启动电路及具有启动电路的带隙电压基准电路

摘要

一种启动电路及具有启动电路的带隙电压基准电路，所述带隙电压基准电路包括由运算放大器以及PMOS管构成的负反馈电路，所述负反馈电路对包括具有正温度系数和负温度系数特性的器件的两个支路的电压进行负反馈，其特征在于所述启动电路包括：施密特触发器、反相器和NMOS管，其中，所述施密特触发器的输入端连接到PMOS管的栅极，所述施密特触发器的输出端连接到反相器的输入端，所述反相器的输出端连接到所述NMOS管的栅极，所述NMOS管的源极接地，漏极连接到所述施密特触发器的输入端，其中，所述施密特触发器的正向阈值电压大于所述带隙电压基准电路正常工作后所述PMOS管的栅极电压。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带隙电压基准电路。更具体地讲，涉及一种低功耗的启动电路及具有该启动电路的带隙电压基准电路。

背景技术

带隙电压基准电路广泛应用在存储电路、模数转换电路和电源管理电路中，其作用是用来产生一个不随温度、工艺和电压变化的恒定电压值。带隙电压基准电路通常利用具有正温度系数和负温度系数特性的器件，调整器件的参数，使得整个带隙电压基准电路的正温度系数和负温度系数的绝对值相同，从而使整个带隙电压基准电路的温度系数为零。

在带隙电压基准电路中，通常利用由运算放大器和两个PMOS管构成的负反馈电路对包括两个具有正温度系数和负温度系数特性的器件(例如，二极管等)构成的两个支路的电压进行负反馈。以其中的一个支路的某个节点作为带隙电压基准电路的输出端，从而设计所述两个支路的参数，以使得整个带隙电压基准电路的温度系数为零。

图1示出一种现有技术的具有负反馈电路的带隙电压基准电路的电路图。图1所示的带隙电压基准电路包括：包括具有正温度系数和负温度系数的二极管D1和D2的两条支路以及由运算放大器OPAMP以及两个PMOS管M1和M2构成的负反馈电路。具有二极管D1的支路包括与二极管D1串联的电阻器R1和R2。具有二极管D2的支路包括与二极管D2串联的电阻器R3。二极管D1的输入端连接到运算放大器OPAMP的输入端A，二极管D2的输入端经电阻器R3连接到运算放大器OPAMP的输入端B，运算放大器OPAMP的输出端C接到PMOS管M1和M2的栅极从而通过运算放大器OPAMP的输出电压Vc来控制两条支路的电流I1和I2，以对所述两条支路的电压进行负反馈。

在图1所示的带隙电压基准电路中，两条支路流过的电流I₁/I₂＝N。二极管D2的面积是二极管D1的M倍，或者说D2相当于M个二极管D1并联。根据流过二极管的电流公式：

$>V_{\mathrm{BE}}=V_T\ln \frac{I_D}{I_S}---\left(1\right)$>

其中V_BE是二极管两端的电压，V_T是热电压，Is是二极管的饱和电流。根据图1可以得出：

V_OUT＝V_BE2+I₂×(R₁+R₂)     (2)

由于D2的面积是D1的M倍，得到

$>I_{S1}=\frac{I_{S2}}{M}---\left(3\right)$>

由于运算放大器OPAMP会强制使得A和B点电压Va和Vb相等，由此可以得到：

$>I_1=\frac{V_{\mathrm{BE}2}-V_{\mathrm{BE}1}}{R_1}=\frac{V_T\ln \frac{I_2}{I_{S2}}-V_T\ln \frac{I_1}{I_{S1}}}{R_1}=\frac{V_T}{R_1}\ln \left(\mathrm{MN}\right)---\left(4\right)$>

将公式(3)代入公式(2)得到

$>V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_T\ln \left(\mathrm{MN}\right)(1+\frac{R_2}{R_1})---\left(5\right)$>

等式(6)和(7)示出一种二极管和V_T的温度系数。

在二极管和V_T的温度系数为等式(6)和(7)所示的情况下，根据式(5)-(7)，要得到一个零温度系数的基准电压V_OUT，必须使得

$>(1+\frac{R_2}{R_1})\ln \left(\mathrm{MN}\right)\approx 17.2---\left(8\right)$>

此时得到

V_OUT≈V_BE1+17.2V_T≈1.25V    (9)

该电压V_OUT就成为带隙电压基准。

在图1所示的带隙电压基准电路中，由于在电源上电的过程中，存在一种零状态，即运算放大器OPAMP的两个输入端A和B的电压Va和Vb为0，此时运算放大器OPAMP不工作，运算放大器OPAMP的输出端C的电压Vc随电源的电压VDD的升高而上升，PMOS管M1和M2处于关闭状态。此时，运算放大器OPAMP的输出端C的电压Vc不能反映其输入端的电压Va和Vb，导致负反馈控制产生错误，从而带隙电压基准电路100的电路不能正常工作，其输出端的输出电压Vout为0。

