CN102375469A - 用于低供电电压带隙基准的psr增强电路 - Google Patents

Abstract

基准电压源是模拟/数模混合集成电路的基础部件，随着芯片供电电压的不断降低，电路动态范围减小，基准电压源的电源抑制能力变得尤为重要。针对这个问题，本发明公开了一种可用于低供电电压带隙基准电压源的电源抑制能力(Power Supply Rejection，PSR)增强电路，在保持低频段和高频段的电源抑制能力不变的情况下，能显著地增强中频段的电源抑制能力，并且不增加额外的功耗。本发明公开的电源抑制增强电路由两个MOS管(Mp1和Mp2)和一个电容(Cp1)组成，在任何以带隙基准为核心的基准源电路中均可使用该电路。

Description

用于低供电电压带隙基准的PSR增强电路

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，用于提高带隙电压基准电压源(Bandgap VoltageReference，BGR)的PSR能力，具体涉及一种通过电容耦合电源波动形成负反馈，以显著增强带隙电压基准的PSR的技术。

背景技术

在基准电压源领域，BGR因具有结构简单、精度高、工艺兼容性好等特点而得到了广泛的应用。PSR是BGR的一项重要性能指标，用于表征电路抗电源干扰的能力，尤其在低供电电压的情况下，PSR性能显得尤为重要。电路的PSR能力通常用电源抑制比(Power SupplyRejection Ratio，PSRR)来衡量，BGR的PSRR定义为输出基准电压变化与引起其变化的电源电压变化的比值，可以表示为：

$\mathrm{PSRR}=\frac{\mathrm{\ΔVref}}{\mathrm{\ΔVDD}}---\left(1.1\right)$

图1为典型BGR的电路结构，其中PMOS管M1、M2、M3为相同尺寸的电流镜，保证三极管Q1、Q2、Q3的电流相等(I1＝I2＝I3＝I)，运算放大器(Operational Amplifier，OPA)强制使X、Y点的电压相同(V_X＝V_Y)，并给PMOS管M1、M2、M3提供栅极偏置。三极管Q2与Q1的发射结面积比为N∶1，三极管Q3与Q1的发射结面积相同，故Q1流过的电流为I₁＝I，Q2中每一个三极管流过的电流为I₂＝I/N。

如果忽略三级管“基极-发射级电压”V_BE对温度的高阶项，可以写出V_BE的表达式如下：

$V_{\mathrm{BE}}=V_T\ln \frac{I_C}{I_S}---\left(1.2\right)$

故在Q1和Q2的发射极端产生两个不同的负温度系数电压V_BE1和V_BE2。由V_Y＝V_X＝V_BE1，在电阻R0上可得到一个正温度系数电压V_BE1-V_BE2＝V_T×lnN，通过R0后产生正温度系数电流(V_T×lnN)/R0。M3将此正温度系数电流镜像到R1所在支路，通过R1后产生正温度系数电压(V_T×lnN)×R1/R0，R1产生的正温度系数电压和Q3产生的负温度系数电压相加，通过适当调节R1，就可以得到零温度系数的输出电压基准Vref。

因此，图1所示带隙基准的输出电压如下式所示：

$\mathrm{Vref}=V_{\mathrm{BE}3}+\frac{R_1}{R_0}\×V_T\×\ln N=V_T\ln \frac{I_{C3}}{I_S}+\frac{R_1}{R_0}\×V_T\×\ln N---\left(1.3\right)$

其中，V_T与I_S仅与温度相关，I_C3为三极管Q3的集电极电流。由式(1.3)可见，温度恒定时，典型BGR的输出基准电压是随着通过三极管的电流变化而变化的。在图1所示的典型带隙基准电路中，当电源电压产生波动ΔVDD时，M1、M2、M3源端电压变化ΔVDD，而由于运算放大器OPA自身的电源抑制作用，M1、M2、M3的栅极电压变化很小，故M1、M2、M3的栅源电压变化量接近ΔV_gs＝-ΔVDD，从而引起M1、M2、M3的电流发生变化。由式(1.1)知这将引起电路的PSR性能变差。而在电路系统中，电源电压的微小波动是不可避免的，因此必须通过一些电路技术来稳定负载电流镜的电流，提高增强电路的PSR能力。各种增强PSR能力的手段，其根本目的都是稳定通过三极管的电流。在供电电压较高时，一般常采用共源共栅电流镜来代替M1、M2、M3形成的电流镜，从而使流过三极管的电流稳定。但在供电电压降低到一定程度时，这种电路因消耗过多的电压余度而不再适用。

发明内容

如前文所述，典型的增强PSR能力的电路已经不再适用于低供电电压的情况。本发明公开的PSR增强电路可用于低供电电压的带隙电压基准，且不增加额外的功耗。其技术思想可以表述为：

1.在典型带隙电压基准的基础上增加从电源到电流镜管栅极的交流通路，将电源波动耦合到负载电流镜的栅极，形成负反馈，使得在供电电压发生波动时，稳定电流镜管的栅源电压差，从而稳定电流镜的工作电流；

