一种宽电源电压范围的正温度系数电流基准源

摘要

一种宽电源电压范围的正温度系数电流基准源，其中第一PNP三极管、第二PNP三极管、第三PNP三极管构成电流镜，使得第五NPN三极管与第四NPN三极管的集电极电流成比例，该电流比例等于第三PNP三极管与第二PNP三极管的发射结面积的比例，第五电阻上的压降等于第五NPN三极管的基极‑发射极电压与第四NPN三极管的基极‑发射极电压的差值，第五电阻上的电流乘上第四PNP三极管与第二PNP三极管的发射结面积的比例即为本发明输出的正温度系数电流基准信号。本发明通过适当调整第一电阻、第三电阻、第四电阻的取值，能够保证本发明的结构在低电源电压下可以正常工作；且本发明采用BJT结构，使得本发明允许的最高电源电压值较大，从而获得了宽电源电压范围。

权利要求

1.一种宽电源电压范围的正温度系数电流基准源，其特征在于，包括第一PNP三极管、第二PNP三极管、第三PNP三极管、第四PNP三极管、第一NPN三极管、第二NPN三极管、第三NPN三极管、第四NPN三极管、第五NPN三极管、第六NPN三极管、第七NPN三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，第六NPN三极管的基极连接第二NPN三极管的基极和控制信号，其集电极连接第七NPN三极管的基极并连接偏置电流，其发射极连接第二NPN三极管、第五NPN三极管和第七NPN三极管的发射极并接地；

第一PNP三极管的基极和集电极相连并连接第二NPN三极管和第三NPN三极管的集电极以及第二PNP三极管、第三PNP三极管和第四PNP三极管的基极，其发射极连接第二PNP三极管、第三PNP三极管和第四PNP三极管的发射极以及第一NPN三极管的集电极并连接电源电压；

第三NPN三极管的基极连接第五NPN三极管和第七NPN三极管的集电极以及第二电阻的一端，其发射极一方面通过第三电阻后连接第一NPN三极管的发射极，另一方面通过第四电阻后接地；

第四NPN三极管的基极连接第五NPN三极管的基极和第二电阻的另一端并通过第一电阻后连接第三PNP三极管的集电极，其集电极连接第二PNP三极管的集电极和第一NPN三极管的基极，其发射极通过第五电阻后接地；

第四PNP三极管的集电极作为所述正温度系数电流基准源的输出端；

通过调整第一电阻、第三电阻和第四电阻的取值能够调整所述正温度系数电流基准源的电源电压范围。

2.根据权利要求1所述的宽电源电压范围的正温度系数电流基准源，其特征在于，所述正温度系数电流基准源还包括电容，电容一端连接第一NPN三极管的基极，另一端接地。

说明书

一种宽电源电压范围的正温度系数电流基准源

技术领域

[0001] 本发明属于电子电路技术领域，涉及一种宽电源电压范围的正温度系数电流基准源。

背景技术

[0002] 电流基准源在模拟集成电路中有非常广泛的应用。以运算放大器为代表的模拟电路模块出于恒定跨导的目的通常选择正温度系数电流源作为电流偏置。除此之外，正温度
系数电流源由于对温度敏感，可以用于一些检测、保护电路中，如过温保护电路。

[0003] 在现代的便携电子设备、可穿戴设备设计中，由于电池使用时长由其输出电压决定，芯片超低的最低电源电压可实现更强的续航能力，成为解决便携电子设备发展瓶颈的
重要思路。另一方面，为了使得用户能够根据不同的使用环境更换最合适的电池方案，总是
希望其具有超宽的电源电压范围。所以同时具有超低电源电压及超宽的电源电压范围的电
流源在便携电子设备的应用场景中具有核心竞争力。

发明内容

[0004] 针对上述对于正温度系数电流基准源再低电源电压和宽电源电压范围的要求，本发明提出一种正温度系数电流基准源，能工作于低电源电压并具有宽电源电压范围，能够
适应便携电子设备及可穿戴设备的应用场合。

[0005] 本发明的技术方案为：

[0006] 一种宽电源电压范围的正温度系数电流源，包括第一PNP三极管、第二PNP三极管、第三PNP三极管、第四PNP三极管、第一NPN三极管、第二NPN三极管、第三NPN三极管、第四NPN
三极管、第五NPN三极管、第六NPN三极管、第七NPN三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、
第四电阻和第五电阻，

[0007] 第六NPN三极管的基极连接第二NPN三极管的基极和控制信号，其集电极连接第七NPN三极管的基极并连接偏置电流，其发射极连接第二NPN三极管、第五NPN三极管和第七
NPN三极管的发射极并接地；

[0008] 第一PNP三极管的基极和集电极相连并连接第二NPN三极管和第三NPN三极管的集电极以及第二PNP三极管、第三PNP三极管和第四PNP三极管的基极，其发射极连接第二PNP
三极管、第三PNP三极管和第四PNP三极管的发射极以及第一NPN三极管的集电极并连接电
源电压；

