專利名稱：一種超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明涉及帶隙基準(zhǔn)源(bandgap)，尤其是寬電源范圍的帶隙基準(zhǔn)源的超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源。
背景技術(shù)：
:帶隙基準(zhǔn)源的作用是產(chǎn)生一個(gè)與供電電源，環(huán)境，溫度，工藝變化無關(guān)的基準(zhǔn)電壓，其之所以可以實(shí)現(xiàn)上述功能，主要就是依靠PNP管Vbe結(jié)電壓的負(fù)溫度特性和VT的正溫度特性相互抵消實(shí)現(xiàn)的。所以現(xiàn)在絕大多數(shù)的帶隙基準(zhǔn)源電源都采用經(jīng)典的PTAT結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)參見圖1所示的普通帶隙基準(zhǔn)源的電路的示意圖。其電路中大致工作原理如下:兩個(gè)PNP管，其中一個(gè)的發(fā)射結(jié)面積是另外一個(gè)的N倍，它們接成二極管的結(jié)構(gòu)，各自與一定的電阻相連。運(yùn)放的輸入正負(fù)端輸入都來自電阻的節(jié)點(diǎn)，輸出返回到電阻的通路上。通過運(yùn)放的反饋?zhàn)饔?，圖1中節(jié)點(diǎn)vn的電壓等于vp電壓。實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)取Rl = R2，所以電路中通過PNP的 兩條通路流過的電流相等。相等的電流流過面積不等的PNP管，那么PNP管產(chǎn)生的VBE是有一個(gè)差值的。這個(gè)差值決定了流過電阻R3的電流。而最終:VOUT = VBE+I*(R2+R3)參考半導(dǎo)體器件原理，其中Vbe結(jié)電壓具有負(fù)溫度特性，而I* (R2+R3)是一個(gè)正溫度特性的電壓，合理分配R1，R2，R3以及PNP管的尺寸比例可以調(diào)節(jié)Vbe和I*(R2+R3)的溫度系數(shù)幾乎相等，從而實(shí)現(xiàn)VOUT對(duì)溫度變化不敏感的功能。盡管經(jīng)典的PTAT結(jié)構(gòu)的帶息基準(zhǔn)源可以實(shí)現(xiàn)上述功能，但是它還是有它的局限性的。首先，它能夠正常工作的供電電壓由電路中MOS管的耐壓和開啟電壓的大小決定，這會(huì)給在較寬的電源電壓范圍的電路系統(tǒng)中工作的帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)帶來困難。因?yàn)槿绻麊渭儾捎玫湍蛪旱烷撝档腗OS來實(shí)現(xiàn)，那么在高電源電壓條件下，MOS管有被擊穿的危險(xiǎn)，同時(shí)可能電路功耗會(huì)非常大；反之，如果采用高耐壓高閾值的MOS管來實(shí)現(xiàn)，那么一方面版圖面積受到挑戰(zhàn)，另一方面，在低電源電壓供電的情況下，MOS管都可能開啟不了，實(shí)現(xiàn)不了既定的規(guī)格。尤其在現(xiàn)在最常見的一些應(yīng)用中，比如0.18um工藝的手持產(chǎn)品中，需要帶隙基準(zhǔn)源工作在極低功耗(< 3uA)，低電壓寬范圍(1.6￥ 5.50，并且快速啟動(dòng)。這對(duì)其內(nèi)部的帶隙基準(zhǔn)電壓源(bandgap)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)提出了極高的要求，為此本發(fā)明提出了解決方案。為了耐壓達(dá)到5.5V，MOS器件的開啟電壓通常大于0.8v,故此普通的帶隙基準(zhǔn)電壓源難以做到前述要求。因?yàn)槠胀ǖ膸痘鶞?zhǔn)電壓源分為兩種，一種是PTAT直接產(chǎn)生，一種經(jīng)過運(yùn)放反饋控制。前者因?yàn)椴捎昧碎_啟電壓大的MOS器件，難以做到低壓工作。后者在極低功耗情況下，內(nèi)部運(yùn)放難以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和低壓工作
發(fā)明內(nèi)容
