CN108008756A - 基准电压源和稳压电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基准电压源以及稳压电路，其特征在于，包括：电流产生单元，连接在电源电压与地之间，用于产生第一电流；电流镜单元，连接在电源电压与地之间，用于根据第一电流产生第二电流；启动控制单元，与电流产生单元和电流镜单元相连，用于基准电压源启动时在启动信号的控制下使电源电压为电流产生单元和电流镜单元充电；使能单元，接收使能信号，使能信号有效时，基准电压源启动。本发明提供的基准电压源具有纳秒级的启动时间，不需要在芯片待机时继续工作，节省了功耗。

Description

基准电压源和稳压电路
技术领域
本发明涉及基准电压源技术领域，更具体地涉及一种基准电压源和包含该基准电压源的稳压电路。
背景技术
基准电压源是当代模拟集成电路极为重要的组成部分，它为串联型稳压电路、A/D和D/A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。
现有技术的基准电压源具有微秒级的启动时间，因此通常在芯片待机的状态下依然要保持基准电压源工作，而基准电压源在工作时具有10μA左右的功耗，这样会造成大量的功耗。
因此，需要对现有技术的基准电压源进行改进，得到可以快速启动的基准电压源以使得在芯片待机时可以关闭基准电压源，减小功耗。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可以快速启动的基准电压源以及稳压电路。
根据本发明的一方面提供的一种基准电压源，包括：电流产生单元，连接在电源电压与地之间，用于产生第一电流；电流镜单元，连接在电源电压与地之间，用于根据第一电流产生第二电流；启动控制单元，与电流产生单元和电流镜单元相连，用于基准电压源启动时在启动信号的控制下使电源电压为电流产生单元和电流镜单元充电；使能单元，接收使能信号，使能信号有效时，基准电压源启动。
优选地，电流镜单元包括：输出单元；以及第一PMOS管，第一PMOS管与输出单元串联在电源电压与地之间，第一PMOS管与输出单元之间的节点作为基准电压源的输出节点，在输出节点处产生基准电压。
优选地，启动控制单元包括：第一NMOS管，栅极接收启动信号，源极与第一PMOS管的栅极相连，漏极接地。
优选地，电流产生单元包括：第一电流支路，第一电流支路包括串联于电源电压与地之间的第二PMOS管、第一三极管以及第一电阻；第二电流支路，第二电流支路包括串联于电源电压与地之间的第三PMOS管与第二三极管；第二PMOS管与第三PMOS管形成电流镜结构，第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极相互连接，第一三极管和第二三极管的基极相互连接，第二三极管的集电极与基极相连。
优选地，输出单元包括第二电阻以及第三三极管，第二电阻的第一端与输出节点相连，第二端与第三三极管的集电极相连，第三三极管的集电极与基极相连，发射极接地。
优选地，使能单元包括：第四PMOS管，其栅极接收使能信号，源极接收电源电压，漏极与第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极相连；第二NMOS管，其源极与第一三极管和第二三极管的基极相连，漏极接地，第三NMOS管，其源极与第三三极管的基极相连，漏极接地；反相器，其输入端接收使能信号，输出端与第二NMOS管和第三NMOS管的栅极相连。
优选地，第一PMOS管的宽长比大于第二PMOS管和第三PMOS管的宽长比。
优选地，第二PMOS管和第三PMOS管的宽长比相等。
优选地，启动信号的有效时间为2-3纳秒。
根据本发明的另一方面提供一种稳压电路，包括：上述的基准电压源，基准电压源用于向稳压电路提供基准电压。
本发明实施例提供的基准电压源以及稳压电路，在基准电压源启动的同时施加一个2-3纳秒的启动信号，由电源电压为基准电压源充电，将输出端的电位上拉为电源电压，之后让输出端的电位从电源电压逐渐下降为基准电压，实现纳秒级的启动时间。因此本发明实施例提供的基准电压源不需要在芯片待机时继续工作，节省了功耗。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出本发明的基准电压源的电路示意图。
图2示出本发明的基准电压源的工作时序图。
