CN110475190A - 一种mems传感器及启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS传感器及启动电路，所述启动电路用于对带隙基准核心电路进行启动，包括等效电阻产生单元以及状态切换单元，其中，所述等效电阻产生单元，由等效晶体管M1组成，所述等效晶体管M1包括多个串联的等效场效应管；所述状态切换单与所述等效电阻单元和所述带隙基准核心电路电连接，所述状态切换单元用以在检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为0时，将基准核心电路的内部节点拉高迫使其脱离简并模式，能够进入正常工作模式。本发明的启动电路用等效晶体管M1替代传统的电阻，使得芯片面积可以更小，便于集成化，且所述启动电路在所述带隙基准核心电路处于正常工作模式时，其上不消耗静态电流，满足低功耗的需求。

Description

一种MEMS传感器及启动电路

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种MEMS传感器及启动电路。

背景技术

国内的MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)传感器市场正在突飞猛进的发展之中，其中尤其是手机市场中的应用，根据手机产业研究所调查数据，2019年上半年手机总体出货量达到1.86亿部，其中高端手机平均每部手机包含大于2颗MEMS传感器来计算，单手机传感器市场规模可达到3.72亿颗。手机基本上为电池供电，更具不同电子产品可以做成各种不同形状长方形、圆柱形等形状，且可以有多节电池串并联在一起，其中电池的供电一般为3.0V，其中充满电时电压为3.3V，其中停止放电的电压范围比较大在1.72V～3.6V，电压变化范围高达45％，这样会给MEMS传感器或者模块提出了更高的要求。

在手机应用中，芯片供电均采用锂电池供电，供电范围为1.72V～3.6V，如此大的电压变化范围需要一个带隙基准能够最大承受高达3.6V电压，且将其变换为1.2V或者0.6V固定电压。该电压则可以通过LDO(Low Dropout Regulator，低压线性稳压器)承受更大的电压范围，保证内部工作电压维持不变，可以大大降低内部电路对电源电压波动的影响，提高MEMS伺服电路的工作范围。

带隙基准(Bandgap Circuit)利用了正负温度系数的电压叠加相互消除温度的影响之工作原理，得到的带隙电压1.2V，对温度与供电电源不敏感，带隙基准核心电路可以为LDO提供带隙基准电压。此种结构已经被广泛应用各种CMOS工艺模拟和数模混合信号产品，利用了该电路的功耗低以及集成度高等优点；但是这种电路存在正常模式和简并(电流为零)两种工作模式，所以在使用中必须要使用一个启动电路来保证正常工作。一般启动电路都需要消耗一些静态电流，为了满足各种工艺偏差所以需要设计足够余量，这样会增加芯片面积，这样则不能满足MEMS传感器低功耗应用市场，而且为了降低芯片功耗，需要增加的芯片面积以致相同圆晶上芯片数量减少。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS传感器及启动电路，用于解决现有技术中核心电路的启动电路不能满足低面积、低功效等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种启动电路，用于对带隙基准核心电路进行启动，所述启动电路包括：等效电阻产生单元，由等效晶体管M1组成，所述等效晶体管M1包括多个串联的等效场效应管；状态切换单元，与所述等效电阻单元和所述带隙基准核心电路电连接，所述状态切换单元用以在检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为0时，调整所述带隙基准核心电路的输出电压为预设的高电压。

在一些实施例中，所述状态切换单元检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为所述预设的高电压时，所述状态切换单元处于断开状态，以令所述等效晶体管M1上流经的电流为0。

在一些实施例中，所述等效场效应管为PMOS管。

在一些实施例中，所述状态切换单元包括NMOS管M2、反相器以及PMOS管M3。

在一些实施例中，所述NMOS管M2的栅极与所述带隙基准核心电路的输出电压电连接，所述NMOS管M2的源极接地，所述NMOS管M2的漏极与所述等效晶体管M1的第一端电连接，且所述NMOS管M2的漏极与所述反相器的输入端电连接，所述反相器的输出端与所述PMOS管M3的栅极电连接，所述PMOS管M3的漏极电连接预设标准电压，所述等效晶体管M1的第二端电连接所述预设标准电压，所述PMOS管M3的源极为所述带隙基准核心电路提供启动信号。

在一些实施例中，所述状态切换单元用以在检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为0，所述NMOS管M2断开，且所述PMOS管M3导通，以通过PMOS管M3的源极为所述带隙基准核心电路提供所述启动信号，以调整所述带隙基准核心电路的输出电压为所述预设的高电压。

