CN104216455A - 用于4g通信芯片的低功耗基准电压源电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，涉及用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路，该电路包括由增强型管与耗尽型管组成的自偏置电压基准源电路和启动电路。其特点是：输出端VREF的电压与电源电压VDD无关，不随VDD的变化而改变；利用增强型管与耗尽型管的阈值具有相反的温度特性，使VREF的电压不随温度而变化；利用栅源短接的耗尽型NMOS管的导通电阻极大的特点，使电路的工作电流非常小，具有低的静态功耗。由此本发明采用耗尽型MOS管和强型管MOS管组合的方式，产生了不随电源电压和温度变化的高精度低功耗的基准电压源电路。

Description

用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路，适合于内置在各种需要高精度基准电压源的芯片中，尤其适和应用在对功耗要求极高的各类移动式设备上，如手机，笔记本电脑等。

 

背景技术

众所周知，在所有涉及模拟电路设计的方案中，都会有一个基准电压源电路，为芯片中的其他模块提供不随电源电压和温度变化的稳定的电压源。目前普遍采样基准电压源是带隙基准电压源（Bandgap）结构，但是功耗往往比较大，约几十个uA，很难满足低功耗设计(功耗小于0.5uA)的要求。如果要减小功耗，必须用到高阻值的电阻和大尺寸的MOS管，势必会增加芯片面积。

参见图1所示带隙基准电压源的电原理图。该带隙基准电压源电路由电阻R1~R4、三极管PNP1、PNP2和运算放大器组成的环路构成。基准电压VREF经过R2、PNP1和R3、R4、PNP2的两路分压，连接到运算放大器的正端“＋”和负端“－”，运算放大器的输出端就是VREF并反馈到R1端，从而形成了一个负反馈环路，得到一个稳定的基准电压源。

上述带隙基准电压源电路的工作原理是：利用三极管基极和发射极之间的电压V_BE的负温度系数和热电压V_T的正温度系数，产生一个具有较低温度系数的稳定的电压输出，VREF的电压可以表示为

                （式2）

式1中的M表示一个系数，只要选取合适M值，就可以得到不随温度变化的基准电压。

上述带隙基准电压源电路虽然能在提供一个稳定的基准电压，但是也存在固有的缺陷：

1．带隙基准电压源中包含有运算放大器，这种结构功耗一般约几十uA，无法实现低功耗；

2．带隙基准电压源中的运算放大器以及三极管和高阻值电阻会占用很大的面积，不利于高度集成的低成本解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路。它能在提供不随电源电压和温度变化的基准电压的同时，实现了低于0.5uA的超低功耗。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路包括：由增强型MOS管与耗尽型NMOS管组成的三级放大器电路以及启动电路；

所述第一级放大器是第一增强型NMOS共源极放大器电路，栅漏短接的第一PMOS管和第三PMOS管串联并作为放大器负载，第一PMOS漏极做为输出端；

所述第二级放大器电路是由第二PMOS管和第四PMOS管组成的共源共栅放大器电路，第二PMOS管的栅极做输入并接第一级放大器的输出，栅源短接的第一耗尽型NMOS管作为放大器负载，第四PMOS漏极为输出端；

所述第三级放大器电路是由第五PMOS管和第六PMOS管组成的共源共栅放大器电路，第五PMOS管栅极做输入并接第二级放大器的输出，栅源短接的第二耗尽型NMOS管作为放大器负载，第二耗尽型NMOS漏极为电路输出端VREF并且接到第一级放大器的输入端，输出端VREF连接对GND的补偿和滤波第一电容。

启动电路为三级放大器提供启动电流，由第七PMOS管和第八PMOS管以及第三耗尽型NMOS管组成；第七PMOS管栅极为输入端，它接到第一级放大器输出端，栅源短接的第三耗尽型NMOS管作为第七PMOS管的负载，第八PMOS管栅极连接到第七PMOS管的漏极，第八PMOS管源极接VDD，漏极连接到第一级放大器输入端，为第一级放大器提供一个上拉的启动电流。