[0009] 第三NPN三极管的基极连接第五NPN三极管和第七NPN三极管的集电极以及第二电阻的一端，其发射极一方面通过第三电阻后连接第一NPN三极管的发射极，另一方面通过第
四电阻后接地；

[0010] 第四NPN三极管的基极连接第五NPN三极管的基极和第二电阻的另一端并通过第一电阻后连接第三PNP三极管的集电极，其集电极连接第二PNP三极管的集电极和第一NPN
三极管的基极，其发射极通过第五电阻后接地；

[0011] 第四PNP三极管的集电极作为所述正温度系数电流基准源的输出端。

[0012] 具体的，所述正温度系数电流基准源还包括电容，电容一端连接第一NPN三极管的基极，另一端接地。

[0013] 本发明的有益效果为：本发明能够在超宽电源电压变化范围内正常工作，且在低电源电压如1V电源电压下都可以正常工作，使得本发明非常适应于便携电子设备中；且本
发明通过控制信号能够灵活控制电流基准源的工作，一些实施例中增加电容C提升了电路
稳定性。

附图说明

[0014] 图1为本发明提出的一种宽电源电压范围的正温度系数电流基准源的结构图。

[0015] 图2为DC温度扫描的仿真结果，其中n取1、m取4、R5电阻取820Ω，在25摄氏度时电流大小理论值应为44μA。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。

[0017] 本发明提出的正温度系数电流源中外部电源输入端连接电源电压VDD，偏置电流输入端连接偏置电流IB，控制信号输入端VIN输入控制信号，电流输出端输出产生的正温度
系数电流基准信号IPTAT。

[0018] 如图1所示是本发明提出的一种宽电源电压范围的正温度系数电流基准源的具体电路结构图，包括第一PNP三极管Q1、第二PNP三极管Q2、第三PNP三极管Q3、第四PNP三极管
Q4、第一NPN三极管Q5、第二NPN三极管Q6、第三NPN三极管Q7、第四NPN三极管Q8、第五NPN三
极管Q9、第六NPN三极管Q10、第七NPN三极管Q11、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第
四电阻R4和第五电阻R5，第六NPN三极管Q10的基极连接第二NPN三极管Q6的基极和控制信
号，其集电极连接第七NPN三极管Q11的基极并连接偏置电流IB，其发射极连接第二NPN三极
管Q6、第五NPN三极管Q9和第七NPN三极管Q11的发射极并接地GND；第一PNP三极管Q1的基极
和集电极相连并连接第二NPN三极管Q6和第三NPN三极管Q7的集电极以及第二PNP三极管
Q2、第三PNP三极管Q3和第四PNP三极管Q4的基极，其发射极连接第二PNP三极管Q2、第三PNP
三极管Q3和第四PNP三极管Q4的发射极以及第一NPN三极管Q5的集电极并连接电源电压
VDD；第三NPN三极管Q7的基极连接第五NPN三极管Q9和第七NPN三极管Q11的集电极以及第
二电阻R2的一端，其发射极一方面通过第三电阻R3后连接第一NPN三极管Q5的发射极，另一
方面通过第四电阻R4后接地GND；第四NPN三极管Q8的基极连接第五NPN三极管Q9的基极和
第二电阻R2的另一端并通过第一电阻R1后连接第三PNP三极管Q3的集电极，其集电极连接
第二PNP三极管Q2的集电极和第一NPN三极管Q5的基极，其发射极通过第五电阻后接地GND；
第四PNP三极管Q4的集电极作为所述正温度系数电流基准源的输出端。

[0019] 一些实施例中，在本发明提出的正温度系数电流基准源中还设置了电容C，电容C一端连接第一NPN三极管Q5的基极，另一端接地GND。这是由于不同工艺可能导致电流相位
余度不够，增加了电容C后能够稳定环路，提升电路的稳定性。

[0020] 下面详细说明本发明的工作原理。

[0021] 如图1所示，第五电阻R5上的压降等于第五NPN三极管Q9的基极‑发射极电压VBE9与第四NPN三极管Q8的基极‑发射极电压VBE8的差值。而第一PNP三极管Q1、第二PNP三极管
Q2、第三PNP三极管Q3构成电流镜，所以第五NPN三极管Q9与第四NPN三极管Q8的集电极电流
成比例，该电流比例等于第三PNP三极管Q3与第二PNP三极管Q2的发射结面积的比例，记为
n，第四NPN三极管Q8与第五NPN三极管Q9的发射结面积比例记为m，本发明提出的正温度系
数电流基准源正常工作时，第五电阻R5上电流为：

[0022]

