CN112286337B

CN112286337B - 用于MCU的低功耗bandgap电路及其实现方法

Info

Publication number: CN112286337B
Application number: CN202011193431.6A
Authority: CN
Inventors: 郑轩; 宋振宇; 黄杨程
Original assignee: Foshan Hongbo Microelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Foshan Hongbo Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2023-04-21
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112286337A

Abstract

本申请实施例公开了一种用于MCU的低功耗bandgap电路及其实现方法；包括：温度系数参考电流产生电路、参考电压产生电路和参考电流产生电路；温度系数参考电流产生电路包括正温度系数参考电流产生电路和负温度系数参考电流产生电路；参考电压产生电路包括第四PMOS管、第五PMOS管、第三电阻和零温度系数参考电压输出端；参考电流产生电路包括第六PMOS管、第七PMOS管和零温度系数参考电流输出端；本申请实施例通过输入正温度系数参考电流和负温度系数参考电流，得到参考电流，得到对应的参考电压，实现为MCU提供低功耗模式下的参考电压和参考电流；通过结构简单的bandgap电路，实现低功耗，减少电池的消耗量，同时提供高性能的输出电压和电流，实现最佳的性能功耗比。

Description

用于MCU的低功耗bandgap电路及其实现方法

技术领域

本申请实施例涉及bandgap电路技术领域，尤其涉及一种用于MCU的低功耗bandgap电路及其实现方法。

背景技术

MCU即微控制单元，又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、UART、PLC、DMA、GPIO等周边接口，还有模数转换器，比较器，运算放大器等探测电路，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

近年来随着物联网和人工智能的大发展，消费电子与计算机的差异越来越小，消费电子的功能需求越来越高而设计也越来越复杂。所以很多消费电子产品都选用MCU作为其产品控制的核心。随着手持设备越来越成为消费电子的主流，对MCU的低功耗低成本的要求也成为了现在发展的主流趋势。比如MCU在蓝牙设备的应用中，一般要求MCU每隔几百毫秒才唤醒一次进行数据处理，所以MCU绝大部分时间都处于休眠状态即低功耗模式，这就要求MCU在休眠的时候功耗足够低才能满足电池长时间工作的要求。

通常MCU的电源管理电路如图1所示，在MCU正常工作时，电源通过一个高功耗高性能的LDO给MCU里面不同的模块供电。当MCU在低功耗模式时，高性能的LDO就会和其他不需要的功能一起被关闭，MCU由电压较低的电源供电。但只减小LDO的功耗是不够的，bandgap电路同样存在较多的功耗。目前MCU中采用的bandgap电路的电路结构较为复杂，功耗大，造成过多的电池能耗，尤其是在低功耗模式下。

发明内容

本申请实施例提供一种用于MCU的低功耗bandgap电路及其实现方法，以解决现有技术中MCU中的bandgap电路的电路结构较为复杂，功耗大，在低功耗模式下造成过多的电池能耗的问题。

在第一方面，本申请实施例提供了一种用于MCU的低功耗bandgap电路，包括：温度系数参考电流产生电路、参考电压产生电路和参考电流产生电路；

所述温度系数参考电流产生电路包括正温度系数参考电流输出端和负温度系数参考电流输出端；所述参考电压产生电路包括第四PMOS管、第五PMOS管、第三电阻和零温度系数参考电压输出端；所述参考电流产生电路包括第六PMOS管、第七PMOS管和零温度系数参考电流输出端；

其中，所述第四PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述负温度系数参考电流输出端，漏极连接所述第三电阻的第一端和所述第五PMOS管的漏极；所述第五PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述正温度系数参考电流输出端；所述第三电阻的第二端连接接地端；所述零温度系数参考电压输出端连接所述第三电阻的第一端，所述零温度系数参考电压输出端输出零温度系数参考电压。

所述第六PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述负温度系数参考电流输出端，漏极连接所述零温度系数参考电流输出端；所述第七PMOS管的源极连接电源端，栅极连接正温度系数参考电流输出端，漏极连接所述零温度系数参考电流输出端；所述零温度系数参考电流输出端输出零温度系数参考电流。

