CN103455075B - 基于mems传感器的电压基准通用启动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带隙基准源的启动电路，是基于MEMS传感器的电压基准通用启动电路，其包括简单电流源和偏置电路两部分，两者通过电流镜连接。电流源部分包括二极管连接的若干个PMOS管和一个NMOS管以提供稳定电流；偏置电路是典型的反馈式偏置点设置结构，而且包括最多五个偏置点，其中至少两个PMOS管偏置点和两个NMOS管偏置点。其优点是：无需任何参考输入或者数字信号控制，可以达到独立稳定启动和运行的目的，尤其适于MEMS传感器IC中使用的带隙基准源且具有良好的通用特性和电路配置的方便灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种带隙基准电压电路的启动电路，具体是一种应用在MEMS传感器领域的电压基准通用启动电路。
背景技术
MEMS传感器日益追求可以将物理器件与IC处理电路高度融合的技术实现方法，其中模拟部分的数据转换电路和数字部分的存储电路都需要可靠的基准电路来产生精确电压。而传统电压基准和主流发展趋势的基准大多把关注点放在了提高基准精度和和低电压低功耗设计上，而其中作为基准正常工作前提和关键之一的启动电路却没有得到足够重视，每个基准都重复单独设计甚至借用数字时钟的启动方案其实浪费了不少设计资源。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，在MEMS传感器方面提供一种通用化的电压基准电路启动电路，一能保持启动和运行的稳定性，二能与基准中运放电路的偏置部分形成一个统一整体。
按照本发明提供的技术方案，所述基于MEMS传感器的电压基准通用启动电路包括：串联的多个PMOS管，其中每个PMOS管均为二极管连接形式亦即每个PMOS管的栅极与自身漏极相连接，串联的PMOS管中首个PMOS管源极接电源，末个PMOS管漏极接NMOS管N12的漏极；NMOS管N12漏极还连接自身栅极、NMOS管N13栅极、NMOS管N14栅极，NMOS管N13漏极接PMOS管P4漏极和栅极、PMOS管P7栅极、PMOS管P8栅极、PMOS管P10栅极并作为第二输出偏置端，NMOS管N14漏极接PMOS管P11漏极和栅极并作为第三输出偏置端，PMOS管P11源极接PMOS管P7漏极、PMOS管P5栅极、PMOS管P6栅极、PMOS管P9栅极并作为第一输出偏置端，PMOS管P6漏极接PMOS管P8源极，PMOS管P8漏极接NMOS管N15漏极、NMOS管N16栅极并作为第四输出偏置端，NMOS管N15源极接NMOS管N16漏极，NMOS管N15栅极接PMOS管P10漏极、NMOS管N17漏极和栅极并作为第五输出偏置端，PMOS管P9漏极接PMOS管P10源极，所述PMOS管P4源极、PMOS管P5源极、PMOS管P6源极、PMOS管P9源极均接电源，NMOS管N12源极、NMOS管N13源极、NMOS管N14源极、NMOS管N16源极、NMOS管N17源极均接地。
其中，PMOS管P11可以用NMOS管N11代替，NMOS管N14漏极接NMOS管N11源极并作为第三输出偏置端，NMOS管N11栅极漏极相连并连接PMOS管P7漏极、PMOS管P5栅极、PMOS管P6栅极、PMOS管P9栅极并作为第一输出偏置端。
本发明的优点是：提供一种类IP核的启动电路设计方案，对于MEMS传感器中使用的基准电路有很强的适用性和针对性，而且通用化的结构可以作为任意带隙基准的启动电路，具体嵌入时只需根据特定连接的运放偏置点微调管子参数和引出点即可。
附图说明
图1是本发明实施例一电路原理图。
图2是本发明实施例二电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