:針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供一種超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源解決特殊領(lǐng)域應(yīng)用中帶隙基準(zhǔn)電壓源的快速啟動(dòng)和低功耗問題，并解決特殊領(lǐng)域應(yīng)用中帶隙基準(zhǔn)電壓源的低電壓寬范圍問題。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開了一種超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源，包括:一個(gè)參考電流產(chǎn)生電路，包括第一 PTAT電路，以及設(shè)置在其前級(jí)的第一反相器和第二反相器，所述第一反相器和第二反相器提供一個(gè)控制信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)，所述第一 PTAT電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電平；一個(gè)參考電壓產(chǎn)生電路，包括第二 PTAT電路及其相連的第一運(yùn)放電路，所述第二 PTAT電路用以產(chǎn)生一個(gè)參考電壓，所述第一運(yùn)放電路接受所述基準(zhǔn)電平、所述控制信號(hào)和所述參考電壓，所述第一運(yùn)放電路上電時(shí)具有較大尾電流，能快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)；一個(gè)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，包括第三運(yùn)放電路和其輸出連接的一分壓電路，以及跨接在第一級(jí)輸出和第二級(jí)輸出之間的一補(bǔ)償電路，所述第三運(yùn)放電路接受所述控制信號(hào)，并比較所述參考電壓和所述分壓電路的反饋電壓，當(dāng)參考電壓低于所述反饋電壓，則所述第三運(yùn)放電路輸出電平降低，并使所述反饋電壓等于所述參考電壓。比較好的是，所述控制信號(hào)用以當(dāng)所述參考電壓產(chǎn)生電路和所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路在上電時(shí)提供較大的尾電流，能比較快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。比較好的是，所述分壓電路包括三個(gè)串聯(lián)的接成二極管形式的MOS管，它的作用好比等值的電阻，所述中間一個(gè)MOS管的漏端引出作為所述反饋電壓；所以補(bǔ)償電路由一電阻和一電容構(gòu)成RC補(bǔ)償，用于調(diào)整第三運(yùn)放電路的頻率特性。比較好的是，所述參考電流產(chǎn)生電路中的所述第一 PTAT電路采用電流鏡自偏置結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)PMOS接成電流鏡，兩個(gè)NMOS接成電流鏡，所述兩個(gè)NMOS的漏端和所述兩個(gè)PMOS的漏端分別相連構(gòu)成。比較好的是，所述超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)一步包括一第二穩(wěn)態(tài)防止電路，連接在所述參考電壓產(chǎn)生電路前級(jí)。比較好的是，所述PTAT電路包括兩個(gè)有比例的PNP管和一電阻構(gòu)成，所述兩個(gè)PNP管B端和C端接地，等效于二極管，所述PTAT電路的偏置電流由電壓負(fù)反饋決定；所述電壓負(fù)反饋采用一個(gè)比較器比較PTAT電路中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓，產(chǎn)生反饋輸出。比較好的是，所述第二穩(wěn)態(tài)防止電路由一個(gè)電壓反饋電路來實(shí)現(xiàn)功能，它的包括一個(gè)反相器和兩條由NMOS，PMOS組成的分壓電路。本發(fā)明在很大程度上克服了絕大多數(shù)帶隙基準(zhǔn)源電路的對(duì)于MOS管的閾值電壓過分依賴的缺點(diǎn)，使得該電路結(jié)構(gòu)能夠在較大的電壓輸入范圍內(nèi)正常工作。


下面，參照附圖，對(duì)于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員而言，從對(duì)本實(shí)用新型的詳細(xì)描述中，本實(shí)用新型的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中普通帶隙基準(zhǔn)源電路圖；圖2為本發(fā)明的帶隙基準(zhǔn)源電路圖；圖3是參考電壓產(chǎn)生電路圖；圖4是基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路圖；圖5是參考電流產(chǎn)生電路圖；圖6是第二穩(wěn)態(tài)防止電路。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參見圖2所示為本發(fā)明的帶隙基準(zhǔn)源的全電路。包括:參考電壓產(chǎn)生電路10，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路20，參考電流產(chǎn)生電路30。在圖3 5中分別給出了所述電路的示意圖。