一种电流型带隙基准源电路启动电路.pdf

本发明公开了一种电流型带隙基准源电路启动电路，包括场效应管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3组成的启动电路和基准源电路，其特征在于：所述启动电路还设置有用于检测是否有电流流过基准源电路的三极管的场效应管MN4和MN5，MN4的栅极和MN5的栅极连接，并连接到基准源电路的三极管的发射极N2端，MN4和MN5的源极和地AVSS相连，MN5的漏极和场效应管MN1的源极相连，MN4的漏极和MN2的源极相连；所述MN4和MN5设置有控制开启的阀值电压；本发明只需两个工作在开关状态的MOS开关来检测基准源电路是否正常工作，避免了基准源电路工作在小电流不完全启动的错误工作模式下；电路结构简单，节约了芯片面积，降低了成本。

1、  一种电流型带隙基准源电路启动电路，包括场效应管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3组成的启动电路和基准源电路，基准源电路和MP1的栅极、MN3的漏极同时连接，其中MP1的源极和MP2的源极接电压AVDD，MP1的漏极分别与MN1的漏极和栅极相连，MP2的漏极与MN3的栅极、MN2的漏极相连，MN1的源极、MN2的源极与MP2的栅极均接地AVSS，其特征在于：所述启动电路还设置有用于检测是否有电流流过基准源电路的三极管的场效应管MN4和MN5，MN4的栅极和MN5的栅极连接，并连接到基准源电路的三极管的发射极N2端，MN4和MN5的源极和地AVSS相连，MN5的漏极和场效应管MN1的源极相连，MN4的漏极和MN2的源极相连；所述MN4和MN5设置有控制开启的阀值电压。

2、  根据权利要求1所述一种电流型带隙基准源电路启动电路，其特征在于所述启动电路的工作原理如下：电路上电时，场效应管MN4和MN5检测基准源电路三极管的发射极电压，当三极管的发射极电压小于场效应管MN4和MN5的阈值电压时，场效应管MN4和MN5不开启，场效应管MN3的栅极电压升高，基准源电路的场效应管的栅极电压被拉低，使得整个基准源电路的各个支路得到电流偏置，使基准源电路正常工作。

3、  根据权利要求1所述一种电流型带隙基准源电路启动电路，其特征在于：所述基准源电路包括场效应管MP3、MP4、MP5，运算放大器，三极管Q1X1、Q2X8；MP3、MP4、MP5的栅极与MN3的漏极、MP1的栅极同时连接，MP3、MP4的漏极分别与运算放大器的正负输入端连接，并且运算放大器的正负输入端还同时与两个三极管电路连接。

4、  根据权利要求3所述一种电流型带隙基准源电路启动电路，其特征在于所述启动电路的工作过程为：
A、电路未启动过程，此时电源电压慢慢上升，MP2的栅极接地，此时电源电压低，MP2的栅源电压小于开启电压，MN3的栅极电压为低电平，电源通过场效应管MP3、MP4、MP5的栅源寄生电容给MP3、MP4、MP5的栅极充电，场效应管MP3、MP4、MP5的栅极电压跟随电源电压的变化，此时MP3、MP4、MP5的栅极电压上升斜率低于电源电压，并且所有支路的PMOS管的栅源电压都小于开启电压，所有支路都没有电流；
B、电路启动到小电流工作状态，此时电源电压继续上升，当MP2的栅源电压达到开启电压时，MP2管开启，电源电压通过MP2给场效应管MN3的栅极的电容充电，场效应管MN3的栅极电压上升，当场效应管MN3的栅极电压上升到大于MN3管的开启电压时，场效应管MP3、MP4、MP5的栅极电容通过MN3管放电，也即场效应管MP3、MP4、MP5的栅极电压被MN3拉低；当场效应管MP3、MP4、MP5的栅极被拉至所有支路都有电流流过的电位时，所有支路都有电流流过，同时运算放大器的负输入端电压上升还未到达三极管Q1X1的开启电压时，三极管Q1X1上没有电流流过，此时电路工作在小电流工作状态；
C、电路从小电流工作状态到完全启动状态，此时运算放大器的负输入端电压小于MN4和MN5的阈值电压，MN4和MN5做为开关管工作在断开状态，电源电压通过MP2管继续对场效应管MN3的栅极充电，MN3的栅极被继续拉高，此时场效应管MP3、MP4、MP5的栅极电压被继续拉低使电路从小电流工作状态中继续启动，避免电路进入错误工作状态；
D、电路进入正常工作状态后，此时基准源电路已正常启动，MP1通过镜像从基准源电路获得电流，运算放大器的负输入端电压大于MN4和MN5的阈值电压，MN4和MN5导通，MN2和MN4将MN3的栅极电位拉低，MN3关断，启动电路不再影响基准源电路的正常工作。