因此，在带隙电压基准电路中需要一种启动电路，使得在电源上电后，带隙电压基准电路不会保持在零状态，而进入正常工作状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种启动电路及具有该启动电路的带隙电压基准电路。

本发明提供一种具有启动电路的带隙电压基准电路，所述带隙电压基准电路包括由运算放大器和PMOS管构成的负反馈电路，所述反馈电路对包括具有正温度系数和负温度系数特性的器件的两个支路的电压进行负反馈，其特征在于所述启动电路包括：施密特触发器、反相器和NMOS管，其中，所述施密特触发器的输入端连接到所述运算放大器的输出端，所述施密特触发器的输出端连接到反相器的输入端，所述反相器的输出端连接到所述NMOS管的栅极，所述NMOS管的源极接地，漏极连接到所述运算放大器OPAMP的输出端，其中，所述施密特触发器的正向阈值电压大于所述带隙电压基准电路正常工作后所述PMOS管的栅极电压。

根据本发明的一方面，所述带隙电压基准电路还可包括：第一二极管、第二二极管、第一电阻器，其中，运算放大器的输出端连接到第一PMOS管和第二PMOS管的栅极，第一PMOS管和第二PMOS管的源极连接到电源，第一PMOS管的漏极连接到运算放大器的第一输入端，第二PMOS管的漏极连接到运算放大器的第二输入端，第一PMOS管的漏极连接到第一二极管的输入端，第二PMOS管的漏极连接到第二二极管的输入端，第一二极管和第二二极管的输出端接地。

根据本发明的一方面，所述带隙电压基准电路还可包括第二电阻器，第一PMOS管的漏极经第二电阻器连接到运算放大器的第一输入端。

根据本发明的一方面，所述带隙电压基准电路还可包括第三电阻器，第二PMOS管的漏极经第三电阻器连接到运算放大器的第二输入端。

根据本发明的一方面，带隙电压基准电路的输出端为所述第一PMOS管的漏极。

根据本发明的另一方面，提供一种用于带隙电压基准电路的启动电路，所述带隙电压基准电路包括由运算放大器以及第一PMOS管和第二PMOS管构成的负反馈电路，其特征在于包括：施密特触发器、反相器和NMOS管，其中，所述施密特触发器的输入端连接到第一PMOS管和第二PMOS管的栅极，所述施密特触发器的输出端连接到反相器的输入端，所述反相器的输出端连接到所述NMOS管的栅极，所述NMOS管的源极接地，漏极连接到所述施密特触发器的输入端，其中，所述施密特触发器的正向阈值电压大于所述带隙电压基准电路正常工作后所述两个PMOS管的栅极电压。

因此，根据本发明的启动电路在使带隙电压基准电路进入正常工作状态后，启动电路可以完全关闭，需要非常低的功耗就能使带隙电压基准电路进入正常工作状态而不会保持在零状态。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出一种带隙电压基准电路的示图；

图2示出根据本发明的实施例的具有启动电路的带隙电压基准电路；

图3示出常用的施密特触发器的输入信号与输出信号之间的关系。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例。图2示出根据本发明的实施例的具有启动电路110的带隙电压基准电路100。图2示出的带隙电压基准电路100与图1相同，其包括：二极管D1、D2、电阻器R1、R2、R3、运算放大器OPAMP、PMOS管M1和M2，其中，二极管D1的输入端经电阻器R1连接到运算放大器OPAMP的输入端A，二极管D2的输入端连接到运算放大器OPAMP的输入端B，二极管D1和D2的输出端接地GND；运算放大器OPAMP的输出端C接到PMOS管M1和M2的栅极；PMOS管M1和M2的源极连接到电压为VDD的电源，PMOS管M1的漏极经电阻器R2连接到运算放大器OPAMP的输入端A，PMOS管M2的漏极经电阻器R3连接到运算放大器OPAMP的输入端B。PMOS管M1的漏极作为带隙电压基准电路100的输出端。

二极管D1与其串联的电阻器R1和R2以及二极管D2与其串联的电阻器R3分别构成一条支路。运算放大器OPAMP和PMOS管M1和M2构成一个负反馈电路，对所述两条支路的电压进行负反馈，使得运算放大器OPAMP的输入端A和B的电压Va和Vb相等。