进一步的，所述温度系数参考电流产生电路包括启动电路、正温度系数参考电流产生电路和负温度系数参考电流产生电路；所述启动电路包括：第四NMOS管、第八PMOS管和第九PMOS管；

所述第八PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述正温度系数参考电流产生电路和所述负温度系数参考电流产生电路，漏极连接所述第九PMOS管的栅极和第四NMOS管的漏极，所述第九PMOS管的源极连接电源端、漏极连接所述正温度系数参考电流产生电路和所述负温度系数参考电流产生电路；所述第四NMOS管的栅极连接电源端，源极连接接地端。

进一步的，所述正温度系数参考电流产生电路包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一三极管、第二三极管和第一电阻；

所述第一PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述第二PMOS管的栅极和所述正温度系数参考电流输出端，漏极连接所述第一NMOS管的漏极和所述第九PMOS管的漏极；所述第二PMOS管的源极连接电源端，漏极连接所述第一PMOS管的栅极、所述第八PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极；所述第二NMOS管的栅极连接所述第一NMOS管的栅极、所述第一NMOS管的漏极和所述负温度系数参考电流产生电路，源极连接所述第一电阻的第一端；所述第一NMOS管的源极连接所述第二三极管的发射极；所述第二三极管的基极连接接地端，集电极连接接地端；所述第一电阻的第二端连接所述第一三极管的发射极；所述第一三极管的基极连接接地端，集电极连接接地端。

进一步的，所述负温度系数参考电流产生电路包括：所述第一PMOS管、所述第一NMOS管、所述第二NMOS管、第三NMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、所述第二三极管和第二电阻；

所述第三NMOS管的漏极连接所述第三PMOS管的漏极，栅极连接所述第一NMOS管的栅极，源极连接所述第二电阻的第一端；所述第二电阻的第二端连接接地端；所述第三PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述第三NMOS管的漏极、所述负温度系数参考电流输出端。

进一步的，所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管和第九PMOS管均采用低阈值电压的PMOS管，所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和所述第四NMOS管均采用低阈值电压的NMOS管。

在第二方面，本申请实施例提供了一种用于MCU的低功耗bandgap电路实现方法，所述方法包括：

电源端上电，负温度系数参考电流输入到第四PMOS管，正温度系数参考电流输入到第五PMOS管，通过负温度系数参考电流和正温度系数参考电流的结合得到零温度系数参考电流并输入第三电阻，得到零温度系数参考电压，并输出到零温度系数参考电压输出端；

负温度系数参考电流输入到第六PMOS管，正温度系数参考电流输入到第七PMOS管，通过负温度系数参考电流和正温度系数参考电流的结合得到零温度系数参考电流，并输出到零温度系数参考电流输出端。

进一步的，所述正温度系数参考电流的产生包括：

根据VBE_Q2＝VBE_Q1+I_MN2*R1，得到I_ptat＝I_MN2＝(VBE_Q2-VBE_Q1)/R1；

根据三极管特性基极与发射极间电压参数VBE＝kT/q*ln(I₀/I_S)，可以得到：

I_ptat＝kT/q*(ln(I_MN1/Is)-ln(I_MN1/Is/M)/R1，

即I_ptat＝kT/q*lnM/R1；

根据dI_ptat/dT＝k/q*lnM/R1>0；从而得到I_ptat为正温度系数参考电流I_ptat；

其中，I_MN2为第二NMOS管的电流；VBE_Q2为第二三极管的基极与发射极间电压；VBE_Q1为第一三极管的基极与发射极间电压；R1为第一电阻的阻值；k为玻尔兹曼常数，q为电荷常量，T为绝对温度，I₀为三极管集电极的电流；Is为三极管饱和电流；I_ptat为第五PMOS管的电流。

进一步的，所述负温度系数参考电流的产生包括：

设置I_MN3＝I_MN1，根据I_MN3＝I_MN1＝VA/R2＝VBE_Q2/R2，根据三极管的基极与发射极间电压VBE为负温度系数电压，dVBE/dT为一常量。I_MN3通过一定的复制比例(n:1)得到I_ntat为负温度系数电流，即n*I_ntat＝I_MN3；

