专利名称：一种带隙基准电压源的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种带隙基准电压源的设计。
背景技术：
基准作为集成电路必不可少的部分，为整个芯片提供偏置电流以及提供基准电压。偏置电流的大小决定了整个芯片的功耗，同时芯片中误差放大器与比较器通常会以基准电压作为参考电压，基准的稳定性在很大程度上决定了芯片功能的实现与性能的优劣。集成电路中最常用的基准为基于三极管的带隙基准。如图1所示，由误差放大器钳位，然后通过Q1、Q2与Rl产生正比于绝对温度(Proportional to Absolute Temperature,PTAT)电流。PTAT电流作用于R2上，由Q2与R2共同产生带隙基准电压。由
于误差放大器的钳位作用，使得Vx与Vy两点的电压基本相等，即Vx = Vy = Vbe2，同时，同于
, ,Vrf7-Vrf, VAnN Tr kT
两路中的电流也相等，则有八=4= BE\ ■ =^^，由于G= —，则电流为正比于绝
对温度电流，此电流通过电流镜镜像为整个芯片提供偏置电流。根据PTAT电流的表达式，可以得出带隙电压的表达式为 Vbg =IrR2=与Vt In N+ Vbe2，由于Vt为正温度系数，同时Vbe2为负温度系数，合理的调节系数的大小，便
可以在一定温度下实现基准随温度的变化为零，从而为整个芯片提供一个随温度变化很小的基准参考电压。带隙基准有两个稳定状态，当没有电流时，基准便一直处于零状态，因此需要一个额外的启动电路，来给带隙基准提供一个启动电流。然而，启动电路往往会占据比较大的芯片面积。同时，在电源电压比较大的范围内变化时，特别是电源电压很高时，会在启动瞬间在基准输出端产生一个很大的过冲，这个过冲严重影响了系统的性能与稳定性。
实用新型内容本实用新型的目的是为了解决现有带隙基准电压源启动电路存在的上述问题，提出了一种带隙基准电压源。本实用新型的技术方案是一种带隙基准电压源，包括启动电路，PTAT电流产生电路和基准电压产生电路，其中，所述启动电路分别与PTAT电流产生电路和基准电压产生电路连接，PTAT电流产生电路和基准电压产生电路连接，基准电压产生电路的输出作为所述带隙基准电压源的输出，其特征在于，所述启动电路包括脉冲产生单元、PMOS管MPl和MP6、NMOS管MNl和MN2、电阻R3、 电容Cl，脉冲产生单元根据外部的使能信号产生一个上升沿的单脉冲信号，具体连接关系是脉冲产生单元的输出与丽1的栅极连接，丽1的源极和衬底均接地，MPl的源极和衬底
3均接外部电源，MPl的漏极接丽1的漏极，MP6的栅极接MPl的漏极，MP6的源极接R3的一端，R3的另一端接MPl的栅极，MP6的衬底接电源，丽2的栅极接外部的使能信号，丽2的漏极接MP6的漏极，丽2的源极和衬底均接地，电容Cl的一端接丽1的漏极，Cl的另一端接地。进一步的，所述的脉冲产生单元包括反相器INV1、INV2、INV3，异或门M)R，与非门 NAND，电容C0，具体连接关系是反相器INVl的输入端接外部的使能信号，反相器INV2的输入接反相器INVl的输出端，XOR的第一输入端接外部的使能信号，第二输入端接反相器 INV2的输出端，与非门NAND的第一输入端外部的使能信号，第二输入端接异或门XOR的输出端，反相器INV3的输入端接与非门NAND的输出端，反相器INV3的输出作为脉冲产生单元的输出，电容CO的一端接反相器INVl的输出，另一端接地。