本發(fā)明屬于電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無電阻式高精度低功耗基準(zhǔn)源電路的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

基準(zhǔn)源作為電子系統(tǒng)的核心模塊，是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)、線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器、溫度傳感器、充電電池保護(hù)芯片和通信電路等眾多電路中不可缺少的部分，為電路提供精確、穩(wěn)定的參考信號(hào)源。

隨著電子系統(tǒng)，尤其是電池供電或者自供電系統(tǒng)，譬如環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)，能量收集系統(tǒng)，生物電子系統(tǒng)等，對(duì)低壓低功耗要求的日益迫切，降低基準(zhǔn)源功耗且保持基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性受到了越來越多的關(guān)注。由于傳統(tǒng)帶隙結(jié)構(gòu)所得到的基準(zhǔn)輸出電壓為1.2v左右，要求基準(zhǔn)源的最低供電電壓至少在1.5v左右，限制了基準(zhǔn)源的應(yīng)用范圍；另外電阻的使用會(huì)增加芯片的面積，從而增加芯片的設(shè)計(jì)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有基準(zhǔn)源功耗與性能之間的制約關(guān)系，尤其是低功耗下無法滿足高精度以及高電源抑制比需求。本文提出一種無電阻高精度低功耗基準(zhǔn)源，在納瓦級(jí)功耗下，構(gòu)建了高階補(bǔ)償無電阻基準(zhǔn)源，其電源抑制比得到提升，實(shí)現(xiàn)了高精度基準(zhǔn)源輸出。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種無電阻式高精度低功耗基準(zhǔn)源，包括啟動(dòng)電路、偏置電流產(chǎn)生電路、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、高階補(bǔ)償電路和低通濾波電路，所述啟動(dòng)電路的輸出端連接所述偏置電流產(chǎn)生電路的控制端，所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出端通過低通濾波電路后輸出基準(zhǔn)電壓vref；

所述偏置電流產(chǎn)生電路包括第二nmos管mn2、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5、第三pmos管mp3和第四pmos管mp4，

第三pmos管mp3的漏極作為所述偏置電流產(chǎn)生電路的控制端，其柵極接第四pmos管mp4的柵極和漏極以及第四nmos管mn4的漏極；

第四nmos管mn4的柵極連接第二nmos管mn2的柵極和漏極，其源極連接第五nmos管mn5的柵極和漏極；

第三pmos管mp3和第四pmos管mp4的源極接電源電壓vdd，第二nmos管mn2和第五nmos管mn5的源極接地gnd；

所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括第六nmos管mn6、第五pmos管mp5和第一三極管q1，

第五pmos管mp5的柵極連接所述偏置電流產(chǎn)生電路中第三pmos管mp3的柵極，其源極接電源電壓vdd，其漏極連接第六nmos管mn6的柵極和漏極并作為所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出端；第一三極管q1的發(fā)射極連接第六nmos管mn6的源極，其基極和集電極接地gnd；

所述高階補(bǔ)償電路包括第三nmos管mn3、第七nmos管mn7和第八nmos管mn8，

第三nmos管mn3的柵漏短接并連接第七nmos管mn7的柵極和所述啟動(dòng)電路的輸出端，其源極連接所述偏置電流產(chǎn)生電路中第二nmos管mn2的柵極；第八nmos管mn8的柵漏短接并連接所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出端，其源極連接第七nmos管mn7的漏極；第七nmos管mn7的源極連接所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中第六nmos管mn6的源極。

具體的，所述啟動(dòng)電路包括第一nmos管mn1、第一pmos管mp1和第二pmos管mp2，

第二pmos管mp2的柵極連接第一nmos管mn1的柵極和第一pmos管mp1的漏極，其漏極作為所述啟動(dòng)電路的輸出端；

第一pmos管mp1和第二pmos管mp2的源極接電源電壓vdd，第一nmos管mn1的漏極和源極以及第一pmos管mp1的柵極接地gnd。

具體的，所述低通濾波電路包括第九nmos管mn9和第十nmos管mn10，

第九nmos管mn9的漏極連接所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出端，其柵極連接其源極和第十nmos管mn10的柵極并輸出所述基準(zhǔn)電壓vref，第十nmos管mn10的源極和漏極接地gnd。

