高工作稳定性的数模混合电路基准源的制作方法

高工作稳定性的数模混合电路基准源的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种高工作稳定性的数模混合电路基准源，该数模混合电路基准源包括电源切换模块、带隙基准源及低压差线性稳压源；该带隙基准源具有带隙基准源单元、带隙基准源的启动单元和带隙基准源的放大单元，带隙基准源的启动单元可以使带隙基准源单元的自启动，带隙基准源的放大单元可使带隙基准源单元的两个输入节点电平保持相等。本发明可在降低电源线及地线干扰、实现高电源电压抑制比、提高工作稳定性或优化负载调整率中的某一个方面改善性能。
【专利说明】高工作稳定性的数模混合电路基准源

【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成电路设计技术，尤其涉及数模混合电路（芯片）及其附属电路。

【背景技术】
[0002] 目前，数模混合电路得到越来越广泛的应用。由于同时存在数字电路和模拟电路， 设计时必须考虑多方面的因素，兹举例如下：
[0003] 其一是接地要合理。在数模混合电路中，数字信号是模拟信号的一种噪声源，它会 给整个电路带来地弹噪声和电源扰动。这些噪声和干扰耦合到模拟电路中，会影响模拟电 路的工作性能。由于干扰源大部分通过地线和电源线产生，并且地线引起的噪声干扰最大， 所以在数模混合电路布局中，对地线和电源线的设计非常重要。但传统的数模混合电路设 计中，功能模块之间物理隔离不够，模拟地和数字地未能有效地分离，其电源设计没有充分 考虑到模拟电路和数字电路的特点，由此造成地线和电源线上产生干扰源，直接影响模拟 电路的工作性能。
[0004] 其二是基准源要有较好的精确度与稳定性。基准源与广泛应用于各种模拟集成电 路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。 在模/数转换器（ADC)、数/模转换器（DAC)、动态存储器（DRAM)等集成电路设计中，低温 度系数、高电源抑制比（PSRR)的基准源设计十分关键。带隙基准源就是一种较为稳定的 基准源，它将负温度系数的电压与正温度系数的电压加权相加，由此抵消温度对输出电压 的影响。传统的带隙基准源需要采用运算放大器形成的反馈环路实现电压基准源的稳定输 出，由于运算放大器自身带宽、增益的限制，使得电源电压的波动在一定带宽范围内（尤其 时中频段）无法得到很好的抑制，由此影响基准电压源的输出信号质量。此外，传统的带隙 基准电路中，输出电压VBE约为1. 25V，这就限制了电源电压在IV以下的应用。随后改进的 增强型带隙基准源电路结构，采用前置电压源单独给带隙基准源供电，使得电源电压抑制 比得到一定的提高，但是改进之后的电路结构，增加了静态功耗与芯片面积。
[0005] 此外，现有数模混合电路还存在其它方面的不足，其有待于优化设计以改善性能。 有鉴于此，有必要设计一种新的数模混合电路（芯片）及其附属电路。


【发明内容】

[0006] 针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供数模混合电路（芯片）及其附 属电路，以便至少能在降低电源线及地线干扰、实现高电源电压抑制比、提高工作稳定性或 优化负载调整率中的某一个方面改善性能。
[0007] 为解决以上技术问题，本发明提供一种高工作稳定性的数模混合电路基准源，该 数模混合电路包括集成在PCB上的电源电路部分、模拟电路部分和数字电路部分；该数字 电路和该模拟电路物理隔离，且该模拟电路地和该数字电路地分割在不同区域的地层；该 数模混合电路基准源包括电源切换模块、带隙基准源及低压差线性稳压源；电源切换模块 一输入端接入外部电源，输出端接带隙基准源输入端；带隙基准源输出端接低压差线性稳 压源输入端；低压差线性稳压源输出端反馈接入电源切换模块另一输入端；带隙基准源和 低压差线性稳压源分别向电源切换模块提供使能信号，用以电源切换模块在逻辑判断后切 换供电模式，给带隙基准源提供外部电源电压或低压差线性稳压源电压；该带隙基准源具 有带隙基准源单元、带隙基准源的启动单元和带隙基准源的放大单元，带隙基准源的启动 单元可以使带隙基准源单元的自启动，带隙基准源的放大单元可使带隙基准源单元的两个 输入节点电平保持相等。
