專利名稱：中電源基準(zhǔn)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電壓基準(zhǔn)發(fā)生電路，更具體地說，涉及用于產(chǎn)生高與低電源電位之間電壓的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，再具體地說，涉及一種特別適用于電池供電裝置的基準(zhǔn)信號發(fā)生器。
中電源基準(zhǔn)電壓發(fā)生器典型地由一個分壓器和一個運(yùn)算放大器構(gòu)成。分壓器包括多個阻抗元件，例如電阻器，并且產(chǎn)生一個與這些阻抗元件的比成正比的電壓電平。運(yùn)算放大器以一個與分壓器連接的單位增益反饋電路來布置。
在這些電路中，如果需要電源電流低，分壓器就由大電阻器或長溝道MOSFET元件構(gòu)成，它們兩者占據(jù)集成電路(IC)上相當(dāng)大的硅面積。另外，分壓器的高輸出電阻造成相當(dāng)大的熱噪聲。分壓器還易受相鄰?fù)娐匪詈系脑肼曈绊憽?br> 這些問題部分能通過使用一個旁路電容器來消除。然而，使用旁路電容器受可用硅片面積和其中使用中該電源電壓發(fā)生器的應(yīng)用的穩(wěn)定時間要求的限制。另外，使用電容器增加了電壓發(fā)生器穩(wěn)定所需的時限。發(fā)生這種情況是因為旁路電容器和分壓器的輸出電阻一起產(chǎn)生一個長時間常數(shù)，這樣大大地限制了能使用分壓器的應(yīng)用。例如，在電池供電的裝置，例如蜂窩無線電產(chǎn)品、掌上裝置和膝上電腦中，在“加電”時或退出省電模式時穩(wěn)定時間是電源電壓發(fā)生器的一個重要特征。在這些應(yīng)用中，長時間常數(shù)是不希望的。
使用運(yùn)算放大器也有若干不利方面。對大多數(shù)設(shè)計而言，運(yùn)算放大器具有一個隨溫度變化的偏置電壓。運(yùn)算放大器還抽取相當(dāng)大的電源電流。運(yùn)算放大器使用一個也抽取大量電流的偏置電路。這些高電流消耗在電池供電裝置中存在問題，其中希望具有最低可能的電流消耗，以得到長電池壽命。
在一個復(fù)雜混合信號IC中，可能要求幾個不同的中電源基準(zhǔn)，負(fù)擔(dān)各種負(fù)載阻抗和電流。通常沒有單個運(yùn)算放大器將會在這樣應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)地滿足對運(yùn)算放大器的所有要求。結(jié)果，對各應(yīng)用要求，將必須設(shè)計具有希望頻率補(bǔ)償和偏置電路的用戶運(yùn)算放大器。
因此，開發(fā)一種特別用于電池供電裝置的適當(dāng)中電源電壓發(fā)生器耗費(fèi)時間，而且提供它價格昂貴。因此需要一種中電源電壓發(fā)生器，它沒有現(xiàn)有電路的缺點。


圖1是說明中電源基準(zhǔn)發(fā)生器的電路圖。
圖2是說明按照圖1的中電源基準(zhǔn)發(fā)生器的替換實施例的電路圖。
圖3是取方框圖形式的電路圖，說明結(jié)合中電源基準(zhǔn)發(fā)生器的電池供電裝置。
中電源電壓發(fā)生器100(圖1)連接在高電位電源干線Vcc與低電位電源干線Vss之間。例如，Vcc可以為3伏，Vss可以電路接地。中電源電壓發(fā)生器100具有一個接收“ON/OFF”控制信號的輸入。中電源基準(zhǔn)在輸出104產(chǎn)生。
中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100包括一個電阻元件106，它通過開關(guān)142與Vcc連接。電阻元件106與晶體管元件130的集電極連接。晶體管元件130的發(fā)射極與晶體管元件116的集電極連接。晶體管元件116的發(fā)射極通過電阻元件108與Vss連接。
中電源基準(zhǔn)發(fā)生器還包括一個晶體管元件120，它的集電極與Vcc連接，而它的發(fā)射極與輸出104連接。晶體管元件120的基極114與晶體管元件130的基極112和集電極連接。晶體管元件118使它的集電極和基極119與輸出104連接。晶體管元件118的發(fā)射極通過一個電阻元件110(發(fā)射極電阻器)與Vss連接。晶體管元件118的基極119與晶體管元件116的基極117連接。
電阻元件106和108提供一個希望大小的電壓降，并且例如可以具有相同的阻抗值，以便它們具有相等的電壓降，以在輸出設(shè)置中心電壓。可選擇地，電阻器106和108可以選擇具有不同值，以選擇一個不是Vss與Vcc之間電壓差的一半的電壓電平。在這里所述的實施中，使電阻元件106、108和110配合，以便電流I1和I2相等，而輸出104在Vss接地時具有Vcc一半的電位。
