偏置启动电路

由 范文之家 分享时间：2023-01-30 09:32:02 加入收藏我要投稿点赞

偏置启动电路

3．7　偏置启动电路

电流偏置是决定电路系统稳定与可靠工作的关键因素之一。偏置电路中的MOS管失效，通常会导致整个电路系统的失效，因此必须提高电压、电流偏置电路的可靠性。冗余设计是一种可行的解决方案，将两种相同的自偏置电路共用R_S源电阻，即输出电流在RS上叠加。这两种电流的性质和大小完全相同，由于两条支路都有电流流过，电阻RS折算到单独一个支路中变为2R_S，则定义的支路电流为ΔV_GS/2R_S。在亚阈区支路电流为VTln（N）/2R_S，则两条支路输出的电流总和增加为原来的两倍。当两条支路中的某一支路因某种原因导致MOS失效而无输出电流，则剩余的有效偏置电路中的源限流电阻保持为R_S，总的输出电流减小一半，其性质与原两块偏置电路同时工作提供的输出电流完全相同。显然，这种冗余设计方法对提高偏置乃至电路系统的可靠性非常有效。

由于IC普遍采用全局电压或全局电流偏置技术，因此，当偏置支路不能正常工作时，必然无法提供整个电路所需要的偏置电压或电流，导致系统崩溃。偏置电路瞬态启动可能存在的失效，是造成系统无法正常稳定工作的重要因素之一。由此可见，启动电路对系统稳定工作十分重要，但通常容易被忽视，成为系统潜在的不稳定因素之一。

设计启动电路的参数时应使启动电路能够满足以下三点要求：首先能向偏置电路灌入电流，实现启动功能；其次，偏置电路启动后必须能关断启动电路与偏置电路的联系，即启动电路只在系统上电瞬间起作用，稳定后对电路正常工作没有任何影响；最后，电路启动后，启动电路应当保持很低的功耗，或者没有功耗。

3．7．1　瞬态启动原理

当电源（V_CC）到地（GND）的支路为低阻通路时，支路中形成稳定的电流。当所形成的电流在各类元件上转换成稳定的电压后，可以为系统提供偏置。低阻通路主要包括无源电阻、有源MOS或BJT二极管饱和电阻、大信号控制下的有源线性电阻等等。MOS器件可通过栅压或尺寸的设计调节其电阻的大小，从而改变提供的偏压。因此，广义上的电阻分压既是最简单的偏置电路，也是最基本的启动电路。

图3－31给出了两种偏置或启动结构示意图。图3－31（a）中，NMOS管在大信号V_S作用下，分别呈现关断（无穷大）电阻和线性（导通）电阻，可在启动和关断两种状态下切换，这是对启动电路的一般要求。当上电过程结束后，启动电路应停止工作，对主电路系统不再施加任何影响，并保持自身最小的静态电流，也就是无静态电流消耗。图3－31（b）为典型的R＋MOS二极管的偏置结构，使用PMOS管为系统提供电流；当上电过程结束后，由感应得到的VC高电平信号，再将启动电路关闭。

图3－31　低阻通路与启动电路

显然，等效低阻支路通常不存在启动问题，但由其性质并根据欧姆定律可知，其偏置电流随电压近似呈线性变化，造成高压下系统功耗显著增加。更重要的是，静态偏置在较大范围内变化，会给电路的稳定工作带来不利影响。对于低功耗高性能模拟电路的偏置结构，单调型和峰值型是应用最广的两种典型的非线性偏置电路，如图3－32和图3－33所示。其中任何一条支路中由于存在V_DS的饱和分压元件，因而都不存在低阻通路，解决了低阻偏置支路的缺点，但却带来了瞬态启动的困难。

