本發(fā)明屬于電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)電阻式基準(zhǔn)源電路的設(shè)計(jì)，具有低壓、低功耗、高電源抑制比psrr的特性。

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(xiàn)性穩(wěn)壓器、開(kāi)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(lái)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，并且該電壓值并不會(huì)隨著工藝的改進(jìn)而發(fā)生較多的降低，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，會(huì)增加芯片的設(shè)計(jì)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中基準(zhǔn)源普遍存在的功耗高、電源抑制比低等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種無(wú)電阻式基準(zhǔn)源，基于亞閾值mosfet產(chǎn)生的超低功耗亞閾值基準(zhǔn)源具有納瓦量級(jí)功耗以及寬頻范圍高電源抑制比psrr特性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種無(wú)電阻式基準(zhǔn)源，其特征在于，包括：

啟動(dòng)電路，在電源建立時(shí)使所述基準(zhǔn)源脫離零狀態(tài)，在啟動(dòng)完成后退出；

基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，利用不同負(fù)溫系數(shù)的閾值電壓產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓vref；

偏置電流產(chǎn)生電路，受所述啟動(dòng)電路使能產(chǎn)生具有正溫特性的電流并作為所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的偏置電流；

所述偏置電流產(chǎn)生電路包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第一pmos管mp1和第二pmos管mp2，

第一nmos管mn1的柵極連接第二nmos管mn2的柵極、第一nmos管mn1和第一pmos管mp1的漏極并作為所述偏置電流產(chǎn)生電路的控制端連接所述啟動(dòng)電路的輸出端；第二pmos管mp2的柵極連接第一pmos管mp1的柵極、第二pmos管mp2和第二nmos管mn2的漏極并作為所述偏置電流產(chǎn)生電路的輸出端輸出所述偏置電流；第三nmos管mn3的柵漏短接并連接第二nmos管mn2的源極；第一pmos管mp1和第二pmos管mp2的源極接電源電壓vcc，第一nmos管mn1和第三nmos管mn3的源極接地gnd；

所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括第三pmos管mp3和第四pmos管mp4，

第三pmos管mp3的柵極連接所述偏置電流，其漏極連接第四pmos管mp4的源極并作為所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出端輸出所述基準(zhǔn)電壓vref，第三pmos管mp3的源極接電源電壓vcc，第四pmos管mp4的漏極和柵極接地gnd。

具體的，所述啟動(dòng)電路包括第四nmos管mn4、第五pmos管mp5和第六pmos管mp6，

第六pmos管mp6的柵極接第五pmos管mp5的漏極和第四nmos管mn4的柵極，其漏極作為所述啟動(dòng)電路的輸出端，第五pmos管mp5和第六pmos管mp6的源極接電源電壓vcc，第四nmos管mn4的漏極和源極以及第五pmos管mp5的柵極接地gnd。

具體的，所述第二nmos管mn2和第三nmos管mn3的寬長(zhǎng)比相等。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供的基準(zhǔn)源可以得到溫度特性較好的基準(zhǔn)電壓vref，在傳統(tǒng)亞閾值基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上減少了基準(zhǔn)電路支路來(lái)降低基準(zhǔn)電路的功耗以及提升基準(zhǔn)電壓的電源抑制比，本發(fā)明提供的基準(zhǔn)源可以將整個(gè)電路功耗降到幾個(gè)nw，同時(shí)最小供電電壓可以降到0.5v以下；另外電路結(jié)構(gòu)中沒(méi)有使用電阻，且適用于寬輸入范圍。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提出的無(wú)電阻式基準(zhǔn)源的一種電路實(shí)現(xiàn)圖；

圖2為本發(fā)明提出基準(zhǔn)電路的電源抑制比psrr模型圖。

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(wú)電阻式基準(zhǔn)電路圖如圖1所示，包括啟動(dòng)電路，偏置電流產(chǎn)生電路和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。啟動(dòng)電路在電源建立的時(shí)候使得整個(gè)基準(zhǔn)源電路脫離零狀態(tài)，啟動(dòng)完成之后退出，基準(zhǔn)源電路可以正常工作；偏置電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生具有正溫特性的電流作為基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的偏置電流；基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路利用不同負(fù)溫系數(shù)的閾值電壓得到最終的基準(zhǔn)電壓vref。