晶體管元件120對輸出104提供一個發(fā)射極跟隨器，以獲得希望的輸出阻抗特性。晶體管元件120還在電阻元件106與輸出104之間提供一個基極-發(fā)射極電壓降(Vbe)。晶體管元件116和118分別與發(fā)射極電阻元件108和110連接。如上所述，使電阻元件108和110配合，以便電流I1和I2相同。
在操作中，晶體管元件116控制流過電阻元件108的電流。使晶體管元件116和120配合，以便它們的基極-發(fā)射極電壓降相等。因為晶體管元件116、118、120和130使通過電阻器元件106和108的電流保持相等值，所以如果電阻元件106和108配合，就產(chǎn)生一個中心電壓。這種情況發(fā)生是因為電阻器108兩端之間的電壓加晶體管元件116的基極-發(fā)射極電壓，將等于電阻器106兩端之間的電壓加晶體管元件120兩端之間的基極-發(fā)射極電壓降。輸出104的電壓于是將為1/2(Vcc-Vss)+Vss。當(dāng)Vss接地時，輸出104的電壓為Vcc/2。
晶體管元件130是一個可選晶體管元件。在一個使用NPN晶體管的實施中，晶體管元件130是希望的。它布置為在晶體管元件120的基極114與晶體管元件116的集電極之間提供一個二極管壓降。這樣有助于使晶體管元件116和118的集電極-發(fā)射極電壓相等，從而有助于使電流I1和I2相等，這樣又有助于使晶體管元件116和120的基極-發(fā)射極電壓相等，結(jié)果產(chǎn)生精確的輸出電壓。
本中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100能用于大多數(shù)需要一個共態(tài)中電源電壓的模擬信號處理電路。晶體管元件116、118、120和130優(yōu)選地是雙極結(jié)晶體管，更具體地說是NPN雙極晶體管。電路能選擇地用橫向PNP晶體管元件或CMOS晶體管元件構(gòu)成。
電阻元件106、108和110能用任何適當(dāng)?shù)碾娮杵?，例如高薄片電阻器來實現(xiàn)。預(yù)見中電源基準(zhǔn)電壓發(fā)生器將在一個集成電路上實現(xiàn)。因此，電阻元件可以是N阱的P型半導(dǎo)體材料。電阻元件106、108和110的N阱107、109和111分別相對它們各自的P型電阻器正偏置。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，電阻元件能用任何其它適當(dāng)電阻器實現(xiàn)。
中電源基準(zhǔn)發(fā)生器還包括可選開關(guān)142和144。開關(guān)142連接在高電源電位Vcc與電阻元件106的一端之間。開關(guān)144把電阻元件106的另一端與Vss連接，Vss在所述實現(xiàn)例中是電路接地。開關(guān)142和144優(yōu)選地由金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)元件提供。通過提供P溝道MOSFET元件142和N溝道MOSFET元件144，開關(guān)將選擇地響應(yīng)一個共雙態(tài)控制信號起動。MOSFET開關(guān)控制為選擇地表現(xiàn)開路和閉路。MOSFET元件142在導(dǎo)通時，為大體上不提供電壓降的有效短路，而在斷開時，為提供隔離的開路。類似地，MOSFET 144在導(dǎo)通時，提供與晶體管元件116、130和電阻器元件108并聯(lián)的短路，而在斷開時，提供開路。
開關(guān)142和144在電池供電裝置中是希望的。這些開關(guān)例如在備用方式期間，控制為斷開中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100。為了斷開中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100，開關(guān)142斷開，開關(guān)144閉合。當(dāng)中電源電壓發(fā)生器操作時，開關(guān)142閉合，開關(guān)144斷開。電路100因此在斷開時抽取非常小的電流。
