专利名称：低电压源带隙基准电压电路和一种集成电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及低电压源带隙基准电压电路和一种集成电路。
背景技术：
基准电压是集成电路设计中一个不可缺少的参数，带隙基准电压电路是产生这种 基准电压的解决方案。带隙基准电压电路产生的基准电压(或电流)应该与集成电路的工 艺、电源电压、温度(PVT，Process Voltage Temperature)无关。由于结构或尺寸的限制， 传统的带隙基准电压源电路只能提供约1.25伏(1.25V)的基准电压。当芯片电源提供的 电压低于1. 25V时，传统的带隙基准电压源电路工作就会出现较大困难。现有技术提供的一种电流模带隙基准电压源电路核心部分如附图1所示，以下简 要分析其能够提供基准电压的原理。在图1所示电路中，三个？1 3管？1、？2、&尺寸相同，两个电阻支路上的支路电阻 R与支路电阻R2相等；由运算放大器Amp构成的负反馈网络使结点A处电压Va和结点B处 电压\ (结点A和结点B分别连接至运算放大器Amp的两输入端，即Va和\分别与运算放 大器Amp的输入端电压相等)相等。由于PpP2、P3的栅极(Gate)均与运算放大器Amp的输 出端相连，因此，流向？”‘？“漏极①^化)的电流IpI2、I3的关系为L = 12 = 13。又因 为 Va = Vb, = R2，故 Ilb = I2b，根据 L = I2，则 Ila = I2a。由图示电路结构及电路定律知AVf = Vb-Vf2，而 Vb = Va，Va = Vfl，故 A Vf = Vfl-Vf2 = VTX InN，其中，VT 为图中 N
个并联二极管各个二极管的导通电压；I2a = A Vf/R3 ；I2b = Vfl/R2 ；I2 = I2a+I2b ；由于I2= 13，故 I3= I2a+I2b;电路输出的基准电压:Vref= R4XI3 = R4X (I2a+I2b) = R4X (AVf/R3+Vfl/R2)。由于Vfl具有负温度系数，AVf具有正温度系数，因此，选择合理的R2和R3可以得 到与PVT无关的基准电压VMf，调节电阻R4的阻值便可以输出大小不同的基准电压Vref。要使附图1所示的电流模带隙基准电压源电路能够正常工作，还需要一个启动电 路。如附图2所示，是现有技术带有启动电路的电流模带隙基准电压源电路。这种电路在 正常工作前，先在虚框所示NM0S管的栅极加上一高电平启动信号，NM0S管的导通将P3管的 栅极电压义拉低，电路脱离零电流状态，进入工作状态。附图1所示的电流模带隙基准电压源电路除了零电流状态和工作状态之外，还可 能存在一种中间状态微电流导通状态。所谓微电流导通状态是指电流模带隙基准电压源 电路脱离零电流状态后，若结点A处电压Va和结点B处电压Vb电压较低，以至于不足以使 与电阻礼并联的二极管Bi和N个并联的二极管B完全导通，电流完全从电阻支路流过，而二极管Bi所在支路和电阻R3所在支路没有电流。微电流导通状态下运算放大器Amp仍可以正常工作，结点A处电压Va和结点B处 电压Vb仍然是相等的，但由于123为零，根据前述依据电路结构及电路定律对电流模带隙基 准电压源电路的分析，微电流导通状态时该现有技术提供的启动电路并不能使这种电路最 终输出一个与温度无关的电压，可能导致电流模带隙基准电压源电路的启动失败，不能正 常输出基准电压。
发明内容
