低噪声cmos集成参考电压产生电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种低噪声CMOS集成参考电压产生电路。该电路包括：低噪声带隙基准源产生电路，包括一个斩波放大器，所述低噪声带隙基准源产生电路用于产生低噪声带隙基准源；正参考电压产生电路，包括一个由斩波放大器，MOS管及电阻构成的负反馈电路，所述正参考电压产生电路用于从所述带低噪声隙基准源产生正参考电压；负参考电压产生电路，包括一个由斩波放大器，MOS管，电流源及电阻构成的负反馈电路，所述负参考电压产生电路用于从所述正参考电压产生与所述正参考电压对称的负参考电压。本发明采用CMOS工艺，与主流的集成电路工艺兼容，能够有效地降低成本。并且在电路布局中采用斩波技术产生一对低噪声且对称性良好的参考电压。
【专利说明】低噪声CMOS集成参考电压产生电路【技术领域】[0001]本发明涉及模拟集成电路设计领域，尤其涉及一种低噪声CMOS集成参考电压产 生电路。【背景技术】[0002]参考电压电路是模拟信号处理中一个非常重要的模块，广泛用于各种模拟集成电 路和模拟/混合信号集成电路中，包括数据转换器、开关电容电路、微机电系统(MEMS)读出 电路等都需要稳定的参考电压。参考电压电路通常由带隙基准源和低压差稳压器组成，可 以实现相对于工艺、电压、温度稳定的参考电压。[0003]在高精度数据转换器、精密测量等领域，需要一个或几个低噪声的参考电压源。特 别地，在高动态范围MEMS加速度计中，读出电路(ASIC)需要提供一对低噪声、对称的参考 电压，用来实现精确的电容/电压(C/V)转换。目前成功的商业高动态范围MEMS加速度计 中实现这对低噪声参考电压的方法是采用双极型晶体管进行设计，由于双极型晶体管天然 地具有很低的噪声，特别适合用来实现低噪声参考电压源。而在金属氧化物半导体(MOS)晶 体管中，栅氧化层和硅界面处的悬空键随机地捕获和释放载流子，引入了很大的噪声，这使 得采用CMOS工艺很难制造适用的参考电压源。[0004]MEMS加速度传感器的有效带宽约为IOHz?250Hz，如采用CMOS工艺进行参考电 压源设计，这个频带中噪声非常大，很难实现高动态范围，并且用于MEMS加速度传感器的 是一对对称参考电压。所以，目前CMOS工艺下并没有能够应用于MEMS加速度传感器的参 考电压产生电路。[0005]因此，如何用低成本的CMOS工艺设计产生一对对称的低噪声参考电压电路，是一 个重要的工程技术问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是利用CMOS工艺及斩波稳定技术设计参考电压产生电路，从而为 MEMS加速度传感器提供一对对称并且低噪声的参考电压。[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种低噪声CMOS集成参考电压产生电路。该电路 包括:[0008]低噪声带隙基准源产生电路，包括一个斩波放大器，所述低噪声带隙基准源产生 电路用于产生低噪声带隙基准源；[0009]正参考电压产生电路，包括一个由斩波放大器，MOS管及电阻构成的负反馈电路， 所述正参考电压产生电路用于从所述带低噪声隙基准源产生正参考电压；[0010]负参考电压产生电路，包括一个由斩波放大器，MOS管，电流源及电阻构成的负反 馈电路，所述负参考电压产生电路用于从所述正参考电压产生与所述正参考电压对称的负 参考电压。[0011]进一步的，在所述低噪声带隙基准源产生电路之后，正参考电压产生电路之前，还包括:启动电路，用于使所述低噪声带隙基准源产生电路产生的带隙基准源工作在正常工 作点。[0012]进一步的，所述低噪声带隙基准电源产生电路包括:一个由斩波放大器，MOS管， 电阻及BJT管形成的负反馈电路。