CN101013331A - 输出电压可调式cmos基准电压源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便于在标准CMOS工艺上实现的输出电压可调式CMOS基准电压源。包括启动电路，正温度系数电流产生电路，负温度系数电流产生电路及基准电压产生电路；启动电路的输出端接正温度系数电流产生电路的输入端，正温度系数电流产生电路的第一输出端分别与负温度系数电流产生电路的第一输入端和基准电压产生电路的第三输入端连接，正温度系数电流产生电路的第二输出端分别与负温度系数电流产生电路的第二输入端和基准电压产生电路的第四输入端连接，负温度系数电流产生电路的第一输出端、第二输出端分别对应连接基准电压产生电路的第一输入端和第二输入端，基准电压产生电路具有基准电压输出端，输出基准电压。

Description

输出电压可调式CMOS基准电压源

技术领域

本发明涉及用于模拟、数模混合电路中需要产生的低温度系数和高电源抑制比的基准电压源，尤其涉及一种输出电压可调式CMOS基准电压源。

背景技术

对于数模转换器、模数转换器、电压转换器、电压检测电路等模拟电路而言，电压基准是相当重要的模块，基准电压源的稳定性直接关系到电路的工作状态及电路的性能。为了满足电路在不同外界环境下的正常工作要求，电压基准源应具有输出稳定、抗干扰能力强、温度系数小等优点。目前比较常用的是带隙基准电压源，采用双极型器件实现，输出电压值基本恒定在1.25V左右；它的工作原理是使ΔVbe的正温度系数和Vbe的负温度系数所产生的漂移相互抵消。但是，由于带隙基准电压源在CMOS工艺中的实现存在很多问题，因此，其发展受很多因素的限制，存在如下问题：由于双极型器件在CMOS工艺中的兼容性不好，会产生放大器的失调等问题，因此，CMOS工艺线上实现的带隙基准电压源会存在三极管能否准确方便的实现以及如何减小放大器失调的问题。

此外，目前比较常用的带隙基准电压源的输出值基本为1.25V左右，这一特性限制了在某些系统中的应用。有的应用系统中需要低于1V的基准电压值，一般的带隙基准电压源不能直接满足这个要求，需要设计其他的电压转换电路以降低输出基准电压值，这也会加大设计的难度。

发明内容

本发明提供了一种便于在标准CMOS工艺上实现的输出电压可调式CMOS基准电压源。电路结构中不需要三极管，而是由MOS管的迁移率和阈值电压的温度特性进行正负温度补偿，从而得到低温度系数的基准电压。另外，通过调节模块可以按需要获得所需的基准电压值。

本发明采用如下技术方案：

一种输出电压可调式CMOS基准电压源，包括启动电路，正温度系数电流产生电路，负温度系数电流产生电路及基准电压产生电路；启动电路，正温度系数电流产生电路，负温度系数电流产生电路及基准电压产生电路的直流电输入端分别连接直流电源Vdd，启动电路的输出端接正温度系数电流产生电路的输入端，正温度系数电流产生电路的第一输出端分别与负温度系数电流产生电路的第一输入端和基准电压产生电路的第三输入端连接，正温度系数电流产生电路的第二输出端分别与负温度系数电流产生电路的第二输入端和基准电压产生电路的第四输入端连接，负温度系数电流产生电路的第一输出端、第二输出端分别对应连接基准电压产生电路的第一输入端和第二输入端，基准电压产生电路具有基准电压输出端，输出基准电压。

为了能够使用各种系统对基准电压值的要求，该电路还可以包括一调节模块，调节模块的输入端连接基准电压产生电路的基准电压输出端，调节模块的电压输出端输出调节后的基准电压。

本发明的输出电压可调式CMOS基准电压源，具有明显的优点和积极的效果；且在很多方面优于目前常用的基准电压源。

(1)全部采用采用CMOS技术，CMOS本身具有开关速度快、功耗低等特点，而且制备工艺简单。电路中不包含三极管，只包含NMOS、PMOS、电阻、电容四种器件，因此，具有结构简单的优点，在CMOS工艺线上实现方便、有效、兼容性好，不会产生放大器失调等问题。

