CN100582993C - 具有低温度系数的超微功耗参考源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低温度系数的超微功耗参考源电路，保证不同工艺偏差下参考源温度特性的一致性。其技术方案为：该电路包括：一耗尽型PMOS元件，栅极和源极共同连接至电源端；一可调有效尺寸的增强型NMOS元件阵列，通过控制阵列中切断器件的开合来调整阵列的有效尺寸，该阵列的栅极端和源极端之间的输出电压作为该电压参考源；一电阻，并联在该阵列的栅极端和源极端；一相位补偿器，并联在该阵列的漏极端和源极端；一NMOS管放大元件，栅极与该阵列的漏极端连接，源极接地；一电流镜，输入端连接该N MOS管放大元件的漏极，输出端连接至该阵列的栅极端，以流过该电流镜的输出电流作为该电流参考源。本发明应用于集成电路领域。

Description

具有低温度系数的超微功耗参考源电路

技术领域

本发明涉及一种应用于集成电路内部的超微功耗参考源电路，尤其涉及一种具有低温度系数的超微功耗参考源电路。

背景技术

集成电路内部通常需要电压参考源和电流参考源，作为内部电路工作的电压基准或是电流偏置、电流基准。

当今各式各样由电压供应电源的便携式系统以及通讯相关的电子产品越来越普及，比如移动电话、PDA、数码照相机等。为了延长系统的工作时间，这些便携式电子产品要求芯片的功耗越来越低。在微功耗芯片设计中，超微功耗的参考源设计是关键。

图1以简化的原理示出了现有技术的超微功耗电压参考源电路。如图1所示，该电压参考源电路10由一耗尽型PMOS 11以及一增强型NMOS 12组成。其中耗尽型PMOS 11的栅极和源极相连，并连接至电源端V_DD。增强型NMOS 12的源极连接至接地端GND，栅极和漏极与耗尽型PMOS 11的漏极相连，连接至电压节点V_REF，作为电压参考源的输出端。

参考电压V_REF可以通过耗尽型PMOS的阀值电压和增强型NMOS的阀值电压来表示： $V_{\mathrm{REF}}=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{PD}}}{K_{\mathrm{NE}}}\·\frac{{(W/L)}_{\mathrm{PD}}}{{(W/L)}_{\mathrm{NE}}}}\·{\mathrm{VTH}}_{\mathrm{PD}}+{\mathrm{VTH}}_{\mathrm{NE}}.$ 其中VTH_NE表示增强型NMOS的阀值电压，VTH_PD表示耗尽型PMOS的阀值电压，(W/L)_NE表示增强型NMOS的尺寸，(W/L)_PD表示耗尽型PMOS的尺寸，K_NE表示增强型NMOS的工艺常数，K_PD表示耗尽型PMOS的工艺常数。忽略K_NE、K_PD随温度的变化，参考电压V_REF随温度的变化可以表示为： $\frac{\∂V_{\mathrm{REF}}}{\∂T}=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{PD}}}{K_{\mathrm{NE}}}\·\frac{{(W/L)}_{\mathrm{PD}}}{{(W/L)}_{\mathrm{NE}}}}\·\frac{{\∂\mathrm{VTH}}_{\mathrm{PD}}}{\∂T}+\frac{{\∂\mathrm{VTH}}_{\mathrm{NE}}}{\∂T}.$ 参考电压V_REF的温度特性取决于增强型NMOS阀值电压VTH_NE和耗尽型PMOS阀值电压VTH_PD温度特性。增强型NMOS阀值电压VTH_NE随着温度的升高而降低，而耗尽型PMOS阀值电压VTH_PD随着温度的升高而增加。在适当的

下，可以得到温度系数很小的参考电压源。这种简单的电压参考源存在的问题是：在CMOS工艺中增强型NMOS的阀值电压VTH_NE和耗尽型PMOS阀值电压VTH_PD往往随着栅氧厚度的偏差而变大或变小。

通常半导体芯片会工作在不同的温度环境下，参考源作为内部电路工作的基准信号，必须要有很低的温度系数。参考源的温度系数表征了参考信号随温度变化而变化的程度。很低的温度系数即是要求参考源在不同的温度条件下都能提供稳定一致的参考信号。

图2示出了增强型NMOS的阀值电压随温度变化的曲线，当增强型NMOS阀值电压VTH_NE随工艺偏差而变大或变小时，增强型NMOS阀值电压VTH_NE随温度变化的斜率并没有变化。图3示出了耗尽型PMOS阀值电压随温度变化的曲线，当耗尽型PMOS阀值电压VTH_PD随工艺偏差而变大或变小时，耗尽型PMOS阀值电压VTH_PD随温度变化的斜率也随之发生变化。由此可得，根据正常工艺条件得出的

