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一種具有低失調(diào)和高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電路的制作方法

文檔序號(hào):39728324發(fā)布日期:2024-10-22 13:31閱讀:57來(lái)源:國(guó)知局
一種具有低失調(diào)和高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電路的制作方法

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路,特別是涉及一種具有失調(diào)抑制(即低失調(diào))、高電源抑制比和小面積的帶隙基準(zhǔn)電路。


背景技術(shù):

1、帶隙基準(zhǔn)電路(也稱帶隙基準(zhǔn)源,bandgap?reference,簡(jiǎn)稱bgr)是一種具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性、高精度的電壓源。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,兩個(gè)虛線方框分別表示帶隙基準(zhǔn)核心(bgr?core)和輸出支路。兩個(gè)pmos管m1、m2的源極都接工作電壓vdd,兩個(gè)pmos管m1、m2的柵極都接運(yùn)算放大器a1的輸出端。兩個(gè)pmos管m1、m2的尺寸比根據(jù)設(shè)計(jì)需求而定,例如是1:m,m為≥1的整數(shù)。第一pmos管m1的漏極通過(guò)并聯(lián)的第一支路和第二支路接地vss。第一支路由第一電阻r1和第一雙極性晶體管(bjt)q1串聯(lián)構(gòu)成,兩個(gè)器件的連接處稱為節(jié)點(diǎn)x。第二支路依次由第二電阻r2、第三電阻r3、第二雙極性晶體管q2串聯(lián)構(gòu)成,第二電阻r2和第三電阻r3的連接處稱為節(jié)點(diǎn)y。第一電阻r1和第二電阻r2的電阻值相等。第一雙極性晶體管q1和第二雙極性晶體管q2的尺寸比是1:n,n為>1的整數(shù)。運(yùn)算放大器a1的反相輸入端連接節(jié)點(diǎn)x,正相輸入端連接節(jié)點(diǎn)y。并聯(lián)的第一支路和第二支路構(gòu)成了帶隙基準(zhǔn)核心。第二pmos管m2的漏極通過(guò)串聯(lián)的第四電阻r4和第三雙極性晶體管q3接地vss,三者依次串聯(lián)構(gòu)成了輸出支路。第二pmos管m2的漏極和第四電阻r4的連接處稱為節(jié)點(diǎn)z。三個(gè)雙極性晶體管q1、q2、q3的基極和集電極均短接,發(fā)射極均接地vss。通過(guò)運(yùn)算放大器a1的鉗位作用,在第三電阻r3上產(chǎn)生帶正溫度系數(shù)的電流δvbe÷r3。其中δvbe=vbe1-vbe2;vbe1是第一雙極性晶體管q1的基極和發(fā)射極的電壓差,vbe2是第二雙極性晶體管q2的基極和發(fā)射極的電壓差,r3是第三電阻r3的電阻值。該帶正溫度系數(shù)的電流δvbe÷r3被電流鏡復(fù)制到第四電阻r4上產(chǎn)生帶正溫度系數(shù)的電壓δvbe÷r3×r4,其中r4是第四電阻r4的電阻值。帶正溫度系數(shù)的電壓δvbe÷r3×r4和帶負(fù)溫度系數(shù)的電壓vbe3在節(jié)點(diǎn)z處疊加,產(chǎn)生零溫度系數(shù)的輸出電壓vbg。其中vbe3是第三雙極性晶體管q3的基極和發(fā)射極的電壓差。

2、圖1中,vos并不是實(shí)際硬件,而是運(yùn)算放大器a1內(nèi)部特性等效到運(yùn)放輸入端口的失調(diào)電壓。失調(diào)電壓也稱輸入失調(diào)電壓(input?offset?voltage),是在差分輸入的運(yùn)算放大器中使得輸出電壓恒定為零的運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端(即節(jié)點(diǎn)x、y之間)的直流電壓之差。則該失調(diào)電壓vos通過(guò)環(huán)路對(duì)輸出電壓vbg影響可表示為公式一。

3、

4、其中,vbg0是不考慮失調(diào)電壓vos影響時(shí)的帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓值。由公式一可知,vos到vbg的放大系數(shù)為了滿足零溫度系數(shù)的要求,令vbg0對(duì)溫度一階導(dǎo)為0,n取經(jīng)驗(yàn)值10,則α≈7~8,故運(yùn)算放大器a1的輸入失調(diào)電壓vos會(huì)被放大7到8倍,是影響帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓vbg精度的主要因素。

