專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有低閃爍噪聲的cmos帶隙基準(zhǔn)源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬集成電路和混合信號(hào)集成電路領(lǐng)域，具體涉及一種具有低閃
爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路。
背景技術(shù)：
基準(zhǔn)源電路是模擬集成電路中的一個(gè)重要模塊電路，廣泛應(yīng)用于各種模擬集 成電路和混合集成電路中，包括開(kāi)關(guān)電源(DC-DC),線(xiàn)形調(diào)整器(LDO)，數(shù)模轉(zhuǎn)換 電路(ADC&DAC)等都需要不隨電源和溫度變化的基準(zhǔn)電壓。在各種類(lèi)型的基準(zhǔn)源 電路中，帶隙基準(zhǔn)源的輸出基準(zhǔn)電壓具有良好的溫度特性和電源抑制比，不受工 藝變化等優(yōu)點(diǎn)，從而成為基準(zhǔn)源電路設(shè)計(jì)的首選。
對(duì)于一些需要高精度基準(zhǔn)電壓的系統(tǒng)電路，需要一個(gè)低噪聲的CMOS帶隙基 準(zhǔn)源電路。而CMOS帶隙基準(zhǔn)源的噪聲來(lái)源主要有兩個(gè)，場(chǎng)效應(yīng)管的閃爍噪聲和 電路中所有器件的熱噪聲。 一般說(shuō)來(lái)，場(chǎng)效應(yīng)管的閃爍噪聲與頻率成反比，并且 轉(zhuǎn)角頻率在500KHz到lMHz左右，在頻率為幾十KHz時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的閃爍噪聲 成為CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路的主要噪聲來(lái)源。因此較高的閃爍噪聲限制了 CMOS 帶隙基準(zhǔn)源電路的應(yīng)用范圍。例如，工作在20Hz到20KHz頻率范圍內(nèi)的高性能 音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換電路就需要一個(gè)具有低閃爍噪聲的基準(zhǔn)源電路來(lái)確保轉(zhuǎn)換電路的性 能。
圖1為傳統(tǒng)的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，該電路的工作原理如下所述。 電路通過(guò)運(yùn)算放大器的反饋控制使電路節(jié)點(diǎn)Nl和N2點(diǎn)電壓相等，因此流過(guò) 電阻Rl的電流等于AFte， AJ^等于J^。減去。場(chǎng)效應(yīng)管MP1 ， MP2和MP3
組成電流鏡，由于MP1， MP2和MP3的柵源電壓一樣，且此時(shí)三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管都工 作在飽和區(qū)，所以三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電流基本相等。 從而該基準(zhǔn)源電路的輸出為
由于^2為負(fù)溫度系數(shù)，A^為正溫度系數(shù)，因此通過(guò)設(shè)置R2和R1的比值就可
6以等到零溫度系數(shù)的輸出電壓。
對(duì)于圖1所示的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，當(dāng)工作于音頻范圍時(shí)，運(yùn)算放大器 的兩個(gè)輸入管MP8和MP9的閃爍噪聲成為整個(gè)基準(zhǔn)源電路的主要噪聲來(lái)源。 現(xiàn)有的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路降低閃爍噪聲的方法主要有以下幾種
(1) 增加器件的面積來(lái)減少閃爍噪聲
根據(jù)閃爍噪聲的定義，閃爍噪聲的噪聲譜密度由下式給出
y乞-*一
"C化/
其中，K為常量，和工藝相關(guān)，數(shù)量級(jí)為10-25V2F; Cox是單位面積的柵氧 化電容；f為工作頻率；W是CMOS場(chǎng)效應(yīng)管的寬；L是CMOS場(chǎng)效應(yīng)管的長(zhǎng)。 由公式可看到閃爍噪聲與頻率成反比，當(dāng)頻率越低時(shí)，噪聲越大。其次，閃爍噪 聲與CMOS場(chǎng)效應(yīng)管的面積(W+L)成反比，因此，增加器件的面積來(lái)減少閃爍噪 聲是最簡(jiǎn)單直接的方法，但是這種辦法大大增加了芯片的面積，尤其是在系統(tǒng)要 求所需基準(zhǔn)源的閃爍噪聲電壓很低時(shí)。例如一個(gè)信噪比(SNR)為100DB的模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換器，假設(shè)其輸出信號(hào)的幅度為IV，那么要達(dá)到100DB的信噪比，其總噪聲 最大為10uV，因此基準(zhǔn)源的噪聲應(yīng)該小于10uV，要產(chǎn)生這么小的噪聲，基準(zhǔn)源 電路中每個(gè)器件的面積都將接近上千平方微米來(lái)減小閃爍噪聲。
(2) 采用CHOP結(jié)構(gòu)來(lái)平均閃爍噪聲
CHOP結(jié)構(gòu)將閃爍噪聲等效為基準(zhǔn)源電路的失調(diào)電壓，通過(guò)將運(yùn)算放大器的兩 個(gè)輸入端周期性的切換，同時(shí)運(yùn)算放大器的輸出也周期性切換，將閃爍噪聲的功 率譜在一定頻率范圍內(nèi)平均，然后通過(guò)低通濾波器得到一個(gè)低噪聲的基準(zhǔn)電壓輸 出。這種方法需要的低通濾波器一般通過(guò)芯片內(nèi)部的電阻和電容實(shí)現(xiàn)，通常也需 要占用很大的芯片面積。