本发明实施例提供低电压源带隙基准电压电路和一种集成电路，旨在解决现有技 术微电流导通状态下导致电路启动失败而不能正常输出基准电压的问题。一种低电压源带隙基准电压电路，包括差分放大模块(301)、镜像电流模块 (302)、带隙核心模块(303)和启动模块(304)；所述差分放大模块(301)，用于通过差分输 入方式提供负反馈，其一输入端与所述带隙核心模块(303)相连，另一输入端与所述镜像 电流模块(302)输出端相连后接入所述带隙核心模块(303)；所述镜像电流模块(302)，用 于为所述带隙核心模块(303)提供镜像电流；所述带隙核心模块(303)，用于提供正负两种 温度系数相抵消的电压；所述启动模块(304)，用于启动所述低电压源带隙基准电压电路， 其一输入端与所述差分放大模块(301)的输出端相连，另一输入端与电源(Vcc)相连，输出 端与所述带隙核心模块(303)输出端相连后接入“地”。一种集成电路，包括上述低电压源带隙基准电压电路。由于本发明实施例提供的低电压源带隙基准电压电路能够自动脱离微电流导通 状态而进入工作状态，使用传统的启动电路变可以完成电路的启动，因此大大简化了启动 电路的设计，有效规避了微电流导通状态，降低了启动风险。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其 他的附图。图1是现有技术提供的一种电流模带隙基准电压源电路；图2是现有技术带有启动电路的电流模带隙基准电压源电路；图3_a是本发明实施例一提供的带有启动电路的低电压源带隙基准电压电路；图3_b是本发明实施例二提供的带有启动电路的低电压源带隙基准电压电路；图3-c是本发明实施例三提供的带有启动电路的低电压源带隙基准电压电路；图4是本发明实施例四提供的低电压源带隙基准电压电路；图5是本发明实施例五提供的低电压源带隙基准电压电路；图6是本发明实施例六提供的低电压源带隙基准电压电路；图7是本发明实施例七提供的低电压源带隙基准电压电路；图8是本发明实施例八提供的带有启动电路的低电压源带隙基准电压电路；图9是本发明实施例九提供的一种集成电路。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图3_a，本发明实施例一提供的低电压源带隙基准电压电路图。该电路包 括差分放大模块301、镜像电流模块302、带隙核心模块303和启动模块304，其中差分放大模块301用于通过差分输入方式提供负反馈，其一输入端与带隙核心模 块303相连，另一输入端与镜像电流模块302输出端相连后接入带隙核心模块303 ；镜像电 流模块302用于为带隙核心模块303提供镜像电流；带隙核心模块303用于提供正负两种 温度系数相抵消的电压；启动模块304，用于启动整个低电压源带隙基准电压电路，其一输 入端与差分放大模块301的输出端相连，另一输入端与电源Vcc相连，输出端与带隙核心模 块303输出端相连后接入“地”。请参阅图3_b，本发明实施例二提供的低电压源带隙基准电压电路图。在本实施 例提供的电路中，带隙核心模块(303)包括第一电阻(礼)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、开 关元件(S)和开关元件组(Se)，差分放大模块(301)为一运算放大器(Amp)，镜像电流模块 (302)包括第一镜像电流源模块(MS)和第二镜像电流源模块(MS2)，第一电阻(礼)与开关 元件⑶并联，开关元件组(Se)与第三电阻(R3)串联。第二电阻(R2) —端、第三电阻(R3) —端以及第二镜像电流源(MS2)模块的一输出 端均与运算放大器(Amp)的正相输入端相连，第一电阻(礼)一端、开关元件(S)的一端以及 第一镜像电流源模块(MS)的一输出端均与运算放大器(Amp)的反相输入端相连。在本实施例中，第一电阻(礼)的阻值大于第二电阻(R2)的阻值。请参阅图3-c，本发明实施例三提供的低电压源带隙基准电压电路图。该低电压 源带隙基准电压电路包括运算放大器(Amp)、第一镜像电流源模块(MS)、第二镜像电流源模 块(MS2)、第三镜像电流源模块(MS3)、第一电阻(札)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电 阻(R4)、开关元件⑶、开关元件组(Se)和NM0S管。