非线性偏置电路需要启动的原因在于其稳定工作点一般均有两个：一个是电路设计时所希望达到的静态工作点，另一个则是零点。启动电路的功能就是通过外界的强制扰动，迫使电路离开零点，然后利用系统自身的反馈控制，自动到达设计的稳定工作点。图3－32中，应从M₂二极管栅漏处注入启动电流，即使注入的电流很小，只要能启动如图所示的M₂→M₁→M₃→M₄→M₂的逆时针电流正反馈环路，就可以迫使工作点逐渐地离开零点，逼近A点；若启动注入的电流I₂过大，或者由上述原因的启动注入导致I₂过冲，超出A点范围，则M₂→M₄→M₃→M₁→M₂的顺时针电流负反馈环路开始起作用，迫使工作点最终回到A点并达到稳定。显然，环路反馈性质的确定与启动电流注入点的位置和大小等密切相关。

在小电流下，由于PMOS电流源尚未能建立，因此I₂从M₂注入只能进行逆时针的正反馈。当然，如果启动电流过小而无法使NMOS电流源首先建立起来时，偏置的正反馈也是无法建立的，即低电流启动存在失败的可能。相反，采用大电流启动，一旦PMOS电流源建立后，支路电流不可能无限增大，系统迫使负反馈环路起作用。当然，如果A点附近的过冲惯性过强，负反馈性质会将电路状态由A点拉回到O点，启动失败。以上两种状态都可能在实际电路中发生。

图3－32　非线性单调型电流源电路及其启动过程示意图

图3－33　非线性峰值型电流源电路及其启动过程示意图

在图3－33所示的峰值型偏置电路中，电流反馈的方向是固定的，是由M₁→M₂→M₄→M₃→M₁的逆时针传输环路，因此反馈的性质不再是通过改变环路方向来实现，而是由自身电流源的峰值性质来实现的。由于NMOS电流源的峰值点出现在A点之前，在图3－32中小于A点的小注入为正反馈，而高于A点的大注入为负反馈。因此，该偏置电路的启动相当可靠，只要小注入启动电流足够，系统便能自动稳定在A点。同样，当起始注入电流过大时，系统也能自动维持在稳定的工作点A。显然，偏置电路的环路反馈性质，对电路瞬态启动特性的影响是至关重要的。

3．7．2　典型的启动电路结构

启动电路设计的关键在于瞬态电流注入位置的选择，并保持对主电路尽量少的影响和干扰。第一点在前文已进行了详细的讨论，而第二点则要求瞬态过程结束后彻底关闭启动电路，这就需要对电路的状态进行判别。图3－34中，V_triggle为低电平启动电压，当稳态建立后，V_sense为感应得到的稳态电压，以此为关闭或启动模块的判据。V_triggle和V_sense可以是同一个节点电压量，也可以不是同一节点电压量。分开后初态与稳态不同，更有利于对电路控制。

图3－34　启动电路原理图

图3－35　NMOS启动电路

图3－35为启动NMOS管工作的基本电路结构，电阻R_S提供控制管M₁的感应电平V_S。在上电瞬间，V_CC上跳到高电平，而M₁在上电瞬间V_S保持为0，电路因为V_GS＝V_CC而导通，给NMOS管提供注入电流，可等效地视为V_N＿start启动信号将后级NMOS的栅电压上拉到所需要的偏置电位。当NMOS未完成启动时，支路电流极小，相应地内部支路的PMOS也不导通，其V_bp保持为高电平，因此启动模块中的PMOS保持截止状态，使V_S保持低电位，从而V_N＿start始终保持高电平充电状态。这一反馈状态可保证当启动未能建立时，系统能长久保持启动状态。随着启动的持续进行，内部支路电流增加后，V_bp电位下降，PMOS开始导通，V_S电位上升，启动能力减弱，直至V_S＞V_CC－V_TP时，M₁完全关断，对电路正常状态的影响最小，这时，设计应保证内部电路的启动过程顺利完成。

该电路的一个缺点是稳定后存在静态功耗，而且V_S＜V_CC，无法彻底关闭M1管。可采用PMOS二极管代替R_S电阻，节省面积，但MOS电阻随电源电压变化，在高压下电流更大，如果换成耗尽NMOS恒流源，静态电流则不随V_S或V_CC而变化。