这里所说的两条支路的电压可以是支路两端的电压，也可以是某个节点的电压。图2中的两条支路的电压都是某个节点的电压。

根据公式(8)可知，带隙电压基准电路100中的电阻器R1、R2和R3主要用于调整整个带隙电压基准电路的温度系数，其数量和位置是可以调整的，例如，可以去除电阻器电阻器R1、R2和R3中的至少一个。或者，运算放大器OPAMP的两个输入端可以连接到支路上不同的位置，例如，A端直接连接到二极管D1的输入端，只要能够将整个带隙电压基准电路的温度系数调整为零都是可以的。因此，相应地，带隙电压基准电路100的输出端不限于PMOS管M1的漏极。

如2所示，在没有启动电路110的情况下，在带隙电压基准电路100中，由于在电源上电的过程中，存在一种零状态，即运算放大器OPAMP的两个输入端A和B的电压Va和Vb为0，此时运算放大器OPAMP不工作，运算放大器OPAMP的输出端C的电压Vc随电源的电压VDD的升高而上升。此时，运算放大器OPAMP的输出端C的电压Vc不能反映其输入端电压Va和Vb，从而反馈控制产生错误，使PMOS管M1和M2处于关闭状态，从而带隙电压基准电路100的电路不能正常工作，其输出端的输出电压Vout为0。然而，在存在启动电路110的情况下，启动电路110在带隙电压基准电路100的上电过程中给出一个启动信号，使带隙电压基准电路100中的PMOS管M1和M2脱离零工作状态，从而使得带隙电压基准电路100正常工作。

具体地说，启动电路110包括施密特触发器10、反相器20和NMOS管30。施密特触发器10的输入端连接到带隙电压基准电路100中的运算放大器OPAMP的输出端C，施密特触发器10的输出端连接到反相器20的输入端，反相器20的输出端连接到NMOS管30的栅极，NMOS30的源极接地，漏极连接到带隙电压基准电路100中的运算放大器OPAMP的输出端C(也即，PMOS管M1和M2的栅极)。

当带隙电压基准电路100的电源VDD上电时，启动电路110中的施密特触发器10的输入端(即，运算放大器OPAMP的输出端C)的电压随着电源的电压VDD从0开始上升，此时施密特触发器10的输出为高电平。当电源电压VDD超过施密特触发器的正向阈值电压VH时，施密特触发器的输出变为低电平，反相器20的输出变为高电平，NMOS管30导通，从而把施密特触发器10的输入端(即，节点C)的电平拉低，使得带隙电压基准电路100的PMOS管M1和M2导通，使得带隙电压基准电路100进入工作状态。

同时，由于施密特触发器10的输入端的电压也被拉低，当施密特触发器10的输入端的电压被拉低至小于施密特触发器10的负向阈值电压VL时，施密特触发器10的输出变为高电平，反相器20的输出变为低电平，NMOS管30截止。因此，在带隙电压基准电路处于零状态时，本发明的启动电路可控制带隙电压基准电路中的负反馈电路中的两个PMOS管的栅极的电压，从而使带隙电压基准电路脱离零状态而被启动。

图3示出了常用的施密特触发器的输入信号S_in与输出信号S_out之间的关系。输入信号S_in的电平在达到正向阈值电压VH之前，输出信号S_out为高电平；在输入信号S_in的电平达到正向阈值电压VH时，输出信号S_out变为低电平；在输入信号S_in的电平达到其最大值并降低到负向阈值电压VL之前，输出信号S_out仍为低电平；在输入信号S_in的电平降低到负向阈值电压VL时，输出信号S_out变为高电平。

由于带隙电压基准电路100正常工作后PMOS管M1、M2的栅极电压Vc的电平是一定的，为了防止带隙电压基准电路100正常工作后施密特触发器20被再次触发，施密特触发器20的正向阈值电压VH大于带隙电压基准电路100正常工作后PMOS管M1、M2的栅极电压Vc的电平，从而保证启动电路110在电源VDD上电完成后不会影响带隙电压基准电路100的正常工作。而且，施密特触发器和反相器都是数字单元，带隙电压基准电路100正常工作后，施密特触发器和反相器被没有功耗，而NMOS管截止，这时启动电路110将不再产生任何功耗。

此外，图2示出的带隙电压基准电路100仅是示意性的，本发明的启动电路所能应用的带隙电压基准电路不限于图2示出的带隙电压基准电路100，也可以是其他的利用由运算放大器和PMOS管构成的负反馈电路的带隙电压基准电路。

根据本发明的启动电路在启动带隙电压基准电路，使其进入正常工作状态后，启动电路可以完全关闭，即，启动电路只在启动过程中存在瞬态功耗，正常工作后不存在静态功耗。因此，本发明的启动电路需要非常低的功耗就能使带隙电压基准电路进入正常工作状态而不会保持在零状态。