[发明专利]一种超低功耗高性能带隙基准源

说明书

技术领域：

本发明涉及带隙基准源(bandgap)，尤其是宽电源范围的带隙基准源的超低功耗高性能带隙基准源。

技术背景：

带隙基准源的作用是产生一个与供电电源，环境，温度，工艺变化无关的基准电压，其之所以可以实现上述功能，主要就是依靠PNP管Vbe结电压的负温度特性和VT的正温度特性相互抵消实现的。所以现在绝大多数的带隙基准源电源都采用经典的PTAT结构来实现。

请参见图1所示的普通带隙基准源的电路的示意图。其电路中大致工作原理如下：两个PNP管，其中一个的发射结面积是另外一个的N倍，它们接成二极管的结构，各自与一定的电阻相连。运放的输入正负端输入都来自电阻的节点，输出返回到电阻的通路上。通过运放的反馈作用，图1中节点vn的电压等于vp电压。实际应用中一般会取R1＝R2，所以电路中通过PNP的两条通路流过的电流相等。相等的电流流过面积不等的PNP管，那么PNP管产生的VBE是有一个差值的。这个差值决定了流过电阻R3的电流。而最终：

VOUT＝VBE+I*(R2+R3)

参考半导体器件原理，其中Vbe结电压具有负温度特性，而I*(R2+R3)是一个正温度特性的电压，合理分配R1，R2，R3以及PNP管的尺寸比例可以调节Vbe和I*(R2+R3)的温度系数几乎相等，从而实现VOUT对温度变化不敏感的功能。

尽管经典的PTAT结构的带息基准源可以实现上述功能，但是它还是有它的局限性的。首先，它能够正常工作的供电电压由电路中MOS管的耐压和开启电压的大小决定，这会给在较宽的电源电压范围的电路系统中工作的带隙基准源设计带来困难。因为如果单纯采用低耐压低阈值的MOS来实现，那么在高电源电压条件下，MOS管有被击穿的危险，同时可能电路功耗会非常大；反之，如果采用高耐压高阈值的MOS管来实现，那么一方面版图面积受到挑战，另一方面，在低电源电压供电的情况下，MOS管都可能开启不了，实现不了既定的规格。尤其在现在最常见的一些应用中，比如0.18um工艺的手持产品中，需要带隙基准源工作在极低功耗(＜3uA)，低电压宽范围(1.6v～5.5v)，并且快速启动。这对其内部的带隙基准电压源(bandgap)设计的设计提出了极高的要求，为此本发明提出了解决方案。

为了耐压达到5.5V，MOS器件的开启电压通常大于0.8v，故此普通的带隙基准电压源难以做到前述要求。因为普通的带隙基准电压源分为两种，一种是PTAT直接产生，一种经过运放反馈控制。前者因为采用了开启电压大的MOS器件，难以做到低压工作。后者在极低功耗情况下，内部运放难以实现快速启动和低压工作。

发明内容：

针对上述问题，本发明提供一种超低功耗高性能带隙基准源解决特殊领域应用中带隙基准电压源的快速启动和低功耗问题，并解决特殊领域应用中带隙基准电压源的低电压宽范围问题。

为了实现上述发明目的，本发明公开了一种超低功耗高性能带隙基准源，包括：一个参考电流产生电路，包括第一PTAT电路，以及设置在其前级的第一反相器和第二反相器，所述第一反相器和第二反相器提供一个控制信号和一个使能信号，所述第一PTAT电路提供一个基准电平；一个参考电压产生电路，包括第二PTAT电路及其相连的第一运放电路，所述第二PTAT电路用以产生一个参考电压，所述第一运放电路接受所述基准电平、所述控制信号和所述参考电压，所述第一运放电路上电时具有较大尾电流，能快速进入正常工作状态；一个基准电压产生电路，包括第三运放电路和其输出连接的一分压电路，以及跨接在第一级输出和第二级输出之间的一补偿电路，所述第三运放电路接受所述控制信号，并比较所述参考电压和所述分压电路的反馈电压，当参考电压低于所述反馈电压，则所述第三运放电路输出电平降低，并使所述反馈电压等于所述参考电压。

比较好的是，所述控制信号用以当所述参考电压产生电路和所述基准电压产生电路在上电时提供较大的尾电流，能比较快速进入正常工作状态。

比较好的是，所述分压电路包括三个串联的接成二极管形式的MOS管，它的作用好比等值的电阻，所述中间一个MOS管的漏端引出作为所述反馈电压；所以补偿电路由一电阻和一电容构成RC补偿，用于调整第三运放电路的频率特性。

比较好的是，所述参考电流产生电路中的所述第一PTAT电路采用电流镜自偏置结构，由两个PMOS接成电流镜，两个NMOS接成电流镜，所述两个NMOS的漏端和所述两个PMOS的漏端分别相连构成。

比较好的是，所述超低功耗高性能带隙基准源进一步包括一第二稳态防止电路，连接在所述参考电压产生电路前级。