CN1118461A - 提供与电源和温度无关的电压的控制电路 - Google Patents

Abstract

提供对电源电压V_∝和温度变化不敏感电压的稳压电路，包括四个晶体管T1—T4，T1和T2之基极和集电极交叉耦合，管T1的发射极经电阻R1连到参考电压VEE并其发射极面积大于管T3的发射极面积。该电路还包括第五晶体管T5，其发射极连到管T4的集电极而其基极经电阻R5由线12驱动，线12经电流源11连到电源，电阻R5值是置于T3与线12之间的补偿电阻R2值的2至4倍。最好电容C连接在管T2与T5的基极之间。本电路特用作供电电压受噪声之害的集成电路中的基准电压源。

Description

提供与电源和温度无关 的电压的控制电路

本发明涉及提供稳定电压的控制电路，该电路连接在供电端子和一基准端子之间并尤其还包括相同电导类型，各有一发射极，一基极和一集电极的四个晶体管，各有一发射极，一基极和一集电极的四个晶体管，第一晶体管其发射极经第一电阻器耦合到基准端子，第二晶体管其发射极连到基准端，该第一和第二晶体管的基极和集电极是交叉耦合的，第三晶体管具有其连到第一晶体管集电极的发射极和具有其一起连到第二电阻器两端之一的基极及其集电极，该第二电阻器有其耦合到供电端子的另一端，以及第四晶体管具有其连到第二晶体管集电极的发射极和有其连到第三晶体管基极和集电极的基极，在该控制电路中，第一晶体管的发射极面积大于第三晶体管的发射极面积。

这种基于包括同一极性的四个晶体管单元的控制电路是从文献EP-A-0,329,232中得知的。该文件指出：这种四晶体管基础单元能构成多个稳定电流源或与供电电压和温度无关的电压源。正如该文件所陈述的，这种稳流源仅能借助NPN型双极性晶体管来实现。因而，这种电路能对供电电压的变化或对输出端消耗的电流变化作出迅速响应。

然而，该已知控制电路不允许这些晶体管的基极电流，致使由此产生的稳定电压的精度仍受称之为二次(second-order)误差的误差所害。

本发明的一个目的是提供一种供以稳定电压的改进的控制电路，该稳定电压是对与标称电压相关的供电电压值较少敏感的平稳电压，该电压呈现对电源噪声的显著抑制并相对于温度变化维持稳定。

根据本发明，在本文开头段中定义的那种类型控制电路的特点在于：该电路还包括一个如前述晶体管同一导电类型的双极第五晶体管，该第五晶体管具有连到第四晶体管集电极的发射极，经由一阻值至少等于第二电阻器值两倍的基极电阻器耦合到其集电极的基极；并在于：该基极电阻器与该第五晶体管集电极之间的结点，一方面被耦合到第二电阻器的另一端而另一方面经一电流源耦合到电源端子。

正如本文后面要更详细论述的，第五晶体管的存在为一些基极电流提供了在已知电路中被忽略的补偿，为获得此目的，要选择第五晶体管的基极电阻器的值，使其与第二电阻器的值相关。

在本发明的第一种改型中，第五晶体管发射极与第四晶体管集电极之间的连接形成一稳定的电压输出。

该稳定电压值特别与电源电压无关并对供电电压噪声具有高的抑制比(rejection ratio)。

适当地使第二，第四和第五晶体管具有相等发射极面积。人们已知第三晶体管的发射极面积应是第一晶体管发射极面积的约数，第三晶体管实际上是由多个相同的并联连接的晶体管组合而成，这些并联晶体管各有相同结构并就第三晶体管而言配成对。

对一种简化结构，第三晶体管也可具有等于第二，第四或第五晶体管的发射极面积。

在本发明的第二改型中，该控制电路的特点在于还包括与先前晶体管相同导电性类型的第六晶体管和第七晶体管，以二极管连接的第六晶体管沿第二电阻器另一端与电流源之间的前进方向连接，而该第七晶体管其基极连接到第四晶体管的发射极，其集电极耦合到供电端，而其发射极形成稳定电压的输出端，经由一发射极电阻器耦合到基准端子。

