CN103269216A - 一种低功耗快速启动电路及电流源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗快速启动电路及电流源，所述启动电路，包括PMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M5、PMOS管M6和电流镜单元；所述电流源包括所述启动电路和电流源单元。本发明提供的低功耗快速启动电路及电流源，整个启动电路只需6个小面积的MOS管，结构简单，相比其他启动电路而言，节省了芯片面积；运行可靠性高，能快速启动，只要电流源单元正常工作后，导通的MOS管瞬间可将VDD/2电势点抬至高电位VDD，从而关断启动电路，整个启动、关断过程短暂，最快能达到纳秒级，并且可以根据电子系统的需要，调整启动时间；在系统进入稳定工作状态后，启动电路仅需皮瓦级静态功耗。

Description

一种低功耗快速启动电路及电流源

技术领域

本发明涉及一种低功耗快速启动电路及电流源，属于集成电路设计技术。

背景技术

低功耗的要求已深入电子、电气工程的各个领域，电子系统正常工作后，一些启动电路仍然需要较大的静态功耗，不符合低功耗的要求。启动电路的可靠性对于整个电子系统的影响至关重要，一个电子系统无论功能怎样强大，如果系统中的启动电路可靠性不稳定，那么电子系统难以正常工作，不能发挥出应有的作用。

电阻、电容在集成电路工艺中相比普通MOS管，需要更大的芯片面积，相应增加了整个芯片的成本。实现同样功能，性能不变的前提下，若能避免使用电阻、电容，能够节省芯片面积，降低芯片成本。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低功耗快速启动电路及电流源，解决现在的启动电路启动速度较慢和在电子系统正常工作后仍然产生较大静态功耗的问题，同时节约芯片面积、降低成本。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低功耗快速启动电路，包括PMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M5、PMOS管M6和电流镜单元，所述电流镜单元包括NMOS管M3和NMOS管M4：

所述PMOS管M1的衬底、PMOS管M1的栅极和PMOS管M1的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M1的漏极接入节点1；

所述NMOS管M2的衬底、NMOS管M2的栅极和NMOS管M2的源极接地GND，所述NMOS管M2的漏极接入节点1；

所述NMOS管M3的栅极接入节点3，所述NMOS管M3的源极接地GND，所述NMOS管M3的漏极作为该启动电路的第一输出端；

所述MOS管M4的栅极接入节点3，所述NMOS管M4的源极接地GND，所述MOS管M4的漏极接入节点4；

所述PMOS管M5的栅极作为该启动电路的第二输出端，所述PMOS管M5的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M5的漏极接入节点2；

所述PMOS管M6的栅极接入节点2，所述PMOS管M6的源极接直流电源VDD，PMOS管M6的漏极接入节点4；

所述节点1和节点2相接，所述节点3和节点4相接。

使用时，被启动电路模块的两端分别接入第一输出端和第二输出端。

一种电流源，其包括上述低功耗快速启动电路和电流源单元，所述电流源单元包括PMOS管M7、PMOS管M8、NPN三极管Q9、NPN三极管Q10、电阻R1和PMOS管M11：

所述PMOS管M7的栅极接入节点5，所述PMOS管M7的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M7的漏极接入节点7；

所述PMOS管M8的栅极接入节点5，所述PMOS管M8的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M8的漏极接入节点8；

所述NPN三极管Q9的基极接入节点6，所述NPN三极管Q9的发射极接地GND，所述NPN三极管Q9的集电极接入节点7；

所述NPN三极管Q10的基极接入节点6，所述NPN三极管Q10的发射极通过电阻R1接地GND，所述NPN三极管Q10的集电极接入节点9；

所述PMOS管M11的栅极接入节点5，所述PMOS管M11的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M11的漏极接作为该电流源的输出端；

所述节点5和节点8相接，所述节点6和节点7相接；

所述启动电路的第一输出端接入节点9，所述启动电路的第二输出端接入节点5。

本案提供的低功耗快速启动电路及电流源，整个启动电路只需6个小面积的MOS管，结构简单，相比其他启动电路而言，节省了芯片面积；运行可靠性高，能快速启动，只要电流源单元正常工作后，导通的MOS管瞬间可将VDD/2电势点抬至高电位VDD，从而关断启动电路，整个启动、关断过程短暂，最快能达到纳秒级，并且可以根据电子系统的需要，调整启动时间；在系统进入稳定工作状态后，启动电路仅需皮瓦级静态功耗。