[0008] 与现有技术相比，本发明可以至少可以取得以下某一个方面的优点：
[0009] 1、合理布局模拟电路、数字电路及电源电路区域，各区域之间接地线分开，降低地 线和电源线干扰，较大改善电路板的电路特性；
[0010] 2、通过较为简单的电源模式切换电路，可实现高电源电压抑制比带隙基准的设 计，由此满足低功耗、高电源电压抑制比的设计需求；
[0011] 3、在带隙基准源基础上增加自启动电路单元及放大电路单元，使带隙基准源可以 自动进入正常工作状态并增加其稳定性；
[0012] 4、针对低压差线性稳压器结构增加带宽的电路单元，优化了负载调整率，可满足 较大负载电容下输出电压稳定的要求。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明 的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号来表示相同的部件。在附图中：
[0014] 图1是本使发明实施例模数混合电路的组成框图；
[0015] 图2是图1中模拟电路和数字电路的接地原理图；
[0016] 图3是图1中电源电路中的基准源的电路框图；
[0017] 图4是图3中电源切换模块的一种电路结构；
[0018] 图5是图3中带隙基准源的一种电路结构；
[0019] 图6是图3中带隙基准源的另一种电路结构；
[0020] 图7是图3中低压差线性稳压源的一种电路结构；
[0021] 图8是图3中低压差线性稳压源的另一种电路结构。

【具体实施方式】
[0022] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以 很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况 下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0023] 参见图1，为本发明实施例数模混合电路的组成框图。该实施例展示了一种比较合 理的数模混合电路的布局。该数模混合电路包括电源电路（包括基准源）、数字电路（如线 性数字电源电路、时钟电路、DSP器件、CPLD器件和FPGA器件）及模拟电路（如数模转换 器、模数转换器）等部分，所有这些电路模块都集成在PCB (印刷电路板）上。该PCB上有 三个分割层，其中包括独立的GND/P0WER层：电源电路、数字电路部分及模拟电路部分物理 分割在不同的独立区域：三个部分的地线和电源线在靠近电源的地方极为紧密地连接，其 中的高频传导噪声被连接的电感消除；数字电路和模拟电路的中低频部分相靠近，数字电 路和模拟电路的高频部分尽可能远的分离，而高频部分的信号线尽可能地靠近连接器001， 这样可以提高整个电路的性能。
[0024] 参见图2,它是图1中模拟电路和数字电路的接地原理图。上述模数混合电路中， 数字电路、模拟电路物理隔离，且模拟电路地和数字电路地分割在不同区域的地层。具体是 将模拟电路地（层）与数字电路地（层）之间用沟壕002分开，然后用连接线003将模拟 电路地与数字电路地桥接，通过这种方式分开模拟电路和数字电路的地，可以有效地抑制 噪声。在本实施例尽量减少模拟电路走线长度，数字电路的走线沿着模拟电路走线，且不与 模拟电路的电源和地交错。
[0025] 参见图3,表示本发明模数混合电路中电源电路的基准源的整体结构。该带隙基 准源应用于图1所述的数模混合电路（也可用于模拟集成电路或系统集成芯片），其主要 包括三个主要单元，即电源切换模块（Power Supply) 100、带隙基准源（Bandgap) 200、低压 差线性稳压源（LD0&C0MP) 300,连接方式是：电源切换模块100的一输入端接入外部电源， 其输出端接带隙基准源200输入端，带隙基准源200输出端接低压差线性稳压源300输入 端，低压差线性稳压源300输出端反馈接入电源切换模块100的另一输入端，且带隙基准源 200和低压差线性稳压源300分别向电源切换模块100提供使能信号。以下对三个单元的 主要功能分别进行描述。