在一些实施例中，所述带隙基准核心电路包括PMOS管M4、PMOS管M5、电阻r1、电阻r2、电阻r3、误差放大器A1、PNP三极管Q1以及PNP三极管Q2，所述PMOS管M4的漏极电连接所述预设标准电压，所述PMOS管M4的源极与所述电阻r1的第一端电连接，所述PMOS管M4的栅极与所述误差放大器A1的输出端以及所述PMOS管M5的栅极电连接，所述PMOS管M5的漏极连接所述预设标准电压，所述PMOS管M5的源极连接所述电阻r2的第一端，所述电阻r2的第一端输出所述带隙基准核心电路的输出电压，且所述电阻r2的第一端与所述NMOS管M2的栅极电连接，所述电阻r2的第二端与所述电阻r3的第一端电连接，所述电阻r3的第二端与所述PNP三极管Q2的发射极电连接，所述PNP三极管Q2的集电极接地，所述PNP三极管Q2的基极与所述PNP三极管Q1的基极电连接，所述PNP三极管Q1的集电极接地，所述PNP三极管Q1的发射极与所述误差放大器A1的正向输入端电连接，所述误差放大器A1的负向输入端与所述电阻r3的第一端电连接。

在一些实施例中，所述等效场效应管的数量和尺寸与所述等效电阻的阻值大小有关。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种MEMS传感器，包括带隙基准核心电路以及如上任一项所述的启动电路。

如上所述，本发明提供一种MEMS传感器及启动电路，所述启动电路用于对带隙基准核心电路进行启动，包括等效电阻产生单元以及状态切换单元，其中，所述等效电阻产生单元，由等效晶体管M1组成，所述等效晶体管M1包括多个串联的等效场效应管；所述状态切换单与所述等效电阻单元和所述带隙基准核心电路电连接，所述状态切换单元用以在检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为0时，调整所述带隙基准核心电路的输出电压为预设的高电压。本发明的启动电路用等效晶体管M1替代传统的电阻，使得芯片面积可以更小，便于集成化，且所述启动电路在所述带隙基准核心电路处于正常工作模式时，其上不消耗静态电流，满足低功耗的需求。

附图说明

图1显示为本发明的启动电路在一具体实施例中的电连接示意图。

图2显示为本发明的启动电路在一具体实施例中的应用原理示意图。

图3显示为本发明一具体实施例中电压变化时序图。

元件标号说明

1 启动电路

11 等效电阻单元

12 状态切换单元

2 带隙基准核心电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，显示为本发明的启动电路在一具体实施例中的电连接示意图。所述启动电路1可应用于MEMS传感器中，所述启动电路1用于对带隙基准核心电路进行启动，所述带隙基准核心电路的工作模式包括正常模式和简并零电流模式，其中，在所述正常模式下，所述带隙基准核心电路的输出电压为预设的高电压(所述预设的高电压的电压值例如为0.6V或者1.2V)，在所述简并零电流模式下，所述带隙基准核心电路的输出电压为0或预设的低电压，其中，所述带隙基准核心电路可以为传感器中的线性稳压器提供带隙基准电压。

所述启动电路1包括：等效电阻产生单元11以及状态切换单元12。

所述等效电阻产生单元11由等效晶体管M1组成，所述等效晶体管M1包括多个串联的等效场效应管；用等效场效应管替代传统的电阻，可以降低芯片的面积，更利于芯片的集成化处理。其中，所述等效场效应管的数量和尺寸与所述等效电阻的阻值大小有关。且所述等效场效应管的栅极和源极电连接，且相邻的所述场效应管的源极和漏极相电连接，以形成所述多个串联的等效场效应管。

所述状态切换单元12与所述等效电阻单元11和所述带隙基准核心电路电连接，所述状态切换单元12用以在检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为0或是预设的低电压时，调整所述带隙基准核心电路的输出电压为所述预设的高电压。以将所述带隙基准核心电路的状态从所述简并零电流模式调整为所述正常模式。即将基准核心电路的内部节点拉高迫使其脱离简并模式，能够进入正常工作模式。

在所述启动电路1运行过程中，所述状态切换单元12检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为所述预设的高电压时，即所述带隙基准核心电路处于所述正常模式时，所述状态切换单元12处于断开状态，以令所述等效晶体管M1上流经的电流为0，即可保证在所述带隙基准核心电路处于所述正常模式时，所述启动电路1上的静态电流为0，降低所述启动电路1的功耗。