在工艺发生偏差时，参考电压V_REF的温度系数将发生变化，很可能会变得很大，无法满足电路应用的要求。

集成电路设计中往往同时需要电压参考源和电流参考源，因此在上述具有较低温度系数的电压参考源基础上，还需要一种具有较低温度系数的且能同时产生电压参考源和电流参考源的超微功耗参考源电路。

另外，半导体芯片的工作电源电压会在一定范围内变化，同样也要求参考源信号必须有很高的线性稳定度。线性稳定度表征了参考源参考信号随电源电压而变化的程度。如果线性稳定度不高，参考源输出参考信号在不同的电源电压下会产生很大的变化。目前的参考源电路也无法很好地满足稳定度上的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种具有低温度系数的超微功耗参考源电路，它能同时产生电压参考源和电流参考源，保证不同工艺偏差下参考源温度特性的一致性，还提高了参考源的线性稳定度。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种具有低温度系数的超微功耗参考源电路，用于产生电压参考源和电流参考源，在不同的温度条件下提供一致的参考信号，所述电路包括：

一P沟道耗尽型MOS元件，其栅极和源极相连，共同连接至电源端；

一可调有效尺寸的N沟道增强型MOS元件阵列，在该阵列中设置至少一个切断器件，通过控制该切断器件的开合来调整该N沟道增强型MOS元件阵列的有效尺寸，该阵列的漏极端与该P沟道耗尽型MOS元件的漏极连接，该阵列的源极端接地，以该阵列的栅极端和源极端之间的输出电压作为该电压参考源；

一第一电阻，并联在该N沟道增强型MOS元件阵列的栅极端和源极端之间；

一相位补偿器，并联在该N沟道增强型MOS元件阵列的漏极端和源极端，用作反馈控制环路的相位补偿；

一N沟道MOS管放大元件，栅极与该N沟道增强型MOS元件阵列的漏极端连接，源极接地；

一电流镜，输入端连接该N沟道MOS管放大元件的漏极，输出端连接至该N沟道增强型MOS元件阵列的栅极端，以流过该电流镜的输出电流作为该电流参考源。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述N沟道增强型MOS元件阵列是由多个N沟道增强型MOS管先以串联的连接方式形成多个支路后再将该些支路并联而成，且该切断器件串联设置在该些支路上。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述N沟道增强型MOS元件阵列是由多个N沟道增强型MOS管先以并联的连接方式形成多个支路后再将该些支路串联而成，且该切断器件并联设置在该些支路上。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，，所述切断器件包括熔丝、开关。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，该些N沟道增强型MOS元件阵列中的MOS管的尺寸相同。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述相位补偿器由一电阻和一电容串联连接而成。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述电流镜由两个P沟道增强型MOS管组成，该两个MOS管的栅极互连，源极共同连接至该电源端，漏极分别用作输入端和输出端。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述参考源电路还包括一预稳压器，抑制电源端电压变化对该电压参考源的影响，该预稳压器连接在该电源端和接地端之间，该预稳压器的输出端连接该P沟道耗尽型MOS元件的源极。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述预稳压器进一步包括：

第一N沟道增强型MOS管，其源极接地，栅极和漏极相连；

第二N沟道增强型MOS管，其栅极和漏极相连，源极连接该第一增强型N沟道MOS管的漏极；

第一P沟道耗尽型MOS管，其栅极和源极相连，并连接至该电源端；

第二P沟道耗尽型MOS管，其栅极连接该第一P沟道耗尽型MOS管的栅极，该第二P沟道耗尽型MOS管的源极连接该第一P沟道耗尽型MOS管的漏极；

第三P沟道耗尽型MOS管，其栅极和源极相连，并连接至该电源端，其漏极同该第二P沟道耗尽型MOS管的漏极、该第二N沟道增强型MOS管的漏极连接在一起，作为该预稳压器的输出端。

上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述第三P沟道耗尽型MOS管的尺寸与所述P沟道耗尽型MOS元件的尺寸相同。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明通过耗尽型PMOS元件、增强型NMOS阵列、NMOS放大元件、电流镜、电阻和相位补偿器构成的反馈控制环路同时产生电压参考源和电流参考源。本发明通过在增强型NMOS阵列中熔断或切断不同的熔丝以调整增强型NMOS阵列的有效尺寸。本发明还通过预稳压器抑制电源电压变化对电压参考源或电流参考源的影响，提高了参考源的线性稳定度。

