CN107817858A - 一种电压基准电路 - Google Patents

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祝乃儒
杨佳
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    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
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Abstract

本发明提供一种电压基准电路，包括隔离电路、基准生成电路，所述隔离电路的输入端与电源VDD连接，输出端与基准生成电路的输入端连接，所述基准生成电路的输出端与基准电压输出端连接。通过供电电源VDD和输出VREF的电源基准之间增加了VDD隔离电路，减小VREF生成电路的供电电源对VDD的依赖关系。达到提升电源抑制比的目的，解决基准电压电路的设计问题。

Description

一种电压基准电路
技术领域
本发明涉及基准电压源设计领域，尤其涉及一种内部集成的基准电压源。
背景技术
目前采用耗尽型NMOS管做基准电压源的电路，其技术原理图为图1所示，图1中M11是耗尽型NMOS管。M12是增强型NMOS管，M11的漏极连接一个稳定的电压源VDD，栅极和源极短接，M12的漏极和栅极短接，并连接M11的源极，作为基准电压源的输出VREF，其大小与VDD无关，与温度无关，表达式推导如下：
所以
其中，VTD小于0，S1～S2表示M11和M12的宽长比，KD表示耗尽型NMOS的迁移率，KE表示增强型NMOS的迁移率，VTD表示耗尽型NMOS型的阈值电压，VTE表示增强型NMOS的阈值电压。
由式(1)可以看出，输出电压VREF的大小仅两种类型NMOS管的阈值电压、迁移率和宽长比有关，当三者固定时，VREF被确定，因此VREF除了有良好的温度特性之外，还需要有良好的电源抑制比(PSRR，Power Supply Rejection Ratio)。
发明内容
为了实现提升电源抑制比的目的，本发明在供电电源VDD和输出VREF的电源基准之间增加了VDD隔离电路，减小VREF生成电路的供电电源对VDD的依赖关系。本发明要解决的技术问题，在于提供一种新型电压基准电路，解决基准电压电路的设计问题。
本发明是这样实现的：一种电压基准电路，包括隔离电路、基准生成电路，所述隔离电路的输入端与电源VDD连接，输出端与基准生成电路的输入端连接，所述基准生成电路的输出端与基准电压输出端连接。如图中所示的
具体地，所述隔离电路的输入端与NMOS管M1的栅极连接，M1的源极与漏极连接，M1的源极还与NMOS管M3的源极和栅极连接，M3的漏极接地；所述隔离电路的输入端还与NMOS管M5的栅极连接，M5的源极与M1的漏极连接，M5的漏极与隔离电路的输出端连接。
具体地，所述基准生成电路的输入端与NMOS管M2的栅极连接，M2的源极与漏极连接，M2的源极还与NMOS管M4的源极和栅极连接，M4的漏极接地；所述M2的漏极还与基准生成电路的输出端连接。
进一步地，所述M2的漏极通过滤波电容C0接地。
本发明具有如下优点：省却电阻器件，工艺简单，调试电路及实际流片效果好，产生的交流噪声好，具有很高的电源抑制比，并相较于常用的带隙基准电路的元器件少，有着较低的成本及功耗。
附图说明
图1为本发明某具体实施例所述的基准电压电路图；
图2为本发明某具体实施例所述的基准电压电路模块图；
图3为本发明某具体实施例所述的基准电压电路图；
图4为本发明某具体实施例所述的等效小信号电路图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
一种电压基准电路，能够应用于需要与供电、温度变化均无关的苛刻的应用场景中。请参阅图3，本发明的电压基准电路包括隔离电路、基准生成电路，所述隔离电路的输入端与电源VDD连接，输出端与基准生成电路的输入端连接，所述基准生成电路的输出端与基准电压输出端连接。通过设计隔离电路将外接的VDD隔离在外，使得输出端输出的电压小于基准生成电路可以承受的电压，避免了击穿的风险，增强了电路的安全性，也能够使得输出端的电流更加稳定，杂波较少。通过基准生成电路生成片上基准电压，由于基准生成电路输入端输入的电压比较稳定，则生成的基准电压也更加稳定，安全，具有更好的电压抑制比。