设计本发明电路的主要诉求点有两个：一是启动和运行保持稳定性，二是与基准中运放电路的偏置部分形成一个统一整体。因为从目前来看，MEMS器件的尺寸最优节点还是在1μm到100μm之间，所以对应匹配的IC工艺节点基本就是0.18μm到0.5μm之间，因此启动电路的具体结构也是遵从这个工艺节点区间。本发明的电路结构图以0.35μm为例，对应其他工艺的结构微调会相应有所说明。
本发明启动电路由两部分组成，一是简易电流源，二是偏置电路。简易电流源即由二极管连接的PMOS和NMOS串联而成；偏置电路整体由电流镜构成，而且为了通用化，一共设计了五个偏置点，靠近电源电压位置有两个PMOS管的栅极点可以引出偏置电压点，靠近地电压有两个NMOS管的栅极点可以引出偏置点，中间点既可以由PMOS也可以由NMOS来设置，根据后面运放结构的具体设计灵活安排。
如图1所示，启动电路由两部分构成，或者说电路将一个简易的电流源支路（虚线左侧）与运放电路的偏置部分（虚线右侧）有效组成一体，通过输出电压偏置点来对运放和基准核心电路提供参考电位来使运放和基准支路导通以达到启动电路的目的。电路包括：串联的多个PMOS管（图示为3个：P1，P2，P3），其中每个PMOS管均为二极管连接形式（亦即每个PMOS管的栅极与自身漏极相连接），串联的PMOS管中首个PMOS管P1源极接电源，末个PMOS管P3漏极接NMOS管N12的漏极；NMOS管N12漏极还连接自身栅极、NMOS管N13栅极、NMOS管N14栅极，NMOS管N13漏极接PMOS管P4漏极和栅极、PMOS管P7栅极、PMOS管P8栅极、PMOS管P10栅极并作为第二输出偏置端，NMOS管N14漏极接PMOS管P11漏极和栅极并作为第三输出偏置端，PMOS管P11源极接PMOS管P7漏极、PMOS管P5栅极、PMOS管P6栅极、PMOS管P9栅极并作为第一输出偏置端，PMOS管P6漏极接PMOS管P8源极，PMOS管P8漏极接NMOS管N15漏极、NMOS管N16栅极并作为第四输出偏置端，NMOS管N15源极接NMOS管N16漏极，NMOS管N15栅极接PMOS管P10漏极、NMOS管N17漏极和栅极并作为第五输出偏置端，PMOS管P9漏极接PMOS管P10源极，所述PMOS管P4源极、PMOS管P5源极、PMOS管P6源极、PMOS管P9源极均接电源，NMOS管N12源极、NMOS管N13源极、NMOS管N14源极、NMOS管N16源极、NMOS管N17源极均接地。根据标准CMOS工艺，所有PMOS管的衬底都与各自PMOS管的源极相连接，所有NMOS管的衬底都与整个电路的最低电位即地电位相连接。
电流源部分由若干个PMOS管和一个NMOS管串联组成，而且所有MOS管都是二极管连接；通过适当调整二极管连接的PMOS管的数目和参数，可以将电流源控制在几百纳安以内，从而使整个启动电路实现低功耗，无需外接参考输入以及数字信号来控制启动的开闭。
电流源的电流值能够配置到102 nA量级，整个启动电路五条支路的电流也可以控制在1uA以下数量级，总体功耗相对于整个带隙基准源来讲约为10-3，无需外置参考电流或者电压以及数字信号以控制启动电路的开启和关闭来节省功耗；负责开启电路的五个偏置点可以满足几乎所有MEMS传感器制造工艺下的偏置电压需求，无需每次为不同带隙基准设计单独的启动结构，具有良好的复用特性。
通过灵活配置P1、P2、P3的串联PMOS管数目和尺寸，以及配合电流源支路下方的NMOS管N12参数，可以适应从1.8V到5V范围的（对应0.18μm到0.5μm工艺范围）所有电源电压，而且适当调节参数就可以使启动部分的支路电流降到一个较小的数值范围，既避免了有些启动电路自动断开时的不稳定性，又不会给整个电路带来较大功耗（启动电路在整个带隙基准功耗中的比例典型值在10-3左右）。
