CN101308393A - 一种耗尽型mos管稳定电压源 - Google Patents

Abstract

一种耗尽型MOS管稳定电压源，其特征是电路中设有耗尽型NMOS管及耗尽型PMOS管以及用来产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的正温度系数电压的第一正温度系数电压产生电路、用来产生与耗尽型PMOS管阈值电压相关的正温度系数电压的第二正温度系数电压产生电路以及将第一、第二正温度系数电压产生电路产生的两个具有正温度系数的电压值相减，通过稳定电压源产生电路获得低温漂稳定电压源。

Description

一种耗尽型MOS管稳定电压源

技术领域

本发明涉及电压源，尤其是一种耗尽型MOS管稳定电压源。

背景技术

目前，采用耗尽型MOS管的稳定电压源电路主要是图1所示电路结构，N1是耗尽型NMOS管，N2是增强型NMOS管，N2管的栅极作为输出端，可以产生稳定的电压输出。但对MOS器件而言，最主要的两个温度特性参数是阈值电压Vth和迁移率。阈值电压具有线性的负温度特性，迁移率具有指数形式的负温度系数，因此迁移率的温度特性往往不能完全抵消。图1中输出电压V_ref可由下式表示：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{T2}+\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_1{W}_1{L}_1}{{\mathrm{\μ}}_2{W}_2{L}_2}}\·V_{T1}$

由上式可以看出，图1所示传统的耗尽型MOS管稳定电压源电路的输出V_ref与器件阈值电压、迁移率和宽长比三者有关，都是确定值，因而输出电压值是一个稳定值；但图1结构的输出V_ref的温度系数与阈值电压和迁移率两者有关，第一项具有线性温度系数，而第二项的温度系数则是非线性的，因此只能在某个温度点获得零温度系数，而不能在整个工作温度范围内将温度系数完全抵消。

发明内容

对于一个稳定的电压源电路而言，不仅仅要求具有很好的电压特性，还要求在工作温度范围内具有很好的温度特性，理想的温度补偿是在整个工作温度范围内，温度系数都能很好的抵消。本发明提供了一种耗尽型MOS管稳定电压源，电路结构中包含耗尽型NMOS管、耗尽型PMOS管两种元器件，通过电路结构以及器件参数的设计，抵消了由迁移率带来的非线性温度系数，使得输出电压仅存在耗尽型NMOS管和耗尽型PMOS管阈值电压的温度系数，由耗尽型NMOS管和耗尽型PMOS管阈值电压存在的线性温度系数特性进行温度补偿，获得低温漂的电压源。

根据上述发明思想，本发明稳定电压源电路设计的技术方案是：一种耗尽型MOS管稳定电压源，其特征是电路中设有耗尽型NMOS管及耗尽型PMOS管以及用来产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的正温度系数电压的第一正温度系数电压产生电路、用来产生与耗尽型PMOS管阈值电压相关的正温度系数电压的第二正温度系数电压产生电路以及将第一、第二正温度系数电压产生电路产生的两个具有正温度系数的电压值相减，通过稳定电压源产生电路获得低温漂稳定电压源。

所述的第一正温度系数电压产生电路包括两个耗尽型NMOS管连接构成，其中NMOS管M1的栅极与源极以及NMOS管M2的栅极与漏极相连，NMOS管M1的漏极与供电电源VDD相连，NMOS管M2的源极与公共地相连，耗尽型NMOS管M1的栅极为第一正温度系数电压；

所述的第二正温度系数电压产生电路包括两个耗尽型PMOS管连接构成，其中耗尽型PMOS管M3的源极与漏极相连于供电电源VDD，耗尽型PMOS管M4的源极与PMOS管M3的漏极相连，PMOS管M4的漏极与公共地相连，PMOS管M4的栅源电压是第二正温度系数电压。

所述的稳定电压源产生电路由一个耗尽型PMOS管组成，来自于第二正温度系数电压产生电路中耗尽型PMOS管M4，其栅极与第一正温度系数电压产生电路中耗尽型NMOS管M1的源极相连，耗尽型PMOS管M4的源极是稳定电压源输出端。