(3灘過(guò)特殊的工藝步驟或材料來(lái)制造低閃爍噪聲的場(chǎng)效應(yīng)管器件 美國(guó)專(zhuān)利US6514825， US6160274, US6653679都是通過(guò)一些不同的特殊工 藝步驟來(lái)制造低閃爍噪聲的場(chǎng)效應(yīng)MOS管。這類(lèi)方法由于制造工藝的復(fù)雜，不適 合主流的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，增加了芯片的制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供了一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基 準(zhǔn)源電路，通過(guò)兩相交疊時(shí)鐘來(lái)對(duì)CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路中運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)管的柵極進(jìn)行控制，使輸入場(chǎng)效應(yīng)管在強(qiáng)反型區(qū)和截止區(qū)進(jìn)行周期性的切換 工作，從而有效的減小了由運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)生的閃爍噪聲，從而使 得該CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路具有低的閃爍噪聲。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下-
一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，包括啟動(dòng)電路、電源關(guān)斷控 制電路、運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，所述啟動(dòng)電路用于防止基準(zhǔn)源電路工 作在零電流的錯(cuò)誤工作狀態(tài)，所述電源關(guān)斷控制電路用于控制基準(zhǔn)源電路各條支 路的電流是否關(guān)斷，所述運(yùn)算放大器用于調(diào)整基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中的電壓，提高 基準(zhǔn)源電路的電源抑制比，所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路用于基準(zhǔn)電壓的輸出，其特征 在于所述運(yùn)算放大器的正輸入端和負(fù)輸入端均由兩個(gè)相同的場(chǎng)效應(yīng)管組成，并 且正輸入端和負(fù)輸入端均設(shè)置有輸入控制開(kāi)關(guān)；通過(guò)輸入控制開(kāi)關(guān)的控制，正輸 入端的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和負(fù)輸入端的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管周期性地交替工作在強(qiáng)反型區(qū)和 截至區(qū)，由于場(chǎng)效應(yīng)管處于這樣的工作狀態(tài)時(shí)則具有較小的閃爍噪聲，因此大大 減小了運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入管的閃爍噪聲引起的帶隙基準(zhǔn)源電路的噪聲。
所述啟動(dòng)電路由五個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MP12、 MP14、 MN5、 MN6和MN7組成，MN6 的寬長(zhǎng)比大于MN12的寬長(zhǎng)比；其中，MP12、 MP14的源極與電源相連；MP12 的柵極與和電源關(guān)斷信號(hào)PD相連；MP12的漏極、MN5的柵極與MN6的漏極相 連；MP14的漏極、MN7的漏極、MN7的柵極與MN6的柵極連接在一起；MN5 的源極、MN6的源極和MN7的源極均與地相連。
所述啟動(dòng)電路的工作原理為當(dāng)電源正常上電時(shí)，MP12的柵極為低電平， MP12管導(dǎo)通，因此MN5的柵極電壓跟隨電源電壓變化，當(dāng)電源電壓大于MN5 的開(kāi)啟電壓時(shí)，MN5導(dǎo)通，基準(zhǔn)源電路中的電流鏡的偏置電壓被拉為低電平；整 個(gè)電路各條支路開(kāi)始有電流流過(guò)，電路從零電流的錯(cuò)誤工作狀態(tài)進(jìn)入正常工作狀 態(tài)，正常工作后，MN6通過(guò)和MN7的鏡像關(guān)系獲得電流，并且由于MN6的寬長(zhǎng) 比設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MP12的寬長(zhǎng)比，所以MN5的柵極被MN6拉成低電平，完成 啟動(dòng)過(guò)程。
所述電源關(guān)斷控制電路由五個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MPll、 MP13、 MN8、 MN9和MN10 組成，當(dāng)電源關(guān)斷信號(hào)PD為高電平時(shí)，基準(zhǔn)源電路的電源關(guān)斷控制電路將基準(zhǔn)源 電路各條支路的電流都關(guān)斷，從而基準(zhǔn)源電路無(wú)功率消耗；其中，MN8的柵極、 MN9的柵極、MN10的柵極和MP13的柵極與電源關(guān)斷信號(hào)PD相連；MP13的漏極、MN8的漏極與MPll的柵極相連；MP11的源極、MP13的源極與電源相連； MP11的漏極與MN5的漏極相連；MN8的源極、MN9的源極、MN10的源極與地 相連；MN10的漏極與MN5的柵極相連；MN9的漏極與MN7的柵極相連。
