CN110647206A - 一种提高电源电压波动上限的带隙基准电压源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高电源电压波动上限的带隙基准电压源,包括MOS管M1‑14、三极管Q1‑Q5、电阻R1‑R2。本发明采用了三级共源共栅电流镜技术，并且改进了栅极偏置的提供方式，最大程度上的增大了带隙基准电路支持的电源电压范围，极大的增加了电路的使用寿命，扩大了电路的使用环境，使其可以灵活的集成到各种集成电路芯片中。

Description

一种提高电源电压波动上限的带隙基准电压源
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种提高电源电压波动上限的带隙基准电压源。
背景技术
带隙基准电路广泛应用于模拟电路、数字电路以及数模混合电路中，使带隙基准电压源能够正常工作的电源电压范围对整个***的性能以及使用寿命起着至关重要的影响。
通常的带隙基准电压由PTAT电压(Proportional to Absolute TemperatureVoltage)和CTAT电压(Complementary to Absolute Temperature Voltage)两部分组成，如图1所示。CTAT电压可以通过BJT管来获得，而PTAT电压可以通过偏置在不同电流密度下BJT管的两个VBE之差来实现。BJT管△VBE关系式如下：
ΔV_BE＝V_BE1-V_BE2＝V_T ln(I_C2/I_C1) (1)
用△VBE除以电阻R就可以得到一个PTAT电流源：
I_PTAT＝(ΔV_BE)/R＝KT/qR ln(I_C2/I_C1) (2)
而一个BJT管的VBE与绝对温度T之间的关系可以用式(3)表示：
V_BE＝V_G(T_r)+T/T_r×[V_BE(T_r)-V_G(T_r)]-(n-1)kT/q ln(T/T_r) (3)
V_G(T_r)是半导体材料在参考温度下的带隙基准电压；q是一个电子的电荷；n是工艺常数；k是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；I_C是集电极电流；V_BE(T_r)是在参考温度下的基极和发射极压差。式(3)中的最后的高阶项很小，可以忽略，这就得到了所需的CTAT电压。因此，基准的输出电压可以用式(4)来表示：
V_BER＝V_BE+KΔV_BE (4)
由于CTAT电压VBE具有负温度系数，而PTAT电压△VBE具有正温度系数，因此K只要选择合适，就可以使V_BER的温度系数为零。
对能够正常工作的电源电压范围而言，通常采用经典的一阶电压模带隙基准电路。如图2所示，M1,M2,M4,M5组成一级共源共栅电流镜来控制Q1和Q2电流相等从而产生正温电流，所以可以分别算出它的电源电压范围下限和上限：
VDD下限：VDD下＝VTH+Vdsat+VBE，其中VTH为MOS管的阈值电压，Vdsat为MOS管的过驱动电压。
VDD下限：我们知道，当电源电压增大x时，M2和M4的过驱动电压也增大x，M2和M4的电流也略微增大，本领域中通常认为当电流变化的误差在2％以内时可以认为没有变化。所以可以假设引起这个电流误差的最大过驱动电压增量为Vmax,此时的电源电压即为上限，VDD上＝VTH+Vdsat+Vmax+VBE。
这样就可以得到图2这个经典的一阶带隙基准的电源电压范围为：
VTH+Vdsat+VBE<VDD<VTH+Vdsat+Vmax+VBE
可以看出采用简单的一级共源共栅电流镜结构，电源电压波动范围的上限受到限制不能做到很大从而限制了其整个波动范围。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种具有高频限制功能的脉冲调制电路，旨在解决传统的一级共源共栅电流镜结构的电源电压波动范围的上限受到限制不能做到很大从而限制了其整个波动范围的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种提高电源电压波动上限的带隙基准电压源，包括MOS管M1-14、三极管Q1-Q5、电阻R1-R2；
三极管的漏极和栅极相互连接在一起并与GND连接，
M1的栅极和M2的栅极相连，M1的漏极和M2的漏极分别与M3的漏极和M4的漏极相连，M3的源极和M4的源极分别与M5的漏极和M6的漏极相连；M5的栅极和M6的栅极相连，M5的源极和M6的源极分别与M7的漏极和M8的漏极相连；M7的栅极和M8的栅极相连；M7的源极通过电阻R1与Q1的源极连接，M8的源极与Q2的源极连接；
M3的栅极与M12的栅极连接，M12的漏极与M11的漏极连接，M11的栅极与M7的栅极和M6的漏极连接，M11的源极和Q4的源极连接；
M2的栅极和M13的栅极连接，M13的漏极与M14的漏极连接，M14的栅极与M4的栅极连接，M14的源极通过R2与Q5的源极连接，M14的源极与Vref连接；
M1的栅极与M9的栅极连接，M9的漏极与M10的漏极连接，M10的漏极分别与M9的源极、M10的栅极、M5的栅极连接，M10的源极与Q3的源极连接；
M9、M1、M2、M13的相连后与Vdd连接。
进一步地，M1-M4为PMOS管,M5-M8为NMOS管。
进一步地，提高电源电压波动上限的带隙基准电压源支持的电源电压范围为2.5-5.5V。
进一步地，M12和M10分别为M3、M4和M5、M6的栅极提供电压偏置。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