5、圖1所示的傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路通常需要運(yùn)放鉗位,這里的鉗位是指利用運(yùn)放“虛短”的特性強(qiáng)制讓第三電阻r3兩端電壓相等,讓第一電阻r1和第二電阻r2上流經(jīng)電流相同。這就意味著更大的面積、功耗、設(shè)計(jì)復(fù)雜度,而工業(yè)應(yīng)用需求朝著小面積,低功耗,低成本的方向發(fā)展。

6、現(xiàn)有的運(yùn)放失調(diào)電壓消除手段主要包括斬波(chopper)和自歸零(auto?zero,也稱自動(dòng)歸零)技術(shù),需要增加額外電路以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘控制、濾波或采樣功能,導(dǎo)致帶隙基準(zhǔn)電路的面積、功耗和設(shè)計(jì)復(fù)雜度大幅增加。

7、數(shù)?;旌舷到y(tǒng)中,數(shù)字電路的噪聲極易耦合到模擬電路的電源線上。作為系統(tǒng)內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)源,帶隙基準(zhǔn)電路需要足夠的電源抑制比來(lái)應(yīng)對(duì)電源電壓的變化。電源抑制比(power?supply?rejection?ratio,psrr)是指電子設(shè)備對(duì)電源噪聲的抑制能力,這里是指帶隙基準(zhǔn)電路對(duì)來(lái)自電源的噪聲的抑制能力。

8、因此,如何設(shè)計(jì)一種新型的帶隙基準(zhǔn)電路,使之能夠兼具低失調(diào)、高電源抑制比、小面積和低成本的性能優(yōu)勢(shì),成為本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問(wèn)題。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)出一種具有低失調(diào)和高電源抑制比的小面積帶隙基準(zhǔn)電路,以滿足現(xiàn)有應(yīng)用需求。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提出了一種具有低失調(diào)和高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電路,包括帶隙基準(zhǔn)核心。所述帶隙基準(zhǔn)核心是:串聯(lián)的第一電阻和第一雙極性晶體管構(gòu)成第一支路,兩個(gè)器件的連接處稱為節(jié)點(diǎn)x;第一電阻的第一端連接內(nèi)部電壓v1,第二端連接節(jié)點(diǎn)x;第一雙極性晶體管的基極連接第一電阻的第一端,集電極連接節(jié)點(diǎn)x,發(fā)射極接地;串聯(lián)的第二電阻和第二雙極性晶體管構(gòu)成第二支路,兩個(gè)器件的連接處稱為節(jié)點(diǎn)y;第二電阻的第一端連接內(nèi)部電壓v1,第二端連接節(jié)點(diǎn)y;第二雙極性晶體管的基極連接節(jié)點(diǎn)x,集電極連接節(jié)點(diǎn)y,發(fā)射極接地;第一電阻和第二電阻的電阻值相等;第一雙極性晶體管和第二雙極性晶體管的尺寸比是1:n,n為>1的整數(shù);所述第一電阻上產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流。

3、可替換地,所述帶隙基準(zhǔn)核心增加了:第五電阻與第一支路并聯(lián),第六電阻與第二支路并聯(lián)。所述第一電阻上產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流,所述第五電阻上產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)電流,所述正溫度系數(shù)電流和所述負(fù)溫度系數(shù)電流疊加產(chǎn)生零溫度系數(shù)電流。

4、進(jìn)一步地,所述帶隙基準(zhǔn)電路還包括電流復(fù)制模塊、自偏置電流模塊、偏置電流反饋模塊及輸出支路,整體為電壓模結(jié)構(gòu);帶隙基準(zhǔn)核心產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流或者零溫度系數(shù)電流,稱為初始電流;電流復(fù)制模塊采用電流鏡結(jié)構(gòu)復(fù)制所述初始電流并提供給自偏置電流模塊;自偏置電流模塊接在工作電壓和地之間,自偏置電流模塊復(fù)制初始電流以產(chǎn)生自偏置電流,并為帶隙基準(zhǔn)核心和電流復(fù)制模塊提供自偏置電流;自偏置電流依次流經(jīng)電流復(fù)制模塊和帶隙基準(zhǔn)核心后產(chǎn)生實(shí)際電源電壓,串聯(lián)的電流復(fù)制模塊和帶隙基準(zhǔn)核心接在實(shí)際電源電壓和地之間;自偏置電流模塊還給輸出支路提供所述初始電流;偏置電流反饋模塊接在實(shí)際電源電壓和地之間,偏置電流反饋模塊泄放自偏置電流模塊產(chǎn)生的多余電流,維持自偏置環(huán)路穩(wěn)定工作;所述自偏置環(huán)路由帶隙基準(zhǔn)核心、電流復(fù)制模塊、自偏置電流模塊三者構(gòu)成;輸出支路接在工作電壓和地之間,輸出支路復(fù)制所述初始電流,和輸出支路本身產(chǎn)生的電流疊加,產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓。