所述電源關(guān)斷控制電路由電源關(guān)斷信號(hào)PD控制工作，其工作原理為當(dāng)電源 關(guān)斷信號(hào)PD為高電平時(shí)，MP11的柵極為低電平，因此基準(zhǔn)源電路中的電流鏡的 偏置電壓被MP11拉為高電平，從而關(guān)斷基準(zhǔn)源電路中所有支路的電流；當(dāng)電源關(guān) 斷信號(hào)PD為低電平時(shí)，MP11斷開(kāi)，基準(zhǔn)源電路正常工作。
運(yùn)算放大器由H^—個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MN1、 MN2、 MN3、 MN4、 MP4、 MP5、 MP6、 MP7、 MP8、 MP9、和MP10組成，MP7和MP8為運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，MP9 和MP10為運(yùn)算放大器的正輸入端，場(chǎng)效應(yīng)管MP4為運(yùn)算放大器的電流源，場(chǎng)效 應(yīng)管MN1， MN2， MN3， MN4， MP5以及MP6為運(yùn)算放大器的電流鏡負(fù)載輸出， 為運(yùn)算放大器提供輸出；其中，MP4的源極、MP5的源極、MP6的源極與電源相 連；MP4的柵極與MN5的漏極相連；MP4的漏極、MP7的源極、MP8的源極、 MP9的源極、MP10的源極連接在一起；MN4的漏極、MP5的柵極、MP5的漏極 與MP6的柵極相連；MN4的源極、MN3的源極、MN2的源極、MN1的源極與地 相連；MN4的柵極、MN3的柵極、MN3的漏極、MP7的漏極、MP8的漏極連接 在一起；MP9的漏極、MP10的漏極、MN2的漏極、MN2的柵極、MN1的柵極 連接在一起；MN1的漏極與MP6的漏極相連。
運(yùn)算放大器的輸入控制開(kāi)關(guān)可以使用電壓控制型開(kāi)關(guān)，如P型或者N型場(chǎng)效 應(yīng)管，也可以用三極管等電流控制型開(kāi)關(guān)。
具體地，運(yùn)算放大器的輸入控制開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)SW1、 SW2、 SW3、 SW4、 SW5、 SW6、 SW7、 SW8組成，通過(guò)這八個(gè)開(kāi)關(guān)控制運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)管的工作 狀態(tài)；其中，開(kāi)關(guān)SW1的兩端分別與MP7的柵極、電源相連，開(kāi)關(guān)SW1的一端 與MP7的柵極相連，另一端與電源相連；開(kāi)關(guān)SW2的一端與MP7的柵極相連， 另一端與MP2的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW3的一端與MP8的柵極相連，另一端與電源 相連；開(kāi)關(guān)SW4的一端與MP8的柵極相連， 一端與MP2的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW5 的一端與MP9的柵極相連，另一端與電源相連；開(kāi)關(guān)SW6的一端與MP9的柵極 相連，另一端與MP1的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW7的一端與MP10的柵極相連，另一端 與電源相連；開(kāi)關(guān)SW8的一端與MP10的柵極相連，另一端MP1的漏極相連。
所述輸入控制開(kāi)關(guān)連接有PH1和PH2、 PH1N和PH2N的兩相交疊時(shí)鐘控制信號(hào)，其中，PH1N為PH1的反相，PH2N為PH2N的反相；所述PH1、 PH1N、 PH2、 PH2N交替接入到輸入控制開(kāi)關(guān)。
信號(hào)PH2N接入開(kāi)關(guān)SW1，信號(hào)PH2接入SW2，信號(hào)PH1N接入SW3，信 號(hào)PH1接入SW4，信號(hào)PH1N接入SW5，信號(hào)PH1接入SW6，信號(hào)PH2N接入 SW7，信號(hào)PH2接入SW8。
當(dāng)PH1為低、PH2為高時(shí)，MP8和MP9作為運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管， 工作在強(qiáng)反型區(qū)，而MP7和MP10的柵極和電源相連，工作在截止區(qū)；當(dāng)PH1為 高、PH2為低時(shí)，MP7和MP10作為運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管，工作在強(qiáng)反 型區(qū)，而MP8和MP9的柵極和電源相連，工作在截止區(qū)；因此MP7， MP8， MP9， MP10周期性地工作在強(qiáng)反型區(qū)和截至區(qū)，而當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管處于這樣的工作狀態(tài)時(shí)具 有較小的閃爍噪聲。
帶隙基準(zhǔn)源的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路由電阻R1、 R2，場(chǎng)效應(yīng)管MP1、 MP2、 MP3， 和三極管QO、 Ql、 Q2組成，用于產(chǎn)生一個(gè)與溫度和電源無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓輸出； 其中場(chǎng)效應(yīng)管MP1、 MP2和MP3組成電流鏡；MP1的源極、MP2的源極、MP3 的源極與電源相連；MP1的柵極、MP2的柵極、MP3的柵極與MP6的漏極相連； 電阻Rl的兩端分別和MP1的漏極、三極管Ql的發(fā)射極相連；MP2的漏極和三 極管QO的發(fā)射極相連；電阻R2的兩端分別和MP3的漏極、三極管Q3的發(fā)射極 相連；三極管QO的基極和集電極，三極管Ql的基極、集電極、三極管Q2的基 極和集電極均與地連接。