[0023] 其中VT为热电压。本发明提出的结构有两条反馈环路，通过第一NPN三极管Q5、第三NPN三极管Q7、以及第一PNP三极管Q1和第二PNP三极管Q2组成的电流镜构成负反馈环，而
通过第四NPN三极管Q8、第一NPN三极管Q5、第三NPN三极管Q7及第一PNP三极管Q1与第三PNP
三极管Q3组成的电流镜构成正反馈环。负反馈环的作用是为了使得输出电流稳定，不会有
太大波动。负反馈增益大于正反馈增益，保证本发明提出的结构稳定。主极点在第一NPN三
极管Q5的基极，为了环路稳定性，一些实施例中添加了电容C降低主极点位置，进行补偿。

[0024] 控制信号输入端VIN输入的控制信号用于控制第二NPN三极管Q6和第七NPN三极管Q11的导通与截止，从而控制整个电流源处于工作模式与停止工作模式。

[0025] 当控制信号输入端VIN输入的控制信号为高电平时，第六NPN三极管Q10导通使得第七NPN三极管Q11截止。第二NPN三极管Q6导通，使得有电流流过第一PNP三极管Q1。由于第
一PNP三极管Q1、第二PNP三极管Q2、第三PNP三极管Q3构成电流镜，第一PNP三极管Q1有电流
流过使得第二PNP三极管Q2、第三PNP三极管Q3有成比例的电流流过第四NPN三极管Q8、第五
NPN三极管Q9及第五电阻R5组成的结构。第一PNP三极管Q1、第二PNP三极管Q2、第三PNP三极
管Q3构成电流镜，结合负反馈环使得该模块每一条支路电流大小都确定，输出电流IPTAT为
第五电阻R5上的电流乘以K倍，其中K为第四PNP三极管Q4与第二PNP三极管Q2的发射结面积
的比例。

[0026] 当控制信号输入端VIN输入的控制信号为低电平时，第六NPN三极管Q10截止使得第七NPN三极管Q11导通，从而第三NPN三极管Q7截止，第二NPN三极管Q6同样截止，所以没有
电流流过第一PNP三极管Q1。因为第一PNP三极管Q1、第二PNP三极管Q2、第三PNP三极管Q3构
成电流镜，所以第二PNP三极管Q2、第三PNP三极管Q3也没有电流流过，导致正温度系数电流
基准源不工作，输出电流为零。

[0027] 根据图1可知：

[0028] VDD＝VBE1+VCE6

[0029]    ＝VBE1+VCE7+I4R4

[0030]    ＝VBE5+VCE2+I3R3+I4R4

[0031]    ＝VBE9+I1R1+VCE3

[0032] 其中I1、I3、I4分别为流过第一电阻R1、第三电阻R3和第四电阻R4的电流，VBE1是第一PNP三极管Q1的基极‑发射极电压，VBE5是第一NPN三极管Q5的基极‑发射极电压，VBE9是第
五PNP三极管Q9的基极‑发射极电压，VCE6是第二NPN三极管Q6的集电极‑发射极电压，VCE7是
第三NPN三极管Q7的集电极‑发射极电压，VCE2是第二PNP三极管Q2的集电极‑发射极电压，
VCE3是第三PNP三极管Q3的集电极‑发射极电压。

[0033] 当BJT工作在正放大区时，其基极‑发射极电压VBE在0.6V～0.8V之间，且其集电极‑发射极电压VCE>其饱和时集电极‑发射极之间的电压VCESAT＝300mV。由上式可知，当
VDD＝1V时，要使得该结构正常工作，第三电阻R3上的压降与第四电阻R4上的压降之和需小
于100mV，且第一电阻R1上的压降应小于100mV，所以通过适当调整第一电阻R1、第三电阻
R3、第四电阻R4的取值，能够保证本发明的结构在1V电源电压下可以正常工作。且由于BJT
的耐压通常比普通MOS管要高，使得本发明提出的结构允许的最高电源电压值较大，从而获
得宽电源电压范围，如华虹HG_BCD350GE工艺的BJT耐压为15V，使得本发明提出的正温度系
数电流基准源结构的电源电压范围能够达到1V～15V。

[0034] 如图2所示为本发明在DC温度扫描的仿真结果，其中第三PNP三极管Q3与第二PNP三极管Q2的发射结面积比n取1，第四NPN三极管Q8与第五NPN三极管Q9的发射结面积比m取
4，第五电阻R5取820Ω，在25摄氏度时电流大小理论值应为44μA，通过图2所示的在VDD＝1V
下仿真结果可以看出，本发明的结构能够提供需要的正温度系数电流基准源。

[0035] 综上可知，本发明提出的正温度系数电流基准源能够在超宽电源电压变化范围内正常工作，且在低电源电压如1V电源电压下都可以正常工作，使得本发明非常适应于便携
电子设备中，灵活选择单节电池和多节电池供电方案，充分增加了电池的使用时长，大大加
强了便携设备的续航能力。另外本发明通过控制信号能够灵活控制电流基准源的工作，一
些实施例中还增加了电容C提升电路稳定性。

[0036] 本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。