进一步的，所述的PTAT电流产生电路包括PMOS管MP2、MP3、MP4，匪OS管MN3、MN4、 丽5，三极管01、02、04，电阻1 1和电容C2，具体连接关系是PM0S管MP2和MP3的源极和衬底均接外部电源，MP2的栅极接MP3的栅极，MP3的栅极接所述启动电路中MPl的栅极，丽3 的栅极和漏极短接，丽3的漏极接MP2的漏极，MN4的栅极接MP3的栅极，MN4的漏极接MP3 的漏极，MN3和MN4的衬底均接地，Q1、Q2、Q4的基极和集电极均接地，Ql的发射极接电阻Rl 的一端，Rl的另一端接丽3的源极，Q2的发射极接MN4的源极，电容C2的一端接MN4的漏极，C2的另一端接地，MP4的栅极接MP2的栅极，MP4的源极和衬底接外部电源，MN5的漏极接MP4的漏极，丽5的栅极接MN4的漏极，丽5的衬底接地，Q4的发射极接丽5的源极，MP2 的栅极作为PTAT电流产生电路的输出。进一步的，所述基准电压产生电路包括PMOS管MP5，电阻R2，三极管Q3和电容C3， 具体连接关系是MP5的栅极接所述PTAT电流产生电路的输出，MP5的源极和衬底均接外部电源，Q3的基极和集电极均接地，电阻R2的一端接Q3的发射极，另一端接MP5的漏极，电容C3的一端接MP5的漏极，C3的另一端接地，MP5的漏极作为基准电压产生电路的输出，同时作为所述带隙基准电压源的输出。进一步的，所述带隙基准电压源还包括过冲泄流电路，其中，过冲泄流电路包括反相器INV4和NMOS管MN6，具体连接关系是反相器INV4的输入接所述启动电路中丽1的漏极，MN6的栅极接反相器INV4的输出，MN6的源极和衬底均接地，MN6的漏极接所述基准电压产生电路的输出。本实用新型的有益效果是本实用新型带隙基准电压源的启动电路使用数字电路与开关电容启动，可以减小启动电路的面积，从而节省版图的面积，降低了成本。在PTAT电流产生电路中，没有使用运算放大器，从而节省了版图面积，也降低了功耗；同时为了提高晶体管钳位的精确度，又引入了一条负反馈支路来钳位MN4的漏极电压，使两个钳位晶体管丽3、MN4的源极电位一致，避免了因厄利效应造成的两路电流不一致而引入的失调；弓丨入了过冲泄流电路，保证了输入电压可以在一个很宽的范围内变化，从而在一个较宽的电源范围内保证基准电压源输出的稳定，进而维持了个芯片系统的稳定，此外泄流电路十分简单，基本不会增加版图面积与功耗。
图1为传统的带隙基准电压源结构框图。[0016]图2本实用新型的带隙基准电压源结构框图。图3本实用新型的带隙基准电压源的实际电路结构原理图。图4本实用新型的带隙基准电压源脉冲产生单元电路原理图。图5本实用新型的带隙基准电压源启动电路的波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的阐述。本实用新型的带隙基准电压源结构框图如图2所示，包括启动电路，PTAT电流产生电路和基准电压产生电路，其中，所述启动电路分别与PTAT电流产生电路和基准电压产生电路连接，PTAT电流产生电路和基准电压产生电路连接，基准电压产生电路的输出作为所述带隙基准电压源的输出VREF。启动电路的实际电路结构原理图如图3所示，包括脉冲产生单元、PMOS管MPl和 MP6、NMOS管丽1和丽2、电阻R3、电容Cl，脉冲产生单元根据外部的使能信号EN产生一个上升沿的单脉冲信号，具体连接关系是脉冲产生单元的输出与MNl的栅极连接，MNl的源极和衬底均接地，MPl的源极和衬底均接外部电源VIN，MPl的漏极接MNl的漏极，MP6的栅极接MPl的漏极，MP6的源极接R3的一端，R3的另一端接MPl的栅极，MP6的衬底接电源， 丽2的栅极接外部的使能信号EN，MN2的漏极接MP6的漏极，丽2的源极和衬底均接地，电容 Cl的一端接丽1的漏极，Cl的另一端接地。这里采用开关电容启动，最大限度地节省版图面积。在基准输出处添加了过冲泄流电路，防止在启动瞬间基准输出电压的过冲，同时，由于过冲泄流电路结构十分简单，并没有明显增加版图面积与功耗。其中，脉冲产生单元电路原理图如图4所示，包括反相器INVl、INV2、INV3，异或门 M)R，与非门NAND，电容⑶，具体连接关系是反相器INVl的输入端接外部的使能信号EN， 反相器INV2的输入接反相器INVl的输出端，XOR的第一输入端接外部的使能信号EN，第二输入端接反相器INV2的输出端，与非门NAND的第一输入端外部的使能信号EN，第二输入端接异或门XOR的输出端，反相器INV3的输入端接与非门NAND的输出端，反相器INV3的输出作为脉冲产生单元的输出，电容CO的一端接反相器INVl的输出，另一端接地。