[0013]进一步的，所述正参考电压产生电路，具体为:斩波放大器的同相输入端连接到所 述带隙基准源产生电路的经过滤波后的输出，斩波放大器的反相输入端连接第一电阻和第 二电阻之间的端点，第一电阻的另一端接地，第二电阻的另一端连接MOS管的漏极，MOS管 的栅极连接斩波放大器的输出端MOS管的源级接电源；其中，MOS管漏极与第二电阻的连接 点为所述正参考电压产生电路的输出。[0014]进一步的，所述负参考电压产生电路，具体为:第三电阻的一端连接到所述正参考 电压产生电路的经过滤波后的输出，第三电阻的另一端连接到斩波放大器的反相输入端和 第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接到电流源的一端和MOS管的漏极，电流源的另一 端连电源，MOS管的栅极连接到斩波放大器的输出，MOS管的源级接地，斩波放大器的同相 输入端也接地；其中，电流源与第四电阻的连接点为所述正参考电压产生电路的输出。[0015]本发明提供该低噪声CMOS集成参考电压产生电路采用CMOS工艺，与主流的集成 电路工艺兼容，能够有效地降低成本。并且在电路布局中采用斩波技术产生一对低噪声且 对称性良好的参考电压。【专利附图】
【附图说明】[0016]图1为本发明实施例的低噪声CMOS集成参考电压产生电路。【具体实施方式】[0017]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。[0018]图1为本发明实施例的低噪声CMOS集成参考电压产生电路。[0019]如图1所示，本实施例中的低噪声CMOS集成参考电压产生电路包括:低噪声带隙 基准源产生电路(BANDGAP)、启动电路(START UP)、正参考电压产生电路(LDOP)和负参考 电压产生电路(LDON)。[0020]带隙基准源产生电路包括:一个斩波放大器CAl，一个NMOS管Ml，四个电阻R1、 R2A、R2B、R3和两个NPN型BJT管Ql、Q2。各个器件的连接关系如下:NM0S管Ml的漏极连 至IJ电源VDD上，栅极连接到斩波放大器CAl的输出，源级连接电阻Rl的一端，电阻Rl的另 一端连接了电阻R2A、R2B的一端，R2A和R2B的另一端分别连到了斩波放大器CAl的同相 输入端和反相输入端，斩波放大器CAl的同相输入端还连接了 NPN型BJT管Ql的集电极和 基极，NPN型BJT管Ql的发射极接到地GND上，斩波放大器CAl的反相输入端还连接了电阻 R3的一端，电阻R3的另一端连接NPN型BJT管Q2的集电极和基极，NPN型BJT管Q2的发 射极接到地GND上。电阻R6和片外电容Cl组成的低通滤波器作为带隙基准源的负载。该 负载的作用是:第一，稳定带隙基准源中的环路；第二，滤除基准电压中的高频噪声。NMOS 管Ml的作用是隔离斩波放大器CAl和阻性负载，保证斩波放大器CAl的负载是高阻，降低 斩波放大器CAl的设计成本。[0021]本领域技术人员应当意识到，除上述低噪声带隙基准源产生电路外，可用包括斩波放大器的其它布局的低噪声带隙基准源产生电路进行同等替换。[0022]启动电路包括:两个PMOS晶体管M2、M3，一个NMOS晶体管M4和一个反相器I NV1。 各个器件的连接关系如下=PMOS管M2的源级连接电源VDD，栅极与PMOS管M3的栅极和漏极连接，PMOS管M2的漏极连接反相器INVl的输入和带隙基准源产生电路的输出，PMOS管 M3的源级连接电源VDD，栅极和漏极连接到一起并且连接到PMOS管M2的栅极和NMOS管M4 的漏极上，NMOS管M4的栅极连接反相器INVl的输出，NMOS管M4的源级连接到地GND上。[0023]本领域技术人员应当意识到，除上述启动电路外，可用其它布局的启动电路进行同等替换。[0024]正参考电压产生电路包括:一个斩波放大器CA2，一个PMOS晶体管M6，两个电阻 R4、R5。各个器件的连接关系如下:斩波放大器CA2的同相输入端连接到带隙基准源产生电路的经过滤波后的输出，斩波放大器CA2的反相输入端连接电阻R4和R5的一端，电阻R5 的另一端连接地GND，电阻R4的另一端连接PMOS管M6的漏极，PMOS管M6的栅极连接斩波放大器CA2的输出，PMOS管M6的源级连接电源VDD。