偏置電流產(chǎn)生電路包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第一pmos管mp1和第二pmos管mp2，第一nmos管mn1的柵極連接第二nmos管mn2的柵極、第一nmos管mn1第一pmos管mp1的漏極并連接作為所述偏置電流產(chǎn)生電路的控制端連接所述啟動(dòng)電路的輸出端；第二pmos管mp2的柵極連接第一pmos管mp1的柵極、第二pmos管mp2和第三nmos管的漏極并作為所述偏置電流產(chǎn)生電路的輸出端輸出所述偏置電流；第三nmos管mn3的柵漏短接并連接第二nmos管mn2的源極；第一pmos管mp1和第二pmos管mp2的源極接電源電壓vcc，第一nmos管mn1和第三nmos管mn3的源極接地gnd。

基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括第三pmos管mp3和第四pmos管mp4，第三pmos管mp3的柵極連接所述偏置電流，第四pmos管mp4的源極連接第五pmos管的漏極并作為所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出端輸出基準(zhǔn)電壓vref，第三pmos管mp3的源極接電源電壓vcc，第四pmos管mp4的漏極和柵極接地gnd。

其中第二pmos管mp2和第一pmos管mp1形成電流鏡，其鏡像比為1：k1；第二pmos管mp2和第三pmos管mp3構(gòu)成電流鏡，其鏡像比為1：k2。

本實(shí)施例中的啟動(dòng)電路包括第四nmos管mn4、第五pmos管mp5和第六pmos管mp6，第六pmos管mp6的柵極接第五pmos管mp5的漏極和第四nmos管mn4的柵極，其漏極作為所述啟動(dòng)電路的輸出端，第五pmos管mp5和第六pmos管mp6的源極接電源電壓vcc，第四nmos管mn4的漏極和源極以及第五pmos管mp5的柵極接地gnd。其中第四nmos管mn4作為啟動(dòng)電容使用

啟動(dòng)電路在電路初始化時(shí)，第五pmos管mp5的柵極接地，第四nmos管mn4作為啟動(dòng)電容，第五pmos管mp5向第四nmos管mn4充電，此時(shí)第四nmos管mn4的柵極即第六pmos管mp6的柵極電位為低，第六pmos管mp6導(dǎo)通，第六pmos管mp6產(chǎn)生的電流使得第一nmos管mn1和第二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)啟動(dòng)電容即第四nmos管mn4充電完成時(shí)，第六pmos管mp6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。正溫電流產(chǎn)生部分利用工作于亞閾值區(qū)的第一nmos管mn1、第二nmos管mn2和第三nmos管mn3產(chǎn)生具有正溫特性的電流，該電流作為基準(zhǔn)產(chǎn)生部分第三pmos管mp3和第四pmos管mp4的偏置電流。

偏置電流產(chǎn)生電路和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)是本發(fā)明的關(guān)鍵所在，下面通過(guò)電路的工作過(guò)程結(jié)合實(shí)際線(xiàn)路圖進(jìn)行詳細(xì)分析。

第一nmos管mn1、第二nmos管mn2和第三nmos管mn3工作于亞閾值區(qū)，nmos管亞閾值區(qū)電流表達(dá)式為：

其中，μn為nmos管遷移率，cox為單位面積柵氧化層電容，s為相應(yīng)nmos管的寬長(zhǎng)比，m為nmos管亞閾值斜率因子，vgs為nmos管的柵源電壓，vds為nmos管的漏源電壓，vt為熱電壓，vthn為nmos管的閾值電壓。

當(dāng)vds大于4vt時(shí)，則vds對(duì)處于亞閾值區(qū)的nmos的電流影響很小可以忽略。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，所有處于亞閾值區(qū)的漏源電壓都滿(mǎn)足此條件。由此可列第一nmos管mn1、第二nmos管mn2和第三nmos管mn3管上電流電壓關(guān)系式為：