所述帶隙基準(zhǔn)源的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的工作原理為通過(guò)運(yùn)算放大器的反饋 控制使MP1漏極電壓和MP2漏極電壓相等，因此流過(guò)電阻R1的電流等于A^/i^ ，
由于MP1、 MP2和MP3的柵源電壓一樣，且三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管都工
作在飽和區(qū)，所以三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電流基本相等，從而該基準(zhǔn)源電路的輸出 為
、/ = Re2 +~^rA^w
其中^。2為負(fù)溫度系數(shù)，A^e為正溫度系數(shù)，因此通過(guò)設(shè)置R2和R1的比值就可
以等到零溫度系數(shù)的輸出電壓。 本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明可以有效減小閃爍噪聲，而且可以節(jié)約芯片面積，降低了成本；不需 要特殊工藝，適合標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，具有廣泛的應(yīng)用范圍。


圖1為傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源電路示意圖 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為傳統(tǒng)CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路和本發(fā)明的噪聲仿真波形對(duì)比圖
圖4為兩相交疊時(shí)鐘產(chǎn)生電路原理圖
圖5為兩相交疊時(shí)鐘產(chǎn)生電路的仿真波形示意圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所涉及的低閃爍噪聲CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路如圖2所示，包括啟動(dòng)電 路、電源關(guān)斷控制電路、運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，所述啟動(dòng)電路用于防 止基準(zhǔn)源電路工作在零電流的錯(cuò)誤工作狀態(tài)，所述電源關(guān)斷控制電路用于控制基 準(zhǔn)源電路各條支路的電流是否關(guān)斷，所述運(yùn)算放大器用于調(diào)整基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路 中的電壓，提高基準(zhǔn)源電路的電源抑制比，所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路用于基準(zhǔn)電壓 的輸出，其特征在于所述運(yùn)算放大器的正輸入端和負(fù)輸入端均由兩個(gè)相同的場(chǎng) 效應(yīng)管組成，并且正輸入端和負(fù)輸入端均設(shè)置有輸入控制開(kāi)關(guān)；通過(guò)輸入控制開(kāi) 關(guān)的控制，正輸入端的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和負(fù)輸入端的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管周期性地交替工 作在強(qiáng)反型區(qū)和截至區(qū)，由于場(chǎng)效應(yīng)管處于這樣的工作狀態(tài)時(shí)則具有較小的閃爍 噪聲，因此大大減小了運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入管的閃爍噪聲引起的帶隙基準(zhǔn)源電 路的噪聲。
所述啟動(dòng)電路由五個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MP12、 MP14、 MN5、 MN6和MN7組成，MN6 的寬長(zhǎng)比大于MN12的寬長(zhǎng)比；其中，MP12、 MP14的源極與電源相連；MP12 的柵極與和電源關(guān)斷信號(hào)PD相連；MP12的漏極、MN5的柵極與MN6的漏極相 連；MP14的漏極、MN7的漏極、MN7的柵極與MN6的柵極連接在一起；MN5 的源極、MN6的源極和MN7的源極均與地相連。
所述啟動(dòng)電路的工作原理為當(dāng)電源正常上電時(shí)，MP12的柵極為低電平， MP12管導(dǎo)通，因此MN5的柵極電壓跟隨電源電壓變化，當(dāng)電源電壓大于MN5 的開(kāi)啟電壓時(shí)，MN5導(dǎo)通，基準(zhǔn)源電路中的電流鏡的偏置電壓(MP4的柵極)被 拉為低電平；整個(gè)電路各條支路開(kāi)始有電流流過(guò)，電路從零電流的錯(cuò)誤工作狀態(tài) 進(jìn)入正常工作狀態(tài)，正常工作后，MN6通過(guò)和MN7的鏡像關(guān)系獲得電流，并且由于MN6的寬長(zhǎng)比設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MP12的寬長(zhǎng)比，所以MN5的柵極被MN6拉 成低電平，完成啟動(dòng)過(guò)程。
所述電源關(guān)斷控制電路由五個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MPll、 MP13、 MN8、 MN9和MN10 組成，當(dāng)電源關(guān)斷信號(hào)PD為高電平時(shí)，基準(zhǔn)源電路的電源關(guān)斷控制電路將基準(zhǔn)源 電路各條支路的電流都關(guān)斷，從而基準(zhǔn)源電路無(wú)功率消耗；其中，MN8的柵極、 MN9的柵極、MN10的柵極和MP13的柵極與電源關(guān)斷信號(hào)PD相連；MP13的漏 極、MN8的漏極與MP11的柵極相連；MP11的源極、MP13的源極與電源相連； MP11的漏極與MN5的漏極相連；MN8的源極、MN9的源極、MN10的源極與地 相連；MN10的漏極與MN5的柵極相連；MN9的漏極與MN7的柵極相連。