其中，VA为第一节点的电压，第一节点为第一NMOS管的源极与第二三极管的发射极的连接点；VBE_Q2为第二三极管的基极与发射极间电压；I_MN1为第一NMOS管的电流；I_MN3为第二电阻的电流；R2为第二电阻的阻值；I_ntat为第四PMOS管的电流，n为常数。

进一步的，所述得到零温度系数参考电压包括：

零温度系数参考电压：V_VREF＝I_R3*R3＝(I_ptat+I_ntat)*R3；

其中，I_R3为第三电阻的电流，R3为第三电阻的阻值。

进一步的，所述得到零温度系数参考电流包括：

零温度系数参考电流：I_IREF＝I_MP6+I_MP7＝I_ptat+I_ntat；

其中，I_MP6为第六PMOS管的电流；I_MP7为第七PMOS管的电流。

本申请实施例通过设置温度系数参考电流产生电路分别输入正和负温度系数参考电流到参考电压产生电路，输入正和负温度系数参考电流到参考电流产生电路，对正温度系数参考电流和负温度系数参考电流相加得到参考电流，根据参考电流得到对应的参考电压，实现为MCU提供低功耗模式下的参考电压和参考电流；通过结构简单的bandgap电路，实现低功耗，减少电池的消耗量，节约成本同时还能提供满足性能要求的参考电流和参考电压。

附图说明

图1是MCU的低功耗电源管理电路模块的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种用于MCU的低功耗bandgap电路的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种用于MCU的低功耗bandgap电路电流岁温度变化的曲线图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本申请具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

本申请提供的用于MCU的低功耗bandgap电路通过设置温度系数参考电流产生电路分别输入正温度系数参考电流和负温度系数参考电流到参考电压产生电路和参考电流产生电路，对电流相加得到参考电流，根据参考电流得到对应的参考电压，实现为MCU提供低功耗模式下的参考电压和参考电流；通过结构简单的bandgap电路，实现低功耗，减少电池的消耗量，节约成本；整个电路结构简单且采用低阈值电压的MOS管，从而降低电路启动电压和功耗，节约成本。在MCU正常工作时，电源通过一个高功耗高性能的LDO给MCU里面不同的模块供电。当MCU在低功耗模式时，高性能的LDO就会和其他不需要的功能一起被关闭，MCU由一个低功耗并且输出电压较低的电源供电。但是仅仅减少LDO的功耗，bandgap电路同样存在较高的功耗；本实施例采用低功耗bandgap电路，用最小的电流消耗实现接近正常模式bandgap的性能，而且输出电压范围很大，调节方便灵活，只与电阻相关不受其他限制；本实施例电路结构简单，面积小，实现成本低，功能可靠，性能接近普通bandgap电路，适用于低成本低功耗的MCU应用。

图2为本申请实施例提供的一种用于MCU的低功耗bandgap电路的结构示意图。参考图2，该电路具体包括：温度系数参考电流产生电路200、参考电压产生电路300和参考电流产生电路400；所述温度系数参考电流产生电路200包括启动电路、正温度系数参考电流产生电路和负温度系数参考电流产生电路。

具体的，所述温度系数参考电流产生电路200包括正温度系数参考电流输出端和负温度系数参考电流输出端；所述参考电压产生电路300包括：第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第三电阻R3和零温度系数参考电压输出端；所述参考电流产生电路400包括第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7和零温度系数参考电流输出端。

具体的，所述启动电路包括：第四NMOS管MN4、第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9。

具体的，所述正温度系数参考电流产生电路包括：第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一三极管Q1、第二三极管Q2和第一电阻R1。

具体的，所述负温度系数参考电流产生电路包括：所述第一PMOS管MP1、所述第一NMOS管MN1、所述第二NMOS管MN2、第二PMOS管MP2、第三NMOS管MN3、第三PMOS管MP3、所述第二三极管Q2和第二电阻R2。