具體的，所述第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5、第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第十nmos管mn10、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4和第五pmos管mp5工作在亞閾值區(qū)。

本發(fā)明的工作原理為：

啟動(dòng)電路在電路初始化階段使得偏置電流產(chǎn)生電路的相關(guān)信號(hào)正常工作，從而產(chǎn)生偏置電流，使得基準(zhǔn)電路能夠正常工作。

偏置電流產(chǎn)生電路主要產(chǎn)生基準(zhǔn)電路的偏置電流，作為基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的偏置電流，同時(shí)也作為高階補(bǔ)償電路的偏置電壓，產(chǎn)生的偏置電流可以實(shí)現(xiàn)高階補(bǔ)償和自偏置需求。

基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生部分和負(fù)溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生部分，其中負(fù)溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生部分利用偏置電流作為bjt的集電極電流，得到的負(fù)溫度系數(shù)電壓vctat相對(duì)于傳統(tǒng)vbe，引入了正溫項(xiàng)，大大降低了vbe的負(fù)溫特性。正溫度系數(shù)電壓vptat和負(fù)溫度系數(shù)電壓vctat疊加得到基準(zhǔn)電壓。

另外該基準(zhǔn)電路引入了高階補(bǔ)償電路，以得到溫度特性更好的基準(zhǔn)電壓。輸出部分增加低通濾波電路用來提高基準(zhǔn)電路的電源抑制比psrr。

本發(fā)明的有益效果：在傳統(tǒng)亞閾值基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了高階補(bǔ)償電路，在不增加功耗的前提下提高了基準(zhǔn)電壓的溫度特性；采用bjt產(chǎn)生負(fù)溫電壓來減小工藝上的漂移，同時(shí)采用由mos管組成的rc濾波器來提高整個(gè)基準(zhǔn)模塊的電源抑制比，產(chǎn)生高精度基準(zhǔn)電壓；實(shí)現(xiàn)了納瓦級(jí)功耗，電路中沒有電阻，減小了芯片面積，降低了芯片的設(shè)計(jì)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的低壓低功耗無電阻式高精度基準(zhǔn)源等效架構(gòu)圖。

圖2是實(shí)施例中的低壓低功耗無電阻式高精度基準(zhǔn)源的一種實(shí)現(xiàn)電路圖。

mp1、mp2、mp3、mp4、mp5為pmos(p-metal-oxide-semiconductor)管；mn1、mn2、mn3、mn4、mn5、mn6、mn7、mn8、mn9、mn10為nmos(n-metal-oxide-semiconductor)管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。

本發(fā)明提出的無電阻式高精度基準(zhǔn)源電路圖如圖2所示，包括啟動(dòng)電路、偏置電流產(chǎn)生電路、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、高階補(bǔ)償電路和低通濾波電路，本實(shí)施例中的啟動(dòng)電路包括第一nmos管mn1、第一pmos管mp1和第二pmos管mp2，第二pmos管mp2的柵極連接第一nmos管mn1的柵極和第一pmos管mp1的漏極，其漏極作為所述啟動(dòng)電路的輸出端；第一pmos管mp1和第二pmos管mp2的源極接電源電壓vdd，第一nmos管mn1的漏極和源極以及第一pmos管mp1的柵極接地gnd。

啟動(dòng)支路在電路初始化時(shí)，第一pmos管mp1的柵極接地，第一pmos管mp1向第一nmos管mn1充電，第一nmos管mn1作為啟動(dòng)電容使用，此時(shí)第一nmos管mn1的柵極即第二pmos管mp2的柵極電位為低，第二pmos管mp2導(dǎo)通，第二pmos管mp2產(chǎn)生的電流使得第二nmos管mn2的柵極電位抬高，偏置電流產(chǎn)生部分正常建立，整個(gè)基準(zhǔn)電路正常工作；當(dāng)nmos電容即第一nmos管mn1充電完成時(shí)，第二pmos管mp2的柵極電位被拉高，該管關(guān)斷，啟動(dòng)支路退出，基準(zhǔn)電路正常工作。

