一種帶隙基準電壓源的製作方法
2023-10-23 23:58:52 3
專利名稱：一種帶隙基準電壓源的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電源技術領域，具體涉及一種帶隙基準電壓源的設計。
背景技術：
基準作為集成電路必不可少的部分，為整個晶片提供偏置電流以及提供基準電壓。偏置電流的大小決定了整個晶片的功耗，同時晶片中誤差放大器與比較器通常會以基準電壓作為參考電壓，基準的穩定性在很大程度上決定了晶片功能的實現與性能的優劣。集成電路中最常用的基準為基於三極體的帶隙基準。如圖1所示，由誤差放大器鉗位，然後通過Q1、Q2與Rl產生正比於絕對溫度(Proportional to Absolute Temperature,PTAT)電流。PTAT電流作用於R2上，由Q2與R2共同產生帶隙基準電壓。由
於誤差放大器的鉗位作用，使得Vx與Vy兩點的電壓基本相等，即Vx = Vy = Vbe2，同時，同於
, ,Vrf7-Vrf, VAnN Tr kT
兩路中的電流也相等，則有八=4= BE\ ■ =^^，由於G= —，則電流為正比於絕
對溫度電流，此電流通過電流鏡鏡像為整個晶片提供偏置電流。根據PTAT電流的表達式，可以得出帶隙電壓的表達式為 Vbg =IrR2=與Vt In N+ Vbe2，由於Vt為正溫度係數，同時Vbe2為負溫度係數，合理的調節係數的大小，便
可以在一定溫度下實現基準隨溫度的變化為零，從而為整個晶片提供一個隨溫度變化很小的基準參考電壓。帶隙基準有兩個穩定狀態，當沒有電流時，基準便一直處於零狀態，因此需要一個額外的啟動電路，來給帶隙基準提供一個啟動電流。然而，啟動電路往往會佔據比較大的晶片面積。同時，在電源電壓比較大的範圍內變化時，特別是電源電壓很高時，會在啟動瞬間在基準輸出端產生一個很大的過衝，這個過衝嚴重影響了系統的性能與穩定性。
實用新型內容本實用新型的目的是為了解決現有帶隙基準電壓源啟動電路存在的上述問題，提出了一種帶隙基準電壓源。本實用新型的技術方案是一種帶隙基準電壓源，包括啟動電路，PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路，其中，所述啟動電路分別與PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路連接，PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路連接，基準電壓產生電路的輸出作為所述帶隙基準電壓源的輸出，其特徵在於，所述啟動電路包括脈衝產生單元、PMOS管MPl和MP6、NMOS管MNl和MN2、電阻R3、 電容Cl，脈衝產生單元根據外部的使能信號產生一個上升沿的單脈衝信號，具體連接關係是脈衝產生單元的輸出與麗1的柵極連接，麗1的源極和襯底均接地，MPl的源極和襯底
3均接外部電源，MPl的漏極接麗1的漏極，MP6的柵極接MPl的漏極，MP6的源極接R3的一端，R3的另一端接MPl的柵極，MP6的襯底接電源，麗2的柵極接外部的使能信號，麗2的漏極接MP6的漏極，麗2的源極和襯底均接地，電容Cl的一端接麗1的漏極，Cl的另一端接地。進一步的，所述的脈衝產生單元包括反相器INV1、INV2、INV3，異或門M)R，與非門 NAND，電容C0，具體連接關係是反相器INVl的輸入端接外部的使能信號，反相器INV2的輸入接反相器INVl的輸出端，XOR的第一輸入端接外部的使能信號，第二輸入端接反相器 INV2的輸出端，與非門NAND的第一輸入端外部的使能信號，第二輸入端接異或門XOR的輸出端，反相器INV3的輸入端接與非門NAND的輸出端，反相器INV3的輸出作為脈衝產生單元的輸出，電容CO的一端接反相器INVl的輸出，另一端接地。