附图说明

图1是现有技术的超微功耗电压参考源电路的原理简化电路图。

图2是增强型NMOS管阀值电压随温度变化的曲线坐标图。

图3是耗尽型PMOS管阀值电压随温度变化的曲线坐标图。

图4是本发明的具有增强型NMOS阵列且同时产生电压参考源和电流参考源的参考源电路的一个实施例的电路图。

图5是本发明的具有增强型NMOS阵列且同时产生电压参考源和电路参考源的参考源电路的另一实施例的电路图。

图6是本发明的带有预稳压器的参考源电路的一个实施例的电路图。

图7是本发明的带有预稳压器的参考源电路的另一实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图4示出了具有增强型NMOS阵列且同时产生电压参考源和电流参考源的参考源电路的一个实施例。请参见图4，NMOS放大元件21、电流镜22、耗尽型PMOS 23、相位补偿器24、增强型NMOS元件阵列25和电阻R1构成一个反馈控制环路，该环路同时输出电压参考源和电流参考源。

电流镜22内部，由两个增强型PMOS管221、222组成，增强型PMOS管221、222的栅极互连，源极共同连接至电源端V_DD。增强型PMOS管221的漏极作为电流镜的输出端，增强型PMOS管222的漏极作为电流镜的输入端。流过电流镜22的电流作为输出的参考电流。相位补偿器24内部，电阻R2和电容C1串联，用于反馈控制环路的相位补偿。

增强型NMOS元件阵列25包括三个增强型NMOS管支路并联而成。第一个支路为一个独立的NMOS管251，其源极连接熔丝F1的一端。第二个支路为两个串联的NMOS管252、253，NMOS管252的源极连接NMOS管253的漏极，NMOS管253的源极连接熔丝F2的一端。第三个支路为三个串联的NMOS管254～256，NMOS管254的源极连接NMOS管255的漏极，NMOS管255的源极连接NMOS管256的漏极，NMOS管256的源极连接熔丝F3的一端。较佳地，这些NMOS管的尺寸均相同。实际上，增强型NMOS元件阵列25可以等效为一个NMOS元件，也具有相应的漏极端、栅极端、源极端。三个支路中的NMOS管251、252、254的漏极连接在一起，作为增强型NMOS元件阵列25的漏极端。三根熔丝F3的另一端连接在一起，作为增强型NMOS元件阵列25的源极端。所有的NMOS管251～256的栅极连接在一起，作为增强型NMOS元件阵列25的栅极端。增强型NMOS元件阵列25的栅极端连接至一电压节点V_REF，源极端连接至一接地端GND，两者之间的电压作为输出电压参考源。

增强型NMOS元件阵列25通过熔断或切断不同的熔丝来调整该阵列的有效尺寸，以保证参考电压V_REF温度特性的一致性。作为一个示例，对增强型NMOS元件阵列的有效尺寸的具体调整过程如下：

假设在正常工艺条件下，对应熔断熔丝F2、F3，不熔断熔丝F1，采用尺寸为(W/L)_PD的耗尽型PMOS 23和尺寸为(W/L)_NE1的增强型NMOS元件阵列25，可以得到很低温度系数的参考电压V_REF。当耗尽型PMOS 23的阀值电压变大时，阀值电压的温度系数也随之变大，要满足参考电压V_REF仍有很低的温度系数，需要加大增强型NMOS元件阵列25的尺寸。例如，当熔断熔丝F2，不熔断熔丝F1、F3时，增强型NMOS元件阵列25的有效尺寸变为1.5×(W/L)_NE1。当熔断熔丝F3，不熔断熔丝F1、F2时，增强型NMOS元件阵列25的有效尺寸变为1.33×(W/L)_NE1。当全部的熔丝F1～F3都不熔断时，增强型NMOS元件阵列25的有效尺寸变为1.83×(W/L)_NE1。可以根据耗尽型PMOS 23阀值电压变大的程度选择不同的增强型NMOS元件阵列25的尺寸。

同理，当耗尽型PMOS 23的阀值电压变小时，阀值电压的温度系数也随之变小，要满足VREF仍有很低的温度系数，需要减小增强型NMOS元件阵列25的有效尺寸。当熔断熔丝F1，不熔断熔丝F2、F3时，增强型NMOS元件阵列25的有效尺寸为0.83×(W/L)_NE1。当熔断熔丝F1、F3，不熔断熔丝F2时，增强型NMOS元件阵列25的有效尺寸为0.5×(W/L)_NE1。当熔断熔丝F1、F2，不熔断熔丝F3时，增强型NMOS元件阵列25的有效尺寸为0.33×(W/L)_NE1。可以根据耗尽型PMOS 23阀值电压变小的程度选择不同的增强型NMOS元件阵列25的尺寸。