偏置電流產(chǎn)生電路包括第三pmos管mp3、第四pmos管mp4、第二nmos管mn2、第四nmos管mn4和第五nmos管mn5，利用工作于亞閾值區(qū)的第二nmos管mn2、第四nmos管mn4和第五nmos管mn5產(chǎn)生具有正溫特性的電流，該電流作為基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中第五pmos管mp5、第六nmos管mn6以及第一三極管q1的偏置電流。第二nmos管mn2管的柵源電壓經(jīng)第四nmos管mn4和第五nmos管mn5平分，第四nmos管mn4和第五nmos管mn5產(chǎn)生電流作為第四pmos管mp4的漏極電流。

以下具體推導(dǎo)偏置電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生的偏置電流以及第二nmos管mn2、第四nmos管mn4和第五nmos管mn5柵極電位的溫度特性。當(dāng)基準(zhǔn)建立完成時(shí)，第二nmos管mn2的柵極和漏極電位為高，第四nmos管mn4和第五nmos管mn5產(chǎn)生電流id1，id1經(jīng)第四pmos管mp4鏡像為第二nmos管mn2提供偏置電流為id2?；鶞?zhǔn)電路所有mos管都工作于亞閾值區(qū)，由第二nmos管mn2、第四nmos管mn4和第五nmos管mn5亞閾值區(qū)電流公式可得：

其中，vth為閾值電壓，vt為熱電壓，m為亞閾值斜率因子，id2＝k1id1，k1為第三pmos管mp3和第四pmos管mp4的鏡像比，第二nmos管mn2的柵極電位為vg，第五nmos管mn5的柵極電位為vg1，smni為晶體管mni的寬長(zhǎng)比，isq為寬長(zhǎng)比為1/1的單位晶體管的亞閾區(qū)飽和電流。

考慮到第二nmos管mn2工作于亞閾值區(qū)，其柵極電位vg電位較低，第五nmos管mn5的柵極電位vg1更低，則第五nmos管mn5的漏源電壓vds_mn5可能會(huì)小于4vt，因此在第五nmos管mn5的漏極電流公式里面包含vds_mn5的影響。

在標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝中，nmos管襯底電位一般接地，第四nmos管mn4襯偏的影響使得其閾值電壓與第五nmos管mn5不相等?？紤]第四nmos管mn4襯偏的影響，結(jié)合公式(1)和(3)可得：

其中為費(fèi)米勢(shì)，γ為體效應(yīng)因子。

整理可得第五nmos管mn5的柵極電位vg1、第二nmos管mn2的柵極電位vg的表達(dá)式：

由公式(5)可得，第五nmos管mn5的柵極電位vg1為與絕對(duì)溫度成正比的電壓(ptat電壓)，其溫度系數(shù)與第二nmos管mn2和第四nmos管mn4的寬長(zhǎng)比以及鏡像比k1有關(guān)。第二nmos管mn2的柵極電位vg也為與絕對(duì)溫度成正比的電壓(ptat電壓)，其溫度系數(shù)不僅與mos管、k1相關(guān)，其正溫特性也與亞閾值斜率因子m相關(guān)，因此，第二nmos管mn2的柵極電位vg的正溫特性應(yīng)該比第五nmos管mn5的柵極電位vg1受溫度影響大。

將公式(5)、(6)代入公式(2)得到基準(zhǔn)偏置電流id1：

將與溫度無關(guān)項(xiàng)提出，化簡(jiǎn)可得：

其中，系數(shù)a、b與溫度無關(guān)，與第二nmos管mn2、第四nmos管mn4和第五nmos管mn5的尺寸有關(guān)(大于0)。n1為mos管遷移率溫度冪次項(xiàng)系數(shù)，小于2；vth具有負(fù)溫特性，其負(fù)溫性遠(yuǎn)大于mvt的正溫特性，指數(shù)項(xiàng)內(nèi)整體表現(xiàn)為正溫特性；因此，基準(zhǔn)電路的偏置電流id1具有正溫特性。