(2)电路结构简单，包含启动电路、正温度系数产生电路、负温度系数产生电路和基准电压产生电路。基准电压源的输出值在设计时可以根据系统要求进行电流或电阻值的调节，可以获得所需的基准电压输出值，大大优于普通带隙基准源输出值恒定在1.25V左右的特点。

(3)  本发明的基准电压源电路可以同时产生很多基准电压值。通过不同的电阻抽头可以同时获得几个不同的基准电压值供系统中不同电路模块使用，解决了一个系统中对不同基准电压值的需求，适应系统更多。

(4)本发明的基准电压源电路温度系数补偿方式简单，直接由MOS管的迁移率和阈值电压存在的温度特性进行正负温度的补偿，得到低温度系数的基准电压。不需要引入双极型器件来构造正负温度系数的参数进行温度补偿。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的电路图。

图3是本发明在不同电源电压时基准电压源的温度特性曲线。

具体实施方式

本发明工作时，可以获得较小温度系数的输出电压值，同时，根据系统的需要，可以同时获得多路基准电压输出。以下通过本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的目的、电路结构和优点作进一步描述。

一种输出电压可调式CMOS基准电压源，如图1所示，CMOS基准源电路包括用来使基准电路脱离零稳态，转入正常工作状态的启动电路1，用来产生主偏置电流的偏置电路正温度系数电流产生电路2，负温度系数电流产生电路3及基准电压产生电路4；启动电路1，正温度系数电流产生电路2，负温度系数电流产生电路3及基准电压产生电路4的直流电输入端分别连接直流电源Vdd，启动电路1的输出端接正温度系数电流产生电路2的输入端，正温度系数电流产生电路2的第一输出端分别与负温度系数电流产生电路3的第一输入端和基准电压产生电路4的第三输入端连接，正温度系数电流产生电路2的第二输出端分别与负温度系数电流产生电路3的第二输入端和基准电压产生电路4的第四输入端连接，负温度系数电流产生电路3的第一输出端、第二输出端分别对应连接基准电压产生电路4的第一输入端和第二输入端，基准电压产生电路4具有基准电压输出端，输出基准电压。

其中，如图2所示，所述的启动电路1由至少两个PMOS管P1、PMOS管P2和电容C0组成，PMOS管P1和PMOS管P2的源极作为启动电路1的直流电输入端，PMOS管P1的漏极分别与PMOS管P2的栅极及电容C0正端相连，PMOS管P2的漏极作为启动电路1的输出端，PMOS管P1的栅极及电容C0的另一端接公共地端。

所述的正温度系数电流产生电路2由8个MOS管和一个电阻R1组成；PMOS管M1和PMOS管M2的源极相连并作为正温度系数电流产生电路2的直流电输入端，与直流电源Vdd相连，PMOS管M1的漏极与PMOS管M3的源极相连，PMOS管M2的漏极与PMOS管M4的源极相连，PMOS管M1和PMOS管M2的栅极共接于PMOS管M2的漏极和PMOS管M4的源极，且作为正温度系数电流产生电路2的第一输出端；PMOS管M3和PMOS管M4的栅极共接于PMOS管M4和NMOS管M6的漏极，且作为正温度系数电流产生电路2的第二输出端；PMOS管M3的漏极与NMOS管M5漏极、栅极与NMOS管M6的栅极共接；NMOS管M5的源极与NMOS管M7的栅极相连并作为正温度系数电流产生电路2的输入端，NMOS管M7的漏极和NMOS管M8的栅极相连，NMOS管M7的栅极和漏极之间设置一电阻R1，NMOS管M6的源极与NMOS管M8的漏极相连；NMOS管M7和NMOS管M8的源极接公共地端。