将电阻用启动电容C_S取代，得到图3－36所示的启动电路，其稳态下的静态偏置电流为零，并能彻底关闭M₁。信号V_bp有两种接法，一是接内部PMOS管的栅，一是直接连接GND。由于启动过程是瞬时的，在上电完成后，如注入的电流过小，负载电路则无法启动，电容C_S因充满高电位而使启动失效。因此，该结构只适合于启动上电相对简单的非嵌套的电路系统。

将R_S电阻或电容用NMOS管代替，并受感应信号V_bp的控制，可视为对等效电阻RS的控制，由此得到如图3－37所示的启动结构。在开始阶段，R_S较小，具有较强的启动能力；在后期R_S减小，启动作用减弱。另外，NMOS的感应信号还可以从内部NMOS管取出，转换后再控制内部V_bp信号。

图3－36　零静态功耗NMOS启动电路

图3－37　感应控制作用的NMOS启动电路

为降低启动电路的静态功耗，可再增加一个串联R_S与GND之间的M1开关管，以实现高可靠性、低功耗的自适应启动控制，电路如图3－38所示。V_sense来自内部NMOS管的栅压，初始为低电平，经过简单逻辑门的处理后，得到Clk＝1/Clkb＝0的互补控制信号，该信号可通过2－1MUX开关选择V_CC或GND电平，或直接经过同相缓冲后直接驱动M₁管，初始状态V_C＝1，使M₁导通，启动电路开始工作。当启动完成后，V_sense达到稳定值，并高于其所驱动倒相器的输入转折电平，即V_sense＝V_H，使Clk＝0/Clkb＝1，V_C选通GND或Clk的同相缓冲信号，将M₁关闭。此时，V_S＝V_CC，启动电路关闭，其静态功耗降为零，获得类似电容启动电路的效果，但可靠性显著增强。

图3－38　一种通用NMOS管启动电路

从改善系统性能角度出发，电路内部还存在互偏置结构，即从电流源的互偏置结构，可以引申到系统电路内部的互偏置结构，其中的一个典型代表就是带运放的带隙基准电路。在此电路中，基准内核的精度强烈地依赖于运放正常工作所引入的“虚短”特性，而运放的工作反过来又需要基准内核提供给运放稳定的电流偏置工作点。因此，实际的效果是

依赖两者的相互耦合达到所需要的工作点，构成系统内部电路模块的互偏置结构。显然，类似于基本的自偏置电路，此类互偏置的电路系统也必须具备启动电路确保稳定工作点的建立。在系统启动电路的设计中，启动电路的输出即初始电流注入点位置的选择成为关键，注入的电流在初始阶段应当引起系统内部电流的正反馈，引发启动机制，但内部的负反馈设计必须保证系统静态工作点最终达到稳定。

本文以OP控制型基准电路为例，讨论启动电路的具体应用。在如图3－39所示的电路系统中，启动电路由M₆－M₉组成。M₆、M₇组成倒相器，当电路没有启动时M₁的栅极V_bp为高，倒相器输出为0，使得M₈、M₉导通，向BGR注入电流以启动电路。当工作点建立后，M₆栅极降低，关闭启动电路。该启动电路设计的关键是M₆和M₇的宽长比，即倒相器的翻转电压。

图3－39　启动电路的OP控制型基准

实际上由M₆、M₇构成的倒相器反转电压除了由M₆、M₇的宽长比决定外，还与电源电压有关，因此无法对不同的工作电压均能有效启动。同时，由于启动电路对V_a支路注入电流，导致V_a和V_b两支路电流的不对称，容易在启动过程中引起振荡。

另一种启动电路结构如图3－40，启动原理与上图相近，仅启动输出的控制位置不同。该结构采用拉低BGR电路中V_bp栅压的启动方法，保证V_a和V_b两支路在启动时电流近似一致，从而减小启动振荡。为克服CMOS倒相器翻转电平与电源电压V_CC敏感的问题，可采用电阻CS反相控制结构的启动电路，用R₁代替PMOS管M₁，只要R₁的阻值足够大，就能满足在不同电源电压条件下同时启动。但其缺点是当电源电压较高时，电阻会很大。当电路功耗限制在微安级时，电阻R1需要MΩ以上的高阻，并将占用较大的芯片面积。