5、  根据权利要求1或4所述一种电流型带隙基准源电路启动电路，其特征在于：所述MP1和MP3的宽长比用于控制电路正常工作时启动电路的工作电流。

6、  根据权利要求1或4所述一种电流型带隙基准源电路启动电路，其特征在于：所述MP2的宽长比小于MN2和MN4的宽长比。

7、  根据权利要求4所述一种电流型带隙基准源电路启动电路，其特征在于：所述基准源电路还包括电阻R1、R2、R3、R4，其中：电阻R1将三极管Q2X8的发射极和运算放大器的正输入端连通，即运算放大器的正输入端、电阻R1和三极管发射极串联，同时运算放大器的正输入端还连接有接地的电阻R3；电阻R2与三极管Q1X1并联后，一端共同连接运算放大器的负输入端，另一端共同连接电阻R4，电阻R4的一端接地，另一端接基准电压输出VREF。

一种电流型带隙基准源电路启动电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种电流型带隙基准源电路启动电路。
背景技术
基准源电路广泛应用于各种模拟集成电路和混合信号集成电路中，其中最常用的基准源电路就是带隙基准源电路。
由于电流型带隙基准源电路除了具有一般带隙基准源电路温度的特性好、电源抑制比高等优点，其输出电压还可以调整，因此应用范围更加广泛。不过对于所有的带隙基准源电路(包括电流型带隙基准源)，都需要一个启动电路来确保电路在上电的过程中不进入死锁状态，即需要启动电路来防止基准源电路进入错误的工作状态，当电路正常工作后，启动电路不再给基准源电路提供电流或者电压信号，启动电路的设计应该为低功耗或者零功耗。
如图1所示，电流型带隙基准源电路工作原理如下：电路正常工作时运算放大器OP1通过反馈使场效应管MP3和MP4的漏端电压相等，流过电阻R1的电流I₁为随温度升高而电流增大的PTAT(与绝对温度成正比的)电流，流过电阻R3的电流I₂为随温度升高而减小的CTAT(与绝对温度成反比的)电流。
I1=ΔVbeR1]]>
I2=VbeR2]]>
I3=I1+I2=1R2(Vbe+R2R1ΔVbe)]]>
Vref=R4R2(Vbe+R2R1ΔVbe)]]>
因此，通过调整电阻R2和R1的比值就可以得到零温度系数的电流I₃，I₃通过MP5的镜像流过电阻R4产生基准源输出。
上述电流型基准源电路存在三个工作状态：
1、零电流状态
此时，电路完全没有启动，所有支路的电流都为零；
2、小电流状态
此时，电路中有电流流过，但是电流从电阻R3和R2上流过，三极管上无电流流过，称为电路部分启动；
3、正常工作状态
所有电阻和三极管上都有电流流过，称电路完全启动。
传统的启动电路如图2所示，启动电路由MP1，MP2，MN1，MN2，MN3组成。电路上电时，由于MP2管的栅极接地，MN3被导通，MP3管和MP4管的栅极电压被拉低，从而使基准源电路中的各条支路有电流流过，但是这种启动电路有可能使电路工作在上述的第二种工作状态下，因此此种启动电路降低了芯片的成品率。为了解决小电流工作状态的问题，改进的启动电路通过检测电阻R1上的电压来控制VBP是否下拉，当R1上的压降低于设定的阈值时，将MP3管和MP4管的栅极电压下拉，这种方法解决了电路工作在小电流的工作状态下的错误状态，但是比较器的增加加大了芯片的面积，增加了成本，并且设定阈值的产生也增加了设计的复杂性。
发明内容
本发明为解决上述问题提出了一种电流型带隙基准源电路启动电路，该启动电路不仅可以避免电流型基准源电路进入零电流状态，并且不会进入小电流状态。
本发明的技术方案如下：
一种电流型带隙基准源电路启动电路，包括场效应管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3组成的启动电路和基准源电路，基准源电路和MP1的栅极、MN3的漏极同时连接，其中MP1的源极和MP2的源极接电压AVDD，MP1的漏极分别与MN1的漏极和栅极相连，MP2的漏极与MN3的栅极、MN2的漏极相连，MN1的源极、MN2的源极与MP2的栅极均接地AVSS，其特征在于：所述启动电路还设置有用于检测是否有电流流过基准源电路的三极管的场效应管MN4和MN5，MN4的栅极和MN5的栅极连接，并连接到基准源电路的三极管的发射极N2端，MN4和MN5的源极和地AVSS相连，MN5的漏极和场效应管MN1的源极相连，场效应管MN4的漏极和场效应管MN2的源极相连；所述MN4和MN5设置有控制开启的阀值电压。