所述的负温度系数电流产生电路3由至少6个MOS管和一个电阻连接而成；PMOS管M9的源极与PMOS管M12的源极相连并作为负温度系数电流产生电路3的直流电输入端，PMOS管M9的栅极作为负温度系数电流产生电路3的第一输入端，PMOS管M9的漏极接PMOS管M10的源极，PMOS管M10的栅极作为负温度系数电流产生电路3的第二输入端，PMOS管M10的漏极接NMOS管M11的漏极，NMOS管M11的栅极与公共地之间设置电阻R2，NMOS管M11的源极接公共地端；PMOS管M12的栅极与漏极共接于PMOS管M13的源极，并作为负温度系数电流产生电路3的第一输出端，PMOS管M13栅极和漏极共接于NMOS管M14的漏极，并作为负温度系数电流产生电路3的第二输出端，NMOS管M14的栅极接NMOS管M11的漏极，NMOS管M14的源极接NMOS管M11的栅极。

所述的基准电压产生电路4由4个MOS管和一个电阻连接而成；PMOS管M15的栅极作为基准电压产生电路4的第一输入端，PMOS管M15的源极与PMOS管M17的源极相连并作为基准电压产生电路4的直流电输入端，PMOS管M15的漏极连接PMOS管M16的源极，PMOS管M16的栅极作为基准电压输出电路4的第二输入端，PMOS管M16的漏极连接PMOS管M18的漏极，并作为基准电压输出电路4的基准电压输出端，PMOS管M17的栅极作为基准电压产生电路4的第三输入端，PMOS管M17的漏极接PMOS管M18的源极，PMOS管M18的栅极作为基准电压产生电路4的第四输入端。

为了适应更多地对基准电压值由不同要求的系统，该电路还可以包括一调节模块5，通过调节模块5可以使本发明的基准电压源输出不同值的基准电压，还可以同时输出多路基准电压，适于在需要多种基准电压值的系统使用；调节模块5的输入端连接基准电压产生电路4的基准电压输出端，调节模块5的电压输出端输出调节后的基准电压。

调节模块5由可调单元R3和电容C1组成，可调单元R3的一端与电容C1的正端连接，并作为调节模块5的输入端，可调单元R3的另一端与电容C1的另一端共接于公共地端，可调单元R3的输出端作为调节模块5的输出端，输出调节后的基准电压。可调单元R3可以是一调节电阻，在版图实现中，可以通过不同的焊盘接出来，封装后供系统选用。电阻R3由不同阻值的电阻串联构成，不同的电阻抽头作为可调单元R3的输出，可以同时获得几个不同的基准电压值供系统中不同电路模块使用，如图2中所示，电阻r1…rn，对应输出的基准电压Vref1…Vrefn。根据系统的需要确定电阻串连的个数，即输出电压的个数，有的系统中需要三个基准电压值，那么选择所需的三个电阻串连，三个电阻的高电位端分别作为三个基准电压的输出。

参见图3，图中所示为不同电源电压下基准输出随温度变化的曲线图，由曲线图可以看出，温度从0℃变化到100℃，基准电压输出值仅变化了5mV，由此可见，本发明的基准源具有很好的温度系数特性。电源电压从3V变化到6V，基准输出电压变化了1.2mV，说明本发明的基准源输出稳定。根据图中的分析，本发明的CMOS基准源电路具有较低的温度系数和输出稳定的优点。此外，由于采用了有别于传统的带隙基准电压源的方法，使得基准电压输出值不是恒定在1.25V左右，而是为了满足在某些系统中往往需要多个基准电压的条件，图2中电阻R3如果采用多个电阻串联，通过不同的电阻抽头可以同时获得几个不同的基准电压值供系统中不同电路模块使用，如图2中电阻r1…rn，对应电压基准Vref1…·Vrefn。