在本实施例中，第一镜像电流源模块(MS》、第二镜像电流源模块(MS2)以及第三 镜像电流源模块(MS3)各有两个输入端(包括第一输入端和第二输入端)和一个输出端，其 中，各个镜像电流源模块的第一输入端均与电源(Vcc)相连，第一镜像电流源模块(MSi)的 第二输入端、第二镜像电流源(MS2)模块的第二输入端、第三镜像电流源模块(MS3)的第二 输入端以及NM0S管的漏极均与运算放大器(Amp)的输出端相连。电源(Vcc)从与其相连的各个镜像电流源模块的第一输入端为对应镜像电流源 模块提供输入电流Ip 12和13，而各个镜像电流源模块中，其中两个镜像电流源模块输出的 电流I ’ 2和I ’ 3是另一个镜像电流源模块输出的电流I ’工的m倍和n倍，例如，第二镜像电 流源模块(MS2)输出的电流I’ 2、第三镜像电流源模块(MS3)输出的电流I’ 3与第一镜像电 流源模块(MS)输出的电流I’ :的关系可以是1’ 2 = ml’ n I’ 3 = nl’ i，特别地，在本实施 例中，第二镜像电流源模块(MS2)输出的电流I’ 2、第三镜像电流源模块(MS3)输出的电流 I’ 3与第一镜像电流源模块(MS)输出的电流I’ :的关系可以是I’ i = I’ 2 = I’ 3。
第一电阻(礼)与开关元件⑶并联，并且，该第一电阻(礼)一端、开关元件⑶的 一端以及第一镜像电流源模块(MS)的一输出端均与运算放大器(Amp)的反相输入端相连， 第一电阻(礼)一端、开关元件⑶的一端以及第一镜像电流源模块(MS)的一输出端构成 一结点(Na)；开关元件组(Se)与第三电阻(R3)串联，并且，第三电阻(R3) —端、第二电阻 (R2) 一端以及第二镜像电流源(MS2)模块的一输出端均与运算放大器(Amp)的正相输入端 相连，第三电阻(R3) —端、第二电阻(R2) —端以及第二镜像电流源(MS2)模块的一输出端 构成结点(Nb)。第一电阻(礼)的另一端、开关元件⑶的另一端、第二电阻(R2)的另一端、第四电 阻(R4)的另一端、开关元件组(se)的另一端以及NM0S管的源极均与“地”相连，第四电阻 (R4) 一端与第三镜像电流源模块(MS3)的一输出端相连。在本发明实施例中，第一电阻(礼)的阻值大于所述第二电阻(R2)的阻值。在本发明实施例中，第一镜像电流源模块(MS)、第二镜像电流源模块(MS2)和第 三镜像电流源模块(MS3)可以分别为第一 PM0S管汜)、第二 PM0S管(P2)和第三PM0S管 (P3)，如图4所示，本发明实施例三提供的低电压源带隙基准电压电路，其中，各个PM0S管 的源极、栅极和漏极分别构成各个镜像电流源模块的第一输入端、第二输入端和输出端。作为本发明的另一个实施例，第一镜像电流源模块(MS》、第二镜像电流源模块 (MS2)以及第三镜像电流源模块(MS3)可以均为n个串联的PM0S管，如图5所示，本发明实 施例四提供的低电压源带隙基准电压电路。在每个由n个串联的PM0S管构成的镜像电流 源模块中，各PM0S管的连接关系为各个PM0S管的栅极连接在一起，任意两个相邻的PM0S 管中一 PM0S管的源极和另一 PM0S管的漏极相连，其中，每个镜像电流源模块的首PM0S管 的源极、任一 PM0S管的栅极和末PM0S管的漏极构成每个镜像电流源模块的第一输入端、第 二输入端和输出端分别为所述对应的n个串联的PM0S管中首PM0S管的源极、任一 PM0S管 的栅极和末PM0S管的漏极。在本实施例中，n是大于1的自然数，例如，n可以取2。以下以图4所示本发明实施例三提供的低电压源带隙基准电压电路为例，详细说 明本发明实施例提供的低电压源带隙基准电压电路工作原理。在图4所示低电压源带隙基准电压电路中，第一 PM0S管們)、第二PM0S管(P2)和 第三PM0S管(P3)的尺寸可以相等，第一电阻(礼)的阻值大于第二电阻(R2)的阻值，各个 PM0S管的源极(Source)均与电源Vcc相连，栅极(Gate)均与运算放大器(Amp)的输出端 相连，第四电阻(R4)两端的电压就是该电路输出的基准电压。