在輸出104產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓如下確定。輸出104的電壓由兩個電壓設(shè)定。電壓中的一個是開關(guān)142的漏極與源極兩端之間的電壓，加電阻器106兩端之間的電壓，加晶體管元件120的基極-發(fā)射極電壓降的和。另一個電壓是晶體管元件116的基極-發(fā)射極電壓，加電阻元件108兩端之間電壓降的和。當(dāng)開關(guān)閉合時，開關(guān)142兩端之間的電壓基本上為0。由于晶體管元件配合并具有相等電流，所以晶體管元件116和120的基極-發(fā)射極電壓相等。輸出104的電壓因此通過選擇電阻元件106和108來設(shè)定。如果它們配合，基準(zhǔn)電壓將處在電源干線Vcc與Vss的中心。
通過選擇不同的阻抗比，能在輸出104提供其它輸出電位。然而，使用不等的電阻值將不精確，并且因為輸出電位取決于隨溫度變化的Vbe，將造成輸出電壓隨溫度變化。特別是，Vout＝(Vcc*R1/(R1+R2))+Vbe*(1-2R1/(R1+R2))
如果R1和R2相等，Vbe被乘以零，并且Vbe隨溫度的變化不影響Vout。因此，在有些Vcc大且Vbe的小變化可忍受的應(yīng)用中，中電源基準(zhǔn)電壓發(fā)生器100能用來輸出不是中心電壓的電位。在其它Vcc小且要求精確性的環(huán)境中，本發(fā)明提供精確的中心電位，這對有些應(yīng)用中的邏輯電路是極為希望的。
下列公式推導(dǎo)說明本中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100是怎樣產(chǎn)生中電源電壓基準(zhǔn)的，以及其精確度是怎樣取決于電阻器和Vbe配合的Vout＝I1R2+Vbe2＝Vcc-I1R1-Vbe3其中Vbe2是晶體管元件116的基極-發(fā)射極電壓降，Vbe3是晶體管元件120的基極-發(fā)射極電壓降。這樣可以重寫為Vout＝(Vcc+Vbe2*R1/R2-Vbe3)/(1+R1/R2)假定R＝(R1+R2)/2，ΔR＝R1-R2，Vbe2＝Vbe3＝VbeVout＝[Vcc*(R-ΔR/2)+Vbe*ΔR]/2*RVout/(Vcc/2)＝1+(Vbe/Vcc-0.5)*ΔR/R對于Vbe＝0.75和Vcc＝2.775，Vout/(Vcc/2)＝1-0.23*ΔR/R例如，電阻器R1和R2的0.5％失配，將引起0.12％的輸出電壓誤差。這對于現(xiàn)有技術(shù)分壓器0.5％失配造成0.5％誤差來說，是極為希望的。對于理想電阻器，由于ΔVbe＝Vbe2-Vbe3所引起的Vout變化為Vout/(Vcc/2)＝1+ΔVbe/Vcc在室溫下Vout的整個公式因此為Vout＝Vcc/2*(1+ΔVbe/Vcc+0.23*ΔR/R)中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100的電源電流是Icc，它是從電源Vcc抽取的電流。當(dāng)R1＝R2＝R3時，由本電路抽取的電源電流等于Icc＝(Vcc-2*Vbe)/R其中R是電阻器R1、R2和R3各自的阻抗。
低輸出電阻伴隨最小的電路復(fù)雜性。輸出電阻Rout小，并且假定零平均負(fù)載，則輸出電阻近似為Rout＝2*Vt*R/(Vcc-2*Vbe)
其中Vt是一個常量。對于R＝64k，Vcc＝2.775mV，Vbe＝0.75mV和Vt＝26mV，那么Rout＝2.6k，Icc＝20μA。
另外，可以對負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。R3通常等于R1和R2，但是如果平均負(fù)載電流非零或流入輸出的峰值電流大，則應(yīng)該對它進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢匀缦逻M(jìn)行調(diào)節(jié)根據(jù)流入中電源基準(zhǔn)的平均電流，設(shè)定R3。
R3＝RII(Vcc/2-Vbe)/IIavg其中符號∏意指并聯(lián)組合，IIavg是平均負(fù)載電流。于是檢查R3，以保證它滿足下列條件R3≤(Vcc/2-Vbe)/IImax其中IImax是供入中電源基準(zhǔn)的輸出的峰值電流。
在本發(fā)明與現(xiàn)有中電源基準(zhǔn)發(fā)生器之間進(jìn)行了噪聲性能比較?，F(xiàn)有基準(zhǔn)電路使用分壓器和運(yùn)算放大器。選擇分壓器，以便與中電源基準(zhǔn)電路100進(jìn)行公平的噪聲比較。特別是，選擇分壓器，以便當(dāng)進(jìn)行比較時，和本中電源基準(zhǔn)發(fā)生器具有相同的電阻器值和二極管。
以下數(shù)據(jù)是在1Hz到1GHz頻率范圍內(nèi)積分的總噪聲電壓。由本發(fā)明產(chǎn)生的總噪聲小于由現(xiàn)有技術(shù)電路中分壓器所單獨產(chǎn)生的噪聲。
