CN103324235A - 一种应用于基准源的启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种启动电路，公开一种用于基准源的启动电路。该电路具有快速、低功耗、可使能的特性。所述启动电路包括反相单元、启动单元、偏置单元和使能单元。使能信号输入到反相单元，反相单元再为启动单元与使能单元提供信号，通过改变使能信号来使启动信号清零，并打开使能电路来改变偏置单元输出偏置从而实现对基准源和芯片其他电路模块的使能。基准源和芯片其他电路模块正常工作后，信号反馈到启动电路使启动电路停止工作，实现低功耗。

Description

一种应用于基准源的启动电路

技术领域

本发明涉及启动电路领域，更具体地，涉及到一种低功耗并能有效的启动和关闭基准源的启动电路。

背景技术

在SOC（system on chip）芯片中，基准源电路是必不可少的一部分，芯片的很多模块都需要基准源来提供稳定的电压或电流，因此基准源的设计成了整个芯片设计的关键。而基准源的设计中一个不可忽略的问题是它的启动问题。在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题是“简并”偏置点的存在，电源上电时，因为环路允许零电流，所以它们可以无限期地保持关断。解决这个问题的方法是为基准电路加入启动电路来提供启动信号，以防止电路工作在零电流状态。

启动电路设计需要考虑的以下几个性能指标：启动速度、启动功耗及电路正常工作后的启动电路功耗。启动速度即电路由上电到提供出正常的启动信号的时间，该时间越短越好。启动功耗即在整个启动过程中所用的电能，为了满足现在对电源管理芯片低功耗的要求，启动功耗要尽可能的低。同样的当电路正常启动后通常要求启动电路部分截止，以减少整个电路的静态功耗。

对于传统的启动电路，基准源和芯片其他电路模块正常工作后仍然存在功耗，而对于低功耗芯片而言，传统的启动电路的局限，提出了对低功耗启动电路的迫切要求。而具有使能性能的启动电路更是能在芯片节能模式下关闭基准源和其他电路模块，进一步实现低功耗。

如图1所示的电路是一个经常用于基准源电路的启动电路，其中MOS管M1、M2、M3串接，其导通电阻会比较大。当启动时，M1、M2、M3管导通，M5、M6管处于关断状态，电流流到节点Node，Node电位被拉到高电平使后NMOS管M4导通，将start电位拉低，进而启动基准源的内部电路。当基准源电路正常工作后，基准电压Vref为高电平，M5管导通，Node的电位被拉低，M5管处于关断状态，电路启动完毕。

但是这种电路结构存在两个不足之处：一是在电路启动后，由于启动电路的Node的电位是低电平，启动电路将一直消耗电流，这在一些启动低功耗电路的场合是很难适用的；二是在低电压下Node的电位并不能在启动时拉的很高，NMOS管M4工作在亚阈值区，不能将start的电位拉的很低，这影响了启动速度，甚至会产生振荡。

发明内容

本发明提出一种应用于基准源的启动电路，本发明为基准源提供一种低功耗、可使能和高性能的启动电路。

本发明的技术方案为：

一种应用于基准源的启动电路，包括：用于提供启动信号的启动单元、用于提供偏置电压的偏置单元、使能单元和反相单元；使能信号输入到反相单元，反相单元与启动单元和使能单元连接，使能单元与偏置单元连接，启动单元、偏置单元与主电路连接。

该启动电路能在上电时为基准源提供启动信号以避免基准源和芯片其他电路模块工作在“简并点”。当基准源和芯片其他电路模块正常工作后，能切断启动电路器件的工作，从而实现低功耗的启动。同时，该电路还具有使能功能，当不需要基准源工作时通过改变使能信号可关闭基准源电路。该电路能应用到要求低静态功耗的芯片中。

所述偏置单元为主电路提供节点pbias和节点nbias两个不同偏置电压；所述偏置单元包括PMOS管M17和M19、NMOS管M18和M20、电容C1、C2和电阻R；所述PMOS管M17、M19和NMOS管M18、M20分别相互镜像，电阻R接在M20的源极和GND之间；电容C1接在VDD和M17栅极之间，电容C2接在M18栅极和GND之间。

偏置单元主要由电流镜电路组成，产生与电源无关的电流，并使用电容C1和C2隔离外界干扰使电路稳定，以保证电路提供比较稳定的偏置电压。

所述反相单元用于对输入的使能信号进行整形，并输出同相电平-节点en电压和反向电平-节点nen电压；所述节点nen与启动单元和使能单元连接，节点en与使能单元连接；

所述反相单元是由PMOS管M13和M15、NMPS管M14和M16组成的两个推挽反相器串联电路，其中使能信号输入到PMOS管M13和NMPS管M14的栅极，PMOS管M13的漏极和NMPS管M 14的漏极连接，PMOS管M15的栅极和NMPS管M16的栅极连接，PMOS管M13的漏极与PMOS管M15的栅极连接，节点nen从PMOS管M13的漏极引出，节点en从PMOS管M15的漏极引出。