基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生部分和負(fù)溫度電壓產(chǎn)生部分，正溫度系數(shù)電壓vptat由第六nmos管mn6產(chǎn)生，第六nmos管mn6的漏極電流由偏置電流經(jīng)第五pmos管mp5鏡像提供，鏡像比為k2。第六nmos管mn6工作于亞閾值區(qū)，由此可得該管柵源電壓表達(dá)式為：

將式(8)中偏置電流id1代入上式可得：

若忽略第六nmos管mn6襯偏的影響，該基準(zhǔn)電路中正溫度系數(shù)電壓vptat的表達(dá)式為：

由公式(11)可知，若不考慮亞閾值斜率因子m的影響，該正溫度系數(shù)電壓vptat的正溫特性與第二nmos管mn2、第五nmos管mn5、第四nmos管mn4和鏡像比k1相關(guān)。由于亞閾值斜率因子m具有正溫特性，尤其在高溫時(shí)，正溫特性急劇增加。因此，該正溫度系數(shù)電壓vptat的正溫性可能會(huì)隨溫度增加而增加。

負(fù)溫度系數(shù)電壓vctat由bjt即第一三極管q1的be結(jié)產(chǎn)生，bjt的集電極電流由偏置電流經(jīng)第五pmos管mp5鏡像提供，鏡像比為k2。由此可得vbe即負(fù)溫度系數(shù)電壓vctat為：

其中is為bjt反向飽和電流，c為與溫度無關(guān)的常數(shù)。

將公式(12)展開可得：

其中tr為參考溫度，βth為閾值電壓溫度系數(shù)，vth0為0k時(shí)的閾值電壓值，n2為體內(nèi)遷移率溫度冪次，vg為半導(dǎo)體禁帶寬度。

由公式(13)可知，bjt的偏置電流為k2id1時(shí)，負(fù)溫度系數(shù)電壓vctat加入正溫項(xiàng)(a、b、βth)，使得負(fù)溫度系數(shù)電壓vctat的負(fù)溫特性降低。另一方面，與傳統(tǒng)bjt產(chǎn)生的負(fù)溫度系數(shù)電壓相比，該負(fù)溫度系數(shù)電壓vctat減去vth0，使得該bjt所需的供電電壓減小。

高階補(bǔ)償電路包括第三nmos管mn3、第七nmos管mn7和第八nmos管mn8，用來修正正溫度系數(shù)電壓vptat以提高基準(zhǔn)電壓的溫度特性。由于偏置電流具有正溫特性，第二nmos管mn2的柵極電位為與絕對(duì)溫度成正比的電壓，因此，第三nmos管mn3(工作于亞閾值區(qū))的柵(漏)極電壓具有正溫特性。溫度升高，第三nmos管mn3的柵源電壓增加，當(dāng)超過第七nmos管mn7的閾值電壓時(shí)，第七nmos管mn7管導(dǎo)通，則第八nmos管mn8導(dǎo)通，高階補(bǔ)償加入。高階補(bǔ)償加入，相當(dāng)于第六nmos管mn6的寬長(zhǎng)比增加，則正溫度系數(shù)電壓vptat的正溫特性減弱。

本實(shí)施例中的低通濾波電路包括第九nmos管mn9和第十nmos管mn10，第九nmos管mn9的漏極連接所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出端，其柵極連接其源極和第十nmos管mn10的源極并輸出所述基準(zhǔn)電壓vref，第十nmos管mn10的源極和漏極接地gnd。

第九nmos管mn9工作于截止區(qū)相當(dāng)于電阻，第十nmos管mn10作為mos電容使用相當(dāng)于電容，因此，組成rc低通濾波器。增加低通濾波電路可以提高基準(zhǔn)電壓在較高頻處的電源抑制比(psrr)。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。