實現(xiàn)Vdiv 運(yùn)算放大器總計現(xiàn)有電路 246.1nV 55.5nV301.6nV本發(fā)明 229.5nV電路的穩(wěn)定性也得到改進(jìn)。按照圖1電路的低頻開環(huán)增益稍小于一，并且反饋為負(fù)。隨頻率增加，取dB的增益決不為正。過移相確實達(dá)到180°，但是在增益大大降低之前不會出現(xiàn)。例如，對于10pF負(fù)載，增益裕度發(fā)現(xiàn)在30MHz為30dB。增益裕度對較大電容器實際上較好。圖1所示電路證明在使用1fF到10μF負(fù)載電容器的模擬中是穩(wěn)定的。
因此可見，中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100相對現(xiàn)有電路具有若干重要有利方面。它具有由設(shè)計者根據(jù)應(yīng)用的要求所設(shè)定的低電源電流。這種電路的典型型式與較早抽取約250μA的型式比較，抽取20μA的電源電流。能用開關(guān)142和144實現(xiàn)電池節(jié)能方式，這些開關(guān)能在備用方式下使電流抽取降低到皮安培。
中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100產(chǎn)生較小的輸出噪聲?，F(xiàn)有電路中由分壓器和運(yùn)算放大器電路元件產(chǎn)生的熱噪聲已被本電路大大消除。這種改進(jìn)對省去運(yùn)算放大器起了很大作用。
中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100具有較快的接通時間。常規(guī)上，較復(fù)雜的解決辦法使電池節(jié)能方式到正常方式的轉(zhuǎn)換緩慢。這是因為節(jié)點以長時間常數(shù)充電，并且運(yùn)算放大器和偏置發(fā)生器電路要求較多時間穩(wěn)定。本電路具有非?？焖俚慕油ā?br> 由于本電路具有較少和較小元件，并且不需要補(bǔ)償電容器，所以中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100使用較小的芯片面積。
中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100對設(shè)計者表現(xiàn)較小危險，因為無穩(wěn)定性或其它運(yùn)算放大器性能問題。
中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100要求較少設(shè)計時間，因為無運(yùn)算放大器用戶化要求。電阻器值和寬度根據(jù)電源電流、輸出電阻、電流處理和電壓精度的要求來計算。
如上所述，中電源基準(zhǔn)發(fā)生器200能用C-MOS FET元件實現(xiàn)，如圖2說明。選擇電阻元件206和208，以便電路產(chǎn)生希望的輸出電壓。優(yōu)選地對要求最優(yōu)精度的用途，電阻元件具有相等值。電阻元件210和電阻元件208及MOSFET元件216和218一起，提供一個電流鏡像。輸出受MOSFET元件220驅(qū)動。
圖1的接通/斷開開關(guān)142和144及圖1的二極管壓降晶體管元件130不需要，但是可以有利地用來改進(jìn)本實施例的性能。在中電源基準(zhǔn)發(fā)生器200中，可以用MOSFET元件代替雙極元件實現(xiàn)二極管130的等效。中電源基準(zhǔn)發(fā)生器200(圖2)的操作不過模擬中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100(圖1)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，中電源基準(zhǔn)發(fā)生器200對于中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100具有某些不利方面。特別是，對于中電源基準(zhǔn)發(fā)生器200，輸出阻抗Rout將會較高，并且硅面積將會較大。然而，中電源基準(zhǔn)發(fā)生器200在專門利用CMOS制造過程的應(yīng)用中極其希望。
圖3說明一種電池供電的無線通信裝置300。無線通信裝置300包括一個通過發(fā)射器306與天線309連接的微型話筒310，以及一個通過接收器304與天線連接的揚(yáng)聲器308。發(fā)射器306和接收器304由控制電路312控制。無線通信裝置300的控制電路312由Vcc和Vss供電。Vcc由電壓調(diào)節(jié)器320調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)器320由電池VBAT產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓。