[0026] 如图3所示，电源切换模块100经过数字逻辑信号的判断，自动切换供电模式给带 隙基准源电路200,实现前置电压源的功能；带隙基准源电路200稳定输出低温漂系数的基 准电压Switch Output给低压差线性稳压源300,为芯片内部提供一个稳定的电压源，并输 出使能信号Bandgap_0K ;低压差线性稳压源300给电源切换模块100提供稳定的电源电压 Vout，并输出使能信号LD0_0K，实现外部电源电压VDD与低压差线性稳压源300输出电压的 切换。
[0027] 如图3所示，本发明中电源切换模块100主要实现外部电源电压与低压差线性稳 压源300输出电压之间的切换：当外部电源上电后，带隙基准源200与低压差线性稳压源 300正常工作以后，分别输出使能信号，之后经过电源切换模块100数字逻辑电路的控制， 电源切换模块100将外部电源电压切换到低压差线性稳压源输出电压给带隙基准源。相比 之下，内部低压差线性稳压源基准电压的波动比外部电源电压要小很多，由此间接地提高 了带隙基准源200的电源电压抑制比。
[0028] 本发明中的电源切换模块100、带隙基准源200、低压差线性稳压源300均可采用 多种电路形式，以下分别进行说明。
[0029] 1、电源切换模块
[0030] 参见图4,表示本发明基准源中电源切换模块100-较优实施例的电路结构。该电 源切换模块100的电路包括电流源IB、增强型M0S管M1-M17、电阻R1、电容C1、二极管D1 等元件，由此分别构成带隙基准源输出使能信号输入级电路、逻辑判断级电路、开关级电路 及保护级电路，以下进一步进行描述。
[0031] 带隙基准源输出使能信号输入级电路，由电流源IB、增强型M0S管組』213，电阻 R1、电容C1构成，其中：电流源IB与增强型M0S管Ml构成带隙基准源输出使能信号判断电 路；M2与M3构成反相电路，以便将带隙基准源输出使能信号反相；电阻R1与电容C1构成 延时电路，以便将反相后的带隙基准源输出使能信号延时预设时间后输入到后续的逻辑判 断级电路。
[0032] 逻辑判断级电路，分别接入带隙基准源输出使能信号Bandgap_0K和低压差线性 稳压源输出使能信号LD0_0K，其输出电源转换开关信号，以便后续开关级电路选择性地接 入外部电源或带隙基准源，其中：M4-M7组成与非门，其对带隙基准源使能信号与线性稳压 源输出使能信号做出逻辑判断，输出电源转换开关信号；M8、M9构成反相器，对电源转换开 关信号反相，之后输出至开关级电路。
[0033] 开关级电路，由开关管Mil、M12、M13、M14、M15、M16构成，根据逻辑判断级电路输 出的电源转换开关信号，各Ml?M17相应导通或截止，以便选择性地接入外部电源或低压 差线性稳压源电压。
[0034] 保护级电路，特别地设置有三钳位电路，其中：M10、M17为增强型PM0S管，实现钳 位保护；D1为保护二极管，也起钳位作用。
[0035] 如图4所示，该电源切换模块100的工作过程是：电流源IB与增强型M0S管Ml、构 成带隙基准源输出使能信号判断电路，其中Ml满足下拉功能；M2与M3将带隙基准源输出 使能信号反相以后经过电阻R1与C1组成的延时单元，最终输出到与非门的输入端；M4-M7 组成与非门，其对带隙基准源使能信号与线性稳压源输出使能信号做出逻辑判断；使能信 号最终经过由M8、M9构成的反相器，分别为开关管M11、M12、M13、M14、M15、M16提供开关信 号，由此实现电源的切换。
[0036] 需说明的是，上述实施例中的各级电路结构均可采用其它电路形式实现。例如，图 4中数字逻辑电路部分采用与非门，之后经反相器输出到开关电路，显然也可采用其它逻辑 电路结构，例如直接以与门代替，不再赘述。
[0037] 如图4所示，该电源切换模块100的主要逻辑为：
[0038] (1)带隙基准源使能信号Bandgap_0K = "0"，低压差线性稳压源输出使能信号 LD0_0K = "0" 时，