所述電源關(guān)斷控制電路由電源關(guān)斷信號(hào)PD控制工作，其工作原理為當(dāng)電源 關(guān)斷信號(hào)PD為高電平時(shí)，MP11的柵極為低電平，因此基準(zhǔn)源電路中的電流鏡的 偏置電壓(MP4的柵極)被MP11拉為高電平，從而關(guān)斷基準(zhǔn)源電路中所有支路 的電流；當(dāng)電源關(guān)斷信號(hào)PD為低電平時(shí)，MP11斷開(kāi)，基準(zhǔn)源電路正常工作。
運(yùn)算放大器由i"一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MN1、 MN2、 MN3、 MN4、 MP4、 MP5、 MP6、 MP7、 MP8、 MP9、和MP10組成，MP7和MP8為運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，MP9 和MP10為運(yùn)算放大器的正輸入端，場(chǎng)效應(yīng)管MP4為運(yùn)算放大器的電流源，場(chǎng)效 應(yīng)管MN1， MN2， MN3， MN4, MP5以及MP6為運(yùn)算放大器的電流鏡負(fù)載輸出， 為運(yùn)算放大器提供輸出；其中，MP4的源極、MP5的源極、MP6的源極與電源相 連；MP4的柵極與MN5的漏極相連；MP4的漏極、MP7的源極、MP8的源極、 MP9的源極、MP10的源極連接在一起；MN4的漏極、MP5的柵極、MP5的漏極 與MP6的柵極相連；MN4的源極、MN3的源極、MN2的源極、MN1的源極與地 相連；MN4的柵極、MN3的柵極、MN3的漏極、MP7的漏極、MP8的漏極連接 在一起；MP9的漏極、MP10的漏極、MN2的漏極、MN2的柵極、MN1的柵極 連接在一起；MN1的漏極與MP6的漏極相連。
運(yùn)算放大器的輸入控制開(kāi)關(guān)可以使用電壓控制型開(kāi)關(guān)，如P型或者N型場(chǎng)效 應(yīng)管，也可以用三極管等電流控制型開(kāi)關(guān)。
具體地，運(yùn)算放大器的輸入控制開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)SW1、 SW2、 SW3、 SW4、 SW5、 SW6、 SW7、 SW8組成，通過(guò)這八個(gè)開(kāi)關(guān)控制運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)管的工作 狀態(tài)；其中，開(kāi)關(guān)SW1的兩端分別與MP7的柵極、電源相連，開(kāi)關(guān)SW1的一端 與MP7的柵極相連，另一端與電源相連；開(kāi)關(guān)SW2的一端與MP7的柵極相連，另一端與MP2的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW3的一端與MP8的柵極相連，另一端與電源 相連；開(kāi)關(guān)SW4的一端與MP8的柵極相連， 一端與MP2的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW5 的一端與MP9的柵極相連，另一端與電源相連；開(kāi)關(guān)SW6的一端與MP9的柵極 相連，另一端與MP1的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW7的一端與MP10的柵極相連，另一端 與電源相連；開(kāi)關(guān)SW8的一端與MP10的柵極相連，另一端MP1的漏極相連。
所述輸入控制開(kāi)關(guān)連接有PH1和PH2、 PH1N和PH2N的兩相交疊時(shí)鐘控制 信號(hào)，其中，PH1N為PH1的反相，PH2N為PH2N的反相；所述PH1、 PH1N、 PH2、 PH2N交替接入到輸入控制開(kāi)關(guān)。
信號(hào)PH2N接入開(kāi)關(guān)SW1，信號(hào)PH2接入SW2，信號(hào)PH1N接入SW3，信 號(hào)PH1接入SW4，信號(hào)PH1N接入SW5，信號(hào)PH1接入SW6，信號(hào)PH2N接入 SW7，信號(hào)PH2接入SW8。
當(dāng)PH1為低、PH2為高時(shí)，MP8和MP9作為運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管， 工作在強(qiáng)反型區(qū)，而MP7和MP10的柵極和電源相連，工作在截止區(qū)；當(dāng)PH1為 高、PH2為低時(shí)，MP7和MP10作為運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管，工作在強(qiáng)反 型區(qū)，而MP8和MP9的柵極和電源相連，工作在截止區(qū)；因此MP7， MP8, MP9， MP10周期性地工作在強(qiáng)反型區(qū)和截至區(qū)，而當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管處于這樣的工作狀態(tài)時(shí)具 有較小的閃爍噪聲。
帶隙基準(zhǔn)源的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路由電阻R1、 R2，場(chǎng)效應(yīng)管MP1、 MP2、 MP3， 和三極管QO、 Ql、 Q2組成，用于產(chǎn)生一個(gè)與溫度和電源無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓輸出； 其中場(chǎng)效應(yīng)管MP1、 MP2和MP3組成電流鏡；MP1的源極、MP2的源極、MP3 的源極與電源相連；MP1的柵極、MP2的柵極、MP3的柵極與MP6的漏極相連; 電阻Rl的兩端分別和MP1的漏極、三極管Ql的發(fā)射極相連；MP2的漏極和三 極管QO的發(fā)射極相連；電阻R2的兩端分別和MP3的漏極、三極管Q3的發(fā)射極 相連；三極管QO的基極和集電極，三極管Ql的基極、集電極、三極管Q2的基 極和集電極均與地連接。