在该改型中，稳定电压输出的阻抗与前一改型相比较低并因而允许较高的输出电流损耗。另一优点在于：第七晶体管的集电极也能构成控制电路的另一输出，以提供一相对于电源电压和温度是稳定的基准电流。

由于按照本发明的控制电路能仅借助于NPN型双极晶体管加以实施，故适于对高频作出响应，尤其适于抑制输出端高频的供电电压波动。为进一步改进对电源电压噪声的这种抑制能力，按照本发明的控制电路是在第五晶体管基极与第二晶体管基极之间连接一电容而有利地完成的。

该相应电容能很小(例如若干pF)以便与控制电路集成一整体，其作用由第二晶体管的增益而培增。现已发现对电源电压噪声的抑制能力作为该噪声频率的一个函数是随从一约1MHz的已知频率值开始增加而增强。该性能与用要求频率稳定的高-增益误差放大器的先有技术控制电路的性能相反。这种相反性能的控制电路所具有的抑噪能力在超出极限频率后减小，该极限频率实际上对应于由此开始误差放大器增益受到予期限制的那个频率。

在按照本发明控制电路的一个简化实施例中，从电源端子加到该控制电路的电流源被缩减为一个电阻器。为了最大限度地减小供电电流，特别是在应用电池电源情况下，若能完全使该控制电路无用可能是有利的，这在用一个MOS-FET型开关晶体管串联的电阻器来实现该电流源时是可能的。

采用其他类型电流源也是可能的，特别是那些予调(preregul-ate)电流的电流源加到该控制电路。

借助以下参照以非限制性实例给出的附图所作的说明，将更全面地理解本发明的性质和如何能实施本发明。

图1是根据本发明第一实施例的控制电路的示意图；

图2是表示作为噪声频率的一个函数抑制该控制电路输出端供电电压噪声的示意图；

图3是某种类型已知控制电路的原理图，和图4是表示增益作为用于此种已知电路的一个误差放大器频率的一个函数的曲线图；

图5是按本发明控制电路的第二实施例的原理图；和

图6，7和8为适用于按本发明控制电路中的电流源的几个实例示意图。

图1所示控制电路被连接在作为其电源的带电压Vcc的正供电电压端1和带电压VEE(地)的参考端2之间。该电路包括第一晶体管T1，其发射极经由发射极电阻R1耦合到参考端2，和一第二晶体管T2，其发射极也连到参考端2，晶体管T1和T2的基极及集电极均被交叉耦合。一个第三晶体管T3有其连到第一晶体管T1的集电极的发射极，其被互连成二极管构型的基极和集电极被连接到第二电阻器R2的第一端和第四晶体管T4的基极，晶体管T4的发射极被连接到第二晶体管T2的集电极。这四个晶体管T1至T4均为同一种导电型，在本例中为NPN型，而且第一晶体管T1的发射极面积是第三晶体管T3发射极面积的n倍那么大，晶体管T2和T4最好有相等的发射极面积，也可等于晶体管T3的发射极面积。第二电阻R2的另一端通过电流源11被耦合到正电源端1，该电流源在本实施例中由一电阻器简单构成。电流源11和电阻R2之间的连接形成连接到电阻R5驱动第五晶体管T5的基极的线12，第五晶体管T5的集电极耦合到线12而其发射极耦合到第四晶体管T4的集电极。

晶体管T5的发射极与晶体管T4的集电极之间的结点现构成控制电路的输出端并提供稳定电压Vreg。

首先在操作的粗略分析中所有晶体管的基极电流忽略不计。然后可假设在由晶体管T1和T3及电阻R1和R2的电流通路形成的支路中流过电流I1。同样，另一电流I2流过由晶体管T2，T4和T5的电流通路形成的支路中。此外，人们已知包括四个晶体管T1至T4的该电路产生的电流I1的值与绝对温度成比例并仅仅取决于电阻R1的值和晶体管T1和晶体管T3的发射极面积之比值。

