[发明专利]一种消除自偏置带隙基准简并亚稳态的钳位反馈启动电路

说明书

本发明属于模拟集成电路技术领域,一种消除自偏置带隙基准简并亚稳态的钳位反馈启动电路，在带隙基准启动电路的下拉管支路串接钳位反馈电路，芯片上电时，起始电路处于第一简并态，下拉管栅极电压随电源电压升高，同时钳位反馈电路检测到放大器正输入端Va是低电位而导通，下拉管下拉自偏置电流镜PMOS栅极电压Vgp使Va上升，钳位反馈电路逐步弱化下拉管的下拉能力以阻止Vgp电压的迅速下降，电流镜栅源电压在受到钳位反馈电路负反馈的作用下，逐步进入正常工作状态，避免自偏置带隙基准电路进入第三简并态，从而大大增强电路的鲁棒性。本发明电路结构简单，不消耗额外电流，适用于高精度低功耗要求的温度传感器和带隙基准电路的设计。

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种消除自偏置带隙基准简并亚稳态的钳位反馈启动电路。

背景技术

基准电路广泛的应用于模拟电路设计中，它为芯片内部提供一个与电源和工艺参数关系很小，与温度关系确定的稳定的参考电压。CMOS技术中基准电压的产生主要采用公认的“带隙”技术，常用的包括自偏置恒定Gm和带运放的电路结构，如图1、图2所示。

带隙基准技术一个很重要的问题是“简并”偏置点的存在，如图1所示，当电源上电时，所有晶体管传输电流均为零，环路可以稳定在这种“关断”的零状态；当有电流流过时，支路工作电流由器件参数和温度决定，电源电压工作范围内，电流值大小与电源电压值关系较弱，电路处于“正常”工作状态。这样，电路可以稳定在两种不同的状态，称之为“简并态”，对电路设计来说，这个问题被称作“带隙基准的启动问题”。实际上在复杂的电路设计中，可能存在一个或者多个简并点，需要设计者在电路设计中仔细模拟和分析。

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术，广泛应用于仓库管理、身份识别、交通运输、食品医疗、动物管理等多种领域。无源式被动射频识别标签系统的能量来自读写器发射的射频能量，无须内置电源，它需要系统设计工作在超低功耗状态，如几微安级别的电流，甚至更小，这导致分配到基准电路的电流更小，加大了电路设计上的难度。在带隙基准电路启动电路的设计上，提出了更为苛刻的要求：其一，由于系统是被动工作模式，其工作电能来源于无线电磁感应，所以启动电路处于自启动模式；其二，启动电路的电流不能太大。

此外，带隙基准电路基本原理可应用于传感器的电路设计中，如基于三极管pn结温度特性的低功耗温度传感器，其温度测量范围约-40℃至120℃，要在整个温度范围内，考虑工艺参数变化，精简电路结构的情况下，保证启动电路都能正常工作，这是一大挑战。

如图3所示，为现有技术中一种常用的带隙基准启动电路，左侧虚线方框内为启动电路，它包括由PM4、PM5构成的限流电阻单元，由PM6、NM3构成的反相器检测电路，以及启动下拉单元NM4。启动原理为：当电路VDD由零上升时，由于电容耦合，Vgp结点随电压上升，电路存在一种稳态，即PM1、PM2、PM3，NM1、NM2均处于关闭状态，电流为“零”，Vgn结点电压不足以使得NM1打开，由于没有电流流过，Vref输出为低电平。启动电路的Vsense结点连接至基准电路输出Vref，当检测到Vref为零时，启动电路反相器Start结点输出电压随电源上升而上升，其电压值约为VDD-|Vthp|，其中|Vthp|代表PMOS阈值电压的绝对值。当Start结点电压达到一定值时，启动下拉单元NM4导通，使得Vgp电压开始下降，PM1、PM2、PM3开始导通，电流开始流过NM1、NM2，电路脱离“零状态”。由于有电流流过R1和Q3，基准输出电压Vref上升，启动电路的反相器单元Vsense检测到该电压，将会下拉Start结点电压，使得NM4关断，开始进入由Q1、Q2、Rb、NM1、NM2器件物理参数决定的一种稳态，即正常工作状态。