有益效果：本发明提供的低功耗快速启动电路及电流源，实现了启动电路低功耗的要求，电子系统稳定后，启动电路只需皮瓦量级（pW）的静态功耗；运行可靠性高，并且根据电子系统的需要，调整启动时间；结构简单，特别不需要电阻、电容，相比其他启动电路，节省了芯片面积，降低了成本。

附图说明

图1为基于本发明的一种启动电路的结构示意图；

图2为基于本发明的一种电流源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种低功耗快速启动电路100，包括PMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M5、PMOS管M6和电流镜单元，所述电流镜单元包括NMOS管M3和NMOS管M4：

所述PMOS管M1的衬底、PMOS管M1的栅极和PMOS管M1的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M1的漏极接入节点1；

所述NMOS管M2的衬底、NMOS管M2的栅极和NMOS管M2的源极接地GND，所述NMOS管M2的漏极接入节点1；

所述NMOS管M3的栅极接入节点3，所述NMOS管M3的源极接地GND，所述NMOS管M3的漏极作为该启动电路的第一输出端；

所述MOS管M4的栅极接入节点3，所述NMOS管M4的源极接地GND，所述MOS管M4的漏极接入节点4；

所述PMOS管M5的栅极作为该启动电路的第二输出端，所述PMOS管M5的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M5的漏极接入节点2；

所述PMOS管M6的栅极接入节点2，所述PMOS管M6的源极接直流电源VDD，PMOS管M6的漏极接入节点4；

所述节点1和节点2相接，所述节点3和节点4相接。

使用时，被启动电路模块200的两端分别接入第一输出端和第二输出端。

如图2所示为一种电流源，包括如图1所示的启动电路100和电流源单元300，所述电流源单元300包括PMOS管M7、PMOS管M8、NPN三极管Q9、NPN三极管Q10、电阻R1和PMOS管M11；

所述PMOS管M7的栅极接入节点5，所述PMOS管M7的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M7的漏极接入节点7；

所述PMOS管M8的栅极接入节点5，所述PMOS管M8的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M8的漏极接入节点8；

所述NPN三极管Q9的基极接入节点6，所述NPN三极管Q9的发射极接地GND，所述NPN三极管Q9的集电极接入节点7；

所述NPN三极管Q10的基极接入节点6，所述NPN三极管Q10的发射极通过电阻R1接地GND，所述NPN三极管Q10的集电极接入节点9；

所述PMOS管M11的栅极接入节点5，所述PMOS管M11的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M11的漏极接作为该电流源的输出端；

所述节点5和节点8相接，所述节点6和节点7相接；

所述启动电路的第一输出端接入节点9，所述启动电路的第二输出端接入节点5。

下面以图2所示的电流源为例，说明整个电子系统的工作原理。

本例中电流源单元300为一个PTAT（Proportional To Absolute Temperature，与绝对温度成正比）电流源，其有两种状态：正常工作状态和零电流稳态。当处于正常工作状态时，PMOS管M7、PMOS管M8、NPN三极管Q9、NPN三极管Q10和电阻R1流过的电流

I_PTAT与绝对温度成正比，其中N值为NPN三极管Q10与NPN三极管Q9发射极面积之比；而当节点6是低电位、同时节点5为高电位时，整个PTAT电流源300维持零电流稳态，I_PTAT=0，此时需要从启动电路100注入电流打破这种零电流稳态的平衡。

此时，节点5是高电位，启动电路100的PMOS管M5截止，因为PMOS管M1的栅极、PMOS管M1的源极和PMOS管M1的衬底连接到直流电源VDD，NMOS管M2的栅极、NMOS管M2的源极和NMOS管M2的衬底都接地，该支路只有皮安（pA）量级的电流，所以此时节点1的电位为VDD/2。因此，PMOS管M6导通，产生的电流通过电流镜（由NMOS管M3、NMOS管M4构成），由此向PMOS管M8抽取电流，节点5是高电位的稳态被打破，随之通过其他两个电流镜（一个由NPN三极管Q9和NPN三极管Q10构成，另一个由PMOS管M7和PMOS管M8构成）进行电流的顺时针传递，整个PTAT电流源300开始工作，零电流平衡状态被打破。