進一步的，所述的PTAT電流產生電路包括PMOS管MP2、MP3、MP4，匪OS管MN3、MN4、 麗5，三極體01、02、04，電阻1 1和電容C2，具體連接關係是PM0S管MP2和MP3的源極和襯底均接外部電源，MP2的柵極接MP3的柵極，MP3的柵極接所述啟動電路中MPl的柵極，麗3 的柵極和漏極短接，麗3的漏極接MP2的漏極，MN4的柵極接MP3的柵極，MN4的漏極接MP3 的漏極，MN3和MN4的襯底均接地，Q1、Q2、Q4的基極和集電極均接地，Ql的發射極接電阻Rl 的一端，Rl的另一端接麗3的源極，Q2的發射極接MN4的源極，電容C2的一端接MN4的漏極，C2的另一端接地，MP4的柵極接MP2的柵極，MP4的源極和襯底接外部電源，MN5的漏極接MP4的漏極，麗5的柵極接MN4的漏極，麗5的襯底接地，Q4的發射極接麗5的源極，MP2 的柵極作為PTAT電流產生電路的輸出。進一步的，所述基準電壓產生電路包括PMOS管MP5，電阻R2，三極體Q3和電容C3， 具體連接關係是MP5的柵極接所述PTAT電流產生電路的輸出，MP5的源極和襯底均接外部電源，Q3的基極和集電極均接地，電阻R2的一端接Q3的發射極，另一端接MP5的漏極，電容C3的一端接MP5的漏極，C3的另一端接地，MP5的漏極作為基準電壓產生電路的輸出，同時作為所述帶隙基準電壓源的輸出。進一步的，所述帶隙基準電壓源還包括過衝洩流電路，其中，過衝洩流電路包括反相器INV4和NMOS管MN6，具體連接關係是反相器INV4的輸入接所述啟動電路中麗1的漏極，MN6的柵極接反相器INV4的輸出，MN6的源極和襯底均接地，MN6的漏極接所述基準電壓產生電路的輸出。本實用新型的有益效果是本實用新型帶隙基準電壓源的啟動電路使用數字電路與開關電容啟動，可以減小啟動電路的面積，從而節省版圖的面積，降低了成本。在PTAT電流產生電路中，沒有使用運算放大器，從而節省了版圖面積，也降低了功耗；同時為了提高電晶體鉗位的精確度，又引入了一條負反饋支路來鉗位MN4的漏極電壓，使兩個鉗位電晶體麗3、MN4的源極電位一致，避免了因厄利效應造成的兩路電流不一致而引入的失調；弓丨入了過衝洩流電路，保證了輸入電壓可以在一個很寬的範圍內變化，從而在一個較寬的電源範圍內保證基準電壓源輸出的穩定，進而維持了個晶片系統的穩定，此外洩流電路十分簡單，基本不會增加版圖面積與功耗。
圖1為傳統的帶隙基準電壓源結構框圖。[0016]圖2本實用新型的帶隙基準電壓源結構框圖。圖3本實用新型的帶隙基準電壓源的實際電路結構原理圖。圖4本實用新型的帶隙基準電壓源脈衝產生單元電路原理圖。圖5本實用新型的帶隙基準電壓源啟動電路的波形示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體的實施例對本實用新型作進一步的闡述。本實用新型的帶隙基準電壓源結構框圖如圖2所示，包括啟動電路，PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路，其中，所述啟動電路分別與PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路連接，PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路連接，基準電壓產生電路的輸出作為所述帶隙基準電壓源的輸出VREF。啟動電路的實際電路結構原理圖如圖3所示，包括脈衝產生單元、PMOS管MPl和 MP6、NMOS管麗1和麗2、電阻R3、電容Cl，脈衝產生單元根據外部的使能信號EN產生一個上升沿的單脈衝信號，具體連接關係是脈衝產生單元的輸出與MNl的柵極連接，MNl的源極和襯底均接地，MPl的源極和襯底均接外部電源VIN，MPl的漏極接MNl的漏極，MP6的柵極接MPl的漏極，MP6的源極接R3的一端，R3的另一端接MPl的柵極，MP6的襯底接電源， 麗2的柵極接外部的使能信號EN，MN2的漏極接MP6的漏極，麗2的源極和襯底均接地，電容 Cl的一端接麗1的漏極，Cl的另一端接地。這裡採用開關電容啟動，最大限度地節省版圖面積。在基準輸出處添加了過衝洩流電路，防止在啟動瞬間基準輸出電壓的過衝，同時，由於過衝洩流電路結構十分簡單，並沒有明顯增加版圖面積與功耗。