本发明的电路的工作过程：当接通电源电压Vdd后，启动电路1率先工作，上电瞬间电容C0上没有电荷，PMOS管P1、P2都导通，PMOS管M3的栅电位拉高，从而使PMOS管M3开启并产生电流，PMOS管M1、M2上也陆续的产生了电流，让正温度系数电流产生电路2脱离零稳态开始正常工作；正温度系数电流产生电路2采用共源共栅电流镜结构，有效的抑制了沟道长度调制效应的影响，使电路具有较好的电源抑制比。M7和M8的栅源电压差ΔVgs流过电阻R1，形成了电流I，电流I具有正温度系数；正温度系数电流产生电路2产生具有正温度系数的电流后，由M9和M10拷贝电流到负温度系数电流产生电路3，NMOS管M11在恒定电流的作用下，具有恒定的栅源电压，根据M11宽长比的设置，可以获得负温度系数的栅源电压值，M11必须工作在饱和区，M14管的存在非常重要，M14管的栅与M11管的漏连接，保证了M14管的Vds14＞Vgs14，使其工作在饱和区。M11管的栅源电压通过电阻R2形成负温度系数的电流，再经由M12和M13拷贝输出；基准电压产生电路4由正负温度系数电流叠加而成，I1具有负温度系数，I2具有正温度系数，通过对正负温度系数电流适当的补偿叠加，获得具有低温度系数的电流Io流过电阻R3，从而获得基准电压Vref。

本发明的原理：

图1给出了所发明的基准电压源电路的结构原理框图。下面叙述该电路结构的工作原理。

一般，NMOS管阈值电压的温度特性可表示为：

$V_{\mathrm{thn}}\left(T\right)=V_{\mathrm{thn}}\left(T_0\right)-{\mathrm{\β}}_{V_{\mathrm{thn}}}(T-T_0)---\left(1\right)$

T₀为参考温度，β_Vthn为NMOS管阈值电压的温度系数，V_thn具有负温度系数。

另外，NMOS管迁移率也是个具有温度特性的参数，可以描述为：

${\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)={\mathrm{\μ}}_n\left(T_0\right){\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\μ}}_n}}---\left(2\right)$

式(2)中，β_μn是NMOS管迁移率温度指数。迁移率也具有负温度系数。

图2所示结构的基准电压源利用MOS管这两个参数的温度特性产生正负温度系数电流，自行补偿，形成温度系数较小的基准电压源。采用这种结构的另一大优点是可以产生多路基准电压输出。

图2所示电路是图1结构的一种具体实现电路。图2中，两个PMOS管P1、P2和电容C0构成启动电路，上电瞬间电容上没有电荷，P1、P2都导通，M7的栅电位拉高，从而使M7开启并产生电流，M1、M2也陆续的产生了电流，让基准电压源脱离零稳态。在这过程中，P1一直在向电容C0充电，电容上的压降逐渐升高直至晶体管P2关断，此时启动电路对基准部分就没有任何影响了，在稳定后，启动电路上没有功耗。

MOS管M1～M8和电阻R1构成正温度系数产生电路，同时也作为偏置电路。MOS管M7和M8的ΔVgs流过电阻R1，形成了电流I，根据饱和区萨氏方程及相应的推导可以得到：

$I\left(T\right)=\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{R}_1^2}{[\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{W}{L}\right)}_3}}-\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{W}{L}\right)}_4}}]}^2=\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T_0\right)C_{\mathrm{ox}}{R}_1^2}{[\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{W}{L}\right)}_3}}-\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{W}{L}\right)}_4}}]}^2{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{un}}}=I\left(T_0\right){\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{un}}}---\left(5\right)$

式(5)表示，I是具有正温度系数的电流。

MOS管M9～M14和电阻R2是负温度系数产生电路。由MOS管M9和M10复制电流，MOS管M11的Vgs直接形成负温度系数电压流过电阻R2形成负温度系数电流。MOS管M11必须工作在饱和区，MOS管M14的存在非常重要，MOS管M14的栅与M11的漏连接，保证了MOS管M14管的Vds14＞Vgs14，使其工作在饱和区。

