CN111796626A - 一种多功能低压低功耗基准电路及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能低压低功耗基准电路及其设计方法,属于基准电路技术领域,包括PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路、基准电压产生电路和基准电流产生电路;PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路和基准电压产生电路均置于VCC与地之间,使得这些电路可以根据电流镜的原理复制PTAT电流;电压检测电路产生偏置电压给电流比较器,使得电流比较器可以根据电流镜的原理复制电压检测电路所产生的电流,可以输出小于1V的零温度系数基准电压,以及与温度成正比的基准电流,以及上电复位信号,最大化精简了面积,另外可以工作在很低的电源电压下,针对电池供电。
Description
技术领域
本发明涉及基准电路技术领域,特别涉及一种多功能低压低功耗基准电路及其设计方法。
背景技术
基准电压和基准电流,几乎是所有芯片必需的模块,其作用非常关键。电路总是基于一些参考而工作(电压参考,即基准电压;电流参考,即基准电流;时钟参考,通常是晶振)。在用电池供电的一些设备中,总是希望低功耗、小面积、尽可能低的工作电压,因此对各个模块的设计均提出了较高的要求。而基准电压和基准电流产生模块的特殊性,通常设计为上电就工作,并且不能关闭,所以对低功耗、低电压的要求更为苛刻。在这些低功耗芯片设计中,采用工作在亚阈值区的MOS管的基准电路,得到了广泛的使用。
上电复位电路(POR:Power On Reset)广泛应用于各类SoC或MCU芯片中。一个电路系统刚刚上电的时候,电源电压还没有达到稳定状态,此时芯片中的各个功能模块,各个电路节点电压或逻辑还没有完全建立,处于未知状态。从这种不确定的初始状态开始运行,这是错误的,不可接受的。为了使芯片每次上电总是从一个明确的初始状态开始运行,需要使用POR电路在上电初期产生一个复位信号,初始化整个芯片。
现有技术,POR电路与基准电路通常是分开设计的,是不同的电路。并且现有技术,POR的阈值特性较差,受PVT影响大。而基于亚阈值MOS管工作的低功耗基准电路,通常不能输出低于1V的基准电压。无论从功耗、面积、性能的角度考虑,这些都需要改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能低压低功耗基准电路及其设计方法,可以输出小于1V的零温度系数基准电压,以及与温度成正比的基准电流,以及POR信号,具有多合一的功能,最大化精简了面积,另外,该结构可以工作在很低的电源电压下,针对电池供电,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种多功能低压低功耗基准电路,包括PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路、基准电压产生电路和基准电流产生电路;
所述PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路和基准电压产生电路均置于VCC与地之间;PTAT电流产生电路产生偏置电压给电流比较器、基准电压产生电路和基准电流产生电路,使得这些电路可以根据电流镜的原理复制PTAT电流;电压检测电路产生偏置电压给电流比较器,使得电流比较器可以根据电流镜的原理复制电压检测电路所产生的电流。
进一步地,电压检测电路由电阻R2和BJT管Q1组成,电阻R2的一端与VCC相接,另一端接在BJT管Q1的集电极上,BJT管Q1的发射极接地,其产生的电流为:
进一步地,电流比较器电路包括PMOS管MP2与BJT管Q2,BJT管Q2的基极与BJT管Q1的基极相接,发射极接地,BJT管Q2的集电极的与PMOS管MP2的漏极和反相器BUF1并联在X节点上,并输出至POR_OK,PMOS管MP2的源级接VCC;
PMOS管MP2的漏极输出电流Imp2,BJT管Q2的集电极输出电流Iq2。
进一步地,基准电压产生电路包括PMOS管MP3、电阻R3、电阻R4和BJT管Q3,PMOS管MP3的漏级与电阻R3、电阻R4和VREF并联,电阻R3的另一端与BJT管Q3的集电极和基极并联,发射极接地,PMOS管MP3的漏极输出电流Imp3,电阻R4接地;
对输出节点列电流守恒方程:
求解得到:
可以看到,VREF表达式:刚好是传统的基准电压表达式乘以一个电阻分压比因此能够实现电压的任意缩放,通过选择比值,将括号内的表达式设计为零温度系数,根据基准电压的理论,为1.2V左右;如果需要输出0.8V基准,则可以取因此R4=2R3。
进一步地,基准电流产生电路中的PMOS管MP4与PMOS管MP3、PMOS管MP2和MP1并联,形成电流镜,从而MP2、MP3、MP4复制MP1的电流。
本发明提出的另一种技术,包括多功能低压低功耗基准电路的设计方法,包括以下步骤:
S1:确定所设计的多功能低压低功耗基准电路的整体架构;
S2:根据多功能低压低功耗基准电路的特点将其划分为PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路、基准电压产生电路和基准电流产生电路五部分;