所述帶隙基準(zhǔn)源的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的工作原理為通過(guò)運(yùn)算放大器的反饋 控制使MP1漏極電壓和MP2漏極電壓相等，因此流過(guò)電阻Rl的電流等于△、/《，
△4 = ^。-^;由于MP1、 MP2和MP3的柵源電壓一樣，且三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管都工 作在飽和區(qū)，所以三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電流基本相等，從而該基準(zhǔn)源電路的輸出
13其中、2為負(fù)溫度系數(shù)'A、為正溫度系數(shù)，因此通過(guò)設(shè)置R2和R1的比值就可
以等到零溫度系數(shù)的輸出電壓。
如圖3所示，其中曲線(xiàn)A為本發(fā)明的低閃爍噪聲CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路的噪 聲仿真波形，B為相同場(chǎng)效應(yīng)管面積的傳統(tǒng)的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路的噪聲仿真 波形，從仿真波形中可以看出，本發(fā)明的電路在低頻下的閃爍噪聲得到有效的減 小，工作頻率越低，閃爍噪聲的減小幅度越大。
如圖4所示，為了避免運(yùn)算放大器的輸入管MP7、 MP8、 MP9、 MP10同時(shí)工 作在截止區(qū)，即當(dāng)開(kāi)關(guān)SW2斷開(kāi)時(shí)，SW4還未閉合，此時(shí)，基準(zhǔn)源電路中的運(yùn)算 放大器的兩個(gè)輸入都是和電源相連，使得整個(gè)基準(zhǔn)源電路產(chǎn)生開(kāi)環(huán)，從而使輸出 基準(zhǔn)電壓發(fā)生跳變。針對(duì)此問(wèn)題，本發(fā)明對(duì)圖2中所使用的兩相時(shí)鐘進(jìn)行了交疊 處理，通過(guò)交疊時(shí)鐘產(chǎn)生電路，場(chǎng)效應(yīng)管MP7和MP8， MP9和MP10都有一小段 時(shí)間同時(shí)工作在強(qiáng)反型區(qū)，避免了基準(zhǔn)源電路中運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)造成基準(zhǔn)輸出電 壓發(fā)生跳變。
圖5為兩相交疊時(shí)鐘產(chǎn)生電路的仿真波形，從仿真波形中可以看到，PH1和 PH2具有同時(shí)高電平的狀態(tài)，而沒(méi)有同時(shí)為低電平的狀態(tài)，從而使場(chǎng)效應(yīng)管MP7 和MP8， MP9和MP10有同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，而無(wú)同時(shí)關(guān)斷的時(shí)候，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1、一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，包括啟動(dòng)電路、電源關(guān)斷控制電路、運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，所述啟動(dòng)電路用于防止基準(zhǔn)源電路工作在零電流的錯(cuò)誤工作狀態(tài)，所述電源關(guān)斷控制電路用于控制基準(zhǔn)源電路各條支路的電流是否關(guān)斷，所述運(yùn)算放大器用于調(diào)整基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中的電壓，提高基準(zhǔn)源電路的電源抑制比，所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路用于基準(zhǔn)電壓的輸出，其特征在于所述運(yùn)算放大器的正輸入端和負(fù)輸入端均由兩個(gè)相同的場(chǎng)效應(yīng)管組成，并且正輸入端和負(fù)輸入端均設(shè)置有輸入控制開(kāi)關(guān)；通過(guò)輸入控制開(kāi)關(guān)的控制，正輸入端的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和負(fù)輸入端的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管周期性地交替工作在強(qiáng)反型區(qū)和截至區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)管處于交替工作狀態(tài)時(shí)具有較小的閃爍噪聲，從而減小運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入管的閃爍噪聲引起的帶隙基準(zhǔn)源電路的噪聲。