中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100在輸出104產(chǎn)生一個中電源基準(zhǔn)。中電源基準(zhǔn)控制輸入102與控制電路312連接?？刂齐娐肥褂秒娐?00提供的中電源電壓。另外，控制電路312產(chǎn)生一個控制信號，以當(dāng)無線通信裝置在備用模式時，使中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100斷開，從而大大減小了通信裝置300的平均電流消耗。當(dāng)其接通時，中電源基準(zhǔn)發(fā)生器100將迅速穩(wěn)定。
因此，可見公開了一種改進(jìn)型中電源基準(zhǔn)發(fā)生器。通過改變電阻器值，能設(shè)置輸出電阻和電流容量。選擇電阻元件盡可能低，以獲得低輸出阻抗，選擇電阻元件盡可能高，以在操作時減小電流消耗。本電路由于它固有穩(wěn)定，所以對負(fù)載電容不敏感。由于不必提供包括頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算器優(yōu)化，所以節(jié)省了大量設(shè)計時間和工作。另外，本電路能容易地用電路復(fù)制，以提供具有不同值或不同阻抗要求的其它輸出電壓。
權(quán)利要求
1.一種中電源基準(zhǔn)發(fā)生器，包括一個與第一電源耦合的第一電阻元件；一個與第二電源耦合的第二電阻元件；一個與第二電源耦合的第三電阻元件；一個與第一電阻元件和第二電阻元件耦合的第一晶體管元件，該第一晶體管元件耦合在第一與第二電阻元件之間，以便第一和第二電阻元件由相同的電流電平提供一個基準(zhǔn)電壓降；一個耦合在第一電源與中電源輸出之間的第二晶體管元件，該第二晶體管元件驅(qū)動輸出，以提供一個希望的中電源電位；以及一個與中電源輸出及第三電阻元件耦合的第三晶體管元件，連接第三晶體管元件和第一晶體管元件，以便它們產(chǎn)生成比例的電流。
2.如權(quán)利要求1所限定的中電源基準(zhǔn)發(fā)生器，還包括一個第四晶體管元件，耦合在第一電阻元件與第一晶體管元件之間，使第四和第二晶體管元件連接。
3.如權(quán)利要求1所限定的中電源基準(zhǔn)發(fā)生器，還包括一個第一開關(guān)，耦合在第一電源與第一電阻元件之間，以及一個第二晶體管開關(guān)，耦合在第一電阻元件與第二電源之間，其中第一和第二晶體管開關(guān)用來接通和斷開電源基準(zhǔn)發(fā)生器。
4.如權(quán)利要求2所限定的中電源基準(zhǔn)發(fā)生器，其中第一晶體管元件、第二晶體管元件、第三晶體管元件和第四晶體管元件為NPN晶體管，并且第一晶體管元件和第三晶體管元件的基極互連，以及第二和第四晶體管元件的基極互連。
5.如權(quán)利要求1所限定的中電源基準(zhǔn)發(fā)生器，其中第一晶體管元件、第二晶體管元件和第三晶體管元件是場效應(yīng)晶體管元件，其中第一和第三晶體管元件的柵極連接。
6.如權(quán)利要求4所限定的中電源基準(zhǔn)發(fā)生器，其中第三晶體管元件的集電極與第三晶體管元件的基極連接。
7.如權(quán)利要求6所限定的中電源基準(zhǔn)發(fā)生器，其中第四晶體管元件的集電極與第四晶體管元件的基極連接。
8.如權(quán)利要求3所限定的中電源基準(zhǔn)發(fā)生器，其中第一和第二開關(guān)包括場效應(yīng)晶體管元件。
全文摘要
一種中電源基準(zhǔn)發(fā)生器具有與第一電源連接的第一電阻元件。第二電阻元件與第二電源耦合。第三電阻元件與第二電源耦合。第一晶體管元件與第一電阻元件和第二電阻元件耦合,第一晶體管元件耦合在第一與第二電阻元件之間。第二晶體管元件耦合在第一電源和中電源輸出之間,第二晶體管元件驅(qū)動輸出,以提供一個希望的中電源電位。第三晶體管元件與中電源輸出及第三電阻元件耦合,使第三晶體管元件和第一晶體管元件連接,以便它們產(chǎn)生比例電流。
文檔編號H01L27/04GK1253450SQ9912365
公開日2000年5月17日 申請日期1999年11月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月4日
發(fā)明者戴維·M·岡薩雷斯 申請人:摩托羅拉公司