以下介紹:圖3是參考電壓產(chǎn)生電路10的詳細(xì)電路圖。其中左側(cè)粗線框構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的PTAT電路101，用以產(chǎn)生一個(gè)參考電壓VREF3，它的原理和普通的帶隙基準(zhǔn)源工作原理是一樣的，在理想狀態(tài)下，通過右側(cè)粗線框102內(nèi)的簡(jiǎn)單運(yùn)放電路把節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的電壓拉成相等。通過運(yùn)放電路102反饋的電壓控制最右邊這條電路支路的電流，而這電流流過電阻再疊加VBE電壓產(chǎn)生需要的VREF電壓。其中BIAS4是由參考電流產(chǎn)生電路30提供的，而控制信號(hào)KKK是由整個(gè)帶隙基準(zhǔn)源電路的輸出反向之后提供的?？刂菩盘?hào)KKK控制的NMOS管主要作用就是在電路上電的時(shí)候提供較大的尾電流，使得整個(gè)運(yùn)放電路102能夠比較快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。圖4是基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路20的詳細(xì)電路圖。其中運(yùn)用了一個(gè)運(yùn)放電路201和一個(gè)分壓MOS管電路202。其中運(yùn)放電路201為第一級(jí)，MOS管A以及分壓電路202內(nèi)的MOS管構(gòu)成運(yùn)放的第二級(jí)。分壓電路202內(nèi)的三個(gè)MOS管的類型和尺寸相同，其作用等同于等值電阻，雖然考慮到襯底偏置效應(yīng)，它們的阻值不是完全相等，但是還是非常接近的。這里不使用電阻的原因是，如果考慮到低功耗設(shè)計(jì)，那么電阻的取值必定非常大，其版圖面積也很大。所以改用MOS管，因?yàn)榈贡鹊腗OS管很容易實(shí)現(xiàn)大的電阻值。所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路還包括由電阻和電容構(gòu)成的RC補(bǔ)償電路203，主要作用是調(diào)整運(yùn)放電路201的頻率特性，它跨接在第一級(jí)輸出和第二級(jí)輸出之間，實(shí)現(xiàn)miller電容和零點(diǎn)補(bǔ)償電阻的作用。分壓MOS管電路202內(nèi)的三個(gè)MOS管均采用二極管接法，并且串聯(lián)連接，其中間MOS管的漏端VINP引出作為運(yùn)放電路201的正向輸入端，構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。電路中VREF的輸入由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路20提供，運(yùn)放電路201比較VREF和VINP兩個(gè)電壓，如果VREF低于VINP，則運(yùn)放電路201輸出電平降低，從而使得VINP降低，最終實(shí)現(xiàn)VINP等于VREF。運(yùn)放電路201中的BIAS4由參考電流產(chǎn)生電路30提供，而控制信號(hào)KKK同樣由參考電流產(chǎn)生電路30中的反相器303最終輸出經(jīng)過反相器302之后提供，它的作用是在上電的時(shí)候能夠使運(yùn)放電路201快速啟動(dòng)。圖4中控制信號(hào)EN控制的PMOS管以及使能信號(hào)ENB控制的NMOS都是電路的低功耗設(shè)計(jì)，當(dāng)控制信號(hào)EN為低電平時(shí)，MOS管A的柵極端被拉高，MOS管A關(guān)斷，同時(shí)使能信號(hào)ENB為高，VOUT被NMOS拉低到地電平。圖5是參考電流產(chǎn)生電路30的詳細(xì)電路示意圖。其中框301內(nèi)的部分是參考電流產(chǎn)生電路30的主體部分，它也采用PTAT的原理，不同之處它采用了電流鏡自偏置的結(jié)構(gòu)，即由圖中兩個(gè)相等尺寸的接成電流鏡形式的PMOS管和兩個(gè)相等尺寸的采用電流鏡接法的NMOS管級(jí)聯(lián)構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到更好的基準(zhǔn)電流特性，降低了電路對(duì)于電源電壓的依賴性，也就是降低了 PSRR。除此以外，該參考電流產(chǎn)生電路30中還有兩個(gè)反相器302，303，其中的控制信號(hào)EN通過反相器303產(chǎn)生各級(jí)電路需要的使能信號(hào)ENB，以控制各個(gè)電路的開啟和關(guān)斷。當(dāng)控制信號(hào)EN為低電平的時(shí)候，使能信號(hào)ENB控制的NMOS開啟，直接把BIAS4拉到地電平，同樣NMOS管電流鏡的柵極端也被拉到地電平。電路輸出V0UT，通過反相器302反相后產(chǎn)生控制信號(hào)KKK，它主要在電路上電過程中使用，使得整體電路就有一個(gè)比較快上升的過程。