第一电阻(礼)与开关元件⑶并联，两者构成的一个结点(Na)与第一PM0S管(P》 的漏极(Drain)相连，另一个结点与“地”相连(即接地)；开关元件组(SJ由N个开关元 件并联而成，与第三电阻(R3)串联后构成的支路再与第二电阻(R2)并联，第三电阻(R3)与 第二电阻(R2)构成的结点(Nb)与第二 PM0S管(P2)的漏极相连。在图4所示电路中，由于第一 PM0S管(PD和第二 PM0S管(P2)尺寸相同，且源极 均与电源Vcc相连，因此，第一 PM0S管(PD的源极电流L和第二 PM0S管(P2)的源极电流 12相等。假设电流处于微电流导通状态，即，结点(Na)处电压Va和结点(Nb)处电压Vb电 压低至不足以使开关元件组(SJ和开关元件(S)完全导通，电流L和电流12分别完全从 电阻礼所在支路和第二电阻(R2)所在支路流过。在本实施例中，由于第一电阻(礼)的阻值大于第二电阻(R2)的阻值，而根据上述
7分析，第一电阻(R)所在支路和第二电阻(R2)所在支路的电流相等，即，L = 12，则由Va = RiX L和Vb = R2XI2知最终，结点(Na)处电压Va大于结点(Nb)处电压\。根据运算放大器的性质，当运算放大器的反相输入端电压大于同相输入端电压 时，输出端电压为0。因此，在本发明实施例中，当结点(Na)处电压^大于结点(Nb)处电 压Vb时，运算放大器(Amp)的输出端电压为0，即，第一 PM0S管們)的栅极电压和第二 PM0S 管(P2)的栅极电压均为0。第一 PM0S管的栅极电压和第二 PM0S管(P2)的栅极电压均为0使得第一 PM0S 管(P)和P第二 PM0S管(P2)均有很大的电流通过，由于Va = R1XI1、Vb = R2XI2，这进一 步使得结点(Na)处电压Va和结点(Nb)处电压Vb增大以致^大于VTS，Vb大于Vtsg。此 处，VTS是开关元件⑶的导通电压(表示加在开关元件⑶的电压大于该值时，开关元件 ⑶导通)，VTSc是开关元件组(SJ的导通电压(表示加在开关元件组(SJ的电压大于该 值时，开关元件组(知)导通)。一旦Va大于VTS，Vb大于Vtsc，则开关元件(S)和开关元件 组(知)均导通，开关元件(S)所在支路和开关元件组(SJ所在支路均有电流，电路脱离了 微电流导通状态而进入工作状态(第一电阻汛)、开关元件(S)、第二电阻(R2)和开关元 件组(知)所在支路均有电流通过)。在本发明实施例中，开关元件⑶可以是一个二极管(DD，开关元件组(SJ可以 是N个并联的二极管(D)，N是一个大于1的自然数，例如，N可以取8等等，如附图6所示。为了工艺控制得更加准确，在本发明另一个实施例中，开关元件(S)可以是一个 三极管0\)，开关元件组(SJ可以是N(N是一个大于1的自然数，例如，N可以取8等等) 个并联的三极管(T)，如附图7所示。在附图7所示实施例中，三极管(1\)的基极和集电 极短接并与“地”相连，N个并联的三极管(T)中各个三极管的基极和集电极分别短接并与 “地”相连。以下以附图6为例说明本发明实施例提供的低电压源带隙基准电压电路产生基 准电压的原理。如前所述，电路脱离微电流导通状态进入工作状态后，由运算放大器(Amp) 构成的负反馈网络使结点(Na)处电压Va和结点(Nb)处电压Vb保持相等。由于第一 PM0S 管們)、第二 PM0S管(P2)和第三PM0S管(P3)的栅极均与运算放大器(Amp)的输出端相连， 因此，流向第二 PM0S管(P2)和第三PM0S管(P3)源极的电流12、13的关系为12 = 13。为了便于说明，本实施例中假设附图6所示电路中的二极管均具有相同的参数 (例如，具有相同的导通电压)，然而，本领域技术人员可以理解，附图6所示电路中各个二 极管相应参数可以不相同，即，本实施例的假设不应视为对本发明的限制。