进一步参阅图2，显示为本发明的启动电路在一具体实施例中的应用原理示意图；如图3，显示为本发明一具体实施例中电压变化时序图。如图2所示，所述等效场效应管为PMOS管。

其中，所述状态切换单元12包括NMOS管M2、反相器inv1以及PMOS管M3。

如图2所示，所述NMOS管M2的栅极与所述带隙基准核心电路2的输出电压电连接，所述NMOS管M2的源极接地，所述NMOS管M2的漏极与所述等效晶体管M1的第一端(如图2所示，为所述等效晶体管M1的源极)电连接，且所述NMOS管M2的漏极与所述反相器inv1的输入端电连接，为所述反相器inv1提供所述输入信号sig1，所述反相器inv1的输出端与所述PMOS管M3的栅极电连接，所述PMOS管M3的漏极电连接预设标准电压(如图2所示的Vdd)，所述等效晶体管M1的第二端(如图2所示，为所述等效晶体管M1的漏极)电连接所述预设标准电压，所述PMOS管M3的源极为所述带隙基准核心电路2提供启动信号(sig2)。如图2所示，所述带隙基准核心电路2包括PMOS管M4、PMOS管M5、电阻r1、电阻r2、电阻r3、误差放大器A1、PNP三极管Q1以及PNP三极管Q2，其中所述PMOS管M4可以为多个PMOS管并联而成，多个并联的PMOS管间的栅极相互电连接、源极相互电连接且漏极相互电连接，其中所述PMOS管M5可以为多个PMOS管并联而成，多个并联的PMOS管间的栅极相互电连接、源极相互电连接且漏极相互电连接。所述PNP三极管Q1可以为多个并联的PNP三极管组成，多个并联的PNP三极管间的发射极相互电连接、基极相互电连接且集电极相互电连接。所述PNP三极管Q2可以为多个并联的PNP三极管组成，多个并联的PNP三极管间的发射极相互电连接、基极相互电连接且集电极相互连接。

所述PMOS管M4的漏极连接如图2所示的Vdd，所述PMOS管M4的源极与所述电阻r1的第一端电连接，所述PMOS管M4的栅极与所述误差放大器A1的输出端以及所述PMOS管M5的栅极电连接，所述PMOS管M5的漏极连接所述Vdd，所述PMOS管M5的源极连接所述电阻r2的第一端，所述电阻r2的第一端输出所述带隙基准核心电路2的输出电压(Vbg)，且所述电阻r2的第一端与所述NMOS管M2的栅极电连接，所述电阻r2的第二端与所述电阻r3的第一端电连接，所述电阻r3的第二端与所述PNP三极管Q2的发射极电连接，所述PNP三极管Q2的集电极接地，所述PNP三极管Q2的基极与所述PNP三极管Q1的基极电连接，所述PNP三极管Q1的集电极接地，所述PNP三极管Q1的发射极与所述误差放大器A1的正向输入端电连接，所述误差放大器A1的负向输入端与所述电阻r3的第一端电连接。

其中，所述状态切换单元12用以在检测到所述带隙基准核心电路2的输出电压为0时，通过所述PMOS管M3的源极为所述带隙基准核心电路2提供所述启动信号(sig2)，以调整所述带隙基准核心电路2的输出电压为所述预设的高电压。即改变所述电阻r1的第一端的电压，继而改变所述电阻r2的第一端的电压。

如图3，横轴为时间，纵轴为电压大小，其中两条线分别为Vbg和sig1，如图，当所述Vbg为高时，所述NMOS管M2导通，所述sig1接地。所述Vbg很低时，所述NMOS管M2断开，所述sig1的电压较高。

具体的，所述状态切换单元12用以在检测到所述带隙基准核心电路2的输出电压为0，所述NMOS管M2断开，则所述sig1的电压为高电压，sig1经过所述反相器inv1后成为低电压，使得所述PMOS管M3导通，使所述sig2的电压切换为高电压，即通过PMOS管M3的源极为所述带隙基准核心电路2提供所述启动信号，以调整所述带隙基准核心电路2的输出电压为所述预设的高电压。且在所述带隙基准核心电路2的输出电压为0(处于简并零电流模式时)，所述NMOS管M2断开，所述等效晶体管M1上具有流经所述PMOS管M3以及所述电阻r1的电流，即具有较小的电流流经。所述带隙基准核心电路2的输出电压为所述预设的高电压时(处于正常模式时)，所述NMOS管M2导通，而所述PMOS等效晶体管M1断开，即所述等效晶体管M1上流经的电流为0，进而所述等效晶体管M1在所述带隙基准核心电路2处于所述正常模式时，其上流经的电流均为0，不消耗静态功耗。即所述启动电路在所述带隙基准核心电路2从所述简并零电流模式切换到所述正常模式后，启动电路的运行自动关闭，且不会对隙基准核心电路造成干扰，结构简单需要芯片面积较小，能够满足低功耗的市场要求，非常适合模拟和数模混合信号系统的需要。