5、可替換地,所述帶隙基準(zhǔn)電路整體改為電流模結(jié)構(gòu),電流復(fù)制模塊改為采用電流鏡結(jié)構(gòu)復(fù)制所述初始電流并提供給自偏置電流模塊和輸出支路;輸出支路改為接在實(shí)際電源電壓和地之間。

6、進(jìn)一步地,所述自偏置電流模塊產(chǎn)生的自偏置電流略大于帶隙基準(zhǔn)核心正常工作所需電流,多余部分經(jīng)過(guò)偏置電流反饋模塊泄放到地;所述偏置電流反饋模塊通過(guò)負(fù)反饋原理自主調(diào)節(jié)泄放電流量,維持實(shí)際電源電壓的電壓穩(wěn)定。

7、示例性地,所述電流復(fù)制模塊采用兩個(gè)pmos管構(gòu)成的電流鏡,所述電流鏡迫使兩個(gè)pmos管工作在相同的偏置電流下,從而使得所述帶隙基準(zhǔn)核心的各條支路與所述電流復(fù)制模塊的連接處的電壓近似相等,起到鉗位作用?;蛘咚鲭娏鲝?fù)制模塊采用兩個(gè)共源共柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成的電流鏡;所述電流鏡迫使兩個(gè)共源共柵結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)pmos管工作在相同的偏置電流下,從而使得所述帶隙基準(zhǔn)核心的各條支路與所述電流復(fù)制模塊的連接處的電壓近似相等,起到鉗位作用。

8、示例性地,所述自偏置電流模塊由四個(gè)nmos管nm1~nm4、五個(gè)pmos管pm3~pm7、兩個(gè)電阻r3~r4組成;其中四個(gè)nmos管和電阻r3構(gòu)成nmos自偏置共源共柵電流鏡,四個(gè)pmos管pm4~pm7和電阻r4構(gòu)成pmos自偏置共源共柵電流鏡;所述自偏置電流模塊復(fù)制所述初始電流并經(jīng)過(guò)nmos自偏置共源共柵電流鏡和pmos自偏置共源共柵電流鏡為電流復(fù)制模塊和帶隙基準(zhǔn)核心提供自偏置電流和實(shí)際電源電壓vdd_i。

9、示例性地,所述偏置電流反饋模塊由pmos管pm8、雙極性晶體管q3組成;所述偏置電流反饋模塊通過(guò)負(fù)反饋原理穩(wěn)定實(shí)際電源電壓vdd_i,實(shí)現(xiàn)工作電壓vdd和實(shí)際電源電壓vdd_i的隔離,

10、示例性地,所述輸出支路由兩個(gè)pmos管pm9~pm10、電阻r5、雙極性晶體管q4依次串聯(lián)構(gòu)成;所述輸出支路復(fù)制正溫度系數(shù)的初始電流,在電阻r5上產(chǎn)生正溫度系數(shù)電壓,與雙極性晶體管q4的負(fù)溫度系數(shù)電壓疊加產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓;其中兩個(gè)pmos管pm9~pm10和所述自偏置電流模塊中的兩個(gè)pmos管pm4~pm5構(gòu)成共源共柵電流鏡。

11、可替換地,所述輸出支路中省略雙極性晶體管q4;所述輸出支路復(fù)制零溫度系數(shù)的初始電流,在電阻r5上產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓。

12、本發(fā)明取得的技術(shù)效果是:相比傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路,本發(fā)明提供的無(wú)運(yùn)放、自偏置帶隙基準(zhǔn)電路具有低失調(diào)和高電源抑制比的性能優(yōu)勢(shì),適用于小面積、低功耗和高精度的帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)。其中,因?yàn)闆](méi)有面積較大的運(yùn)算放大器,并且低失調(diào)特性避免了增加消除失調(diào)的電路,均有利于實(shí)現(xiàn)小面積。

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