中电源基准发生器 本发明涉及电压基准发生电路，更具体地说，涉及用于产生高与低电源电位之间电压的基准电压发生器，再具体地说，涉及一种特别适用于电池供电装置的基准信号发生器。
中电源基准电压发生器典型地由一个分压器和一个运算放大器构成。分压器包括多个阻抗元件，例如电阻器，并且产生一个与这些阻抗元件的比成正比的电压电平。运算放大器以一个与分压器连接的单位增益反馈电路来布置。
在这些电路中，如果需要电源电流低，分压器就由大电阻器或长沟道MOSFET元件构成，它们两者占据集成电路(IC)上相当大的硅面积。另外，分压器的高输出电阻造成相当大的热噪声。分压器还易受相邻同片电路所耦合的噪声影响。
这些问题部分能通过使用一个旁路电容器来消除。然而，使用旁路电容器受可用硅片面积和其中使用中该电源电压发生器的应用的稳定时间要求的限制。另外，使用电容器增加了电压发生器稳定所需的时限。发生这种情况是因为旁路电容器和分压器的输出电阻一起产生一个长时间常数，这样大大地限制了能使用分压器的应用。例如，在电池供电的装置，例如蜂窝无线电产品、掌上装置和膝上电脑中，在“加电”时或退出省电模式时稳定时间是电源电压发生器的一个重要特征。在这些应用中，长时间常数是不希望的。
使用运算放大器也有若干不利方面。对大多数设计而言，运算放大器具有一个随温度变化的偏置电压。运算放大器还抽取相当大的电源电流。运算放大器使用一个也抽取大量电流的偏置电路。这些高电流消耗在电池供电装置中存在问题，其中希望具有最低可能的电流消耗，以得到长电池寿命。
在一个复杂混合信号IC中，可能要求几个不同的中电源基准，负担各种负载阻抗和电流。通常没有单个运算放大器将会在这样应用中经济地满足对运算放大器的所有要求。结果，对各应用要求，将必须设计具有希望频率补偿和偏置电路的用户运算放大器。
因此，开发一种特别用于电池供电装置的适当中电源电压发生器耗费时间，而且提供它价格昂贵。因此需要一种中电源电压发生器，它没有现有电路的缺点。
图1是说明中电源基准发生器的电路图。
图2是说明按照图1地中电源基准发生器的替换实施例的电路图。
图3是取方框图形式的电路图，说明结合中电源基准发生器的电池供电装置。
中电源电压发生器100(图1)连接在高电位电源干线Vcc与低电位电源干线Vss之间。例如，Vcc可以为3伏，Vss可以电路接地。中电源电压发生器100具有一个接收“ON/OFF”控制信号的输入。中电源基准在输出104产生。
中电源基准发生器100包括一个电阻元件106，它通过开关142与Vcc连接。电阻元件106与晶体管元件130的集电极连接。晶体管元件130的发射极与晶体管元件116的集电极连接。晶体管元件116的发射极通过电阻元件108与Vss连接。
中电源基准发生器还包括一个晶体管元件120，它的集电极与Vcc连接，而它的发射极与输出104连接。晶体管元件120的基极114与晶体管元件130的基极112和集电极连接。晶体管元件118使它的集电极和基极119与输出104连接。晶体管元件118的发射极通过一个电阻元件110(发射极电阻器)与Vss连接。晶体管元件118的基极119与晶体管元件116的基极117连接。
电阻元件106和108提供一个希望大小的电压降，并且例如可以具有相同的阻抗值，以便它们具有相等的电压降，以在输出设置中心电压。可选择地，电阻器106和108可以选择具有不同值，以选择一个不是Vss与Vcc之间电压差的一半的电压电平。在这里所述的实施中，使电阻元件106、108和110配合，以便电流I1和I2相等，而输出104在Vss接地时具有Vcc一半的电位。
晶体管元件120对输出104提供一个发射极跟随器，以获得希望的输出阻抗特性。晶体管元件120还在电阻元件106与输出104之间提供一个基极-发射极电压降(Vbe)。晶体管元件116和118分别与发射极电阻元件108和110连接。如上所述，使电阻元件108和110配合，以便电流I1和I2相同。
在操作中，晶体管元件116控制流过电阻元件108的电流。使晶体管元件116和120配合，以便它们的基极-发射极电压降相等。因为晶体管元件116、118、120和130使通过电阻器元件106和108的电流保持相等值，所以如果电阻元件106和108配合，就产生一个中心电压。这种情况发生是因为电阻器108两端之间的电压加晶体管元件116的基极-发射极电压，将等于电阻器106两端之间的电压加晶体管元件120两端之间的基极-发射极电压降。输出104的电压于是将为1/2(Vcc-Vss)+Vss。当Vss接地时，输出104的电压为Vcc/2。
晶体管元件130是一个可选晶体管元件。在一个使用NPN晶体管的实施中，晶体管元件130是希望的。它布置为在晶体管元件120的基极114与晶体管元件116的集电极之间提供一个二极管压降。这样有助于使晶体管元件116和118的集电极-发射极电压相等，从而有助于使电流I1和I2相等，这样又有助于使晶体管元件116和120的基极-发射极电压相等，结果产生精确的输出电压。