假设MOS管M9的宽长比是M2的M倍，则I_M9＝I_M11＝M*I，于是，

$\mathrm{Vref}=\mathrm{Vgs}11=\mathrm{Vth}11\left(T\right)+\sqrt{\frac{{2I}_{M11}}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{11}}}$

$=\mathrm{Vth}11\left(T_0\right)-\mathrm{\βvth}11(T-T_0)+\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T_0\right)C_{\mathrm{ox}}R1}\left(\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{W}{L}\right)}_7-{\left(\frac{W}{L}\right)}_8}}\right)\sqrt{\frac{M}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{11}}}\left(\frac{T}{T_0}\right)\mathrm{\βun}---\left(6\right)$

将(6)式两端对温度T求偏导，可以得到：

$\frac{\∂\mathrm{Vref}}{\∂T}=-\mathrm{\βvth}11+\mathrm{\βun}\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T_0\right)C_{\mathrm{ox}}R1}\left(\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{W}{L}\right)}_7-{\left(\frac{W}{L}\right)}_8}}\right)\sqrt{\frac{M}{\sqrt{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{11}}}}\left(\frac{T}{T_0}\right)\mathrm{\βun}-1---\left(7\right)$

令 $\frac{{\∂V}_{\mathrm{ref}}}{\∂T}=0$ 即可以获得相应的设计参数。

本发明属于电流叠加型基准电压源，Vgs11要设置为负温度系数，从(7)式可以看出，第一项为恒定的负数，第二项为可调的正数，加大MOS管M11的宽长比或缩小MOS管M9和M10的宽长比均可减弱电流Ib的正温度系数强度，使得Ib的温度系数变得更负，反之类似。

基准电压产生电路由MOS管M15～M18和电阻R3构成。由上面分析可知，I1具有负温度系数，I2具有正温度系数，通过对正负温度系数电流适当的补偿叠加，获得具有低温度系数的电流Io流过电阻R3，从而获得基准电压Vref。

本发明的基准电压源的输出Vref是通过电流I2＝B*I和电流I1＝A*Ib的正负温度补偿获得，因而，确定某一A、B值后，同一倍数的增大或缩小均可获得低温度系数的电流Io，从而产生不同低温度系数的电压基准Vref；另外，如果保持A、B系数的不变，改变电阻R3的大小，亦可获得不同的基准输出值。这一点要优于带隙基准输出值。

在某些系统中，往往需要多个基准电压，本发明也可满足这种需要。图2中电阻R3如果采用多个电阻串联，通过不同的电阻抽头可以同时获得几个不同的基准电压值供系统中不同电路模块使用，如图2中电阻r1…rn，对应电压基准Vrefl…Vrefn。这也是该电压基准结构的一大优点。

Claims (9)

1、一种输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：包括启动电路(1)，正温度系数电流产生电路(2)，负温度系数电流产生电路(3)及基准电压产生电路(4)；启动电路(1)，正温度系数电流产生电路(2)，负温度系数电流产生电路(3)及基准电压产生电路(4)的直流电输入端分别连接直流电源Vdd，启动电路(1)的输出端接正温度系数电流产生电路(2)的输入端，正温度系数电流产生电路(2)的第一输出端分别与负温度系数电流产生电路(3)的第一输入端和基准电压产生电路(4)的第三输入端连接，正温度系数电流产生电路(2)的第二输出端分别与负温度系数电流产生电路(3)的第二输入端和基准电压产生电路(4)的第四输入端连接，负温度系数电流产生电路(3)的第一输出端、第二输出端分别对应连接基准电压产生电路(4)的第一输入端和第二输入端，基准电压产生电路(4)具有基准电压输出端，输出基准电压。

2、根据权利要求1所述的输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：所述的启动电路(1)由至少两个PMOS管P1、PMOS管P2和电容C0组成，PMOS管P1和PMOS管P2的源极作为启动电路(1)的直流电输入端，PMOS管P1的漏极分别与PMOS管P2的栅极及电容C0正端相连，PMOS管P2的漏极作为启动电路(1)的输出端，PMOS管P1的栅极及电容C0的另一端接公共地端。

