CMOS低功耗电压电流偏置启动电路

摘要

本发明公开了一种CMOS低功耗电压电流偏置启动电路，包括电阻(R0)、PMOS管(M1、M3、M7、M9、M11)、NMOS管(M2、M4-M6、M8、M10、M12)。本发明电路结构简单且实用，用简便的方式控制电路的功耗，使集成电路的启动电路达到零功耗的效果，从而大大降低集成电路的功耗。本发明作为一种CMOS低功耗电压电流偏置启动电路广泛应用于集成电路基准和偏置电路的启动中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬件电路，特别是一种CMOS低功耗电压电流偏置启动电路。

背景技术

传统偏置电路是决定电路系统稳定与可靠工作的关键因素之一，偏置电路中的MOS管失效，会导致整个电路系统失效，因此必须提高电压和电流偏置电路的可靠性.由于芯片设计普遍采用全局电压或者全局电流偏置技术，当偏置支路不能正常工作时，必然无法提供整个电路所需要的偏置电压或者电流，导致系统崩溃.偏置电路瞬态启动可能存在的失效，是造成系统无法正常稳定工作的重要因素之一.

设计启动电路的参数时应使启动电路能够满足三点要求：首先能向偏置电路灌入电流，实现启动功能；其次，偏置电路启动后必须能关断启动电路与偏置电路的联系，即启动电路只在系统上电瞬间起作用，稳定后对电路正常工作没有任何影响；最后，电路启动后，启动电路应当保持很低的功耗，或者没有功耗.

当电源到地的支路为低阻通路时，支路中形成稳定的电流.当所形成的电流在各类元件上转换成稳定的电压后，可以为系统提供偏置.低阻通路主要包括无源电阻，有源MOS或者BJT二极管饱和电阻，大信号控制下的有源线性电阻等等.等效低阻通路通常不存在启动问题，但是它的偏置电流随电压近似呈线性变化，造成高压下系统功耗显著.另外，静态偏置在较大范围内变化，会给电路的稳定工作带来不利影响.对于低功耗高性能模拟电路的偏置结构，单调型和峰值型是应用最广的两种典型的非线性偏置电路.如图1和图2所示，其中任何一条支路中由于存在Vds的饱和分压元件，因而不存在低阻通路，解决了低阻偏置支路的缺点，但是却带来了瞬态启动的困难.

瞬态启动原理

非线性偏置电路需要启动的原因在于其稳定工作点一般均有两个：一个是电路设计时所希望达到的静态工作点，另一个则是零点.启动电路的功能就是通过外界的强制扰动，迫使电路离开零点，然后利用自身的反馈控制，自动到达设计的稳定工作点.图1中，应从M2222二极管栅漏处注入启动电流，即使注入的电流很小，只要能启动如图1所示的M2222→M1111→M3333→M4444→M2222的逆时针电流正反馈环路，就可以迫使工作点逐渐地离开零点，逼近A点.若启动注入的电流I2过大，或者由上述原因的启动注入导致I2过冲，超出A点范围，则M2222→M4444→M3333→M1111→M2222的顺时针电流负反馈环路开始起作用，迫使工作点最终回到A点并达到稳定.

在图3和4中的峰值型偏置电路中，电流反馈的方向是固定的，M111→M222→M444→M333→M111的逆时针传输环路，因此反馈的性质不再是通过改变环路方向来实现，而是由自身电流源的峰值性质来实现的.由于图中NMOS电流源的峰值点出现在A点之前，在图中小于A点的小注入为正反馈，而高于A点的大注入为负反馈.因此，该偏置电路的启动相当可靠，只要小注入启动电流足够，系统就能自动稳定在A点.同样，当起始注入电流过大时，系统也能自动维持在稳定的工作点A。

传统启动电路稳定后，会存在一定的功耗，在SOC设计系统中如果有很多的偏置启动电路，那么在启动电路稳定后，会存在一个很大的功耗。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种可以消除启动电路稳定后的静态功耗的CMOS低功耗电压电流偏置启动电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

