壓參考電路，其特征是:所述第一個Λ^與第一電阻器并聯產生且第一個和第二個并聯是從第二個和第三個電阻器中獲得，第二和第三電阻器相連接通過的電流大致等于第一個電阻器中的電流，其中所述并聯電路是依靠電阻比值獲得的。
6.根據權利要求5所述的一種固定電壓參考電路，其特征是:所述第二個ΛK-與第四個電阻器并聯產生且第二個Λ K-的并聯與第五個電阻器兩端相連接，通過的電流基本上等于第四電阻器中的電流，其中所述第二個Λ K-的并聯通過第四和第五電阻器的比值獲得。
7.根據權利要求6所述的一種固定電壓參考電路，其特征是:所述第三負溫度系數電壓通過串聯一對正向偏置的晶體管的發射極基極連接的方式獲得。
8.根據權利要求7所述的一種固定電壓參考電路，其特征是:還包括第三個ΛK-發生器，第二個穩壓器裝置耦合在所述正負電極之間，用于將第三個Λ K-發生器的一個并聯電路耦合到所述第二穩壓器，為此提供一個參考裝置，相比于第二穩壓器，將第二穩壓器在較高的電壓上運行，以及將所述第一穩壓器耦合到所述第二穩壓器的裝置，其中所述穩壓器的復合操作進一步穩定所述第一和第二輸出電壓。
【文檔編號】G05F1/567GK103558896SQ201310539081
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】不公告發明人 申請人:蘇州貝克微電子有限公司