电阻R7和片外电容C2组成的低通滤波器作为放大电路的负载。该负载的作用是:第一，稳定正参考电压产生电路中的环路；第二，滤除正参考电压中的高频噪声。[0025]本领域技术人员应当意识到，除上述正参考电压产生电路外，可用包括斩波放大器的其它布局的正参考电压产生电路进行同等替换。[0026]负参考电压产生电路包括:一个斩波放大器CA3，两个电阻R8、R9，一个NMOS管M5 和一个电流源II。各个器件的连接关系如下:电阻R8的一端连接到正参考电压产生电路的经过滤波后的输出，电阻R8的另一端连接到斩波放大器CA3的反相输入端和电阻R9的一端，电阻R9的一端连接到电流源Il的一端和NMOS管M5的漏极，电流源Il的另一端连接到电源VDD，NMOS管M5的栅极连接到斩波放大器CA3的输出，源级连接到地GND上，斩波放大器CA3的同相输入端也连接到地GND上。电阻RlO和片外电容C3组成的低通滤波器作为负参考电压产生电路的负载。该负载的作用是:第一，稳定负参考电压产生电路中的环路；第二，滤除正参考电压中的高频噪声。[0027]本领域技术人员应当意识到，除上述负参考电压产生电路外，可用包括斩波放大器的其它布局的负参考电压产生电路进行同等替换。[0028]本实施例中的带隙基准源产生电路工作原理如下:斩波放大器CAUPM0S管Ml、电阻R1、R2A、R2B、R3以及NPN型BJT管Ql、Q2形成一个负反馈环路。由于环路增益很大，节点I和节点2电压相等，如式(I)所示:[0029]V1=V2(I)[0030]让电阻R2A和R2B的阻值相等，那么流过NPN型BJT管Ql、Q2的电流也相等，NPN 型BJT管Q2的发射结面积是NPN型BJT管Ql的N倍，电阻R3两端电压为NPN型BJT管 Q1、Q2的发射结电压之差，如式(2)所示:[0031]VE3=VBE1-VBE2= VTlnN(2)[0032]带隙基准源输出节点4的电压如式(3)所示:[0033]Y4 = Vbe2 +、|lnN (R3 -1- R2B + 2-R1)(3)R3[0034]只要式(3)等号右边第二项的系数(R3+R2B+2.Rl)/R3取值合适，就可以在输出节点4得到零温度系数的电压，输出电压大小为1.2V左右。[0035]带隙基准源产生电路的误差和噪声分别主要来源于放大器的失调电压和输入参考噪声。由于放大器采用了斩波放大器，噪声和失调电压都很小，使得本发明可以产生准确而且低噪声的带隙基准源。[0036]本实施例中的带隙基准源产生电路有两个稳定的工作点:一个稳定的工作点是输出节点4的电压为0，所有电阻和NPN型BJT管中电流为零，斩波放大器CAl的输出也为O ; 另一个稳定的工作点是本实施例中设计的正常工作点，输出电压如式(3)所示。本实施例中的启动电路的作用是让带隙基准源产生电路工作在期望的工作点。[0037]启动电路的工作原理是:如果带隙基准源产生电路的输出是0，反相器INVl输入高电平，在NMOS晶体管M4和PMOS晶体管M3中产生电流，PMOS晶体管M3和M2形成电流镜，因此PMOS晶体管M2的漏极会有电流流出，这个电流会流进电阻R1，进而流进电阻R2A、 R2B、R3和NPN型BJT管Ql、Q2，从而强迫带隙基准源产生电路离开输出为O的稳定工作点， 进入期望的工作点；通过设计反相器INVl的参数，使得当输出节点4的电压接近期望值时， 反相器输出低电平，关断启动电路中几个晶体管的电流，不影响带隙基准源产生电路的正常工作。[0038]正参考电压产生电路的工作原理是:斩波放大器CA2，PMOS晶体管M6，电阻R4、R5 构成负反馈环路，由于环路增益很大，节点5和节点6的电压相等，如式(4)所示:[0039]V5=V6(4)[0040]由电阻R4和R5的分压关系，正参考电压结果如式(5)所示:[0041]+VREF=V7=V4 (I+R4/R5)(5)[0042]正参考电压产生电路的误差和噪声分别主要来源于放大器的失调电压和输入参考噪声。