CMOS低功耗电压电流偏置启动电路，包括电阻(R0)、PMOS管(M1、M3、M7、M9、M11)、NMOS管(M2、M4-M6、M8、M10、M12)，所述PMOS(M1)与NMOS(M2)组成反相器，反相器的输入端与信号PWR连接，反相器的输出端与信号PWRB连接，电源VDD与PMOS(M3、M7、M9、M11)的源极连接，PMOS(M11、M3)的栅极、NMOS(M5)的栅极均与PWR信号连接，PMOS(M11)的漏极与PMOS(M7)的栅极和漏极、PMOS(M9)的栅极、NMOS(M5)的漏极、NMOS(M8)的漏极连接，所述PMOS(M9)的漏极与NMOS(M10)的漏极和栅极、NMOS(M12)的漏极、NMOS(M8)的栅极、NMOS(M4)的栅极连接，NMOS(M12)的栅极与PWRB信号连接，所述NMOS(M8)的源极通过电阻(R0)与地VSS连接，NMOS(M10、M12、M6、M4)的源极与地VSS连接，NMOS(M6)的漏极与NMOS(M5)的源极相连，NMOS(M6)的栅极与PMOS(M3)的漏极、NMOS(M4)的漏极连接。

进一步作为优选的实施方式，所述NMOS(M6)的栅极经过电容(C)与电源VDD连接，所述NMOS(M6)的栅极经过电容(Cp)与地VSS连接。

本发明的有益效果是：本发明电路结构简单且实用，用简便的方式控制电路的功耗，使集成电路的启动电路达到零功耗的效果，从而大大降低集成电路的功耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是非线性单调型电流源电路；

图2是非线性单调型电流源电路的启动过程时序图；

图3是非线性峰值型电流源电路；

图4是非线性峰值型电流源电路的启动过程时序图；

图5是用电源信号控制的偏置电路的启动电路；

图6是用电源控制和电源电压斜坡上升控制的启动电路。

具体实施方式

参照图5，CMOS低功耗电压电流偏置启动电路，包括电阻(R0)、PMOS管(M1、M3、M7、M9、M11)、NMOS管(M2、M4-M6、M8、M10、M12)，所述PMOS(M1)与NMOS(M2)组成反相器，反相器的输入端与信号PWR连接，反相器的输出端与信号PWRB连接，电源VDD与PMOS(M3、M7、M9、M11)的源极连接，PMOS(M11、M3)的栅极、NMOS(M5)的栅极均与PWR信号连接，PMOS(M11)的漏极与PMOS(M7)的栅极和漏极、PMOS(M9)的栅极、NMOS(M5)的漏极、NMOS(M8)的漏极连接，所述PMOS(M9)的漏极与NMOS(M10)的漏极和栅极、NMOS(M12)的漏极、NMOS(M8)的栅极、NMOS(M4)的栅极连接，NMOS(M12)的栅极与PWRB信号连接，所述NMOS(M8)的源极通过电阻(R0)与地VSS连接，NMOS(M10、M12、M6、M4)的源极与地VSS连接，NMOS(M6)的漏极与NMOS(M5)的源极相连，NMOS(M6)的栅极与PMOS(M3)的漏极、NMOS(M4)的漏极连接。

图5中启动电路包括了pmos管M3和nmos管M4，M5和M6，当PWR(power down)信号为低电平时，M5关断，M3导通节点A电压上升到VDD，这样M6导通，但是由于PWR为低电平，M5断开，这样启动电流Istart为零，这样Pbias和Nbias节点就分别为VDD和VSS，电路将不会有电流通过，M4关断.当PWR为高电平时，M3断开，M5导通，由于Nbias还是为低电平，M4还是处于关断状态，节点A的电压保持在VDD，M6还是保持导通状态.现在M5，M6导通，启动电流Istart将要从Pbias流出来，这样，Pbias电压从VDD向VSS方向减小，这样将会有电流流过M7和M9，Nbias充电，电压从VSS向VDD方向升高，M8和M10有电流流过，当Nbias比M4管的阈值电压大时，M4导通，A点电压下降到零，这样M6就关断了，启动电流Istart也关断了.这样整个偏置电路的启动就完成了。

进一步作为优选的实施方式，参照图6所述NMOS(M6)的栅极经过电容(C)与电源VDD连接，所述NMOS(M6)的栅极经过电容(Cp)与地VSS连接。

参照图6用电源电压控制和电源电压斜坡上升控制的启动电路。当PWR为低电平时，Pbias和Nbias分别为VDD和VSS，M5断开，Istart为零。当PWR为高电平时，M5导通，Pbias和Nbias分别为VDD和VSS，M3断开，如果VDD斜坡上升，B点电压会随VDD上升而升高，因为要保持电容C两端的电压差不变，Cp为B点的寄生电容，有：

VB＝VDD×C/(C+Cp)

一般情况下Cp相对C很小，随B点电压大于M6管的阈值电压，M6管导通，Istart电流流出电路，偏置电路开始启动，Pbias电压下降，而Nbias电压上升，当Nbias电压比M4管的阈值电压大时，M4管导通，B点电压会下降到VSS，启动电路结束工作，流过启动电路的电流为零。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。