第二nmos管mn2和第三nmos管mn3上電流相等，且其寬長(zhǎng)比一致，因此第二nmos管mn2的柵源電壓和第三nmos管mn3的柵源電壓相同為第一nmos管mn1柵源電壓一半。第一nmos管mn1上電流是第二nmos管mn2上電流的k1倍，由此可得第一nmos管mn1柵源電壓表達(dá)式為：

將第二nmos管mn2或者第三nmos管mn3的柵源電壓代入其電流電壓關(guān)系式可得單位偏置電流表達(dá)式為：

化簡(jiǎn)可得：

其中a、b與溫度無(wú)關(guān)，其具體表達(dá)式為：

其中μn0為nmos管遷移率與溫度無(wú)關(guān)系數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，q為庫(kù)侖電荷，n1為nmos管遷移率溫度冪指數(shù)系數(shù)。指數(shù)項(xiàng)內(nèi)閾值電壓vthn具有負(fù)溫系數(shù)，vt以及m具有正溫特性，由以上公式可以看出指數(shù)項(xiàng)內(nèi)具有正溫特性且隨著溫度升高正溫特性會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。同樣偏置電流隨著溫度升高，其正溫特性會(huì)增強(qiáng)。

偏置電流經(jīng)電流鏡鏡像后k2id作為第三pmos管mp3和第四pmos管mp4的漏極電流，第三pmos管mp3和第四pmos管mp4工作于亞閾值區(qū)，可列出第四pmos管mp4上電流和其柵源電壓的表達(dá)式為：

由此可得基準(zhǔn)電壓vref的表達(dá)式為：

優(yōu)選的，選擇閾值電壓負(fù)溫系數(shù)較大的pmos管和負(fù)溫系數(shù)較小的nmos管，本實(shí)施例中第四pmso管mp4選取高閾值電壓的pmos管，由pmos管和nmos管閾值電壓之差可以得到基準(zhǔn)電壓中的負(fù)溫電壓，正溫電壓由熱電壓、亞閾值斜率因子以及相關(guān)mos管寬長(zhǎng)比決定，由此可得到溫度特性較好的基準(zhǔn)電壓vref。

較低供電電壓低功耗也是本發(fā)明的關(guān)鍵之處，本實(shí)施例中的電路正常工作時(shí)，只有三條通路消耗電流，并且所有器件工作于亞閾值區(qū)，本結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)源可以將整個(gè)電路功耗降到幾個(gè)nw；同時(shí)本架構(gòu)的基準(zhǔn)源最小供電電壓主要由偏置電流產(chǎn)生電路決定，為了保證處于亞閾值區(qū)mos管的電流只與柵源電壓有關(guān)，與漏源電壓無(wú)關(guān)，因此所有mos管的漏源電壓大于4vt，由此可知最小供電電壓可以降到0.5v以下。

同時(shí)，高電源抑制比psrr也是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)，如圖2所示為本架構(gòu)電源抑制比psrr模型圖。由圖可得節(jié)點(diǎn)a和b的表達(dá)式為：

va＝vcc-vb

其中，ro為mos管輸出電阻，由以上聯(lián)立可得節(jié)點(diǎn)b與vcc的關(guān)系為：

vref由第五條通路和第六條通路決定，所以可得：

vref＝av,path5vb+av,path6vcc

由第五條通路可得節(jié)點(diǎn)b對(duì)基準(zhǔn)電壓影響為

同理由第六條通路可得：

處于亞閾值區(qū)mos管的跨導(dǎo)為：

由此可得由通路5和6決定vcc對(duì)vref的影響，增益為：

av,path6＝1

所以

由亞閾值gm和ro公式可得：

當(dāng)vds遠(yuǎn)大于vt時(shí)，指數(shù)項(xiàng)非常大；所以vcc的變化對(duì)基準(zhǔn)電壓vref影響很小，該架構(gòu)具有較好的電源抑制比。高頻時(shí)由于寄生電容等影響，基準(zhǔn)電壓的電源抑制比psrr會(huì)有所降低，可通過(guò)外掛電容等方式提升高頻時(shí)基準(zhǔn)電壓的電源抑制比psrr。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)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)。