启动电路的控制信号由简单的数字产生，如图5所示。当电路开始工作时，EN信号由低电平变为高电平，当电路再次停止工作时，EN信号又再次变为低电平，整个过程可以用图中的只有一个周期的方波来表示。信号经过INVl后，会反向，同时，由于反相器寄生电容以及电容CO的作用，整个波形的变化会有一个时间滞后。再次经过反相器INV2的反向后， 波形会重新变得与EN —样，但是在时间上产生了一个滞后，使两个信号变得不同步。然后， 此输出信号与EN信号送至异或门M)R。由于INV2输出信号与EN信号有一个时间的滞后效果，经过XOR便会在EN高低变换后的短暂时间段内产生一个高电平信号，在电路开启与判断的时段内各产生一个高电平信号。但由于在电路判断时产生的高电平没有什么意义，所以再次让INV2信号与EN信号同时送至与非门NAND，便会产生一个整体为高电平，在EN由低变为高的一个时间段内为低电平的脉冲信号，与非门NAND的输出信号流过反相器INV3 以后，便会产生一个在电路启动瞬间的高电平脉冲信号。INV3的输出与丽1的栅相连。在启动瞬间，产生的一个瞬间的高电平脉冲作用于丽1的栅极，使丽1导通。丽1的漏极与Cl相连，便释放Cl上面的电荷，使1处电位为低， 从而开通MP6，2点电位也降低，这样就产生了一个电流回路，使MP2首先产生一个电流，经过丽3，Rl, Ql到地，有了电流以后，带隙基准克服零状态。其中电阻R3的作用为限流，防止启动瞬间电流过大，但在高电源电压时效果不明显，需要外加泄流电路。电路启动以后， INV3的输出信号再次变为低信号，关断丽1，从MPl上面流下来的电流便开始对电容Cl充电，拉高1点的电位，关闭MP6，停止MP6支路的电流；同时，在电容完成充电以后，MP1上的电流也变为零。这里的电容Cl为开关电容，即受丽1的控制，启动电路在每次重新启动时， 都会刷新开关电容上的电压，不会因为上次的动作而对下次的动作产生影响。整个启动电路关闭，不再对后面的基准产生影响，整个基准启动过程完成。在完成了启动以后，基准开始进入稳定工作模式，首先要让基准产生PTAT电流， 使整个系统中的静态工作电流得以确定，从来确定整个芯片的静态功耗。如图3所示，PTAT电流产生电路包括PMOS管MP2、MP3、MP4，匪OS管MN3、MN4、MN5， 三极管Ql、Q2、Q4，电阻Rl，电容C2，具体连接关系是PM0S管MP2和MP3的源极和衬底均接外部电源VIN，MP2的栅极接MP3的栅极，MP3的栅极接所述启动电路中MPl的栅极，丽3 的栅极和漏极短接，丽3的漏极接MP2的漏极，MN4的栅极接MP3的栅极，MN4的漏极接MP3 的漏极，丽3和MN4的衬底均接地，QU Q2、Q4的基极和集电极均接地，Ql的发射极接电阻 Rl的一端，Rl的另一端接丽3的源极，Q2的发射极接MN4的源极，电容C2的一端接MN4的漏极，C2的另一端接地，MP4的栅极接MP2的栅极，MP4的源极和衬底接外部电源VIN，丽5 的漏极接MP4的漏极，丽5的栅极接MN4的漏极，丽5的衬底接地，Q4的发射极接丽5的源极，MP2的栅极作为PTAT电流产生电路的输出。由模拟电路可知