其中，所述第四PMOS管MP4的源极连接电源端，栅极连接所述负温度系数参考电流输出端，漏极连接所述第三电阻R3的第一端和所述第五PMOS管MP5的漏极；所述第五PMOS管MP5的源极连接电源端，栅极连接所述正温度系数参考电流输出端；所述第三电阻R3的第二端连接接地端；所述零温度系数参考电压输出端连接所述第三电阻R3的第一端，所述零温度系数参考电压输出端输出零温度系数参考电压。

其中，所述第六PMOS管MP6的源极连接电源端，栅极连接所述负温度系数参考电流输出端，漏极连接所述零温度系数参考电流输出端；所述第七PMOS管MP7的源极连接电源端，栅极连接正温度系数参考电流输出端，漏极连接所述零温度系数参考电流输出端；所述零温度系数参考电流输出端输出零温度系数参考电流。

其中，所述第八PMOS管MP8的源极连接电源端，栅极连接所述第一PMOS管MN1的栅极，漏极连接所述第九PMOS管MP9的栅极和第四NMOS管MN4的漏极，所述第九PMOS管MP9的源极连接电源端、漏极连接所述第一NMOS管MN1的栅极；所述第四NMOS管MN4的栅极连接电源端，源极连接接地端。

其中，所述第一PMOS管MP1的源极连接电源端，栅极连接所述第二PMOS管MP2的栅极和所述正温度系数参考电流输出端，漏极连接所述第一NMOS管MN1的漏极和所述第九PMOS管MP9的漏极；所述第二PMOS管MP2的源极连接电源端，漏极连接所述第一PMOS管MP1的栅极、所述第八PMOS管MP8的栅极和所述第二NMOS管MN2的漏极；所述第二NMOS管MN2的栅极连接所述第一NMOS管MN1的栅极和所述第一NMOS管MN1的漏极，源极连接所述第一电阻R1的第一端；所述第一NMOS管MN1的源极连接所述第二三极管Q2的发射极；所述第二三极管Q2的基极连接接地端，集电极连接接地端；所述第一电阻R1的第二端连接所述第一三极管Q1的发射极；所述第一三极管Q1的基极连接接地端，集电极连接接地端。

其中，所述第三NMOS管MN3的漏极连接所述第三PMOS管MP3的漏极，栅极连接所述第一NMOS管MN1的栅极，源极连接所述第二电阻R2的第一端；所述第二电阻R2的第二端连接接地端；所述第三PMOS管MP3的源极连接电源端，栅极连接所述第三NMOS管MN3的漏极、所述负温度系数参考电流输出端。

在本实施例中，通过正温度系数参考电流产生电路来实现产生正温度系数参考电流，设置第一PMOS管MP1与第二PMOS管MP2的的沟道宽长比相等(W/L)_MP1＝(W/L)_MP2，设置第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的沟道宽长比相等(W/L)_MN1＝(W/L)_MN2，从而得到第一NMOS管MN1的电流与第二NMOS管MN2的电流相等I_MN1＝I_MN2，第一NMOS管MN1的栅源电压与第二NMOS管MN2的栅源电压相等VGS_MN1＝VGS_MN2；根据第一NMOS管MN1的栅极连接第二NMOS管MN2的栅极，即第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的栅极处于同一电位，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的源极电压相等，得到第二三极管Q2的基极与发射极间电压等于第一三极管Q1的基极与发射极间电压与第一电阻R1的电压之和VBE_Q2＝VBE_Q1+I_MN2*R1，从而得到第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的电流值I_MN2＝I_MN1＝(VBE_Q2-VBE_Q1)/R1；设置第一三极管Q1的个数为M个，第二三极管Q2的个数为1个，得到每个所述第一三极管Q1的电流是第二三极管Q2的电流的1/M；根据三极管特性基极与发射极间电压参数：VBE＝kT/q*ln(I₀/I_S)，可以得到：