本发明采用了三级共源共栅电流镜技术，并且改进了栅极偏置的提供方式，最大程度上的增大了带隙基准电路支持的电源电压范围，极大的增加了电路的使用寿命，扩大了电路的使用环境，使其可以灵活的集成到各种集成电路芯片中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为带隙基准原理的电路结构示意图。
图2为经典的一阶电压模带隙基准电路的结构示意图。
图3为本发明一种提高电源电压波动上限的带隙基准电压源的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
如图3所示，一种提高电源电压波动上限的带隙基准电压源，包括MOS管M1-14、三极管Q1-Q5、电阻R1-R2；
三极管的漏极和栅极相互连接在一起并与GND连接，
M1的栅极和M2的栅极相连，M1的漏极和M2的漏极分别与M3的漏极和M4的漏极相连，M3的源极和M4的源极分别与M5的漏极和M6的漏极相连；M5的栅极和M6的栅极相连，M5的源极和M6的源极分别与M7的漏极和M8的漏极相连；M7的栅极和M8的栅极相连；M7的源极通过电阻R1与Q1的源极连接，M8的源极与Q2的源极连接；
M3的栅极与M12的栅极连接，M12的漏极与M11的漏极连接，M11的栅极与M7的栅极和M6的漏极连接，M11的源极和Q4的源极连接；
M2的栅极和M13的栅极连接，M13的漏极与M14的漏极连接，M14的栅极与M4的栅极连接，M14的源极通过R2与Q5的源极连接，M14的源极与Vref连接；
M1的栅极与M9的栅极连接，M9的漏极与M10的漏极连接，M10的漏极分别与M9的源极、M10的栅极、M5的栅极连接，M10的源极与Q3的源极连接；
M9、M1、M2、M13的相连后与Vdd连接。
其中，M1-M4为PMOS管,M5-M8为NMOS管。
M12和M10分别为M3、M4和M5、M6的栅极提供电压偏置。
本实施例提高电源电压波动上限的带隙基准电压源支持的电源电压范围为2.5-5.5V。
本实施例电路结构的电源电压波动上限这样计算，通过经典的一阶带隙基准的电源电压范围的推导我们已经知道要得到电路的电源电压范围上限，就需要推算出引起最大电流误差的过驱动电压增量Vmax。由图3可知，当电源电压增大x时，M7、M5的过驱动电压和相应的增大x，同理对另一条支路M2、M4的过驱动电压和也增大x。我们同样假设引起2％电流误差的最大过驱动电压增量为Vmax,那么此时电源电压的增量为两个MOS管过驱动电压增量和，即为2Vmax,这样我们可以得到本实施例电路的电源电压波动范围上限：
VDD上＝VTH+2Vdsat+2Vmax+VBE；
本实施例电路结构的电源电压波动下限这样计算，由于使用特殊的偏置结构，VDD下＝VTH+2Vdsat+VBE，比之不使用特殊偏置的3级共源共栅结构下限VDD下＝2VTH+2Vdsat+VBE减少了一个MOS管的阈值电压VTH，而对MOS工艺来说一个过驱动电压Vdsat比一个阈值电压VTH小很多，所以本实施例的电源电压波动范围下限比经典的电路只增加了一个Vdsat，而这个增量比之上限的增量而言基本可以忽略不计。
根据实验我们可以发现对一个MOS工艺来说一个Vmax大约为2V左右，而一个Vdsat只有200mV左右，所以对比电源电压波动范围下限的增量而言，本实施例的上限提升的更加显著。所以我们可以得出结论，本实施例的正常工作的电源电压波动范围比之传统的结构有了极大的提升。
本实施例采用了三级共源共栅电流镜技术，并且改进了栅极偏置的提供方式，最大程度上的增大了带隙基准电路支持的电源电压范围，极大的增加了电路的使用寿命，扩大了电路的使用环境，使其可以灵活的集成到各种集成电路芯片中。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种提高电源电压波动上限的带隙基准电压源，其特征在于，包括MOS管M1-14、三极管Q1-Q5、电阻R1-R2；
三极管的漏极和栅极相互连接在一起并与GND连接，
M1的栅极和M2的栅极相连，M1的漏极和M2的漏极分别与M3的漏极和M4的漏极相连，M3的源极和M4的源极分别与M5的漏极和M6的漏极相连；M5的栅极和M6的栅极相连，M5的源极和M6的源极分别与M7的漏极和M8的漏极相连；M7的栅极和M8的栅极相连；M7的源极通过电阻R1与Q1的源极连接，M8的源极与Q2的源极连接；
M3的栅极与M12的栅极连接，M12的漏极与M11的漏极连接，M11的栅极与M7的栅极和M6的漏极连接，M11的源极和Q4的源极连接；
M2的栅极和M13的栅极连接，M13的漏极与M14的漏极连接，M14的栅极与M4的栅极连接，M14的源极通过R2与Q5的源极连接，M14的源极与Vref连接；
M1的栅极与M9的栅极连接，M9的漏极与M10的漏极连接，M10的漏极分别与M9的源极、M10的栅极、M5的栅极连接，M10的源极与Q3的源极连接；
M9、M1、M2、M13的相连后与Vdd连接。
2.根据权利要求1所述的提高电源电压波动上限的带隙基准电压源，其特征在于，M1-M4为PMOS管,M5-M8为NMOS管。
3.根据权利要求1所述的提高电源电压波动上限的带隙基准电压源，其特征在于，所述提高电源电压波动上限的带隙基准电压源支持的电源电压范围为2.5-5.5V。
4.根据权利要求1所述的提高电源电压波动上限的带隙基准电压源，其特征在于，M12和M10分别为M3、M4和M5、M6的栅极提供电压偏置。
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