本中电源基准发生器100能用于大多数需要一个共态中电源电压的模拟信号处理电路。晶体管元件116、118、120和130优选地是双极结晶体管，更具体地说是NPN双极晶体管。电路能选择地用横向PNP晶体管元件或CMOS晶体管元件构成。
电阻元件106、108和110能用任何适当的电阻器，例如高薄片电阻器来实现。预见中电源基准电压发生器将在一个集成电路上实现。因此，电阻元件可以是N阱的P型半导体材料。电阻元件106、108和110的N阱107、109和111分别相对它们各自的P型电阻器正偏置。本领域技术人员将会认识到，电阻元件能用任何其它适当电阻器实现。
中电源基准发生器还包括可选开关142和144。开关142连接在高电源电位Vcc与电阻元件106的一端之间。开关144把电阻元件106的另一端与Vss连接，Vss在所述实现例中是电路接地。开关142和144优选地由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)元件提供。通过提供P沟道MOSFET元件142和N沟道MOSFET元件144，开关将选择地响应一个共双态控制信号起动。MOSFET开关控制为选择地表现开路和闭路。MOSFET元件142在导通时，为大体上不提供电压降的有效短路，而在断开时，为提供隔离的开路。类似地，MOSFET 144在导通时，提供与晶体管元件116、130和电阻器元件108并联的短路，而在断开时，提供开路。
开关142和144在电池供电装置中是希望的。这些开关例如在备用方式期间，控制为断开中电源基准发生器100。为了断开中电源基准发生器100，开关142断开，开关144闭合。当中电源电压发生器操作时，开关142闭合，开关144断开。电路100因此在断开时抽取非常小的电流。
在输出104产生的基准电压如下确定。输出104的电压由两个电压设定。电压中的一个是开关142的漏极与源极两端之间的电压，加电阻器106两端之间的电压，加晶体管元件120的基极-发射极电压降的和。另一个电压是晶体管元件116的基极-发射极电压，加电阻元件108两端之间电压降的和。当开关闭合时，开关142两端之间的电压基本上为0。由于晶体管元件配合并具有相等电流，所以晶体管元件116和120的基极-发射极电压相等。输出104的电压因此通过选择电阻元件106和108来设定。如果它们配合，基准电压将处在电源干线Vcc与Vss的中心。
通过选择不同的阻抗比，能在输出104提供其它输出电位。然而，使用不等的电阻值将不精确，并且因为输出电位取决于随温度变化的Vbe，将造成输出电压随温度变化。特别是，
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随温度的变化不影响Vout。因此，在有些Vcc大且Vbe的小变化可忍受的应用中，中电源基准电压发生器100能用来输出不是中心电压的电位。在其它Vcc小且要求精确性的环境中，本发明提供精确的中心电位，这对有些应用中的逻辑电路是极为希望的。
下列公式推导说明本中电源基准发生器100是怎样产生中电源电压基准的，以及其精确度是怎样取决于电阻器和Vbe配合的：
Vout＝I1R2+Vbe2＝Vcc-I1R1-Vbe3
其中Vbe2是晶体管元件116的基极-发射极电压降，Vbe3是晶体管元件120的基极-发射极电压降。这样可以重写为：
Vout＝(Vcc+Vbe2*R1/R2-Vbe3)/(1+R1/R2)
假定R＝(R1+R2)/2，ΔR＝R1-R2，Vbe2＝Vbe3＝Vbe：
Vout＝[Vcc*(R-ΔR/2)+Vbe*ΔR]/2*R
Vout/(Vcc/2)＝1+(Vbe/Vcc-0.5)*ΔR/R
对于Vbe＝0.75和Vcc＝2.775，
Vout/(Vcc/2)＝1-0.23*ΔR/R
例如，电阻器R1和R2的0.5％失配，将引起0.12％的输出电压误差。这对于现有技术分压器0.5％失配造成0.5％误差来说，是极为希望的。对于理想电阻器，由于ΔVbe＝Vbe2-Vbe3所引起的Vout变化为：
Vout/(Vcc/2)＝1+ΔVbe/Vcc
在室温下Vout的整个公式因此为：
Vout＝Vcc/2*(1+ΔVbe/Vcc+0.23*ΔR/R)
中电源基准发生器100的电源电流是Icc，它是从电源Vcc抽取的电流。当R1＝R2＝R3时，由本电路抽取的电源电流等于：
Icc＝(Vcc-2*Vbe)/R
其中R是电阻器R1、R2和R3各自的阻抗。
低输出电阻伴随最小的电路复杂性。输出电阻Rout小，并且假定零平均负载，则输出电阻近似为：
Rout＝2*Vt*R/(Vcc-2*Vbe)