由于放大器采用了斩波放大器，噪声和失调电压都很小，使得本发明可以产生准确而且低噪声的正参考电压。[0043]负参考电压产生电路从正参考电压产生负参考电压，电路的电压范围是从地GND 到负电源-VDD。负参考电压产生电路的工作原理是:斩波放大器CA 3，NMOS晶体管M5，电流源11，电阻R8、R9构成一个负反馈环路，由于环路增益很大，节点8点电压为0，由电阻R8 和R9的分压关系，，负参考电压结果如式(6)所示:[0044]-VREF = -.+VREF.R9/R8(6)[0045]设计R9=R8，本发明的集成低噪声参考电压源产生电路就可以得到两个对地对称的参考电压+VREF和-VREF。[0046]负参考电压产生电路的误差和噪声分别主要来源于放大器的失调电压和输入参考噪声。由于放大器采用了斩波放大器，噪声和失调电压都很小，使得本发明可以产生准确而且低噪声的负参考电压。[0047]本发明采用CMOS集成电路工艺，利用斩波稳定技术布局参考电压产生电路，该参考电压产生电路能够产生一对低噪声并且对称的参考电压。[0048]以上所述的具体实`施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种低噪声CMOS集成参考电压产生电路，其特征在于，包括:低噪声带隙基准源产生电路，包括一个斩波放大器，所述低噪声带隙基准源产生电路 用于产生低噪声带隙基准源；正参考电压产生电路，包括一个由斩波放大器，MOS管及电阻构成的负反馈电路，所述 正参考电压产生电路用于从所述带低噪声隙基准源产生正参考电压；负参考电压产生电路，包括一个由斩波放大器，MOS管，电流源及电阻构成的负反馈电 路，所述负参考电压产生电路用于从所述正参考电压产生与所述正参考电压对称的负参考 电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在所述低噪声带隙基准源产生电路之后， 正参考电压产生电路之前，还包括:启动电路，用于使所述低噪声带隙基准源产生电路产生的带隙基准源工作在正常工作点。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述低噪声带隙基准电源产生电路包括: 一个由斩波放大器，MOS管，电阻及BJT管形成的负反馈电路。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述正参考电压产生电路，具体为:斩波放大器的同相输入端连接到所述带隙基准源产生电路的经过滤波后的输出，斩波 放大器的反相输入端连接第一电阻和第二电阻之间的端点，第一电阻的另一端接地，第二 电阻的另一端连接MOS管的漏极，MOS管的栅极连接斩波放大器的输出端MOS管的源级接 电源；其中，MOS管漏极与第二电阻的连接点为所述正参考电压产生电路的输出。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述负参考电压产生电路，具体为: 第三电阻的一端连接到所述正参考电压产生电路的经过滤波后的输出，第三电阻的另一端连接到斩波放大器的反相输入端和第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接到电流源 的一端和MOS管的漏极，电流源的另一端连电源，MOS管的栅极连接到斩波放大器的输出， MOS管的源级接地，斩波放大器的同相输入端也接地；其中，电流源与第四电阻的连接点为 所述正参考电压产生电路的输出。
【文档编号】G05F1/56GK103529889SQ201210228115
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月2日 优先权日:2012年7月2日
【发明者】孙泉, 乔东海, 齐敏, 汤亮 申请人:中国科学院声学研究所