[0039] Vout = VIN-VDS_15-VDS_17
[0040] (2)带隙基准源使能信Bandgap_0K = "1"，低压差线性稳压源输出使能信号LD0_ 0K = "1" 时，
[0041] Vout = VBIAS-VDS_12
[0042] 本实施例通过供电开关的作用，基准电压的电源电压抑制比得到很大改善，在低 频100Hz下，能够达到106dB ;在中频ΙΟΟΚΗζ下，能够达到55dB。
[0043] 2、带隙基准源
[0044] 带隙基准源为得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的双极 三级管的基极-发射极电压VBE与具有正温度系数的双极三级管VBE的差值Λ VBE以不同 权重相加，使Λ VBE的温度系数刚好抵消VBE的温度系数，得到一个与温度无关的基准电 压。
[0045] 参见图5,为本发明实施例中带隙基准源的一种电路结构。该带隙基准源中，Vref 为输出的基准电压，VBE为图5中三级管Q1的基极-发射极电压；R2、R3、R4在电路中的位 置如图5所示。具体电路结构为：包括晶体管M18、晶体管M19、三极管Q1、三级管Q2、放大 器1C及电阻R2、电阻R3、电阻R4,晶体管M18的源极与晶体管M19的源极共同接至电源，晶 体管M18的栅极与晶体管M19的栅极共同接放大器1C的输出端，晶体管M18的漏极通过电 阻R2接放大器1C的一输入端，晶体管M19的漏极通过电阻R3接放大器1C另一输入端，该 电阻R2接至三级管Q1的集电极，该三级管Q1的集电极与该三级管Q1的基极连接，该三级 管Q1的发射极接地；该电阻R3通过电阻R4接至三级管Q2的集电极，该三级管Q2的集电 极与该三级管Q2的基极连接，该三级管Q2的发射极接地。
[0046] 图5中电路工作原理为：运算放大器1C、PM0S管M18和M19构成一个负反馈，使 得运放正负输入端电压相等。发射极面积之比为η的两个三极管Q1、Q2的VBE差值Λ VBE 加在电阻R2上。运放的输入电流为零，所以电阻R2、R3上的电压也和绝对温度成正比，可 以用来补偿三级管Q1管子VBE中随绝对温度线性减小的部分。因此，合理选择R3、R4及η 的值，可以得到与温度无关的输入电压
[0047]

【权利要求】
1. 一种高工作稳定性的数模混合电路基准源，该数模混合电路包括集成在PCB上的电 源电路部分、模拟电路部分和数字电路部分；该数字电路和该模拟电路物理隔离，且该模拟 电路地和该数字电路地分割在不同区域的地层，其特征在于，该数模混合电路基准源包括 电源切换模块、带隙基准源及低压差线性稳压源；电源切换模块一输入端接入外部电源，输 出端接带隙基准源输入端；带隙基准源输出端接低压差线性稳压源输入端；低压差线性稳 压源输出端反馈接入电源切换模块另一输入端；带隙基准源和低压差线性稳压源分别向电 源切换模块提供使能信号，用以电源切换模块在逻辑判断后切换供电模式，给带隙基准源 提供外部电源电压或低压差线性稳压源电压；该带隙基准源具有带隙基准源单元、带隙基 准源的启动单元和带隙基准源的放大单元，带隙基准源的启动单元可以使带隙基准源单元 的自启动，带隙基准源的放大单元可使带隙基准源单元的两个输入节点电平保持相等。
2. 如权利要求1所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，带隙基准 源的启动单元包括由PMOS管MSA、PMOS管MSB、PMOS管MSC构成的开启电路；PMOS管MSA 的源极接电源，PMOS管MSA的漏极接NMOS管MSC的漏极和NMOS管MSB的栅极，MOS管MSA 的栅极、NMOS管MSC的源极和NMOS管MSB的源极接地，NMOS管MSB的漏极、NMOS管MSC的 栅极分别接至带隙基准源的放大单元。
3. 如权利要求2所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，带隙基准 源的启动单元设置有反相电路，NMOS管MSB的漏极、NMOS管MSC的栅极通过该反相电路接 至该带隙基准源的放大单元。