当PTAT电流源300脱离零电流稳态后，PMOS管M5导通，将节点1电位抬至高电位，PMOS管Q6截止，整个启动电路关闭，仅消耗皮瓦级（pW）静态功率。

另一方面，通过调整PMOS管M6的宽长比，可以调整PMOS管M6导通后的漏源电流，

若PMOS管M6栅源电压V_GS6一定，宽长比越大，则漏源电流I_DS6越大，注入到与绝对温度成正比电流源单元300的启动电流也越大，电流源相应的启动速度就越快，从而达到调节启动时间的目的。该启动电路100的整个启动过程最快可达到纳秒级，并且运行可靠性高。

本案的关键点是利用NMOS管栅极、源极和衬底接地，PMOS管栅极、源极和衬底与直流电源VDD相接，从而构建一个约VDD/2的电势，当PTAT电流源处于零电流稳态时，VDD/2电势加到PMOS管栅极并产生电流注入到处于零电流稳态的PTAT电流源，破坏电流源的零电流平衡状态；当PTAT电流源正常工作后，通过导通的PMOS管将VDD/2电势点抬至高电位VDD，从而使PMOS管截止，关断启动电路100，启动电路100仅需消耗皮瓦级的静态功率。

本案提供的整个启动电路只需6个小面积的MOS管，结构简单，相比其他启动电路而言，节省了芯片面积；运行可靠性高，能快速启动，只要电流源单元正常工作后，导通的MOS管可将VDD/2电势点抬至高电位VDD从而关断启动电路，整个启动、关断过程短暂，最快能达到纳秒级，并且可以根据电子系统的需要，调整启动时间；在系统进入稳定工作状态后，启动电路仅需皮瓦级静态功耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种低功耗快速启动电路，其特征在于：包括PMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M5、PMOS管M6和电流镜单元，所述电流镜单元包括NMOS管M3和NMOS管M4：

所述PMOS管M1的衬底、PMOS管M1的栅极和PMOS管M1的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M1的漏极接入节点1；

所述NMOS管M2的衬底、NMOS管M2的栅极和NMOS管M2的源极接地GND，所述NMOS管M2的漏极接入节点1；

所述NMOS管M3的栅极接入节点3，所述NMOS管M3的源极接地GND，所述NMOS管M3的漏极作为该启动电路的第一输出端；

所述MOS管M4的栅极接入节点3，所述NMOS管M4的源极接地GND，所述MOS管M4的漏极接入节点4；

所述PMOS管M5的栅极作为该启动电路的第二输出端，所述PMOS管M5的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M5的漏极接入节点2；

所述PMOS管M6的栅极接入节点2，所述PMOS管M6的源极接直流电源VDD，PMOS管M6的漏极接入节点4；

所述节点1和节点2相接，所述节点3和节点4相接。

2.一种电流源，其特征在于：包括权利要求1所述的低功耗快速启动电路和电流源单元，所述电流源单元包括PMOS管M7、PMOS管M8、NPN三极管Q9、NPN三极管Q10、电阻R1和PMOS管M11：

所述PMOS管M7的栅极接入节点5，所述PMOS管M7的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M7的漏极接入节点7；

所述PMOS管M8的栅极接入节点5，所述PMOS管M8的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M8的漏极接入节点8；

所述NPN三极管Q9的基极接入节点6，所述NPN三极管Q9的发射极接地GND，所述NPN三极管Q9的集电极接入节点7；

所述NPN三极管Q10的基极接入节点6，所述NPN三极管Q10的发射极通过电阻R1接地GND，所述NPN三极管Q10的集电极接入节点9；

所述PMOS管M11的栅极接入节点5，所述PMOS管M11的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M11的漏极作为该电流源的输出端；

所述节点5和节点8相接，所述节点6和节点7相接；

所述启动电路的第一输出端接入节点9，所述启动电路的第二输出端接入节点5。

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