圖6是第二穩(wěn)態(tài)防止電路，如圖2所示，該電路設(shè)置在參考電壓電路10的前級(jí)。帶隙基準(zhǔn)源電路經(jīng)常會(huì)進(jìn)入一個(gè)全零的第二穩(wěn)態(tài)，也就是無電流工作狀態(tài)，這是需要防止的。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了本模塊來防止它進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。這個(gè)模塊有3條路徑組成。一個(gè)反相器和兩個(gè)由MOS組成的分壓電路。假設(shè)電路進(jìn)入了第二穩(wěn)態(tài)，vpl為高電平，導(dǎo)致最左邊的支路的PMOS管截止，那么必然有tempi為低電平，經(jīng)過反相器之后，start-2的電壓為高電平，那么最右邊支路的NMOS就是開啟的，由于EN為高電平，ENB為低電平，則右邊支路中間的PMOS管也是開啟的，那么PMOS管的漏端，也就是最右邊支路的輸出vpl必然會(huì)被拉低，從而排除了 vpl是高電平的可能性。Vpl是參考電壓產(chǎn)生電路中的一個(gè)重要偏置節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)不會(huì)進(jìn)入高電平，意味著整個(gè)電路都將會(huì)正常工作，所以這個(gè)模塊能克服電路有可能進(jìn)入第二個(gè)穩(wěn)態(tài)的問題。綜合以上模塊的分析，總結(jié)一下整個(gè)電路的工作過程:因?yàn)榈凸脑O(shè)計(jì)的要求，運(yùn)放的尾電流管尺寸很小，流過的電流為200nA左右，此時(shí)運(yùn)放的響應(yīng)速度極低，無法實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定VOUT輸出的結(jié)果。因此我們加入了 KKK控制的瞬間開啟的NMOS管，這個(gè)管尺寸很大，可以流過很大的電流。電路啟動(dòng)時(shí)vout很低，此時(shí)KKK作為VOUT的相反信號(hào)為高，導(dǎo)致KKK控制的NMOS管開啟，大電流工作，導(dǎo)致運(yùn)放快速反饋穩(wěn)定。從而VOUT開始上升高，并最終穩(wěn)定。而KKK則開始降低，直到關(guān)閉大電流管。此時(shí)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，大電流消失。從而解決了快速啟動(dòng)和低功耗同時(shí)滿足的難題。針對(duì)低電壓寬工作電壓范圍的問題，則采用了不同類型的MOS管混用的辦法。針對(duì)電路的耐壓?jiǎn)栴}，在使用PMOS管的電路模塊中，多采用5V PMOS管滿足耐壓要求；當(dāng)考慮到低電壓時(shí)的工作狀態(tài)，則在使用到NMOS管的電路模塊中，多采用3V NMOS管，相比5V的NMOS管，降低了管子的閾值電壓。這樣就能夠同時(shí)滿足高電壓和低電壓供電狀態(tài)下的電路性能。前面提供了對(duì)較佳實(shí)施例的描述，以使本領(lǐng)域內(nèi)的任何技術(shù)人員可使用或利用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的各種修改對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員是顯而易見的，可把這里所述的總的原理應(yīng)用到其他實(shí)施例而不使用創(chuàng)造性。因而，本發(fā)明將不限于這里所示的實(shí)施例，而應(yīng)依據(jù)符合這里所揭示的原理和新特征的最寬范圍。
權(quán)利要求
1.一種超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源，包括: 一個(gè)參考電流產(chǎn)生電路，包括第一 PTAT電路，以及設(shè)置在其前級(jí)的第一反相器和第二反相器，所述第一反相器和第二反相器提供一個(gè)控制信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)，所述第一 PTAT電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電平； 一個(gè)參考電壓產(chǎn)生電路，包括第二 PTAT電路及其相連的第一運(yùn)放電路，所述第二 PTAT電路用以產(chǎn)生一個(gè)參考電壓，所述第一運(yùn)放電路接受所述基準(zhǔn)電平、所述控制信號(hào)和所述參考電壓，所述第一運(yùn)放電路上電時(shí)具有較大尾電流，能快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)； 