具体的，第一耗尽型NMOS管和第一增强型NMOS管的宽长比满足式1的要求， 

 --------1

式1中，为第一耗尽型NMOS管的宽长比，为第一增强型NMOS管的宽长比，Vthd1是耗尽型NMOS管的阈值电压，Vthn1是增强型NMOS管的阈值电压，T表示温度。在CMOS生产工艺中，|Vthd1|是正温度系数值，Vthn1是负温度系数值，因此|Vthd1|/T是正常数、Vthn1/T是负常数，因此，利用增强型管与耗尽型管的阈值具有相反的温度特性，满足式1的要求，可以得到电路的输出电压VREF的电压不随温度而变化。

 

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1．本发明由于采用耗尽型MOS管代替高阻值电阻，而栅源短接的耗尽型MOS管的导通电阻极大，实现电路低功耗；

2．本发明由于采用增强型MOS管和耗尽型MOS管，其阈值具有相反的温度特性，可得到低温漂的基准电压值；

3．本发明由于未用到高阻值电阻及运算放大器，版图面积很小，有利于实现电路的高集成度。

附图说明

通过以下对本发明所述用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是现有技术带隙基准电压源的电原理图；

图2是本发明低功耗的高精度基准电压源的电原理图。

图中附图标记为：P1 –第一PMOS管，P2 –第二PMOS管，P3 –第三PMOS管，P4 –第四PMOS管，P5 –第五PMOS管，P6 –第六PMOS管，P7 –第七PMOS管，P8 –第八PMOS管，D1-第一耗尽型NMOS管，D2-第二耗尽型NMOS管，D3-第三耗尽型NMOS管。

具体实施方式

请参见图2所示，这是本发明低功耗的高精度基准电压源电路的电原理图。本发明的用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路包括：增强型NMOS管N1、增强型PMOS管P1~P8，耗尽型NMOS管D1~D3以及电容C1。电路图如图2，P1、P2、P5、P7、P8管的源端接电源VDD，P1的栅端和漏端短接并连接P2、P7的栅端和P3的源端，P2的漏端接P4的源端，P3的栅端和漏端短接并连接P4和P6的栅端和N1的漏端，N1的源端接地，P4的漏端接D1的漏端和P5的栅端，D1~D3的栅端和源端短接并连接到地端GND，P5漏端接P6的源端，P6的漏端接N1的栅端和D2、P8的漏端以及电容C1正端和输出端VREF，P8的栅端接D3和P7的漏端，电容C1的负端接GND。

本电路可以分为两部分：第一部分是由P1~P6以及N1、D1、D2和C1组成的基准电压源主电路；第二部分是由D3、P7和P8组成的启动电路。本发明的工作原理是：

第一部分电路：实现了基准电压源VREF的输出，由三级放大器组成：第一级由P1、P3和N1组成的NMOS共源极放大器；第二级由P2、P4和D1组成的PMOS共源共栅放大器；第三级由P5、P6和D2组成的PMOS共源共栅放大器。第三极的输出VREF信号又连接到第一级的输入，形成了一个负反馈环路，可以增强输出基准电压VREF的稳定性。每一级采用了双PMOS管的共源共栅结构，提高了环路电压放大倍数和电源抑制比。电容C1的作用是提高环路的稳定性。VREF的电压计算过程为：

由图2可知，VREF等于N1管的栅源电压，即

                        （式3）

由于P1和P2组成了电流源电路，因此第一级放大器和第二级放大器的电流相同，即

                            （式4）

由于N1和D1都工作在饱和区，因此

     （式5）

（式6）

其中，u表示载流子迁移率，Cox表示栅氧化层电容，将式5、式6代入式4得到

        （式7）

将式7代入式3得到

 (式8)

从式8中可以看出，输出基准电压VREF只与N1和D1的阈值电压及宽长比（W/L）有关，与电源电压无关。要使VREF不随温度改变，式8对温度求导的结果应为0，可得

  (式9)

由于CMOS工艺所约定的，式9中的耗尽管D1的阈值电压|Vthd1|是正温度系数值，增强型管N1的阈值电压Vthn1是负温度系数值，因此|Vthd1|/T是正常数、Vthn1/T是负常数，由式9可得， 