所述启动电路的工作原理如下：
电路上电时，场效应管MN4和MN5检测基准源电路三极管的发射极电压，当三极管的发射极电压小于场效应管MN4和MN5的阈值电压时，场效应管MN4和MN5不开启，场效应管MN3的栅极电压升高，基准源电路中的镜像电流源的场效应管MP3，MP4，MP5(MP3，MP4，MP5组成镜像电流源，为整个基准源电路的各个支路提供了必要的电流偏置)的栅极电压被拉低，从而为整个基准源电路的各个支路提供了必要的电流偏置，使基准源电路正常工作。
所述基准源电路包括场效应管MP3、MP4、MP5，运算放大器，三极管Q1X1、Q2X8；MP3、MP4、MP5的栅极与MN3的漏极、MP1的栅极同时连接，MP3、MP4的漏极分别与运算放大器的正负输入端连接，并且运算放大器的正负输入端还分别与两个三极管连接。
所述启动电路的工作过程可以分为：
A、电路未启动过程，此时电源电压慢慢上升，MP2的栅极接地，由于电源电压此时比较低，MP2的栅源电压小于开启电压，MN3的栅极电压一直为低电平，电源通过场效应管MP3、MP4、MP5的栅源寄生电容给MP3、MP4、MP5的栅极充电，场效应管MP3、MP4、MP5的栅极电压跟随电源电压的变化，但是该处电压上升斜率低于电源电压；此时所有支路的PMOS(场效应管MP1，MP2，MP3，MP4，MP5)管的栅源电压都小于开启电压，所有支路都没有电流；
B、电路启动到小电流工作状态，此时电源电压继续上升，当MP2的栅源电压达到开启电压时，MP2管开启，电源电压通过MP2给场效应管MN3的栅极的电容充电，场效应管MN3的栅极电压上升，当场效应管MN3的栅极电压上升到大于MN3管的开启电压时，场效应管MP3、MP4、MP5的栅极电容通过MN3管放电，也即场效应管MP3、MP4、MP5的栅极电压被MN3拉低；当场效应管MP3、MP4、MP5的栅极被拉至一定低的电位时，所有支路都有电流流过，运算放大器的负输入端电压上升但是还未到达三极管Q1X1的开启电压，Q1X1上仍然没有电流流过，此时电路工作在小电流工作状态；
C、电路从小电流工作状态到完全启动状态，此时运算放大器的负输入端电压小于MN4和MN5管预设的阈值电压，MN4和MN5做为开关管工作在断开状态，电源电压通过MP2管继续对场效应管MN3的栅极充电，MN3的栅极被继续拉高，从而场效应管MP3、MP4、MP5的栅极电压被继续拉低从而将电路从小电流工作状态中继续启动，避免了电路进入错误工作状态；
D、电路进入正常工作状态后，此时基准源电路已经正常启动，MP1通过镜像从基准源电路获得电流，运算放大器的负输入端电压大于MN4和MN5管的阈值电压，MN4和MN5导通，由于MP2相对于MN2和MN4来说为一个弱管，即MP2的宽长比远远小于MN2和MN4的宽长比，因此MN2和MN4将MN3的栅极电位拉低，MN3关断，启动电路不再影响基准源电路的正常工作；启动电路的MP1和MP2支路有电流流过，通过设计MP1和MP3的宽长比可以控制电路正常工作时启动电路的工作电流。
所述基准源电路还包括电阻R1、R2、R3、R4，其中：电阻R1将三极管Q2X8的发射极和运算放大器的正输入端连通，即运算放大器的正输入端、电阻R1和三极管发射极串联，同时运算放大器的正输入端还连接有接地的电阻R3；电阻R2与三极管Q1X1并联后，一端共同连接运算放大器的负输入端，另一端共同连接电阻R4，电阻R4的一端接地，另一端接基准电压输出VREF。
本发明的有益效果如下：
本启动电路不需要比较器来检测电流型基准源电阻两端的电压，只需两个工作在开关状态的MOS(场效应管MN4，MN5)开关来检测基准源电路是否正常工作，避免了基准源电路工作在小电流不完全启动的错误工作模式下；电路结构简单，节约了芯片面积，降低了成本。
附图说明
图1为背景技术的电流型基准源电路原理图
图2为背景技术中传统的电流型基准源启动电路原理图
图3为本发明的电流型基准源启动电路原理图