S3:建立PTAT电流表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到PTAT电流设计目标为止;
S4:建立基准电压VREF的表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到VREF设计目标为止;
S5:根据电流比较器和电流镜的精度要求选取合适的器件,得到相应的电流镜;
S6:建立电路POR的翻转阈值表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到POR设计目标为止;
S7:进行版图设计,最终完成整体电路设计。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明提出的一种多功能低压低功耗基准电路及其设计方法,该结构可以输出小于1V的零温度系数基准电压,以及与温度成正比的基准电流(PTAT电流),以及POR信号,具有多合一的功能,最大化精简了面积,另外,该结构可以工作在很低的电源电压下,针对电池供电。
附图说明
图1为本发明的低压低功耗基准电路结构图;
图2为本发明的上电过程中POR关键节点的波形图;
图3为本发明的实施例二的POR电路的电压检测电流图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一:
请参阅图1,一种多功能低压低功耗基准电路,包括PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路、基准电压产生电路和基准电流产生电路;
PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路、基准电压产生电路和基准电流产生电路的一端均接在VCC上,PTAT电流产生电路和电压检测电路的另一端与电流比较器电路并联,基准电压产生电路的两端分别接在电流比较器电路和基准电流产生电路,BJT管Q1与Q2构成电流镜,MP1、MP2、MP3、MP4构成电流镜。
PTAT电流产生电路包括电阻R1和电流镜MP1,一般采用工作在亚阈值区的MOS管,功耗极低,工作电压极低,电源电压大约接近于一个MOS管的阈值电压(大约0.6V)就可以正常工作。其产生与温度成正比的基准电流:其中N为电路中NMOS电流镜(此图未画出)的比例系数(通常取4)。
电压检测电路由电阻R2和BJT管Q1组成,电阻R2的一端与VCC相接,另一端接在BJT管Q1的集电极上,BJT管Q1的发射极接地,其产生的电流为:
请参阅图2,电流比较器电路包括PMOS管MP2与BJT管Q2,BJT管Q2的基极与BJT管Q1的基极相接,发射极接地,BJT管Q2的集电极的与PMOS管MP2的漏极和反相器BUF1并联在X节点上,并输出至POR_OK,PMOS管MP2的源级接VCC;
PMOS管MP2的漏极输出电流Imp2,BJT管Q2的集电极输出电流Iq2;
当MP2的电流大于Q2的电流时X节点输出高电平,当MP2的电流小于Q2电流时X节点输出低电平。
当VCC从0开始逐步缓慢升高,因为基准电流产生模块的工作电压非常低,所以基准电流会优先产生(因此电流Imp2会优先产生)。
当VCC升高到差不多0.6V时,Imp2已经几乎接近稳定,而此时电压检测电路的电流Iq1才刚刚产生(也就是说Iq2才刚刚产生)。这一阶段,因为P支路电流Imp2大于N支路电流Iq2,所以电流比较器输出节点X点输出高电平,实际情况是X点跟随VCC上升而上升,经过反相器后输出POR_OK为低。
随着VCC进一步升高,P支路电流Imp2已经恒定,不再发生变化,而N支路电流Iq2随着VCC线性增大;当Iq2增大到超过Imp2时,电流比较器输出X点发生翻转,输出低电平,经过反相器后输出POR_OK为高电平,实际情况是POR_OK随着VCC上升而继续上升,直到VCC上电完成。
发生翻转的时刻是t1,此时Iq2=Imp2,这个时刻对应的VCC称为POR的翻转阈值,因此有:
从而有:
这就是该电路POR的阈值表达式。这里假设MP2与MP1为1:1的镜像比,Q2与Q1也是1:1的镜像比。
在该表达式中,其中第一项Vbe是BJT管的Vbe电压,具有负温度系数;第二项为正温度系数项,与绝对温度成正比,称为PTAT项。通过调整比值可以调整正温度系数的大小,通过取合适的值可以刚好抵消Vbe的负温度系数。经过温度补偿后,POR的阈值表达式为:
VCCpor=Vg0-αT+αT=Vg0≈1.2V
与PVT无关,具有精准的翻转阈值,这对于一些要求很高的场合非常有用。
基准电压产生电路包括PMOS管MP3、电阻R3、电阻R4和BJT管Q3,PMOS管MP3的漏级与电阻R3、电阻R4和VREF并联,电阻R3的另一端与BJT管Q3的集电极和基极并联,发射极接地,PMOS管MP3的漏极输出电流Imp3,电阻R4接地;
对输出节点列电流守恒方程:
求解得到:
可以看到,新的VREF表达式很巧妙:刚好是传统的基准电压表达式乘以一个电阻分压比因此能够实现电压的任意缩放,通过选择比值,将括号内的表达式设计为零温度系数,根据基准电压的理论,为1.2V左右;如果需要输出0.8V基准,则可以取因此R4=2R3。