反相单元由两个推挽反向器组成，为使能信号整形和反相。反相单元将输入的ENABLE使能信号反相成一高电平和一低电平，从而来控制使能单元和启动单元。

所述启动单元包括NMOS管M1、M2和M4，PMOS管M3，M1与M2串联，M1与M2之间接出启动单元节点start；M1的漏极与VDD和M3的漏极连接，M1的栅极与M3的漏极和M4的漏极连接，M4的栅极与启动单元节点start连接，M4的源极与GND和M2的源极连接；M2的栅极与反相单元的节点nen连接；启动单元节点start与主电路的基准源简并节点相连。

启动单元主要是在电路启动时为电路提供启动电压，以避免电路工作在“简并点”。当基准源和芯片其他电路模块正常工作后，反馈电压使得启动电路截止，减少功耗。

所述使能单元包括PMOS管M10、NMOS管M7、M11和M12；所述M10的栅极与所述反相单元的节点en连接，M10的漏极与偏置单元的节点pbias和M11漏极连接，M12的栅极与所述反相单元的节点nen连接，M12的漏极与所述偏置单元的节点nbias连接，M12的源极与M11的漏极和GND连接，M11的栅极与M7的漏极连接，M7的源极与M12的源极连接，M7的栅极与M12的漏极连接。

使能单元主要作用控制基准源和芯片其他电路模块的使能。使能电路的PMOS管M10漏极与所述偏置单元的pbias相连，NMOS管M12漏极与nbias相连。当使能信号为高电平使电路正常工作。使能信号变为低电平时，所述使能电路通过改变所述偏置单元的偏置电压pbias和nbias从而使采用此偏置的基准源和芯片其他电路模块不能工作，当使能信号再次变为高电平时电路再次启动，达到使能的作用。

本发明的有益效果：本发明的启动电路能在上电时为基准源提供启动信号以避免基准源和芯片其他电路模块工作在“简并点”。当基准源和芯片其他电路模块正常工作后，能切断启动电路器件的工作，从而实现低功耗的启动。同时，该电路还具有使能功能，当不需要基准源工作时通过改变使能信号可关闭基准源电路。该电路能应用到要求低静态功耗的芯片中。 

附图说明

图1为传统的基准源启动电路连接图。

图2为产生偏置电压单元电路连接图。

图3为反相器单元电路连接图。

图4为本发明的启动信号单元电路连接图。

图5为本发明的使能单元电路连接图。

图6为本发明启动电路电路总体连接图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

本发明使用ENABLE信号来使电路重新启动，启动电路的节点start连接到基准源的基准源和芯片其他电路模块，在电路启动的时提供启动信号，电路启动后，基准源和芯片其他电路模块通过该节点反馈信号使电路停止工作。

如图2，所述偏置单元主要由MOS管M17-M20所组成，为基准源和芯片其他电路模块提供节点pbias和节点nbias两个不同偏置电压。PMOS管M17、M19和NMOS管M18、M20分别相互镜像，R连接到M20的源极和地之间产生电源无关的固定电流Io，从而得到相对稳定的偏置。其中，电容C1连到VDD和M17栅极之间、电容C2连接到M18栅极和GND之间，其作用是构成电容隔离外界干扰，以保证偏置电路的稳定。

如图3，所述反相单元主要是对输入使能ENABLE信号进行整形并输出与其同相电平（节点en电压）和反向电平（节点nen电压）。所述反相单元的节点nen连接到所述启动单元NMOS管M2和所述使能单元NMOS管M12的栅极上，所述反相单元的节点en连接到所述使能单元的PMOS管M10的栅极上。上述两个节点电压分别为启动电路基准源和芯片其他电路模块提供使能信号。

如图4，所述启动电路单元主要的作用是，在电路启动时为帯隙基准提供启动信号，避免基准源和芯片其他电路模块工作在“简并点”。并且当基准源和芯片其他电路模块启动后，基准源和芯片其他电路模块给启动电路提供关断信号，启动电路断开，降低整体的功耗。所述启动电路的NMOS管M2与所述反相单元节点nen相连，所述启动单元节点start与基准源简并节点相连，提供启动信号。当电路启动的时候由于ENABLE提供高电平，因此有M2截止，同时偏置正常工作，节点pbias电压使M3导通进而M1导通，节点start被拉高提供启动信号，基准源和芯片其他电路模块得到启动信号而正常工作。当基准源和芯片其他电路模块启动后，基准源简并节点电压升高，为启动单元的NMOS管M4提供偏置电压使M4导通，进而使NMOS管M1的栅极为低电平，M1截止。启动电路单元关闭，基准源的简并点电压及芯片其他电路模块的需要应用的偏置电压（节点pbias电压和节点nbias电压）不受启动电路影响。同时，启动电路基本不产生功耗。