图1虚线右侧的主体部分就是典型的偏置电路。特点是有五个偏置点（亦即五个输出偏置端）可以满足5V电源内任意参考点的设置，不但满足了运放的偏置电压要求，而且可以同时保证基准核心部分的偏置。根据原理结构，一个设计指标均衡优秀的运放在5V电源内最多有五个偏置点，而且靠近电源电压的PMOS和靠近地端的NMOS管至少会有两个可能的偏置点（分别对应101、102以及104、105），再加上中间103点根据中心偏置点的电压要求，可以自由选择PMOS或者NMOS来合理实现参考电位。因此这一结构可以满足MEMS传感器电路带隙基准源几乎任意要求的启动电压偏置。而且随着电源降低，可以依次去除或者微调不必要的偏置点，配置起来十分方便，具有良好的通用特性。
偏置电路的结构采用宽摆幅偏置电路，最多可以引出五个电压偏置点，且其中包含至少两个PMOS管偏置电压点101、102以及至少两个NMOS管偏置电压点104、105，并且中间的电压引出点103既可以是PMOS管也可以是NMOS管。如图2所示，为103点由NMOS管N11来完成的情况，NMOS管N11栅极漏极相连并连接PMOS管P7漏极，NMOS管N11源极接NMOS管N14漏极并作为输出偏置点103。
Claims (2)
1.基于MEMS传感器的电压基准通用启动电路，其特征是，包括：串联的多个PMOS管，其中所述串联的多个PMOS管均为二极管连接形式亦即所述串联的多个PMOS管的栅极与自身漏极相连接，串联的PMOS管中首个PMOS管源极接电源，末个PMOS管漏极接NMOS管N12的漏极；NMOS管N12漏极还连接自身栅极、NMOS管N13栅极、NMOS管N14栅极，NMOS管N13漏极接PMOS管P4漏极和栅极、PMOS管P7栅极、PMOS管P8栅极、PMOS管P10栅极并作为第二输出偏置端，NMOS管N14漏极接PMOS管P11漏极和栅极并作为第三输出偏置端，PMOS管P11源极接PMOS管P7漏极、PMOS管P5栅极、PMOS管P6栅极、PMOS管P9栅极并作为第一输出偏置端，PMOS管P6漏极接PMOS管P8源极，PMOS管P8漏极接NMOS管N15漏极、NMOS管N16栅极并作为第四输出偏置端，NMOS管N15源极接NMOS管N16漏极，NMOS管N15栅极接PMOS管P10漏极、NMOS管N17漏极和栅极并作为第五输出偏置端，PMOS管P9漏极接PMOS管P10源极，所述PMOS管P4源极、PMOS管P5源极、PMOS管P6源极、PMOS管P9源极均接电源，NMOS管N12源极、NMOS管N13源极、NMOS管N14源极、NMOS管N16源极、NMOS管N17源极均接地。
2.基于MEMS传感器的电压基准通用启动电路，其特征是，包括：串联的多个PMOS管，其中所述串联的多个PMOS管均为二极管连接形式亦即所述串联的多个PMOS管的栅极与自身漏极相连接，串联的PMOS管中首个PMOS管源极接电源，末个PMOS管漏极接NMOS管N12的漏极；NMOS管N12漏极还连接自身栅极、NMOS管N13栅极、NMOS管N14栅极，NMOS管N13漏极接PMOS管P4漏极和栅极、PMOS管P7栅极、PMOS管P8栅极、PMOS管P10栅极并作为第二输出偏置端，NMOS管N14漏极接NMOS管N11源极并作为第三输出偏置端，NMOS管N11栅极漏极相连并连接PMOS管P7漏极、PMOS管P5栅极、PMOS管P6栅极、PMOS管P9栅极并作为第一输出偏置端，PMOS管P6漏极接PMOS管P8源极，PMOS管P8漏极接NMOS管N15漏极、NMOS管N16栅极并作为第四输出偏置端，NMOS管N15源极接NMOS管N16漏极，NMOS管N15栅极接PMOS管P10漏极、NMOS管N17漏极和栅极并作为第五输出偏置端，PMOS管P9漏极接PMOS管P10源极，所述PMOS管P4源极、PMOS管P5源极、PMOS管P6源极、PMOS管P9源极均接电源，NMOS管N12源极、NMOS管N13源极、NMOS管N14源极、NMOS管N16源极、NMOS管N17源极均接地。
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