图3示出本发明的基准电压源在不同电源电压下的模拟输出的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1示出本发明的基准电压源的电路示意图。
如图1所示，本发明提供的基准电压源200包括三个电流镜支路，第一电流镜支路包括串联于电源电压VCC与地之间的晶体管P2、三极管Q1和电阻R1，晶体管P2的源极接收电源电压VCC，晶体管P2的栅极与漏极相连，晶体管P2的漏极还与三级管Q1的集电极相连。三极管Q1的发射极与电阻R1的第一端相连，电阻R1的第二端接地。
第二电流镜支路包括串联于电源电压VCC与地之间的晶体管P3与三极管Q2，晶体管P3的源极接收电源电压VCC，晶体管P3的漏极与三极管Q2的集电极相连，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极与基极相连。晶体管P2与晶体管P1的栅极相连，三极管Q2与三极管Q1的基极相连。
第三电流镜支路包括串联在电源电压VCC与地之间的晶体管P1和输出单元231，输出单元231包括电阻R2以及三极管Q3。晶体管P1的源极接收电源电压VCC，漏极与电阻R2的第一端相连，栅极与晶体管P2的栅极和晶体管P3的栅极的相连。电阻R2的第二端与三极管Q3的集电极相连，三极管Q3的集电极和基极相连，发射极接地。晶体管P3的漏极与电阻R2之间的节点作为输出节点提供基准电压VREF。
第一电流镜支路和第二电流镜支路组成电流产生单元210，可以提供第一电流IC。第三电流镜支路为电流镜单元230，能够根据第一电流IC产生第二电流mIC，其中，m表示晶体管P1的宽长比与晶体管P3的宽长比的比值。
基准电压源200还包括使能单元，用于接收使能信号EN。在本实施例中，如图1所示，使能单元包括晶体管P4、反相器INV1以及晶体管M2、M3。晶体管P4的栅极接收使能信号EN，源极接收电源电压VCC，漏极与晶体管P1、P2和P3的栅极相连。反相器INV1的输入端接收使能信号EN，输出端与晶体管M2和M3的栅极相连。晶体管M2的源极与三极管Q1的基极和三极管Q2的基极之间的节点相连，漏极接地。晶体管M3的源极与三极管Q3的基极相连，漏极接地。
基准电压源200还包括启动控制单元220，其与电流产生单元210和电流镜单元230相连，用于基准电压源启动时在启动信号KICK的控制下使电源电压VCC为电流产生单元210和电流镜单元230充电。在本实施例中，启动控制单元220包括晶体管M1，晶体管M1的栅极接收启动信号KICK，源极与晶体管P1、P2、P3的栅极相连，漏极接地。
在上述实施例中，晶体管P1-P4可以为P沟道MOS管，晶体管M1-M3可以为N沟道MOS管。然而本公开实施例不限于此，晶体管的类型可以根据需要来选择。
以下对本发明实施例提供的基准电压源的工作原理进行详细说明。
如图1所示，晶体管P1、P2、P3的宽长比分别为m：1：1，第一电流镜支路的电流为Ic，则第二电流镜支路和第三电流镜支路的电流分别为Ic和mIc，则可以根据公式得到基准电压VREF：
其中，ΔVBE＝VBE,Q1-VBE,Q2，VBE,Q1、VBE,Q2、VBE,Q3分别表示三极管Q1-Q3的基极-发射极电压。IC表示第一电流镜支路的电流，R1和R2分别表示电阻R1和电阻R2的阻值，m表示晶体管P1的宽长比，表示三极管的热电势。设VBE随温度升高而下降系数为-1.5mV/℃，则可求得VREF大约为1.25V。
在本发明的实施例中使能信号EN和启动信号KICK为高电平有效，当使能信号EN有效时，基准电压源200启动。当启动信号KICK有效时，晶体管M1导通，晶体管P1、P2、P3的栅极电位被下拉为地，晶体管P1、P2、P3导通，电源电压VCC为电路充电，电流Ic增大，基准电压VREF与电源电压VCC相等。在本发明的一些实施例中，电源电压VCC的大小一般为1.6V、1.8V或者2.0V，因此当启动信号KICK有效时，基准电压VREF会瞬间增大。
图2示出本发明的基准电压源的工作时序图。横轴表示时间(单位：ns)，纵轴表示电压(单位：V)。
如图2所示，在t1，使能信号EN由低电平变为高电平，电路启动，此时启动信号KICK由低电平变为高电平，将基准电压VREF增大为电源电压VCC，电源电压VCC的大小一般为1.6V、1.8V或者2.0V。并且如图所示，在本发明的一些实施例中，启动信号KICK的持续时间为2ns-3ns，因此在启动信号KICK由高电平变为低电平后，基准电压VREF的电压值会逐渐下降为1.25V，如图所示，基准电压VREF的下降时间大约为80ns。