如图5，所述使能电路单元，其中所述使能单元的PMOS管M10栅极与所述反相单元节点en相接，漏极与所述偏置单元节点pbias相接；NMOS管M12栅极与所述反相单元节点nen相接，漏极与所述偏置单元节点nbias相接。当电路使能时，使能信号由高电平切换成低电平，ENABLE经过了反相电路产生低电平信号en及高电平信号nen。由于en为低电平，所以使得M10导通，使得节点pbias被强制拉高到VDD。同时由于nen为高电平，所以有M2和M12导通，M12导通使得节点nbias被强制拉低到GND，M2导通使得节点start被强制拉低到GND，即启动信号为GND。NMOS管M11的栅极电压为GND而截止，此时的启动电路输出信号分别有节点start电压为GND、节点pbias电压为VDD、节点nbias电压为GND。当使能信号变回高电平时，基准源和芯片其他电路模块电路重新启动。基准源和芯片其他电路模块启动后，节点en为高电平使得M10截止；节点nen为低电平使得M12截止。偏置电路正常输出，使能电路电路断开，减少功耗。

如图6，所述启动电路启动时，ENABLE提供高电平，信号经过反向单元产生高低电平en、nen，分别提供到启动单元和使能单元。启动单元得到高电平en后产生启动信号start，为主电路提供启动电压。同时，使能单元的到高低电平en、nen后，使单元内器件M10和M12断开，此时使能单元不影响偏置单元，偏置单元输出正常偏置电压，主电路正常工作。主电路正常工作后，信号会反馈回启动单元使其断开。ENABLE提供低电平时，使能单元得到高低电平nen，en使单元内器件M10和M12导通，偏置电路的偏置电压pbias被强制拉高，nbias被强制拉低，主电路停止工作。ENABLE变回高电平电路重新启动。

综上所述，本发明为基准源设计了低功耗、可使能的启动电路。设计了启动单元，偏置单元，反相单元和使能单元。通过切换ENABLE信号高低电平而实现对基准源和芯片其他电路模块的使能。并利用MOS管的导通特性来实现电路的低功耗工作。

Claims (5)

1.一种应用于基准源的启动电路，其特征在于，包括：用于提供启动信号的启动单元、用于提供偏置电压的偏置单元、使能单元和反相单元；使能信号输入到反相单元，反相单元与启动单元和使能单元连接，使能单元与偏置单元连接，启动单元、偏置单元与主电路连接。

2.根据权利要求1所述的应用于基准源的启动电路，其特征在于，所述偏置单元为主电路提供节点pbias和节点nbias两个不同偏置电压；所述偏置单元包括PMOS管M17和M19、NMOS管M18和M20、电容C1、C2和电阻R；所述PMOS管M17、M19和NMOS管M18、M20分别相互镜像，电阻R接在M20的源极和GND之间；电容C1接在VDD和M17栅极之间，电容C2接在M18栅极和GND之间。

3.根据权利要求1所述的应用于基准源的启动电路，其特征在于，所述反相单元用于对输入的使能信号进行整形，并输出同相电平-节点en电压和反向电平-节点nen电压；所述节点nen与启动单元和使能单元连接，节点en与使能单元连接；

所述反相单元是由PMOS管M13和M15、NMPS管M14和M16组成的两个推挽反相器串联电路，其中使能信号输入到PMOS管M13和NMPS管M14的栅极，PMOS管M13的漏极和NMPS管M 14的漏极连接，PMOS管M15的栅极和NMPS管M16的栅极连接，PMOS管M13的漏极与PMOS管M15的栅极连接，节点nen从PMOS管M13的漏极引出，节点en从PMOS管M15的漏极引出。

4.根据权利要求1所述的应用于基准源的启动电路，其特征在于，所述启动单元包括NMOS管M1、M2和M4，PMOS管M3，M1与M2串联，M1与M2之间接出启动单元节点start；M1的漏极与VDD和M3的漏极连接，M1的栅极与M3的漏极和M4的漏极连接，M4的栅极与启动单元节点start连接，M4的源极与GND和M2的源极连接；M2的栅极与反相单元的节点nen连接；启动单元节点start与主电路的基准源简并节点相连。

5.根据权利要求1所述的应用于基准源的启动电路，其特征在于，所述使能单元包括PMOS管M10、NMOS管M7、M11和M12；所述M10的栅极与所述反相单元的节点en连接，M10的漏极与偏置单元的节点pbias和M11漏极连接，M12的栅极与所述反相单元的节点nen连接，M12的漏极与所述偏置单元的节点nbias连接，M12的源极与M11的漏极和GND连接，M11的栅极与M7的漏极连接，M7的源极与M12的源极连接，M7的栅极与M12的漏极连接。

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