基准电流产生电路中的PMOS管MP4与PMOS管MP3、PMOS管MP2和MP1并联,形成电流镜,从而MP2、MP3、MP4复制MP1的电流。
为了展示基准电路的设计流程,本实施例为多功能低压低功耗基准电路的设计方法,包括以下步骤:
S1:确定所设计的多功能低压低功耗基准电路的整体架构;
S2:根据多功能低压低功耗基准电路的特点将其划分为PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路、基准电压产生电路和基准电流产生电路五部分;
S3:建立PTAT电流表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到PTAT电流设计目标为止;
S4:建立基准电压VREF的表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到VREF设计目标为止;
S5:根据电流比较器和电流镜的精度要求选取合适的器件,得到相应的电流镜;
S6:建立电路POR的翻转阈值表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到POR设计目标为止;
S7:进行版图设计,最终完成整体电路设计。
实施例二:
请参阅图3,与实施例一不同的是替换了POR的检测电路部分,其余部分不变,在这个结构中,MN3管与MP3管要设计为工作在亚阈值区域W/L要足够大,MN2与MN3构成电流镜,MN2复制MN3中的电流,这个结构的POR的阈值电压表达式为:
这里假设MP2与MP1为1:1的镜像比,MN2与MN3也是1:1的镜像比。
该表达式中,其中第一项VTHmn3+VTHmp3,具有负温度系数。第二项为正温度系数项,与绝对温度成正比,称为PTAT项。通过调整比值可以调整正温度系数的大小。通过取适当比值可以做到刚好抵消VTHmn3+VTHmp3的负温度系数,从而实现零温度系数。经过温度补偿后,POR的表达式为:
VCCpor=Vtn0+Vtn0-αT+αT=Vtn0+Vtp0
与电压无关,无温度无关,只取决于MOS管的Corner。这种设计,能够同时跟踪NMOS和PMOS管阈值电压的变化,形成一种“自适应”跟踪,在一些场合也是非常有益的,可以在较小的电压裕度下实现更为宽松的设计。
综上所述:本发明的多功能低压低功耗基准电路及其设计方法,该结构可以输出小于1V的零温度系数基准电压,以及与温度成正比的基准电流(PTAT电流),以及POR信号,具有多合一的功能,最大化精简了面积,另外,该结构可以工作在很低的电源电压下,针对电池供电的系统。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多功能低压低功耗基准电路,其特征在于,包括PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路、基准电压产生电路和基准电流产生电路;
所述PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路和基准电压产生电路均置于VCC与地之间;PTAT电流产生电路产生偏置电压给电流比较器、基准电压产生电路和基准电流产生电路,使得这些电路可以根据电流镜的原理复制PTAT电流;电压检测电路产生偏置电压给电流比较器,使得电流比较器可以根据电流镜的原理复制电压检测电路所产生的电流。
4.如权利要求1所述的一种多功能低压低功耗基准电路,其特征在于,电流比较器电路包括PMOS管MP2与BJT管Q2,BJT管Q2的基极与BJT管Q1的基极相接,发射极接地,BJT管Q2的集电极的与PMOS管MP2的漏极和反相器BUF1并联在X节点上,并输出至POR_OK,PMOS管MP2的源级接VCC;
PMOS管MP2的漏极输出电流Imp2,BJT管Q2的集电极输出电流Iq2。
6.如权利要求1所述的一种多功能低压低功耗基准电路,其特征在于,基准电流产生电路中的PMOS管MP4与PMOS管MP3、PMOS管MP2和MP1并联,形成电流镜,从而MP2、MP3、MP4复制MP1的电流。
7.如权利要求1所述的一种多功能低压低功耗基准电路的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:确定所设计的多功能低压低功耗基准电路的整体架构;
S2:根据多功能低压低功耗基准电路的特点将其划分为PTAT电流产生电路、电压检测电路、电流比较器电路、基准电压产生电路和基准电流产生电路五部分;
S3:建立PTAT电流表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到PTAT电流设计目标为止;
S4:建立基准电压VREF的表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到VREF设计目标为止;
S5:根据电流比较器和电流镜的精度要求选取合适的器件,得到相应的电流镜;
S6:建立电路POR的翻转阈值表达式,并进行电路仿真,根据仿真结果逐步调整电路参数,以达到POR设计目标为止;
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