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其 特征在于所述啟動(dòng)電路由五個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MP12、 MP14、 MN5、 MN6和MN7組 成，MN6的寬長(zhǎng)比大于MN12的寬長(zhǎng)比；其中，MP12、 MP14的源極與電源相連； MP12的柵極與和電源關(guān)斷信號(hào)PD相連；MP12的漏極、MN5的柵極與MN6的 漏極相連；MP14的漏極、MN7的漏極、MN7的柵極與MN6的柵極連接在一起； MN5的源極、MN6的源極和MN7的源極均與地相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其 特征在于所述啟動(dòng)電路的工作原理為當(dāng)電源正常上電時(shí)，MP12的柵極為低電 平，MP12管導(dǎo)通，因此MN5的柵極電壓跟隨電源電壓變化，當(dāng)電源電壓大于 MN5的開(kāi)啟電壓時(shí)，MN5導(dǎo)通，基準(zhǔn)源電路中的電流鏡的偏置電壓被拉為低電平; 整個(gè)電路各條支路開(kāi)始有電流流過(guò)，電路從零電流的錯(cuò)誤工作狀態(tài)進(jìn)入正常工作 狀態(tài)，正常工作后，MN6通過(guò)和MN7的鏡像關(guān)系獲得電流，并且由于MN6的寬 長(zhǎng)比設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MP12的寬長(zhǎng)比，所以MN5的柵極被MN6拉成低電平，完 成啟動(dòng)過(guò)程。 -
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其 特征在于所述電源關(guān)斷控制電路由五個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MPll、 MP13、 MN8、 MN9和 MN10組成，當(dāng)電源關(guān)斷信號(hào)PD為高電平時(shí)，基準(zhǔn)源電路的電源關(guān)斷控制電路將 基準(zhǔn)源電路各條支路的電流都關(guān)斷，基準(zhǔn)源電路無(wú)功率消耗；其中，MN8的柵極、MN9的柵極、MN10的柵極和MP13的柵極與電源關(guān)斷信號(hào)PD相連；MP13的漏 極、MN8的漏極與MPll的柵極相連；MP11的源極、MP13的源極與電源相連； MP11的漏極與MN5的漏極相連；MN8的源極、MN9的源極、MN10的源極與地 相連；MN10的漏極與MN5的柵極相連；MN9的漏極與MN7的柵極相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其 特征在于所述電源關(guān)斷控制電路由電源關(guān)斷信號(hào)PD控制工作，其工作原理為 當(dāng)電源關(guān)斷信號(hào)PD為高電平時(shí)，MP11的柵極為低電平，因此基準(zhǔn)源電路中的電 流鏡的偏置電壓被MP11拉為高電平，從而關(guān)斷基準(zhǔn)源電路中所有支路的電流；當(dāng) 電源關(guān)斷信號(hào)PD為低電平時(shí)，MP11斷開(kāi)，基準(zhǔn)源電路正常工作。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其 特征在于所述運(yùn)算放大器由"f^一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管MN1、 MN2、 MN3、 MN4、 MP4、 MP5、 MP6、 MP7、 MP8、 MP9、和MP10組成，MP7和MP8為運(yùn)算放大器的負(fù) 輸入端，MP9和MP10為運(yùn)算放大器的正輸入端，場(chǎng)效應(yīng)管MP4為運(yùn)算放大器 的電流源，場(chǎng)效應(yīng)管MNl, MN2， MN3， MN4, MP5以及MP6為運(yùn)算放大器的 電流鏡負(fù)載輸出，為運(yùn)算放大器提供輸出；其中，MP4的源極、MP5的源極、MP6 的源極與電源相連；MP4的柵極與MN5的漏極相連；MP4的漏極、MP7的源極、 MP8的源極、MP9的源極、MP10的源極連接在一起；MN4的漏極、MP5的柵極、 MP5的漏極與MP6的柵極相連；MN4的源極、MN3的源極、MN2的源極、MN1 的源極與地相連；MN4的柵極、MN3的柵極、MN3的漏極、MP7的漏極、MP8 的漏極連接在一起；MP9的漏極、MP10的漏極、MN2的漏極、MN2的柵極、 MN1的柵極連接在一起；MN1的漏極與MP6的漏極相連。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其 特征在于運(yùn)算放大器的輸入控制開(kāi)關(guān)采用電壓控制型開(kāi)關(guān)，或者采用三極管等 電流控制型開(kāi)關(guān)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其 特征在于運(yùn)算放大器的輸入控制開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)SW1、 SW2、 SW3、 SW4、 SW5、 SW6、 SW7、 SW8組成，通過(guò)這八個(gè)開(kāi)關(guān)控制運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)管的工作 狀態(tài)；其中，開(kāi)關(guān)SW1的兩端分別與MP7的柵極、電源相連，開(kāi)關(guān)SW1的一端 與MP7的柵極相連，另一端與電源相連；開(kāi)關(guān)SW2的一端與MP7的柵極相連， 另一端與MP2的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW3的一端與MP8的柵極相連，另一端與電源相連；開(kāi)關(guān)SW4的一端與MP8的柵極相連， 一端與MP2的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW5 的一端與MP9的柵極相連，另一端與電源相連；開(kāi)關(guān)SW6的一端與MP9的柵極 相連，另一端與MP1的漏極相連；開(kāi)關(guān)SW7的一端與MP10的柵極相連，另一端 與電源相連；開(kāi)關(guān)SW8的一端與MP10的柵極相連，另一端MP1的漏極相連。