其中，脈衝產生單元電路原理圖如圖4所示，包括反相器INVl、INV2、INV3，異或門 M)R，與非門NAND，電容⑶，具體連接關係是反相器INVl的輸入端接外部的使能信號EN， 反相器INV2的輸入接反相器INVl的輸出端，XOR的第一輸入端接外部的使能信號EN，第二輸入端接反相器INV2的輸出端，與非門NAND的第一輸入端外部的使能信號EN，第二輸入端接異或門XOR的輸出端，反相器INV3的輸入端接與非門NAND的輸出端，反相器INV3的輸出作為脈衝產生單元的輸出，電容CO的一端接反相器INVl的輸出，另一端接地。啟動電路的控制信號由簡單的數字產生，如圖5所示。當電路開始工作時，EN信號由低電平變為高電平，當電路再次停止工作時，EN信號又再次變為低電平，整個過程可以用圖中的只有一個周期的方波來表示。信號經過INVl後，會反向，同時，由於反相器寄生電容以及電容CO的作用，整個波形的變化會有一個時間滯後。再次經過反相器INV2的反向後， 波形會重新變得與EN —樣，但是在時間上產生了一個滯後，使兩個信號變得不同步。然後， 此輸出信號與EN信號送至異或門M)R。由於INV2輸出信號與EN信號有一個時間的滯後效果，經過XOR便會在EN高低變換後的短暫時間段內產生一個高電平信號，在電路開啟與判斷的時段內各產生一個高電平信號。但由於在電路判斷時產生的高電平沒有什麼意義，所以再次讓INV2信號與EN信號同時送至與非門NAND，便會產生一個整體為高電平，在EN由低變為高的一個時間段內為低電平的脈衝信號，與非門NAND的輸出信號流過反相器INV3 以後，便會產生一個在電路啟動瞬間的高電平脈衝信號。INV3的輸出與麗1的柵相連。在啟動瞬間，產生的一個瞬間的高電平脈衝作用於麗1的柵極，使麗1導通。麗1的漏極與Cl相連，便釋放Cl上面的電荷，使1處電位為低， 從而開通MP6，2點電位也降低，這樣就產生了一個電流迴路，使MP2首先產生一個電流，經過麗3，Rl, Ql到地，有了電流以後，帶隙基準克服零狀態。其中電阻R3的作用為限流，防止啟動瞬間電流過大，但在高電源電壓時效果不明顯，需要外加洩流電路。電路啟動以後， INV3的輸出信號再次變為低信號，關斷麗1，從MPl上面流下來的電流便開始對電容Cl充電，拉高1點的電位，關閉MP6，停止MP6支路的電流；同時，在電容完成充電以後，MP1上的電流也變為零。這裡的電容Cl為開關電容，即受麗1的控制，啟動電路在每次重新啟動時， 都會刷新開關電容上的電壓，不會因為上次的動作而對下次的動作產生影響。整個啟動電路關閉，不再對後面的基準產生影響，整個基準啟動過程完成。在完成了啟動以後，基準開始進入穩定工作模式，首先要讓基準產生PTAT電流， 使整個系統中的靜態工作電流得以確定，從來確定整個晶片的靜態功耗。如圖3所示，PTAT電流產生電路包括PMOS管MP2、MP3、MP4，匪OS管MN3、MN4、MN5， 三極體Ql、Q2、Q4，電阻Rl，電容C2，具體連接關係是PM0S管MP2和MP3的源極和襯底均接外部電源VIN，MP2的柵極接MP3的柵極，MP3的柵極接所述啟動電路中MPl的柵極，麗3 的柵極和漏極短接，麗3的漏極接MP2的漏極，MN4的柵極接MP3的柵極，MN4的漏極接MP3 的漏極，麗3和MN4的襯底均接地，QU Q2、Q4的基極和集電極均接地，Ql的發射極接電阻 Rl的一端，Rl的另一端接麗3的源極，Q2的發射極接MN4的源極，電容C2的一端接MN4的漏極，C2的另一端接地，MP4的柵極接MP2的柵極，MP4的源極和襯底接外部電源VIN，麗5 的漏極接MP4的漏極，麗5的柵極接MN4的漏極，麗5的襯底接地，Q4的發射極接麗5的源極，MP2的柵極作為PTAT電流產生電路的輸出。由模擬電路可知