4. 如权利要求1所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，带隙基准 源的放大单元包括 PMOS 管 MA1、PM0S 管 MA2、PM0S 管 MA5、PM0S 管 MA7 和 NMOS 管 MA3、NM0S 管MA4、NMOS管MA6 ;PM0S管MA1的栅极和PMOS管MA2的栅极分别接带隙基准源模块的 对应输入端，PMOS管MA1的源极和PMOS管M2的源极共同接PMOS管MA5的漏极，PMOS管 MA5的源极接电源，PMOS管MA5的栅极接至带隙基准源的自启动模块，PMOS管MA1的漏极 与NMOS管MA3的漏极、NMOS管MA3的栅极和NMOS管MA4的栅极连接，NMOS管MA3的源极 和NMOS管MA4的源极接地，构成第一级放大电路；NMOS管MA6的栅极接NMOS管MA4的漏 极，NMOS管MA6的栅极与M0S管MA6的漏极之间接电容Cc，PMOS管MA7的漏极连接NMOS管 MA6的漏极，PMOS管MA7源极接电源，PMOS管MA7的栅极接PMOS管MA5的衬底，构成第二 级放大电路。
5. 如权利要求1所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，电源切换 模块包括逻辑判断级电路和开关级电路；逻辑判断级电路分别接入带隙基准源输出使能 信号和低压差线性稳压源输出使能信号，根据相应逻辑输出电源转换开关信号；开关级电 路根据电源转换开关信号相应导通或截止，用以选择性地接入外部电源或低压差线性稳压 源。
6. 如权利要求5所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，逻辑判断 级电路包括与非门及输出反相器，其中：与非门对带隙基准源输出使能信号与低压差线性 稳压源输出使能信号做出逻辑判断，输出电源转换开关信号；输出反相器对电源转换开关 信号反相后输出至开关级电路。
7. 如权利要求5所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，开关级电 路接有保护级器件；该保护级器件构成多个钳位电路，用以使电源转换开关信号电压及低 压差线性稳压源输出电压的波形顶部/底部保持在预设的直流电平范围内。
8. 如权利要求1所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，低压差线 性稳压源包括误差放大电路、功率级输出电路，功率级输出电路的输出端负反馈接至误差 放大电路的正相输入端，误差放大电路的负相输入端接入基准电压。
9. 如权利要求8所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，拓增带宽 电路包括恒流源IB_1、恒流源IB_2、MOS管M27、MOS管M28及电阻R11，其中：恒流源IB_1 的一端接外部电源正端，另一端接MOS管M28的漏极，且MOS管M28的漏极与MOS管M27的 栅极连接；恒流源IB_2的一端接地，另一端接MOS管M27的漏极，且MOS管M27的漏极与功 率级输出电路的输入端连接；MOS管M27的栅极通过电阻Rl 1与MOS管M27的漏极连接，MOS 管M27的源极接电源正端；MOS管M28的栅极连接误差放大电路的输出端，MOS管M28的源 极接地。
10. 如权利要求8所述的高工作稳定性的数模混合电路基准源，其特征在于，功率级输 出电路包括P型功率MOS管MP、分压网络及外部补偿用的电容Cout，其中：P型功率MOS管 MP的栅极接拓增带宽电路的输出端，源极接外部电源正端，漏极接至稳压输出端并通过分 压网络接地；电容Cout接于P型功率M0S管MP的漏极和地之间，用以对输出电压稳压滤 波。
【文档编号】G05F1/56GK104090619SQ201410344106
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】周磊 申请人:周国文