 (式10)

因此，只要D1和N1的（W/L）比值满足式10要求，就可以使VREF的电压值不随温度变化，实现精确的基准电压输出。

由于本基准电压源产生电路是一个自偏置的电压源，它有两个工作平衡点，一个是零点，另一个是非零点，即电路环路可以稳定在零电压值或者一个非零的电压值。为了使电路正常工作时工作平衡点是非零点，必须加启动电路为电路注入电流，因此就需要本电路中的第二部分电路，即启动电路。

启动电路的工作原理是：当VDD上电后，P7的栅极是高电平并且不导通，P8的栅极通过栅源短接的耗尽管D2连接到GND。这时P8导通工作在线性区并把其漏端的N1的栅极拉高，使第一级放大器中产生电流，随后第二级、第三极放大器也会产生电流，最终使电路工作在非零点。这时P1工作在饱和区，而P1和P7形成了电流源结构，也是P7中产生电流，把P8的栅极电压拉高，最终把P8管关闭并且完成基准源电路的启动过程。

整个电流的功耗由三级放大器和启动电路的工作电流组成。而每级的工作电流由栅源短接的耗尽管决定，其中第一级和第二级放大器工作电流由D1决定，第三极放大器工作电流由D2决定，启动电流工作电流由D3决定。耗尽管的电流可以表示为

（式11）

从式11可以看到，只要选择小的宽长比（W/L），就可以得到极小的工作电流。本设计把每一级的电流限制在0.1uA，因此电路的整体功耗小于0.5uA。

上述实施例仅说明本发明的技术构思和特点，其目的是在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，如把三级放大器变为两级、或者把共源共栅放大器变为普通的共源放大器，都应涵盖在本发明的保护范畴之内。

综上所述，本发明所述用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路，输出端VREF的电压与电源电压VDD无关，利用增强型管与耗尽型管的阈值具有相反的温度特性，使VREF的电压不随温度而变化，利用栅源短接的耗尽型NMOS管的导通电阻极大的特点，使电路具有低的静态功耗。整个电路面积很小，有利于电路的高度集成。

Claims (3)

1.用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路，包括：由增强型MOS管与耗尽型NMOS管组成的三级放大器电路以及启动电路；所述三级放大器电路包括：第一级放大器电路、第二级放大器电路和第三级放大器电路；

所述第一级放大器是第一增强型NMOS共源极放大器电路，栅漏短接的第一PMOS管和第三PMOS管串联并作为放大器负载，第一PMOS漏极做为输出端；

所述第二级放大器电路是由第二PMOS管和第四PMOS管组成的共源共栅放大器电路，第二PMOS管的栅极做输入并接第一级放大器的输出，栅源短接的第一耗尽型NMOS管作为放大器负载，第四PMOS漏极为输出端；

所述第三级放大器电路是由第五PMOS管和第六PMOS管组成的共源共栅放大器电路，第五PMOS管栅极做输入并接第二级放大器的输出，栅源短接的第二耗尽型NMOS管作为放大器负载，第二耗尽型NMOS漏极为电路输出端VREF并且接到第一级放大器的输入端，输出端VREF连接对GND的补偿和滤波第一电容。

2.权利要求1所述用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路，其特征在于，所述启动电路为所述三级放大器提供启动电流，由第七PMOS管和第八PMOS管以及第三耗尽型NMOS管组成；第七PMOS管栅极为输入端，它接到第一级放大器输出端，栅源短接的第三耗尽型NMOS管作为第七PMOS管的负载，第八PMOS管栅极连接到第七PMOS管的漏极，第八PMOS管源极接VDD，漏极连接到第一级放大器输入端，为第一级放大器提供一个上拉的启动电流。

3.权利要求1所述的用于4G通信芯片的低功耗基准电压源电路，其特征在于：第一耗尽型NMOS管和第一增强型NMOS管的宽长比满足式1的要求， 

     -------1

式1中，为第一耗尽型NMOS管的宽长比，为第一增强型NMOS管的宽长比，Vthd1是耗尽型NMOS管的阈值电压，Vthn1是增强型NMOS管的阈值电压，T表示温度。