该性能将通过以两种方式分析晶体管T3和T4的基极电压值而被概括。若该电压是Vy：Vy＝V_BE(T4)＋V_BE(T1)＋R1·I1Vy＝V_BE(T3)＋V_BE(T2)

其中V_BE(Tx)是晶体管Tx的基极发射极电压。则：

R1·I1＝V_BE(T3)＋(V_BE(T2)－V_BE(T4)－V_BE(T1)

由于晶体管T2和T4是完全相同的，并大致相同的电流I2流过这些晶体管，故V_BE(T2)和V_BE(T4)项可互相抵消。于是：R1·I1＝V_BE(T3)－V_BE(T1)或，当使用 $V_{\mathrm{BE}}\left(T3\right)-V_{\mathrm{BE}}\left(T1\right)=\frac{\mathrm{KT}}{q}\mathrm{Ln}\left(\frac{J\left(T3\right)}{J\left(T1\right)}\right)$ 其中J(T3)和J(T1)为T3和T1的发射极中的电流密度，K是波尔兹曼常数，T是绝对温度，而q是基本电荷(elementary charge)。 $I1=\frac{\mathrm{kT}}{\mathrm{qR}1}\mathrm{Ln}\left(\frac{J\left(T_3\right)}{J\left(T1\right)}\right)\left(1\right)$

若n是这些晶体管的发射极面积之比，其中流过相同电流I1，则方程(1)可写成： $\mathrm{Il}=\frac{\mathrm{kT}}{\mathrm{qR}1}\mathrm{Ln}\left(n\right)\left(2\right)$ 方程(2)证实I1和绝对温度之间的比例性。

该电流源不I1形成一个极其不良的电流源，其内流过的电流随供电电压Vcc而变化。这样，由于线12上的电压基本上由晶体管T2和T3的基-射极电压加上电流I1在电阻R2上产生的电压降之和来确定，故电流I2直接根据电流源11供给的电流与电流I1之差得出。若基极电流仍被忽略不计，则晶体管T5的发射极将载有由电压Vx减去该晶体管基-射极电压而得到的电压，该电压提供电流I2。

晶体管T5以这样一种方式被选择成：发射极面积等于晶体管T2和T4的发射极面积，即晶体管T5的基-射极电压降补偿了晶体管T2的电压降。随之而来的是该电路的输出电压Vreg基本上等于I1在带正温度系数的R2上的电压降I1·R2与其中流过电流I1的晶体管T3的基-射极电压之和，该基-射极电压具有负温度系数。电阻器R2的值以这样一种方式选择致使电压之和的两元件有降至零的温度系数。实际上，通常采用的降压I1·R2的值约为500mV。

从这种粗略的初步分析得出：该控制电路的输出电压Vreg与温度和电流I2之值无关，即与供电电压Vcc无关。一种考虑到不同晶体管的基极电流的更详细分析表明：通过电阻R2的电流近似等于流入晶体管T1的电流I1加晶体管T4的基极电流，导致电阻R2上的起始计算的电压降的增大。

由于大致上晶体管T5的基极电流基本等于晶体管T4的基极电流或晶体管T2的基极电流，故当置于晶体管T5基极中的电阻R5具有等于电阻R2两倍值的阻值时应获得线12上对电压Vx所述影响的补偿。这样，电压Vx的增大应在控制电路输出端上得到补偿。

然而，实际上，这种补偿看来有点不够，尤其因为晶体管T2的基极电流变化导致晶体管T3的基-射极电压的极小变化，而该变化在上述计算中已被忽略不计。输出电压Vreg对电源电压Vcc变化的抗扰性可通过增大电阻R5的值来改善，那时电阻R5阻值范围在2和4倍于电阻R2的阻值。该最佳值可借助一种适当计算和最好借助一模拟器(simulator)来确定。

