一种无运算放大器的高电源抑制比带隙基准电压源

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种无运算放大器的低功耗且具有高电源抑制比的带隙电压源电路的设计。

背景技术

带隙基准作为混合信号电路以及模拟电路中最为基础和核心的电路之一，由于整体电路严重依赖与带隙基准的各项指标，并且一定程度决定了对电源波动的抗干扰能力，因此对整体电路的性能有着决定性的影响

其中又以低温度系数，宽温度范围，低功耗和高电源抑制比作为带隙基准的核心指标，而以往开发的带隙基准中，大多数都只集中在一个方面，及低温度系数，宽温度范围，低功耗和高电源抑制比之一。换句话说，低温度系数的带隙基准通常会有较大功耗，而如果实现低功耗却很难做到低温度系数和宽温度范围

随着集成电子产品飞速发展，集成电路也面临着各种各样的新型挑战和机遇。对于混合信号电路以及模拟电路芯片来说，如果能做到低功耗，这不仅能够显著提升芯片寿命，还能延长电子产品的待机时间，在某些电子医学设备和便携式设备将有很大的发挥空间和应用市场

发明内容

本发明针对传统带隙基准性能的单一性，提出了一种无运算放大器的低功耗且具有高电源抑制比的带隙电压源电路，通过交叉耦合的结构，不仅能够省去带隙核心的启动电路，也能保证不用运算放大器后拥有高的电源抑制比。所发明的电路可以在1.8V至3V的电源电压下工作，所有的仿真结果是基于标准的CMOS工艺

本发明的技术原理是在传统的带隙核中插入一对交叉耦合的PMOS管，该结构能够很大程度上地阻断电源上的波动传递到输出端，并且能够在电路接通电源的瞬间完成自启动。另外，为了进一步改善功耗，在电路中删除了运算放大器，为了弥补这一举动所带来得电源抑制比的不足，加入了一个预稳压电路。

本发明的技术方案是：

无运算放大器的低功耗且具有高电源抑制比的带隙电压源电路主要由三个电路模块组成：一是偏置电路模块，完成对预稳压电路模块的偏置；而是预稳压模块，完成对带隙核心的电源纹波预处理；三是带隙核心电路

偏置电路模块是为了得到一个基本与电源电压不太敏感的输出电流。通过两个电流镜的自举复制完成对电源的隔离，再通过电阻确定电流的大小。PMOS 电流镜有一个K倍的比值，在其中一个的源极加入电阻相比于在NMOS的源极加入电阻能够很好的抑制标准CMOS工艺所带来的衬底偏置效应，因为该效应会大大地影响输出电流精度，该输出电流可以使后面的预稳压模块工作在正常的偏置状态。

预稳压模块实际上是运用了反馈，与传统的低压差线性稳压器类似，将带隙核心与电源隔离开，通过供给较为稳定的电源电压给带隙核心，能够极大地抑制电源纹波，因此运算放大器的舍弃得到了一定程度上的弥补

带隙核心采用三支路结构，通过插入一对交叉耦合PMOS对，能够使电路启动。具体为启动时，电路总存在漏电流，该漏电流流过不同阻值的两支路，会使交叉耦合对的栅极有一个电压差，该电压差会因为这个交叉耦合对形成的锁存器模块被迅速放大，从而使电路脱离不正常的工作点。另外由于该结构的存在，会使挨近电源的PMOS电流镜的漏端电压保持一致，因此能够有效抑制电源纹波对带隙核心的电流影响。从而提高电源抑制比。

该交叉耦合对所在的两支路会形成一个正温度系数的电流，该电流被复制到第三支路上，流过第三支路电阻形成正温度系数的电压，与三极管负温度系数的基极-发射极电压进行叠加。

正温度系数电压系数为17.2左右，恰好能在27摄氏度左右得到一个零温度系数的带隙电压，该电压为1.25V左右

本发明的有益效果在于，结构简单因此能提高良率；功耗低能够提高芯片的工作寿命；能够有很好的电源抑制比从而使系统对电源纹波有一定的抗干扰能力，具有一定的实用价值。

附图说明

图1为本发明中带隙基准电压源的具体电路图(带隙基准整体电路的结构框架)；

图2为本发明中带隙基准的带隙电压随温度的变化波形图；

图3为本发明中带隙电压随电源电压变化而变化的波形图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更加详细的说明。

本发明提出一种无运算放大器的低功耗且具有高电源抑制比的带隙电压源电路，框架结构如图1所示，通过在输出端接一个电容可有效抑制高频电源纹波的影响

如图1所示，在偏置电路中，MN1和MN2宽长比相同，保证两路电流相等，MP1宽长比为MP2宽长比的两倍，两PMOS的栅源电压会有差异，该栅源电压差会作用在电阻R3上，形成的电流将独立于电源电压，该电流会通过MN3 的复制效果来为预稳压电路供电。

在预稳压电路中，MP5与MN4形成反馈环路，MP5的源极电压将只有带隙电压和流过MP5的电流给定，而MP5的电流是从偏置电路模块得到的，该电流本生与电源无关，因此MP5的源极电压与电源电压无关，以MP5的源极电压来为整个带隙核心供电，因此起到了预稳压的效果，能够过滤掉大部分的电源纹波，进而使该电源抑制比能到到-80dB左右。

在带隙核心电路中，MP6和MP7作为电流镜宽长比一致，从而使两支路电流保持一致，两管的栅极接在MP8的漏端起到偏置效果。MN6与MN7的宽长比也一致，目的是为保证两管源极电压一致。MP8和MP9为交叉耦合对，在启动阶段，两管所在的正反馈环路会放大栅极微小的电压差使该带隙核心脱离零状态工作点；在电路正常工作时，因为MN6与MN7的源极电压一致，而MP8与MP9的栅源电压又相同，因此MN6与MN7的漏端电压也相同，这极大的改善了MOS管因为沟道长度调制效应而使电路的电流发生变化，换句话说，电源纹波的效果得到了进一步的抑制。

由于MN6与MN7的源极电压一致，而Q1和Q2的基极与发射极电压会因为其发射区面积为1：8有一定差值，该差值以热电压得比例加在R1上，从而形成正温度系数电流，该电流会被P10复制给R2从而形成正温度系数的电压，与 Q3的负温度系数基极-发射机电压一起形成带隙电压。

在图2中，显示了带隙电压随温度从-45摄氏度到125摄氏度的变化情况，可看到在室温附近该电压温度系数为零，整体呈现出一个抛物线，其温度系数为。

图3显示了输出电压对不同频率的电源纹波的抑制效果，在低频时该电源抑制比为-80dB。随着频率的上升，该电源抑制比才逐渐升高，能够满足很多系统对于稳定电源电压的需求。