一個(gè)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，包括第三運(yùn)放電路和其輸出連接的一分壓電路，以及跨接在第一級(jí)輸出和第二級(jí)輸出之間的一補(bǔ)償電路，所述第三運(yùn)放電路接受所述控制信號(hào)，并比較所述參考電壓和所述分壓電路的反饋電壓，當(dāng)參考電壓低于所述反饋電壓，則所述第三運(yùn)放電路輸出電平降低，并使所述反饋電壓等于所述參考電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源，其特征在于， 所述控制信號(hào)用以當(dāng)所述參考電壓產(chǎn)生電路和所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路在上電時(shí)提供較大的尾電流，能比較快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源，其特征在于， 所述分壓電路包括三個(gè)串聯(lián)的接成二極管形式的MOS管，它的作用好比等值的電阻，所述中間一個(gè)MOS管的漏端引出作為所述反饋電壓； 所以補(bǔ)償電路由一電阻和一電容構(gòu)成RC補(bǔ)償，用于調(diào)整第三運(yùn)放電路的頻率特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源，其特征在于， 所述參考電流產(chǎn)生電路中的所述第一 PTAT電路采用電流鏡自偏置結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)PMOS接成電流鏡，兩個(gè)NMOS接成電流鏡，所述兩個(gè)NMOS的漏端和所述兩個(gè)PMOS的漏端分別相連構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源，其特征在于， 所述超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)一步包括一第二穩(wěn)態(tài)防止電路，連接在所述參考電壓產(chǎn)生電路前級(jí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源，其特征在于， 所述PTAT電路包括兩個(gè)有比例的PNP管和一電阻構(gòu)成，所述兩個(gè)PNP管B端和C端接地，等效于二極管，所述PTAT電路的偏置電流由電壓負(fù)反饋決定；所述電壓負(fù)反饋采用一個(gè)比較器比較PTAT電路中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓，產(chǎn)生反饋輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型的超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源電路，其特征在于，所述第二穩(wěn)態(tài)防止電路由一個(gè)電壓反饋電路來實(shí)現(xiàn)功能，它的包括一個(gè)反相器和兩條由NM0S，PMOS組成的分壓電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超低功耗高性能帶隙基準(zhǔn)源，包括一個(gè)參考電流產(chǎn)生電路，包括第一PTAT電路，以及設(shè)置在其前級(jí)的第一反相器和第二反相器；一個(gè)參考電壓產(chǎn)生電路，包括第二PTAT電路及其相連的第一運(yùn)放電路，所述第二PTAT電路用以產(chǎn)生一個(gè)參考電壓，所述第一運(yùn)放電路接受所述基準(zhǔn)電平、所述控制信號(hào)和所述參考電壓，所述第一運(yùn)放電路上電時(shí)具有較大尾電流，能快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)；一個(gè)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，包括第三運(yùn)放電路和其輸出連接的一分壓電路，以及跨接在第一級(jí)輸出和第二級(jí)輸出之間的一補(bǔ)償電路。本發(fā)明在很大程度上克服了絕大多數(shù)帶隙基準(zhǔn)源電路的對(duì)于MOS管的閾值電壓過分依賴的缺點(diǎn)，使得該電路結(jié)構(gòu)能夠在較大的電壓輸入范圍內(nèi)正常工作。
文檔編號(hào)G05F1/56GK103186156SQ20111045703
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者陳輝, 張建華 申請(qǐng)人:上海質(zhì)尊溯源電子科技有限公司