权利要求1.一种带隙基准电压源，包括启动电路，PTAT电流产生电路和基准电压产生电路，其中，所述启动电路分别与PTAT电流产生电路和基准电压产生电路连接，PTAT电流产生电路和基准电压产生电路连接，基准电压产生电路的输出作为所述带隙基准电压源的输出，其特征在于，所述启动电路包括脉冲产生单元、PMOS管MPl和MP6、匪OS管丽1和丽2、电阻R3、电容Cl，脉冲产生单元根据外部的使能信号产生一个上升沿的单脉冲信号，具体连接关系是 脉冲产生单元的输出与MNl的栅极连接，MNl的源极和衬底均接地，MPl的源极和衬底均接外部电源，MPl的漏极接丽1的漏极，MP6的栅极接MPl的漏极，MP6的源极接R3的一端， R3的另一端接MPl的栅极，MP6的衬底接电源，丽2的栅极接外部的使能信号，丽2的漏极接MP6的漏极，丽2的源极和衬底均接地，电容Cl的一端接丽1的漏极，Cl的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的带隙基准电压源，其特征在于，所述的脉冲产生单元包括反相器INVl、INV2、INV3，异或门M)R，与非门NAND，电容⑶，具体连接关系是反相器INVl的输入端接外部的使能信号，反相器INV2的输入接反相器INVl的输出端，XOR的第一输入端接外部的使能信号，第二输入端接反相器INV2的输出端，与非门NAND的第一输入端外部的使能信号，第二输入端接异或门XOR的输出端，反相器INV3的输入端接与非门NAND的输出端，反相器INV3的输出作为脉冲产生单元的输出，电容CO的一端接反相器INVl的输出，另一端接地。
3.根据权利要求2所述的带隙基准电压源，其特征在于，所述的PTAT电流产生电路包括 PMOS 管 MP2、MP3、MP4, NMOS 管 MN3、MN4、MN5，三极管 Ql、Q2、Q4，电阻 Rl 和电容 C2,具体连接关系是PM0S管MP2和MP3的源极和衬底均接外部电源，MP2的栅极接MP3的栅极， MP3的栅极接所述启动电路中MPl的栅极，丽3的栅极和漏极短接，丽3的漏极接MP2的漏极，MN4的栅极接MP3的栅极，MN4的漏极接MP3的漏极，丽3和MN4的衬底均接地，Ql、Q2、 Q4的基极和集电极均接地，Ql的发射极接电阻Rl的一端，Rl的另一端接MN3的源极，Q2的发射极接MN4的源极，电容C2的一端接MN4的漏极，C2的另一端接地，MP4的栅极接MP2的栅极，MP4的源极和衬底接外部电源，丽5的漏极接MP4的漏极，丽5的栅极接MN4的漏极， 丽5的衬底接地，Q4的发射极接丽5的源极，MP2的栅极作为PTAT电流产生电路的输出。
4.根据权利要求2或3所述的带隙基准电压源，其特征在于，所述基准电压产生电路包括PMOS管MP5，电阻R2，三极管Q3和电容C3，具体连接关系是MP5的栅极接所述PTAT 电流产生电路的输出，MP5的源极和衬底均接外部电源，Q3的基极和集电极均接地，电阻R2 的一端接Q3的发射极，另一端接MP5的漏极，电容C3的一端接MP5的漏极，C3的另一端接地，MP5的漏极作为基准电压产生电路的输出，同时作为所述带隙基准电压源的输出。
5.根据权利要求4所述的带隙基准电压源，其特征在于，所述带隙基准电压源还包括过冲泄流电路，其中，过冲泄流电路包括反相器INV4和NMOS管MN6，具体连接关系是反相器INV4的输入接所述启动电路中丽1的漏极，MN6的栅极接反相器INV4的输出，MN6的源极和衬底均接地，MN6的漏极接所述基准电压产生电路的输出。
专利摘要本实用新型公开了一种带隙基准电压源，包括启动电路，PTAT电流产生电路，基准电压产生电路，其中，启动电路包括脉冲产生单元、PMOS管MP1和MP6、NMOS管MN1和MN2、电阻R3和电容C1，启动电路使用数字电路与开关电容启动，可以减小启动电路的面积，从而节省版图的面积，降低了成本。在PTAT电流产生电路中，没有使用运算放大器，从而节省了版图面积，也降低了功耗；同时引入了过冲泄流电路，保证了输入电压可以在一个很宽的范围内变化，从而在一个较宽的电源范围内保证基准输出的稳定，进而维持了个芯片系统的稳定，此外泄流电路十分简单，不会增加版图面积与功耗。
文档编号G05F1/567GK202257344SQ20112035489
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者周泽坤, 张波, 徐祥柱, 明鑫, 李强, 陈程 申请人:电子科技大学