第二NMOS管MN2的电流值为：

I_MN2＝kT/q*(ln(I_MN1/Is)-ln(I_MN1/Is/M))/R1；

设置第一NMOS管MN1与第五NMOS管的的沟道宽长比相等(W/L)_MP2＝(W/L)_MP5,得到第五PMOS管MP5的电流等于第二PMOS管MP2的电流I_ptat＝I_MN2＝kT/q*lnM/R1；

根据dI_ptat/dT＝k/q*lnM/R1>0；从而得到正温度系数参考电流I_ptat。

在本实施例中，根据第三NMOS管MN3的栅源电压与第二节点B的电压之和等于第一NMOS管MN1的栅源电压与第一节点A的电压之和，即VB＝VA+VGS_MN1-VGS_MN3，且VB＝I_MN3*R2；

设置第一NMOS管MN1与第三NMOS管MN3的的沟道宽长比相等(W/L)_MN1＝(W/L)_MN3；

根据MOS饱和区I-V公式:Id＝β*(W/L)*(Vgs-Vth)²,调节第二电阻R2的阻值，进而调节I_MN3的电流使得T＝25℃时，得到VGS_MN3＝VGS_MN1。

第三NMOS管MN3的电流等于第一NMOS管MN1的电流:

I_MN3＝I_MN1＝VA/R2＝VBE_Q2/R2；

根据三极管的VBE为负温度系数电压，dVBE/dT为一常量，dVBE/dT接近-1.5mV/℃，得到I_MN3为负温度系数电流；第三PMOS管MP3的栅极连接第四PMOS管MP4的栅极，第三PMOS管MP3的沟道宽长比与第四PMOS管MP4的沟道宽长比的比例为n：1，得到I_ntat为负温度系数电流。

在本实施例中，通过第四PMOS管MP4的漏极和第五PMOS管MP5的漏极连接，第四PMOS管MP4的电流I_ntat和第五PMOS管MP5的电流I_ptat相加得到第三电阻R3的电流I_R3，第三电阻R3的电流I_R3的温度系数为0，I_R3即为零温度系数参考电流，根据零温度系数参考电流与第三电阻R3的阻值得到零温度系数参考电压V_VREF＝I_R3*R3，并通过零温度系数参考电压输出端VREF_OUT输出参考电压，为MCU提供参考电压，实现MCU的低功耗模式工作。

在本实施例中，通过dI_ntat/dT＝k/q*lnM/R1和dI_ptat/dT＝dVBE/dT/R2/n＝σ/R2/n，得到n＝((k/q)*lnM/σ)*(R2/R1)，根据此公式得到的n值，可以得到I_R3零温度系数的电流。

在本实施例中，第六PMOS管MP6的栅极连接第四PMOS管MP4的栅极，得到第六PMOS管MP6的电流I_MP6＝I_ntat，第七PMOS管MP7的栅极连接第五PMOS管MP5的栅极，得到第七PMOS管MP7的电流I_MP7＝I_ptat；通过第六PMOS管MP6的漏极和第七PMOS管MP7的漏极连接，第六PMOS管MP6的电流I_MP6和第七PMOS管MP7的电流I_MP7相加得到零温度系数参考电流I_IREF＝I_ptat+I_ntat，并通过零温度系数参考电流输出端IREF_ZTAT输出参考电流，为MCU提供参考电流，实现MCU的低功耗模式工作。

在本实施例中，所述第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9均采用低阈值电压的PMOS管，所述第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3和所述第四NMOS管MN4均采用低阈值电压的NMOS管；PMOS管和NMOS管的低阈值电压使得bandgap电路的工作电压更低，实现更低的功耗。

在上述实施例的基础上，本申请实施例还提供了一种用于MCU的低功耗bandgap电路实现方法，本实施例提供的用于MCU的低功耗bandgap电路实现方法包括：

电源端上电，负温度系数参考电流输入到第四PMOS管MP4，正温度系数参考电流输入到第五PMOS管MP5，通过负温度系数参考电流和正温度系数参考电流的结合得到零温度系数参考电流并输入第三电阻R3，得到零温度系数参考电压，并输出到零温度系数参考电压输出端；