由附图6所示电 路结构及电路定律知AVf = Vb_Vf2，而 Vb = Va, Va = Vfl = VTX In(Ila/Is), Vf2 = VTX In(I2a/(NX Is)), 故AVf = Vfl-Vf2 = VTXln(Ila/Is)，此处，VT为图中各个二极管的导通电压，Is为图中各个 二极管的饱和电流；I2a = A Vf/R3 ；I2b = Vfl/R2 ；由于I2 = I2a+I2b 且 I2 = 13，故 I3 = I2a+I2b ；电路输出的基准电压:Vref= R4XI3 = R4X (I2a+I2b) = R4X (AVf/R3+Vfl/R2)。由于Vfl具有负温度系数，AVf具有正温度系数，因此，选择合理的R2和R3可以得到与PVT无关的基准电压VMf，调节电阻R4的阻值便可以输出大小不同的基准电压Vref。附图5所示本发明实施例提供的电流模带隙基准电压源电路工作原理与附图4所 示本发明实施例提供的电流模带隙基准电压源电路工作原理相同，此处不再赘述。要使附图4、附图5、附图6或附图7所示的电流模带隙基准电压源电路能够正常 工作，还需要一个启动电路，如附图8所示。由前述分析可知，附图4、附图5、附图6或附图7所示的低电压源带隙基准电压电 路能够自动脱离微电流导通状态而进入工作状态，使用传统的启动电路变可以完成电路的 启动，大大简化了启动电路的设计，有效规避了微电流导通状态，降低了启动风险。本发明实施例还提供一种集成电路，如附图9所示。该集成电路包括本发明前述 实施例提供的低电压源带隙基准电压电路901和其他功能电路模块902 (例如，数模转换电
路)、功能电路模块903........功能电路模块90n等，低电压源带隙基准电压电路901在
启动后可以给集成电路中的其他功能电路模块(例如，功能电路模块902等)提供稳定的 基准电压。以上对本发明实施例所提供的低电压源带隙基准电压电路和一种集成电路进行 了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例 的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员， 依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内 容不应理解为对本发明的限制。
9
权利要求
一种低电压源带隙基准电压电路，其特征在于，所述电路包括差分放大模块(301)、镜像电流模块(302)、带隙核心模块(303)和启动模块(304)；所述差分放大模块(301)，用于通过差分输入方式提供负反馈，其一输入端与所述带隙核心模块(303)相连，另一输入端与所述镜像电流模块(302)输出端相连后接入所述带隙核心模块(303)；所述镜像电流模块(302)，用于为所述带隙核心模块(303)提供镜像电流；所述带隙核心模块(303)，用于提供正负两种温度系数相抵消的电压；所述启动模块(304)，用于启动所述低电压源带隙基准电压电路，其一输入端与所述差分放大模块(301)的输出端相连，另一输入端与电源(Vcc)相连，输出端与所述带隙核心模块(303)输出端相连后接入“地”。
2.如权利要求1所述低电压源带隙基准电压电路，其特征在于，所述带隙核心模块 (303)包括第一电阻(礼)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、开关元件(S)和开关元件组(SG), 所述差分放大模块(301)为一运算放大器(Amp)，所述镜像电流模块(302)包括第一镜像电 流源模块(MS)和第二镜像电流源模块(MS2)；所述第一电阻(礼)与所述开关元件(S)并联，所述开关元件组(SJ与所述第三电阻 (R3)串联；所述第二电阻(R2) —端、所述第三电阻(R3) —端以及所述第二镜像电流源(MS2)模 块的一输出端均与所述运算放大器(Amp)的正相输入端相连，所述第一电阻(礼)一端、所述 开关元件(S)的一端以及所述第一镜像电流源模块(MS)的一输出端均与所述运算放大器 (Afflp)的反相输入端相连；所述第一电阻(礼)的阻值大于所述第二电阻(R2)的阻值。