为使该电路平衡工作起见，要以这样一种方式选择电流源I1的值，以使对于标称供电电压Vcc来说，电流I1和I2是基本相等的。对于供电电压Vcc的值不同于该标称值的情况，在一已知温度下，电流I2将变化，但正如由上述显见的，由此产生的稳定电压Vreg仅受到轻微干扰。

在一最佳实施例中，由于用于该电路的所有晶体管均为NPN型的，故该控制电路能够响应甚至是高频的电源电压波动。

在一最佳实施例中，晶体管T5的基极借助电容器C耦合到晶体管T2的基极这能进一步改善对电源电压Vcc中的噪声的抑制。该电容器可易于集成，因为小电容值即可胜任。其效果大致是晶体管T2增益的倍数。

就本实施例而言，图2中的曲线A表示控制电路输出端的噪声相对于电源电压Vcc上噪声的抑制比(rejection ratio)R与该噪声的频率F的关系。按本发明的控制电路的一个值得注意的特性在于超出某一给定极限频率后抑制比增大。当控制电路用于该电路与高频开关电路集成一体的场合，例如对电源电压引起高频噪声的分频器时，这一特性就尤其重要。

图3极简要地示出基本的几种已知控制电路的原理。它们包括两个晶体管的单元30，这两晶体管发射极的面积不等并旨在补偿电阻R上提供一个正比于温度的电流。这两晶体管的集电极驱动由方块31标示的成对负载。该电路还包括一高增益的差动放大器32，该放大器的输出驱动两晶体管的耦连基极，这种总配置是使得晶体管的集电极电流均相等。这样，该放大器32是一个误差放大器并因而在该放大器输出端上的参考电压Vreg在放大器增益增大时更为精确。此外，众所周知：这类放大器应是频率稳定的并因而具有如图4所示的增益特性G。

同样，对于这种类型的控制电路对电源电压噪声的抑制R是按照诸如由图2中曲线B之类所示的增益特性的反特性来变化的。显然，从抑噪观点出发，按本发明的该电路对于那些产生高频噪声的应用场合是极其有利的。

图5是表示本发明第二实施例的简图。

在该图中与图1所示电路中对应的元件标有相同标号。图5所示电路包括图1电路的全部元件并外加与晶体管T1至T5相同导电类型的第六晶体管T6和第七晶体管T7。晶体管T6被连接成一个二极管，其发射极-集电极路经(耦合到基极)被置于电阻R2和线12之间。这样，与上述实例相比，线12上的电压Vx被提高了一个V_BE值。

晶体管T7有其连到晶体管T5的发射极与晶体管T4的集电极之间结点的基极。其发射极经由发射极负载电阻R7耦合到参考端2。因此，晶体管T7是作为射极-跟随器配置的并在其发射极上供以稳定电压Vreg。T7的基极-发射极电压降大致以这样一种方式补偿晶体管T6中的压降，致使电压Vreg再次基本等于借助图1所示电路所获得的电压。

在本实施例中，该电路的输出阻抗较前一实施例低并能从输出取得较大电流。

图中示出该晶体管的集电极由接线端17驱动。该接线端可直接连到线12或到电源端1。然而，所示电路也能提供一稳定的参考电流I₀，该电流由晶体管T7的集电极吸收。那时端子17构成控制电路的一个输出端。

显然，电流I₀与供电电压和温度无关因为它是从晶体管T7的发射极电流引出的，该电流在电阻R7上产生一稳定电压降Vreg。高-增益NPN型晶体管T7的集电极电流几乎无异于发射极电流，因此，不受随温度而变的增益变化的显著影响。

显然，图1中表示为所谓限流(limiting)电阻的电流源11仅仅是一个简化实例它也可采用包括实现(例如)对加到控制电路两支路的电流的相似粗予调的装置的任何其他电流源。在不是永久性使用该电压控制电路的应用场合，最好，当不必使用该控制电路时能使其无用，以降低电流消耗。