图4为本发明的启动电路瞬态仿真图
具体实施方式
如图3所示，一种电流型带隙基准源电路启动电路，包括场效应管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3组成的启动电路和基准源电路，其中MP1的源极和MP2的源极接电压AVDD，MP1的漏极分别与MN1的漏极和栅极相连，MP2的漏极与MN3的栅极、MN2的漏极相连，MN1的源极、MN2的源极与MP2的栅极均接地AVSS，所述启动电路还设置有用于检测是否有电流流过基准源电路的三极管的场效应管MN4和MN5，MN4的栅极和MN5的栅极连接，并连接到基准源电路的三极管Q1X1的发射极N2端，MN4和MN5的源极和地AVSS相连，MN5的漏极和场效应管MN1的源极相连，场效应管MN4的漏极和场效应管MN2的源极相连；所述MN4和MN5设置有控制开启的阀值电压。
所述启动电路的工作原理如下：
电路上电时，场效应管MN4和MN5检测基准源电路三极管Q1X1的发射极电压，当三极管Q1X1的发射极电压小于场效应管MN4和MN5的阈值电压时，场效应管MN4和MN5不开启，场效应管MN3的栅极N4点电压升高，场效应管MP3、MP4、MP5的栅极VP点电压被拉低，从而为整个基准源电路的各个支路提供了必要的电流偏置，使基准源电路正常工作。
所述基准源电路包括场效应管MP3、MP4、MP5，运算放大器，三极管Q1X1、Q2X8；MP3、MP4、MP5的栅极与MN3的漏极、MP1的栅极同时连接，MP3、MP4的漏极分别与运算放大器的正负输入端连接，并且运算放大器的正负输入端还同时与两个三极管电路连接。
如图3所示，其中：
VP——场效应管MP3，MP4，MP5的栅极；
N4——场效应管MN3的栅极；
N1——运算放大器的正输入端；
N2——运算放大器的负输入端；
N3——三极管Q2X8的发射极。
所述启动电路的工作过程可以分为：
A、电路未启动过程，图4中A点之前，此时电源电压慢慢上升，MP2管栅极接地，由于电源电压此时比较低，MP2管的栅源电压小于开启电压，N4点电压一直为低电平，电源通过场效应管MP3、MP4、MP5的栅源寄生电容给VP节点充电，VP点电压跟随电源电压的变化，但是上升斜率低于电源电压；此时所有支路的PMOS管的栅源电压都小于开启电压，所有支路都没有电流；
B、电路启动到小电流工作状态，图4中A点到B点，此时电源电压继续上升，当MP2管的栅源电压达到开启电压时，MP2管开启，电源电压通过MP2给N4节点的电容充电，N4点电压上升，当N4点电压上升到大于MN3管的开启电压时，VP点电容通过MN3管放电，也即VP点电压被MN3拉低；当VP被拉至B点电位时，所有支路都有电流流过，N2点电压上升但是还为到达三极管Q1X1的开启电压，Q1X1上仍然没有电流流过，此时电路工作在小电流工作状态；
C、电路从小电流工作状态到完全启动状态，图4中B点到C点，此时N2点电压小于本电路设计的MN4和MN5管的阈值电压，MN4和MN5做为开关管工作在断开状态，电源电压通过MP2管继续对N4充电，MN3的栅极被继续拉高，从而VP被继续拉低从而将电路从小电流工作状态中继续启动，避免了电路进入错误工作状态；
D、电路进入正常工作状态后，图4中C点以后，此时基准源电路已经正常启动，MP1通过镜像从基准源电路获得电流，N2点电压大于MN4和MN5管的阈值电压，MN4和MN5导通，由于MP2相对于MN2和MN4来说为一个弱管，即MP2的宽长比远远小于MN2和MN4的宽长比，因此MN2和MN4将MN3的栅极电位拉低，MN3关断，启动电路不再影响基准源电路的正常工作；启动电路的MP1和MP2支路有电流流过，通过设计MP1和MP3的宽长比可以控制电路正常工作时启动电路的工作电流。
如图4所示，所述基准源电路还包括电阻R1、R2、R3、R4，其中：电阻R1将三极管Q2X8的发射极和运算放大器的正输入端连通，即运算放大器的正输入端、电阻R1和三极管发射极串联，同时运算放大器的正输入端还连接有接地的电阻R3；电阻R2与三极管Q1X1并联后，一端共同连接运算放大器的负输入端，另一端共同连接电阻R4，电阻R4的一端接地，另一端接基准电压输出VREF。