图3示出本发明的基准电压源在不同电源电压下的模拟输出的示意图，模拟了在不同电源电压下基准电压源的输出。横轴表示时间(单位：s)，纵轴表示电压(单位：V)。
曲线A、B、C分别表示将本发明的基准电压源在电源电压为2.0V、1.8V以及1.6V进行多次试验得到的基准电压的变化曲线。如图3所示，在0-10ns，基准电压小于200mV，此时基准电压源处于待机状态。在10ns时，基准电压的值瞬间增大，然后电压值逐渐减小，在40ns时，基准电压不再变化，基准电压的电压值维持在1.2V左右。由此可知，本发明提供的基准电压源得到1.2V左右的基准电压需要的时间大致为40ns，实现纳秒级的快速启动。
根据本发明的另一方面，提供一种稳压电路，包括上述的基准电压源，用于向稳压电路提供基准电压。
综上所述，本发明实施例提供的基准电压源以及稳压电路，在基准电压源启动的同时施加一个2-3纳秒的启动信号，由电源电压为基准电压源充电，将输出端的电位上拉为电源电压，之后让输出端的电位从电源电压逐渐下降为基准电压，实现纳秒级的启动时间。因此本发明实施例提供的基准电压源不需要在芯片待机时继续工作，节省了功耗。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种基准电压源，其特征在于，包括：
电流产生单元，连接在电源电压与地之间，用于产生第一电流；
电流镜单元，连接在电源电压与地之间，用于根据所述第一电流产生第二电流；
启动控制单元，与电流产生单元和电流镜单元相连，用于基准电压源启动时在启动信号的控制下使电源电压为电流产生单元和电流镜单元充电；
使能单元，接收使能信号，所述使能信号有效时，所述基准电压源启动。
2.根据权利要求1所述的基准电压源，其特征在于，所述电流镜单元包括：
输出单元；以及
第一PMOS管，所述第一PMOS管与输出单元串联在电源电压与地之间，所述第一PMOS管与输出单元之间的节点作为基准电压源的输出节点，在所述输出节点处产生基准电压。
3.根据权利要求2所述的基准电压源，其特征在于，所述启动控制单元包括：
第一NMOS管，栅极接收启动信号，源极与所述第一PMOS管的栅极相连，漏极接地。
4.根据权利要求2所述的基准电压源，其中，所述电流产生单元包括：
第一电流支路，所述第一电流支路包括串联于电源电压与地之间的第二PMOS管、第一三极管以及第一电阻；
第二电流支路，所述第二电流支路包括串联于电源电压与地之间的第三PMOS管与第二三极管；
所述第二PMOS管与所述第三PMOS管形成电流镜结构，所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极相互连接，所述第一三极管和第二三极管的基极相互连接，所述第二三极管的集电极与基极相连。
5.根据权利要求2所述的基准电压源，其中，所述输出单元包括第二电阻以及第三三极管，所述第二电阻的第一端与所述输出节点相连，第二端与所述第三三极管的集电极相连，所述第三三极管的集电极与基极相连，发射极接地。
6.根据权利要求4所述的基准电压源，其中，所述使能单元包括：
第四PMOS管，其栅极接收所述使能信号，源极接收电源电压，漏极与所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极相连；
第二NMOS管，其源极与所述第一三极管和所述第二三极管的基极相连，漏极接地，
第三NMOS管，其源极与所述第三三极管的基极相连，漏极接地；
反相器，其输入端接收所述使能信号，输出端与所述第二NMOS管和第三NMOS管的栅极相连。
7.根据权利要求4所述的基准电压源，其中，所述第一PMOS管的宽长比大于所述第二PMOS管和所述第三PMOS管的所述宽长比。
8.根据权利要求4所述的基准电压源，其中，所述第二PMOS管和所述第三PMOS管的所述宽长比相等。
9.根据权利要求1至8任一项所述的基准电压源，其中，所述启动信号的有效时间为2-3纳秒。
10.一种稳压电路，其特征在于，包括：
权利要求1-9任一项所述的基准电压源，所述基准电压源用于向所述稳压电路提供基准电压。
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