2.在构成交流负反馈的同时，使用两个首尾相连的PMOS管形成隔离结构，保证从电源耦合进来的交流信号不被运算放大器衰减。

图2即为使用了本发明公开的PSR增强电路的带隙电压基准。电路由两个部分组成，分别是典型带隙基准电路和本发明公开的PSR增强电路。典型带隙基准的运算放大器OPA的输出连接到本发明公开的PSR增强电路的输入，PSR增强电路的输出连接到典型带隙基准中负载电流镜的栅极。本发明公开的PSR增强电路，由两个PMOS管和一个电容构成，其中PMOS管Mp1中的漏极和PMOS管Mp2的源极相连，PMOS管Mp1的源极和PMOS管Mp2的漏极相连，两个PMOS管分别栅漏短接，背栅均和各自的源极相连，将其中一个PMOS管的漏极作为输入，源极作为输出；电容跨接在电源和负载电流镜的栅极之间。

本发明的优势主要体现为：

1.所增加的电路在带隙基准稳定工作时不消耗电压余度，故可工作在低供电电压的带隙基准电路中；

2.结构简单，仅在典型带隙电压基准的基础上增加了两个PMOS管和一个电容，甚至在负载电流镜的栅源电容足够大的情况下，可省去电容；

3.因为不增加对地的通路，所以不增加额外的功耗；

4.通过改变容值，可以调整需要增强PSR的频段。

附图说明

图1典型带隙基准电压源电路；

图2应用了本发明公开的用于低供电电压带隙基准的PSR增强电路的带隙基准电压源电路；

图3本发明公开的用于低供电电压带隙基准的PSR增强电路的等效电路图；

图4图1和图2所示电路的实际输出效果对比。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明公开的用于低供电电压带隙基准的PSR增强电路的工作过程。详细说明从两个方面展开，首先介绍本发明公开的PSR增强电路在带隙基准中的连接方式，然后介绍图2所示应用了本发明公开的用于低供电电压带隙基准的电源抑制能力增强电路的工作原理。

图2是使用了本发明公开的PSR增强电路的带隙电压基准。电路由两个部分组成，分别是典型带隙基准电路和本发明公开的PSR增强电路。典型带隙基准的运算放大器OPA的输出连接到本发明公开的PSR增强电路的输入，PSR增强电路的输出连接到典型带隙基准中负载电流镜的栅极。本发明公开的PSR增强电路，由两个PMOS管和一个电容构成，其中PMOS管Mp1中的漏极和PMOS管Mp2的源极相连，PMOS管Mp1的源极和PMOS管Mp2的漏极相连，两个PMOS管分别栅漏短接，背栅均和各自的源极相连，将其中一个PMOS管的漏极作为输入，源极作为输出；电容跨接在电源和负载电流镜的栅极之间。

在图2所示的带隙基准电压源中，跨接在电源和负载电流镜栅极之间的电容提供一条将电源波动负反馈至负载电流镜的栅极的交流通路，电源电压波动的交流信号被耦合至各电流镜管的栅极，当电源电压产生波动ΔVDD时，M1、M2、M3的栅极、源极电位同时变化约ΔVDD，故M1、M2、M3的栅源电压变化量ΔV_gs＝0，从而使M1、M2、M3的电流保持恒定。

在电路达到稳态时，OPA的输出点OUT的电压和M1、M2、M3的栅极电压相等，Mp1和Mp2等效为大电阻(图3a)，从而保证电容引入的电源波动负反馈不被OPA衰减；而当X和Y点电压不等时，因为OPA的增益极大，OUT点的电压和M1、M2、M3栅极的电压差使Mp1或Mp2导通，当X点大于和小于Y点电压时电路可分别等效成为图3b和图3c所示的大电阻和电流源并联形式，此时电路通过反馈使X和Y点的电压再次相等。

为了验证本发明公开的用于低供电电压带隙基准的电源抑制能力增强电路的实际效果，基于0.18μm CMOS工艺分别实现了图1所示的典型带隙基准电路和图2所示的增加了PSR增强电路的带隙基准电路，Hspice仿真结果如图4所示。其中psr为典型带隙基准的PSRR曲线，psr-improve为应用了本发明公开的PSR增强电路的带隙基准电压源电路的PSRR曲线。从图4可以看出，本发明公开的PSR增强电路效果显著，在保证低频段和高频段的电源抑制能力不变的情况下，对中频段的电源抑制比最大提高了41dB。

Claims (1)

1.一种电路结构，包括：

电源的扰动会通过带隙基准电压源中的电流镜直接影响三极管的电流，造成基准输出的抖动；针对这个问题，本发明在构成电流镜的晶体管的栅极引入电源扰动负反馈，稳定带隙基准中三极管的工作电流，从而保证基准输出的稳定；具体的电路形式为：带隙电压基准中的运算放大器(OPA)输出(OUT)连接到PMOS管(Mp1)的源极、PMOS管(Mp2)的漏极和栅极，PMOS管(Mp1)的漏极、栅极以及PMOS管(Mp2)的源级相连，并连接到带隙基准中的电流镜管(M1、M2、M3)的栅极，Mp1和Mp2的背栅分别连接到各自的源极，电容(Cp1)的一端连接至电源，另一端连接至带隙基准中电流镜管(M1、M2、M3)的栅极。

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