图6表示一个实例，其中图1的电流源11已被电阻器21和一MOS-FET22的组合所替代。借助加到端子23的一个适当命令，被耦合到晶体管22的栅极，便可能获得一个可开关的电流源，其电阻等于电阻21阻值和晶体管22导通时的内阻之和。

图7表示电流源11的另一实例，该电流源包括予调加到该控制电路的电流的装置。

两个电阻器31和32被串联连接在电源端1和线12之间。这两电阻之间的结点上的电压V_p是借助串联连接在该结点和参考端2之间的四个二极管D1至D4而得以稳定的。虽然这些二极管的正向电压随温度和通过这些二极管的电流而稍有变化，但这种变化保持如此之小，以致由电流源11所施加的电流主要受限幅电阻31和电压差V_p-V_x的控制，该电流随Vcc的变化而几乎不变。

图8表示电流源11的另一实例，该电流源利用至少一个PNP型晶体管T8，借助任何已知装置予调通过其发射极集电极路径传送的电流。

采用PNP型晶体管的缺点在于这种晶体管的寄生电容通常是显著的，这对电源电压抑噪方面是不利的。为了减轻这一影响，在晶体管T8的集电极与线12之间设置一电阻41，以使降低晶体管T8的寄生电容影响。

显然，参照图6，7和8所述的电流源仅仅是一些实例，而本领域的专家将能创造其他组合，特别是当开关晶体管有用时而使用图6之开关晶体管22的那种组合。图1和5所示控制电路的实例也能在不脱离此后所定义的本发明范围情况下作出改动。

Claims (9)

1.提供稳定电压的控制电路，该电路连接在供电端和参考端之间并连同其他一起包括同一导电类型的四个晶体管，所述晶体管各有发射极，基极和集电极，第一晶体管有其经第一电阻耦合到参考端的发射极，第二晶体管有其连到参考端的发射极，该第一和第二晶体管的基极和集电极是交叉耦合的，第三晶体管有其连接到第一晶体管集电极的发射极和有其一起连到第二电阻两端之一的基极及其集电极，该第二电阻有其耦合到供电端的另一端，以及一个第四晶体管有其连到第二晶体管集电极的发射极和有其连到第三晶体管基极和连到第三晶体管集电极的基极，在该电路中，第一晶体管的发射极面积大于第三晶体管的发射极面积，其特征在于：该电路还包括与上述晶体管同一导电类型的双极第五晶体管，该第五晶体管有一连到第四晶体管的集电极的发射极，经一个其值至少等于第二电阻值2倍的基极电阻耦合到其集电极的基极；并且该基极电阻与第五晶体管的集电极之间的结点一方面耦合到第二电阻的另一端，而另一方面经一电流源耦合到所述供电端。

2.如权利要求1所述控制电路，其特征在于第二，第四和第五晶体管具有相等的发射极面积；

3.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于：第五晶体管发射极与第四晶体管集电极之间的连接形成一稳定电压的输出端。

4.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于进一步包括与前述晶体管相同导电类型的第六晶体管和第七晶体管，该二极管连接的第六晶体管沿第二电阻另一端与电流源之间的方向正向连接，而第七晶体管有其连到第五晶体管发射极的基极，有其耦合到供电端的集电极和有其经一发射极电阻耦合到参考端的，形成稳定电压输出端的发射极。

5.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于：外加第七晶体管的集电极形成该控制电路的一个输出端，该输出端提供一稳定的参考电流。

6.如1至5任一权利要求的控制电路，其特征在于，还有一电容连接在第五晶体管的基极与第二晶体管基极之间。

7.如1至6任一权利要求的控制电路，其特征在于电流源包括一称之为限流电阻的电阻器。

8.如权利要求7所述控制电路，其特征在于：一个MOS-FET型开关晶体管被置于限流电阻和供电端之间。

9.如权利要求7或8所述控制电路，其特征在于：电流源还包括予调加到该控制电路的电流的装置。

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