负温度系数参考电流输入到第六PMOS管MP6，正温度系数参考电流输入到第七PMOS管MP7，通过负温度系数参考电流和正温度系数参考电流的结合得到零温度系数参考电流，并输出到零温度系数参考电流输出端。

在本实施例中，所述正温度系数参考电流的产生包括：

设置(W/L)_MP1＝(W/L)_MP2,(W/L)_MN1＝(W/L)_MN2,得出I_MN1＝I_MN2，从而得到VGS_MN1＝VGS_MN2；

根据第一NMOS管MN1的栅极连接第二NMOS管MN2的栅极，得到第一NMOS管MN1的源极电压等于第二NMOS管MN2的源极电压，即VBE_Q2＝VBE_Q1+I_MN2*R1，从而I_MN2＝I_MN1＝(VBE_Q2-VBE_Q1)/R1；

设置第一三极管Q1的个数为M个，第二三极管Q2的个数为1个，得到每个所述第一三极管Q1的电流是第二三极管Q2的电流的1/M；

第二NMOS管MN2的电流为：

I_MN2＝kT/q*(ln(I_MN1/Is)-ln(I_MN1/Is/M)/R1；

设置(W/L)_MN1＝(W/L)_MP5,第四PMOS管MP4的电流为：

I_ptat＝I_MN2＝kT/q*lnM/R1；

根据dI_ptat/dT＝k/q*lnM/R1>0；从而得到I_ptat为正温度系数参考电流I_ptat；实现得到正温度系数参考电流。

其中(W/L)_MP1为第一PMOS管MP1的沟道宽长比；(W/L)_MP2为第二PMOS管MP2的沟道宽长比；(W/L)_MN1为第一NMOS管MN1的沟道宽长比；(W/L)_MN2为第二NMOS管MN2的沟道宽长比；(W/L)_MP5为第五PMOS管MP5的沟道宽长比；I_MN1为第一NMOS管MN1的电流；I_MN2为第二NMOS管MN2的电流；VGS_MN1为第一NMOS管MN1的栅源电压；VGS_MN2为第二NMOS管MN2的栅源电压；VBE_Q2为第二三极管Q2的基极与发射极间电压；VBE_Q1为第一三极管Q1的基极与发射极间电压；R1为第一电阻R1的阻值；k为玻尔兹曼常数，q为电荷常量，T为绝对温度，I₀为三极管集电极的电流；Is为三极管饱和电流；I_ptat为第五PMOS管MP4的电流。

在本实施例中，所述负温度系数参考电流的产生包括：

根据VB＝VA+VGS_MN1-VGS_MN3，VB＝I_MN3*R2；

第三NMOS管的电流等于第一NMOS管MN1的电流I_MN3＝I_MN1＝VA/R2＝VBE_Q2/R2；

根据三极管的VBE为负温度系数电压，dVBE/dT为一常量，dVBE/dT接近-1.5mV/℃，得到I_MN3为负温度系数电流；第三PMOS管MP3的栅极连接第四PMOS管MP4的栅极，第三PMOS管MP3的沟道宽长比与第四PMOS管MP4的沟道宽长比的比例为n：1，得到I_ntat为负温度系数电流，实现得到正温度系数参考电流。

其中，VA为第一节点的电压，第一节点为第一NMOS管MN1的源极与第二三极管Q2的发射极的连接点；VB为第二节点的电压，第二节点为第三NMOS管MN3的源极与第二电阻R2的第一端的连接点；VGS_MN3为第三NMOS管MN3的栅源电压；I_MN3为第二电阻R2的电流；R2为第二电阻R2的阻值；I_ntat为第四PMOS管MP4的电流。

在本实施例中，所述得到零温度系数参考电压包括：

根据第四PMOS管MP4的漏极和第五PMOS管MP5的漏极连接，

得到I_R3＝I_ptat+I_ntat；

从而得到零温度系数参考电压：V_VREF＝I_R3*R3；

其中，I_R3为第三电阻R3的电流即零温度系数参考电流，R3为第三电阻R3的阻值。

在本实施例中，通过dI_ntat/dT＝k/q*lnM/R1和dI_ptat/dT＝dVBE/dT/R2/n＝σ/R2/n，得到n＝((k/q)*lnM/σ)*(R2/R1)，根据此公式得到的n值，可以得到零温度系数的电流I_R3。