其中Vt是一个常量。对于R＝64k，Vcc＝2.775mV，Vbe＝0.75mV和Vt＝26mV，那么Rout＝2.6k，Icc＝20μA。
另外，可以对负载电流进行调节。R3通常等于R1和R2，但是如果平均负载电流非零或流入输出的峰值电流大，则应该对它进行调节。可以如下进行调节：
根据流入中电源基准的平均电流，设定R3。
R3＝RII(Vcc/2-Vbe)/IIavg
其中符号：∏意指并联组合，IIavg是平均负载电流。于是检查R3，以保证它满足下列条件：
R3≤(Vcc/2-Vbe)/IImax
其中IImax是供入中电源基准的输出的峰值电流。
在本发明与现有中电源基准发生器之间进行了噪声性能比较。现有基准电路使用分压器和运算放大器。选择分压器，以便与中电源基准电路100进行公平的噪声比较。特别是，选择分压器，以便当进行比较时，和本中电源基准发生器具有相同的电阻器值和二极管。
以下数据是在1Hz到1GHz频率范围内积分的总噪声电压。由本发明产生的总噪声小于由现有技术电路中分压器所单独产生的噪声。
实现 Vdiv 运算放大器 总计
现有电路 246.1nV 55.5nV 301.6nV
本发明 229.5nV
电路的稳定性也得到改进。按照图1电路的低频开环增益稍小于一，并且反馈为负。随频率增加，取dB的增益决不为正。过移相确实达到180°，但是在增益大大降低之前不会出现。例如，对于10pF负载，增益裕度发现在30MHz为30dB。增益裕度对较大电容器实际上较好。图1所示电路证明在使用1fF到10μF负载电容器的模拟中是稳定的。
因此可见，中电源基准发生器100相对现有电路具有若干重要有利方面。它具有由设计者根据应用的要求所设定的低电源电流。这种电路的典型型式与较早抽取约250μA的型式比较，抽取20μA的电源电流。能用开关142和144实现电池节能方式，这些开关能在备用方式下使电流抽取降低到皮安培。
中电源基准发生器100产生较小的输出噪声。现有电路中由分压器和运算放大器电路元件产生的热噪声已被本电路大大消除。这种改进对省去运算放大器起了很大作用。
中电源基准发生器100具有较快的接通时间。常规上，较复杂的解决办法使电池节能方式到正常方式的转换缓慢。这是因为节点以长时间常数充电，并且运算放大器和偏置发生器电路要求较多时间稳定。本电路具有非常快速的接通。
由于本电路具有较少和较小元件，并且不需要补偿电容器，所以中电源基准发生器100使用较小的芯片面积。
中电源基准发生器100对设计者表现较小危险，因为无稳定性或其它运算放大器性能问题。
中电源基准发生器100要求较少设计时间，因为无运算放大器用户化要求。电阻器值和宽度根据电源电流、输出电阻、电流处理和电压精度的要求来计算。
如上所述，中电源基准发生器200能用C-MOS FET元件实现，如图2说明。选择电阻元件206和208，以便电路产生希望的输出电压。优选地对要求最优精度的用途，电阻元件具有相等值。电阻元件210和电阻元件208及MOSFET元件216和218一起，提供一个电流镜像。输出受MOSFET元件220驱动。
图1的接通/断开开关142和144及图1的二极管压降晶体管元件130不需要，但是可以有利地用来改进本实施例的性能。在中电源基准发生器200中，可以用MOSFET元件代替双极元件实现二极管130的等效。中电源基准发生器200(图2)的操作不过模拟中电源基准发生器100(图1)。
本领域技术人员将会认识到，中电源基准发生器200对于中电源基准发生器100具有某些不利方面。特别是，对于中电源基准发生器200，输出阻抗Rout将会较高，并且硅面积将会较大。然而，中电源基准发生器200在专门利用CMOS制造过程的应用中极其希望。
图3说明一种电池供电的无线通信装置300。无线通信装置300包括一个通过发射器306与天线309连接的微型话筒310，以及一个通过接收器304与天线连接的扬声器308。发射器306和接收器304由控制电路312控制。无线通信装置300的控制电路312由Vcc和Vss供电。Vcc由电压调节器320调节，电压调节器320由电池VBAT产生调节电压。
中电源基准发生器100在输出104产生一个中电源基准。中电源基准控制输入102与控制电路312连接。控制电路使用电路100提供的中电源电压。另外，控制电路312产生一个控制信号，以当无线通信装置在备用模式时，使中电源基准发生器100断开，从而大大减小了通信装置300的平均电流消耗。当其接通时，中电源基准发生器100将迅速稳定。
因此，可见公开了一种改进型中电源基准发生器。通过改变电阻器值，能设置输出电阻和电流容量。选择电阻元件尽可能低，以获得低输出阻抗，选择电阻元件尽可能高，以在操作时减小电流消耗。本电路由于它固有稳定，所以对负载电容不敏感。由于不必提供包括频率补偿的运算器优化，所以节省了大量设计时间和工作。另外，本电路能容易地用电路复制，以提供具有不同值或不同阻抗要求的其它输出电压。