權利要求1.一種帶隙基準電壓源，包括啟動電路，PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路，其中，所述啟動電路分別與PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路連接，PTAT電流產生電路和基準電壓產生電路連接，基準電壓產生電路的輸出作為所述帶隙基準電壓源的輸出，其特徵在於，所述啟動電路包括脈衝產生單元、PMOS管MPl和MP6、匪OS管麗1和麗2、電阻R3、電容Cl，脈衝產生單元根據外部的使能信號產生一個上升沿的單脈衝信號，具體連接關係是 脈衝產生單元的輸出與MNl的柵極連接，MNl的源極和襯底均接地，MPl的源極和襯底均接外部電源，MPl的漏極接麗1的漏極，MP6的柵極接MPl的漏極，MP6的源極接R3的一端， R3的另一端接MPl的柵極，MP6的襯底接電源，麗2的柵極接外部的使能信號，麗2的漏極接MP6的漏極，麗2的源極和襯底均接地，電容Cl的一端接麗1的漏極，Cl的另一端接地。
2.根據權利要求1所述的帶隙基準電壓源，其特徵在於，所述的脈衝產生單元包括反相器INVl、INV2、INV3，異或門M)R，與非門NAND，電容⑶，具體連接關係是反相器INVl的輸入端接外部的使能信號，反相器INV2的輸入接反相器INVl的輸出端，XOR的第一輸入端接外部的使能信號，第二輸入端接反相器INV2的輸出端，與非門NAND的第一輸入端外部的使能信號，第二輸入端接異或門XOR的輸出端，反相器INV3的輸入端接與非門NAND的輸出端，反相器INV3的輸出作為脈衝產生單元的輸出，電容CO的一端接反相器INVl的輸出，另一端接地。
3.根據權利要求2所述的帶隙基準電壓源，其特徵在於，所述的PTAT電流產生電路包括 PMOS 管 MP2、MP3、MP4, NMOS 管 MN3、MN4、MN5，三極體 Ql、Q2、Q4，電阻 Rl 和電容 C2,具體連接關係是PM0S管MP2和MP3的源極和襯底均接外部電源，MP2的柵極接MP3的柵極， MP3的柵極接所述啟動電路中MPl的柵極，麗3的柵極和漏極短接，麗3的漏極接MP2的漏極，MN4的柵極接MP3的柵極，MN4的漏極接MP3的漏極，麗3和MN4的襯底均接地，Ql、Q2、 Q4的基極和集電極均接地，Ql的發射極接電阻Rl的一端，Rl的另一端接MN3的源極，Q2的發射極接MN4的源極，電容C2的一端接MN4的漏極，C2的另一端接地，MP4的柵極接MP2的柵極，MP4的源極和襯底接外部電源，麗5的漏極接MP4的漏極，麗5的柵極接MN4的漏極， 麗5的襯底接地，Q4的發射極接麗5的源極，MP2的柵極作為PTAT電流產生電路的輸出。
4.根據權利要求2或3所述的帶隙基準電壓源，其特徵在於，所述基準電壓產生電路包括PMOS管MP5，電阻R2，三極體Q3和電容C3，具體連接關係是MP5的柵極接所述PTAT 電流產生電路的輸出，MP5的源極和襯底均接外部電源，Q3的基極和集電極均接地，電阻R2 的一端接Q3的發射極，另一端接MP5的漏極，電容C3的一端接MP5的漏極，C3的另一端接地，MP5的漏極作為基準電壓產生電路的輸出，同時作為所述帶隙基準電壓源的輸出。
5.根據權利要求4所述的帶隙基準電壓源，其特徵在於，所述帶隙基準電壓源還包括過衝洩流電路，其中，過衝洩流電路包括反相器INV4和NMOS管MN6，具體連接關係是反相器INV4的輸入接所述啟動電路中麗1的漏極，MN6的柵極接反相器INV4的輸出，MN6的源極和襯底均接地，MN6的漏極接所述基準電壓產生電路的輸出。
專利摘要本實用新型公開了一種帶隙基準電壓源，包括啟動電路，PTAT電流產生電路，基準電壓產生電路，其中，啟動電路包括脈衝產生單元、PMOS管MP1和MP6、NMOS管MN1和MN2、電阻R3和電容C1，啟動電路使用數字電路與開關電容啟動，可以減小啟動電路的面積，從而節省版圖的面積，降低了成本。在PTAT電流產生電路中，沒有使用運算放大器，從而節省了版圖面積，也降低了功耗；同時引入了過衝洩流電路，保證了輸入電壓可以在一個很寬的範圍內變化，從而在一個較寬的電源範圍內保證基準輸出的穩定，進而維持了個晶片系統的穩定，此外洩流電路十分簡單，不會增加版圖面積與功耗。
文檔編號G05F1/567GK202257344SQ20112035489
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月21日 優先權日2011年9月21日
發明者周澤坤, 張波, 徐祥柱, 明鑫, 李強, 陳程 申請人:電子科技大學