在本实施例中，所述得到零温度系数参考电流包括：

根据第六PMOS管MP6的栅极和第四PMOS管MP4的栅极连接，得到I_MP6＝I_ntat,同时I_MP7＝I_ptat；

根据第六PMOS管MP6的漏极和第七PMOS管MP7的漏极连接，

得到零温度系数参考电流：I_IREF＝I_ptat+I_ntat；

其中，I_MP6为第六PMOS管MP6的电流；I_MP7为第七PMOS管MP7的电流。

具体的，得到零温度系数参考电压和零温度系数参考电流并输入到MCU电路中，实现MCU的低功耗模式工作。

在本实施例中，请参照图3，正温度系数参考电流I_ptat随着温度的升高电流增大；负温度系数参考电流I_ntat随着温度的升高而降低，零温度系数参考电流I_R3＝I_ptat+I_ntat，而零温度系数参考电流电流基本不受温度影响而变化；通过bandgap电路实现了零温度系数电流的输出，避免电压和电流受到温度影响而影响参考电压和参考电流的精度并产生过多的功耗。

在本实施例中，可以采用仿真软件来实现对本实施例用于MCU的低功耗bandgap电路实现方法进行测试，分别通过在电源端分别设置2V、3.3V、3.6V的电源，同时针对每次设置的电源分别设置-40度、25度、125度的温度进行参考电压和参考电流测试，仿真结果显示在不同温度和电压下，参考电压得偏差小于5％，参考电流随温度变化小于5％,静态电流小于1uA，满足MCU和bandgap电路低功耗的要求和低功耗模式精度的要求。

上述，通过设置正温度系数参考电流产生电路和负温度系数参考电流产生电路，分别输入正温度系数参考电流和负温度系数参考电流到参考电压产生电路300，输入正温度系数参考电流和负温度系数参考电流到参考电流产生电路400，对正温度系数参考电流和负温度系数参考电流相加得到参考电流，根据参考电流得到对应的参考电压，实现为MCU提供低功耗模式下的参考电压和参考电流；通过结构简单的bandgap电路，实现低功耗，减少电池的消耗量，节约成本。

上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行的各种明显变化、重新调整及替代均不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由权利要求的范围决定。

Claims

1.一种用于MCU的低功耗bandgap电路，其特征在于，包括：温度系数参考电流产生电路、参考电压产生电路和参考电流产生电路；

所述温度系数参考电流产生电路包括启动电路、正温度系数参考电流产生电路和负温度系数参考电流产生电路；

所述正温度系数参考电流产生电路包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一三极管、第二三极管和第一电阻；

所述第一PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述第二PMOS管的栅极和所述正温度系数参考电流输出端，漏极连接所述第一NMOS管的漏极和第九PMOS管的漏极；所述第二PMOS管的源极连接电源端，漏极连接所述第一PMOS管的栅极、第八PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极；所述第二NMOS管的栅极连接所述第一NMOS管的栅极、所述第一NMOS管的漏极和所述负温度系数参考电流产生电路，源极连接所述第一电阻的第一端；所述第一NMOS管的源极连接所述第二三极管的发射极；所述第二三极管的基极连接接地端，集电极连接接地端；所述第一电阻的第二端连接所述第一三极管的发射极；所述第一三极管的基极连接接地端，集电极连接接地端；

其中，所述第四PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述负温度系数参考电流输出端，漏极连接所述第三电阻的第一端和所述第五PMOS管的漏极；所述第五PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述正温度系数参考电流输出端；所述第三电阻的第二端连接接地端；所述零温度系数参考电压输出端连接所述第三电阻的第一端，所述零温度系数参考电压输出端输出零温度系数参考电压;