3.如权利要求2所述低电压源带隙基准电压电路，其特征在于，所述启动模块(304)包 括第三镜像电流源模块(MS3)、第四电阻(R4)和NM0S管；所述第一镜像电流源模块(MS)的第一输入端、所述第二镜像电流源(MS2)模块的第 一输入端以及所述第三镜像电流源模块(MS3)的第一输入端均与电源(Vcc)相连，所述第 一镜像电流源模块(MS)的第二输入端、所述第二镜像电流源(MS2)模块的第二输入端、所 述第三镜像电流源模块(MS3)的第二输入端以及所述NM0S管的漏极均与所述运算放大器 (Afflp)的输出端相连；所述第一电阻(礼)的另一端、所述开关元件(S)的另一端、所述第二电阻(R2)的另一 端、所述第四电阻(R4)的另一端、所述开关元件组(SJ的另一端以及所述NM0S管的源极均 与“地”相连；所述第四电阻(R4) —端与所述第三镜像电流源模块(MS3)的一输出端相连。
4.根据权利要求3所述低电压源带隙基准电压电路，其特征在于，所述第一镜像电流 源模块(MS)、第二镜像电流源模块(MS2)和第三镜像电流源模块(MS3)分别为第一 PM0S管 (Pi)、第二 PM0S管(P2)和第三PM0S管(P3)，所述各个镜像电流源模块的第一输入端、第二 输入端和输出端分别为所述各个PM0S管的源极、栅极和漏极。
5.根据权利要求3所述低电压源带隙基准电压电路，其特征在于，所述第一镜像电流 源模块(MS)、第二镜像电流源模块(MS2)以及第三镜像电流源模块(MS3)均为n个串联的 PM0S管，所述n个串联的PM0S管中各PM0S管的连接关系为各个PM0S管的栅极连接在一起，任意两个相邻的PM0S管中一 PM0S管的源极和另一 PM0S管的漏极相连，所述n为大于 1的自然数；所述各个镜像电流源模块的第一输入端、第二输入端和输出端分别为所述对应的n个 串联的PM0S管中首PM0S管的源极、任一 PM0S管的栅极和末PM0S管的漏极。
6.根据权利要求3所述低电压源带隙基准电压电路，其特征在于，所述开关元件(S)为 二极管，所述开关元件组(知)为并联的二极管。
7.根据权利要求3所述低电压源带隙基准电压电路，其特征在于，所述开关元件(S)为 三极管0\)，所述开关元件组(SJ为并联的三极管(T)，所述三极管0\)的基极和集电极 短接并与所述“地”相连，所述并联的三极管(T)中各个三极管的基极和集电极分别短接并 与所述“地”相连。
8.一种集成电路，其特征在于，所述集成电路包括权利要求1至权利要求7任意一项所 述的低电压源带隙基准电压电路。
全文摘要
本发明提供一种低电压源带隙基准电压电路，其中，差分放大模块(301)用于通过差分输入方式提供负反馈，其一输入端与带隙核心模块(303)相连，另一输入端与镜像电流模块(302)输出端相连后接入带隙核心模块(303)；镜像电流模块(302)用于为带隙核心模块(303)提供镜像电流；带隙核心模块(303)用于提供正负两种温度系数相抵消的电压；启动模块(304)用于启动低电压源带隙基准电压电路，其一输入端与差分放大模块(301)的输出端相连，另一输入端与电源(Vcc)相连，输出端与带隙核心模块(303)输出端相连后接入“地”。本发明简化了启动电路的设计，有效规避了微电流导通状态，降低了启动风险。
文档编号G05F3/30GK101859161SQ20101020475
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者孙宏全 申请人:华为技术有限公司