应理解，增强型NMOS元件阵列25的连接方式并不局限于本实施例中的三支路并联，可以是任何支路的并联，每个支路上的数个增强型NMOS管以上述方式串联。熔丝也可以由例如开关等可控制电路开合的器件代替。

在上述的反馈控制环路中，NMOS放大元件21的漏极连接电流镜的输入端，源极连接接地端GND。耗尽型PMOS 23的栅极和源极相连，共同连接至电源端VDD，漏极连接增强型NMOS元件阵列25的漏极端和相位补偿器24的一端，并共同连接至NMOS放大元件21的栅极。相位补偿器24的另一端连接地端GND。增强型NMOS元件阵列25的栅极端连接电流镜22的输出端。电阻R1连接在增强型NMOS元件阵列25的栅极端和源极端(即接地端)之间。

作为一个示例，环路反馈控制作用的分析如下：假设NMOS放大元件21的栅极上产生一个扰动，且NMOS放大元件21的栅极电压由于扰动而变高时，流过NMOS放大元件21的源极和漏极间的电流将变大。通过电流镜22的电流镜像作用，流过电阻R1的电流也会变大，从而导致增强型NMOS元件阵列25的栅极电压会变大。增强型NMOS元件阵列25的栅极电压变大的结果是引起阵列的漏极电压，也就是NMOS放大元件21的栅极电压变小。通过反馈控制环路的作用，增强型NMOS元件阵列25的栅极端和接地端GND间的电压被稳定在一个固定的输出电压上，作为环路输出的参考电压信号V_REF，流过电流镜22的电流也同时稳定在一个固定的电流上，作为环路输出的参考电路信号I_REF，I_REF＝V_REF/R1，该电流可通过电流镜传输到芯片内部的其它电路中，作为电路的偏置电流。

图5示出了具有增强型NMOS阵列且同时产生电压参考源和电流参考源的参考源电路的另一实施例。请参见图5，与图4所示实施例不同之处在于增强型NMOS元件阵列35采用先并联后串联的方式。阵列35包括三个增强型NMOS管支路串联而成。第一个支路为一个独立的NMOS管351，熔丝F1连接在NMOS管351的漏极和源极之间，与NMOS管351并联。第二个支路为两个并联的NMOS管352、353，NMOS管352的源极连接NMOS管353的源极，NMOS管352的漏极连接NMOS管353的漏极，熔丝F2连接在这两个NMOS管352、353的漏极和源极之间，与这两个NMOS管并联。第三个支路为三个并联的NMOS管354～356，NMOS管354～356的源极连接在一起，NMOS管354～356的漏极连接在一起，熔丝F3连接在NMOS管354～356的漏极和源极之间，与NMOS管354～356并联。其中NMOS管351的源极接地，作为阵列35的源极端，NMOS管354～356的漏极连接在一起，作为阵列35的漏极端，所有的NMOS管351～356的栅极连接在一起，作为阵列35的栅极端。本实施例的其它电路结构与图4的相同，在此不再赘述。

应理解，增强型NMOS元件阵列35的连接方式并不局限于本实施例中的三支路串联，可以是任何支路的串联，每个支路上的数个增强型NMOS管以上述方式并联。熔丝也可以由例如开关等可控制电路开合的器件代替。

图6示出了本发明的带有预稳压器的参考源电路的一个实施例。请参见图6，本实施例是在图4实施例的基础上，在电源端V_DD和接地端GND之间连接一个预稳压器60，抑制电源端V_DD的电压变化对电压参考源参考电压V_REF的影响，提高电压参考源的线性稳定度。预稳压器60的输出端连接耗尽型PMOS 61的源极。