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其 特征在于所述輸入控制開(kāi)關(guān)連接有PHI和PH2、 PH1N和PH2N的兩相交疊時(shí) 鐘控制信號(hào)，其中，PH1N為PH1的反相，PH2N為PH2N的反相；所述PH1 、PH1N、 PH2、 PH2N交替接入到輸入控制開(kāi)關(guān)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路， 其特征在于信號(hào)PH2N接入開(kāi)關(guān)SW1，信號(hào)PH2接入SW2，信號(hào)PH1N接入 SW3，信號(hào)PH1接入SW4，信號(hào)PH1N接入SW5，信號(hào)PH1接入SW6，信號(hào)PH2N 接入SW7，信號(hào)PH2接入SW8。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路， 其特征在于當(dāng)PHI為低、PH2為高時(shí)，MP8和MP9作為運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng) 效應(yīng)對(duì)管，工作在強(qiáng)反型區(qū)，而MP7和MP10的柵極和電源相連，工作在截止區(qū)； 當(dāng)PH1為高、PH2為低時(shí)，MP7和MP10作為運(yùn)算放大器的輸入場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管，工 作在強(qiáng)反型區(qū)，而MP8和MP9的柵極和電源相連，工作在截止區(qū)；因此MP7、 MP8、 MP9、 MP10周期性地工作在強(qiáng)反型區(qū)和截至區(qū)，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管處于這樣的工 作狀態(tài)時(shí)具有較小的閃爍噪聲。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路， 其特征在于帶隙基準(zhǔn)源的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路由電阻Rl、 R2，場(chǎng)效應(yīng)管MP1、 MP2、 MP3，和三極管Q0、 Ql、 Q2組成，用于產(chǎn)生一個(gè)與溫度和電源無(wú)關(guān)的基 準(zhǔn)電壓輸出；其中場(chǎng)效應(yīng)管MP1、 MP2和MP3組成電流鏡；MP1的源極、MP2 的源極、MP3的源極與電源相連；MP1的柵極、MP2的柵極、MP3的柵極與MP6 的漏極相連；電阻R1的兩端分別和MP1的漏極、三極管Q1的發(fā)射極相連；MP2 的漏極和三極管Q0的發(fā)射極相連；電阻R2的兩端分別和MP3的漏極、三極管 Q3的發(fā)射極相連；三極管Q0的基極和集電極，三極管Q1的基極、集電極、三極 管Q2的基極和集電極均與地連接。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，其特征在于所述帶隙基準(zhǔn)源的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的工作原理為通過(guò)運(yùn)算放大器的反饋控制使MP1漏極電壓和MP2漏極電壓相等，因此流過(guò)電阻R1的電流等 于A)^/A， AI^-J^。-P^;由于MP1、 MP2和MP3的柵源電壓一樣，且三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管都工作在飽和區(qū)，所以三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電流基本相等，從而該基準(zhǔn)源 電路的輸出為其中^2為負(fù)溫度系數(shù)，A^為正溫度系數(shù)，因此通過(guò)設(shè)置R2和R1的比值就可 以等到零溫度系數(shù)的輸出電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有低閃爍噪聲的CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，包括啟動(dòng)電路、電源關(guān)斷控制電路、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，所述運(yùn)算放大器的正輸入端和負(fù)輸入端均由兩個(gè)相同的場(chǎng)效應(yīng)管組成，并且正輸入端和負(fù)輸入端均設(shè)置有輸入控制開(kāi)關(guān)；通過(guò)輸入控制開(kāi)關(guān)的控制，正輸入端的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和負(fù)輸入端的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管周期性地交替工作在強(qiáng)反型區(qū)和截至區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)管處于交替工作狀態(tài)時(shí)具有較小的閃爍噪聲，從而減小運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入管的閃爍噪聲引起的帶隙基準(zhǔn)源電路的噪聲。
文檔編號(hào)G05F3/24GK101630173SQ20091016420
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
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