在图3所示的具体的实施例中，所述隔离电路的输入端与NMOS管M1的栅极连接，M1的源极与漏极连接，M1的源极还与NMOS管M3的源极和栅极连接，M3的漏极接地；所述隔离电路的输入端还与NMOS管M5的栅极连接，M5的源极与M1的漏极连接，M5的漏极与隔离电路的输出端连接；所述基准生成电路的输入端与NMOS管M2的栅极连接，M2的源极与漏极连接，M2的源极还与NMOS管M4的源极和栅极连接，M4的漏极接地；所述M2的漏极还与基准生成电路的输出端连接。其他为了降低电压抑制比的电路，思路设计都过于复杂，本发明通过将隔离电路与基准生成电路通过上述方式连接，极大地简化了电压基准电路的构图，并且在PSRR的性能上具有良好的表现。
下面结合附图，对本发明的实施例进行详细描述。
如图1所示的两个MOS管式的基准电压生成结构，在下文中简称为基准。第一基准由M1和M3构成，第一基准的输出连接M5的栅极，作为M5的直流偏置。第二基准由M2和M4构成，第二基准由M5的源极供电，输出为本发明实施例的输出。
本发明实施例的工作原理：
第一基准的工作原理：第一基准的工作电流IM1，
所以
第二基准的工作原理：第二基准的工作电流IM2
所以
为了分析简便，忽略一些二级效应，认为有效迁移率的温度系数很低，可忽略。那么为了获得不错的温度系数，对上是两边求导
如果则
为了满足第二基准的供电条件，M5的源极电压VS必须满足如下条件：
因为M5和M2串联，
IM5＝IM2 (11)
所以
所以
所以
把代入上式，(VG-VTE)是M3的过驱动电压，上式就变成了只与M5有关的不等式，据此就可以计算得到M5的尺寸范围。
输出电压VREF中的小信号vref与电源VDD中含有的小信号vdd之比，就是电源的PSRR。为了分析电路的电源抑制比，画出本发明实施例的等效小信号电路图，如图4。
M5栅极连接直流偏置，小信号为0。M5的小信号电流
gds5(vdd-vS5)-vS5gm5 (16)
所以，关于M5的源极电压vs5的小信号表达式如下：
gds2(vS5-vref)＝gds5(vdd-vS5)-vS5gm5 (17)
M5的小信号电流等于M4的小信号电流，表达式如下：
gds5(vdd-vS5)-vS5gm5＝vref(sCo+gm4) (18)
先解vS5
代入解得
主极点|p|的表达式：
如果在满足温度特性的基础上，适当的增加从M4跨导可以提高低频的PSRR和频带宽度。基准电压源是模拟集成电路不可或缺的一部分。图1所示的基准电压源并不具有很好的实用性，PSRR不佳是其最主要的原因。本发明旨在通过改进电路结构，大幅度提升PSRR又不引入其他器件，增加电路的复杂性。
其他一些进一步的实施例中，所述M2的漏极通过滤波电容C0接地。通过连接电容来进一步提高输入电压的稳定性，更好地解决了基准电压生成的问题。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种电压基准电路，其特征在于，包括隔离电路、基准生成电路，所述隔离电路的输入端与电源VDD连接，输出端与基准生成电路的输入端连接，所述基准生成电路的输出端与基准电压输出端连接。
2.根据权利要求1所述的电压基准电路，其特征在于，所述隔离电路的输入端与NMOS管M1的栅极连接，M1的源极与漏极连接，M1的源极还与NMOS管M3的源极和栅极连接，M3的漏极接地；所述隔离电路的输入端还与NMOS管M5的栅极连接，M5的源极与M1的漏极连接，M5的漏极与隔离电路的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的电压基准电路，其特征在于，所述基准生成电路的输入端与NMOS管M2的栅极连接，M2的源极与漏极连接，M2的源极还与NMOS管M4的源极和栅极连接，M4的漏极接地；所述M2的漏极还与基准生成电路的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的电压基准电路，其特征在于，所述M2的漏极通过滤波电容C0接地。
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