预稳压器60由耗尽型PMOS 601、602、603和增强型NMOS 604、605组成。耗尽型PMOS 601的栅极、源极和耗尽型PMOS 602的栅极相连，并连接至电源端VDD。耗尽型PMOS 601的漏极与耗尽型PMOS 602的源极相连。耗尽型PMOS 603的栅极和源极相连，并连接至电源端VDD。增强型NMOS 605的栅极和漏极相连，源极连接至接地端VDD。增强型NMOS 604的栅极和漏极相连，源极连接至增强型NMOS 605的漏极。增强型NMOS 604的漏极、耗尽型PMOS 602、603的漏极相连，作为预稳压器60的输出。其中，耗尽型PMOS 603的元件尺寸与耗尽型PMOS 61的元件尺寸相同。而电路中其它的模块或器件，例如相位补偿器62、增强型NMOS元件阵列63、电流镜64等，其内部的电路构成以及器件或模块之间的连接和图4所示实施例均相同，在此不再赘述。

图7示出了本发明的带有预稳压器的参考源电路的另一实施例。请参见图7，本实施例是在图5所示实施例的基础上，在电源端VDD和接地端GND之间连接一个预稳压器70，抑制电源端V_DD的电压变化对电压参考源参考电压V_REF的影响，提高电压参考源的线性稳定度。预稳压器70的输出端连接耗尽型PMOS 71的源极。

预稳压器70的内部电路与图6所示实施例的预稳压器60的内部电路相同，在此不再赘述。而本实施例的电路的其它器件或模块的内部电路、器件或模块之间的连接关系和图5所示实施例相同，在此也不再赘述。

应理解，预稳压器并不局限于上述实施例的电路结构，上述实施例的电路结构只是满足最低电流消耗要求的较佳结构。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1一种具有低温度系数的超微功耗参考源电路，用于产生电压参考源和电流参考源，在不同的温度条件下提供一致的参考信号，所述电路包括：

一P沟道耗尽型MOS元件，其栅极和源极相连，共同连接至电源端；

一可调有效尺寸的N沟道增强型MOS元件阵列，在该阵列中设置至少一个切断器件，通过控制该切断器件的开合来调整该N沟道增强型MOS元件阵列的有效尺寸，该阵列的漏极端与该P沟道耗尽型MOS元件的漏极连接，该阵列的源极端接地，以该阵列的栅极端和源极端之间的输出电压作为该电压参考源；

一第一电阻，并联在该N沟道增强型MOS元件阵列的栅极端和源极端之间；

一相位补偿器，并联在该N沟道增强型MOS元件阵列的漏极端和源极端，用作反馈控制环路的相位补偿；

一N沟道MOS管放大元件，栅极与该N沟道增强型MOS元件阵列的漏极端连接，源极接地；

一电流镜，输入端连接该N沟道MOS管放大元件的漏极，输出端连接至该N沟道增强型MOS元件阵列的栅极端，以流过该电流镜的输出电流作为该电流参考源。

2根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述N沟道增强型MOS元件阵列是由多个N沟道增强型MOS管先以串联的连接方式形成多个支路后再将该些支路并联而成，且该切断器件串联设置在该些支路上。

3根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述N沟道增强型MOS元件阵列是由多个N沟道增强型MOS管先以并联的连接方式形成多个支路后再将该些支路串联而成，且该切断器件并联设置在该些支路上。

4根据权利要求1至3中任一项所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述切断器件包括熔丝、开关。

5根据权利要求1至3中任一项所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，该些N沟道增强型MOS元件阵列中的MOS管的尺寸相同。

6根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述相位补偿器由一电阻和一电容串联连接而成。

7根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述电流镜由两个P沟道增强型MOS管组成，该两个MOS管的栅极互连，源极共同连接至该电源端，漏极分别用作输入端和输出端。

8根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述参考源电路还包括一预稳压器，抑制电源端电压变化对该电压参考源的影响，该预稳压器连接在该电源端和接地端之间，该预稳压器的输出端连接该P沟道耗尽型MOS元件的源极。

9根据权利要求8所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述预稳压器进一步包括：

第一N沟道增强型MOS管，其源极接地，栅极和漏极相连；

第二N沟道增强型MOS管，其栅极和漏极相连，源极连接该第一增强型N沟道MOS管的漏极；

第一P沟道耗尽型MOS管，其栅极和源极相连，并连接至该电源端；

第二P沟道耗尽型MOS管，其栅极连接该第一P沟道耗尽型MOS管的栅极，该第二P沟道耗尽型MOS管的源极连接该第一P沟道耗尽型MOS管的漏极；

第三P沟道耗尽型MOS管，其栅极和源极相连，并连接至该电源端，其漏极同该第二P沟道耗尽型MOS管的漏极、该第二N沟道增强型MOS管的漏极连接在一起，作为该预稳压器的输出端。

10根据权利要求9所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述第三P沟道耗尽型MOS管的尺寸与所述P沟道耗尽型MOS元件的尺寸相同。

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