综上所述，本发明提供一种MEMS传感器及启动电路，所述启动电路用于对带隙基准核心电路进行启动，包括等效电阻产生单元以及状态切换单元，其中，所述等效电阻产生单元，由等效晶体管M1组成，所述等效晶体管M1包括多个串联的等效场效应管；所述状态切换单与所述等效电阻单元和所述带隙基准核心电路电连接，所述状态切换单元用以在检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为0时，调整所述带隙基准核心电路的输出电压为预设的高电压。本发明的启动电路用等效晶体管M1替代传统的电阻，使得芯片面积可以更小，便于集成化，且所述启动电路在所述带隙基准核心电路处于正常工作模式时，其上不消耗静态电流，满足低功耗的需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种启动电路，其特征在于，用于对带隙基准核心电路进行启动，所述启动电路包括：

等效电阻产生单元，由等效晶体管M1组成，所述等效晶体管M1包括多个串联的等效场效应管；

状态切换单元，与所述等效电阻单元和所述带隙基准核心电路电连接，所述状态切换单元用以在检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为0时，调整所述带隙基准核心电路的输出电压为预设的高电压。

2.根据权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述状态切换单元检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为所述预设的高电压时，所述状态切换单元处于断开状态，以令所述等效晶体管M1上流经的电流为0。

3.根据权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述等效场效应管为PMOS管。

4.根据权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述状态切换单元包括NMOS管M2、反相器以及PMOS管M3。

5.根据权利要求4所述的启动电路，其特征在于，所述NMOS管M2的栅极与所述带隙基准核心电路的输出电压电连接，所述NMOS管M2的源极接地，所述NMOS管M2的漏极与所述等效晶体管M1的第一端电连接，且所述NMOS管M2的漏极与所述反相器的输入端电连接，所述反相器的输出端与所述PMOS管M3的栅极电连接，所述PMOS管M3的漏极电连接预设标准电压，所述等效晶体管M1的第二端电连接所述预设标准电压，所述PMOS管M3的源极为所述带隙基准核心电路提供启动信号。

6.根据权利要求5所述的启动电路，其特征在于，所述状态切换单元用以在检测到所述带隙基准核心电路的输出电压为0，所述NMOS管M2断开，且所述PMOS管M3导通，以通过PMOS管M3的源极为所述带隙基准核心电路提供所述启动信号，以调整所述带隙基准核心电路的输出电压为所述预设的高电压。

7.根据权利要求6所述的启动电路，其特征在于，所述带隙基准核心电路包括PMOS管M4、PMOS管M5、电阻r1、电阻r2、电阻r3、误差放大器A1、PNP三极管Q1以及PNP三极管Q2，所述PMOS管M4的漏极电连接所述预设标准电压，所述PMOS管M4的源极与所述电阻r1的第一端电连接，所述PMOS管M4的栅极与所述误差放大器A1的输出端以及所述PMOS管M5的栅极电连接，所述PMOS管M5的漏极连接所述预设标准电压，所述PMOS管M5的源极连接所述电阻r2的第一端，所述电阻r2的第一端输出所述带隙基准核心电路的输出电压，且所述电阻r2的第一端与所述NMOS管M2的栅极电连接，所述电阻r2的第二端与所述电阻r3的第一端电连接，所述电阻r3的第二端与所述PNP三极管Q2的发射极电连接，所述PNP三极管Q2的集电极接地，所述PNP三极管Q2的基极与所述PNP三极管Q1的基极电连接，所述PNP三极管Q1的集电极接地，所述PNP三极管Q1的发射极与所述误差放大器A1的正向输入端电连接，所述误差放大器A1的负向输入端与所述电阻r3的第一端电连接。

8.根据权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述等效场效应管的数量和尺寸与所述等效电阻的阻值大小有关。

9.一种MEMS传感器，其特征在于，包括：包括带隙基准核心电路以及如权利要求1～8中任一项所述的启动电路。