所述第六PMOS管的源极连接电源端，栅极连接所述负温度系数参考电流输出端，漏极连接所述零温度系数参考电流输出端；所述第七PMOS管的源极连接电源端，栅极连接正温度系数参考电流输出端，漏极连接所述零温度系数参考电流输出端；所述零温度系数参考电流输出端输出零温度系数参考电流；

电源端上电，负温度系数参考电流输入到第四PMOS管，正温度系数参考电流输入到第五PMOS管，通过负温度系数参考电流和正温度系数参考电流以一定的比例的结合得到零温度系数参考电流并输入第三电阻，得到零温度系数参考电压，并输出到零温度系数参考电压输出端；

负温度系数参考电流输入到第六PMOS管，正温度系数参考电流输入到第七PMOS管，通过负温度系数参考电流和正温度系数参考电流的以一定的比例结合得到零温度系数参考电流，并输出到零温度系数参考电流输出端;

所述负温度系数参考电流的产生包括：

设置I_MN3=I_MN1，根据I_MN3=I_MN1=VA/R2=VBEQ2/R2，根据三极管的基极与发射极间电压VBE为负温度系数电压，dVBE/dT为一常量，I_MN3通过比例n:1得到I_ntat为负温度系数电流，即n*I_ntat=I_MN3；

其中，VA为第一节点的电压，第一节点为第一NMOS管的源极与第二三极管的发射极的连接点；VBEQ2为第二三极管的基极与发射极间电压；I_MN1为第一NMOS管的电流；I_MN3为第二电阻的电流；R2为第二电阻的阻值；I_ntat为第四PMOS管的电流，n为常数。

2.根据权利要求1所述的用于MCU的低功耗bandgap电路，其特征在于，所述启动电路包括：第四NMOS管、第八PMOS管和第九PMOS管；

3.根据权利要求2所述的用于MCU的低功耗bandgap电路，其特征在于，所述负温度系数参考电流产生电路包括：所述第一PMOS管、所述第一NMOS管、所述第二NMOS管、所述第二PMOS管、第三NMOS管、第三PMOS管、所述第二三极管和第二电阻；

4.根据权利要求3所述的用于MCU的低功耗bandgap电路，其特征在于，所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管和第九PMOS管均采用低阈值电压的PMOS管，所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和所述第四NMOS管均采用低阈值电压的NMOS管。

5.一种用于MCU的低功耗bandgap电路实现方法，基于权利要求4所述的低功耗bandgap电路，其特征在于，所述正温度系数参考电流的产生包括：

根据VBEQ2=VBEQ1+I_MN2*R1，得到I_ptat=I_MN2=(VBEQ2-VBEQ1)/R1；

根据三极管特性基极与发射极间电压参数VBE=kT/q*ln(I0/IS)，可以得到：

I_ptat=kT/q*(ln(I_MN1/Is)-ln(I_MN1/Is/M)/R1），

即I_ptat=kT/q*lnM/R1；

根据dI_ptat/dT=k/q*lnM/R1>0；从而得到I_ptat为正温度系数参考电流I_ptat；

其中，I_MN2为第二NMOS管的电流；VBEQ2为第二三极管的基极与发射极间电压；VBEQ1为第一三极管的基极与发射极间电压；R1为第一电阻的阻值；k为玻尔兹曼常数，q为电荷常量，T为绝对温度，I0为三极管集电极的电流；Is为三极管饱和电流；I_ptat为第五PMOS管的电流，M为第一三极管Q1的个数。

6.根据权利要求5所述的用于MCU的低功耗bandgap电路实现方法，其特征在于，所述得到零温度系数参考电压包括：

零温度系数参考电压：V_VREF=I_R3*R3=（I_ptat+I_ntat）*R3；

其中，I_R3为第三电阻的电流，R3为第三电阻的阻值。

7.根据权利要求5所述的用于MCU的低功耗bandgap电路实现方法，其特征在于，所述得到零温度系数参考电流包括：

零温度系数参考电流：I_IREF=I_MP6+I_MP7=I_ptat+I_ntat；

其中，I_MP6为第六PMOS管的电流；I_MP7为第七PMOS管的电流。