3、根据权利要求1所述的输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：所述的正温度系数电流产生电路(2)由8个MOS管和一个电阻R1组成；PMOS管M1和PMOS管M2的源极相连并作为正温度系数电流产生电路(2)的直流电输入端，与直流电源Vdd相连，PMOS管M1的漏极与PMOS管M3的源极相连，PMOS管M2的漏极与PMOS管M4的源极相连，PMOS管M1和PMOS管M2的栅极共接于PMOS管M2的漏极和PMOS管M4的源极，且作为正温度系数电流产生电路(2)的第一输出端；PMOS管M3和PMOS管M4的栅极共接于PMOS管M4和NMOS管M6的漏极，且作为正温度系数电流产生电路

(2)的第二输出端；PMOS管M3的漏极与NMOS管M5漏极、栅极与NMOS管M6的栅极共接；NMOS管M5的源极与NMOS管M7的栅极相连并作为正温度系数电流产生电路(2)的输入端，NMOS管M7的漏极和NMOS管M8的栅极相连，NMOS管M7的栅极和漏极之间设置一电阻R1，NMOS管M6的源极与NMOS管M8的漏极相连；NMOS管M7和NMOS管M8的源极接公共地端。

4、根据权利要求1所述的输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：所述的负温度系数电流产生电路(3)由至少6个MOS管和一个电阻连接而成；PMOS管M9的源极与PMOS管M12的源极相连并作为负温度系数电流产生电路(3)的直流电输入端，PMOS管M9的栅极作为负温度系数电流产生电路(3)的第一输入端，PMOS管M9的漏极接PMOS管M10的源极，PMOS管M10的栅极作为负温度系数电流产生电路(3)的第二输入端，PMOS管M10的漏极接NMOS管M11的漏极，NMOS管M11的栅极与公共地之间设置电阻R2，NMOS管M11的源极接公共地端；PMOS管M12的栅极与漏极共接于PMOS管M13的源极，并作为负温度系数电流产生电路(3)的第一输出端，PMOS管M13栅极和漏极共接于NMOS管M14的漏极，并作为负温度系数电流产生电路(3)的第二输出端，NMOS管M14的栅极接NMOS管M11的漏极，NMOS管M14的源极接NMOS管M11的栅极。

5、根据权利要求1所述的输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：所述的基准电压产生电路(4)由4个MOS管和一个电阻连接而成；PMOS管M15的栅极作为基准电压产生电路(4)的第一输入端，PMOS管M15的源极与PMOS管M17的源极相连并作为基准电压产生电路(4)的直流电输入端，PMOS管M15的漏极连接PMOS管M16的源极，PMOS管M16的栅极作为基准电压输出电路(4)的第二输入端，PMOS管M16的漏极连接PMOS管M18的漏极，并作为基准电压输出电路(4)的基准电压输出端，PMOS管M17的栅极作为基准电压产生电路(4)的第三输入端，PMOS管M17的漏极接PMOS管M18的源极，PMOS管M18的栅极作为基准电压产生电路(4)的第四输入端。

6、根据权利要求1至5任一项所述的输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：该电路还包括一调节模块(5)，调节模块(5)的输入端连接基准电压产生电路(4)的基准电压输出端，调节模块(5)的电压输出端输出调节后的基准电压。

7、根据权利要求6所述的输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：所述的调节模块(5)由可调单元R3和电容C1组成，可调单元R3的一端与电容C1的正端连接，并作为调节模块(5)的输入端，可调单元R3的另一端与电容C1的另一端共接于公共地端，可调单元R3的输出端作为调节模块(5)的输出端，输出调节后的基准电压。

8、根据权利要求7所述的输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：所述的可调单元R3采用可调电阻实现。

9、根据权利要求7所述的输出电压可调式CMOS基准电压源，其特征在于：所述的可调单元R3为至少两个电阻串联构成。

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