本发明的优点及有益效果：本发明的耗尽型MOS管稳定电压源电路在很多方面优于目前常用的稳定电压源电路。

(1)电路采用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。

(2)电路中仅仅包含四个耗尽型MOS管，结构简单，易于实现，在获得相同性能的情况下，可以大大减少成本。

(3)本发明的耗尽型MOS管稳定电压源电路温度系数补偿方式简单，直接由耗尽型NMOS管和耗尽型PMOS管的阈值电压存在的温度特性进行温度补偿，两者都是线性温度系数，解决了现有技术中存在的MOS管迁移率引入的非线性温度系数的问题，完全抵消了迁移率存在的温度系数。

附图说明

图1是现有带耗尽型MOS管的稳定电压源电路

图2是本发明耗尽型MOS管稳定电压源电路结构框图

图3是本发明耗尽型MOS管稳定电压源电路图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的工作原理及工作过程作进一步说明。

参看图2、3，耗尽型MOS管稳定电压源电路利用耗尽型NMOS管和耗尽型PMOS管的阈值电压具有不同的温度系数，产生两个电压，分别与耗尽型NMOS管和耗尽型PMOS管的阈值电压相关，进行温度补偿后形成稳定的电压源输出。

第一正温度系数电压产生电路，用来产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的正温度系数电压Vg；

第二正温度系数电压产生电路，用来产生与耗尽型PMOS管阈值电压相关的正温度系数电压V_GS4；

稳定电压源产生电路，将第一正温度系数电压产生电路1和第二正温度系数电压产生电路2产生的两个具有正温度系数的电压值相减，产生低温漂的稳定电压源。

第一正温度系数电压产生电路由两个耗尽型NMOS管组成，其中NMOS管M1的栅极与源极以及NMOS管M2的栅极与漏极相连，NMOS管M1的漏极与供电电源VDD相连，NMOS管M2的源极与公共地相连。耗尽型NMOS管M1的栅极为第一正温度系数电压Vg。

第二正温度系数电压产生电路由两个耗尽型PMOS管连接组成，其中耗尽型PMOS管M3的源极与漏极相连于供电电源VDD，耗尽型PMOS管M4的源极与PMOS管M3的漏极相连，PMOS管M4的漏极与公共地相连。V_GS4是PMOS管M4的栅源电压，是第二正温度系数电压。

稳定电压源产生电路由一个耗尽型PMOS管组成，来自于第二正温度系数电压产生电路中耗尽型PMOS管M4，其栅极与第一正温度系数电压产生电路1中耗尽型NMOS管M1的源极相连，耗尽型PMOS管M4的源极是稳定电压源输出端。

一般，MOS管阈值电压的温度特性可表示为：

$V_{\mathrm{thn}}\left(T\right)=V_{\mathrm{thn}}\left(T_0\right)+K_{\mathrm{TN}}(\frac{T}{T_0}-1)---\left(1\right)$

$-V_{\mathrm{thp}}\left(T\right)=-V_{\mathrm{thp}}\left(T_0\right)+K_{\mathrm{TP}}(\frac{T}{T_0}-1)---\left(2\right)$

T₀为参考温度，K_TN为NMOS管阈值电压V_thn的温度系数，K_TP为PMOS管阈值电压V_thp的温度系数。

另外，MOS管迁移率也是个具有温度特性的参数，可以描述为：

${\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)={\mathrm{\μ}}_n\left(T_0\right){\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\μ}}_n}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\μ}}_p\left(T\right)={\mathrm{\μ}}_p\left(T_0\right){\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\μp}}}---\left(4\right)$

式(2)中，

是NMOS管迁移率温度指数，

是PMOS管迁移率温度指数。迁移率具有负温度系数。

M1、M2、R1和R2产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的正温度系数电压，如图3所示，M2的栅极电位，即Vg可以表示为：

$V_g=V_{\mathrm{thn}}+\sqrt{\frac{{2I}_1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{k}_2}}=(1-\sqrt{\frac{k_1}{k_2}})V_{\mathrm{thn}}---\left(5\right)$

V_thn是耗尽型NMOS管的阈值电压，μ_n是耗尽型NMOS管的迁移率，k₁、k₂分别是M1和M2管的宽长比。

当k1大于k2时，Vg是一个与耗尽型NMOS管阈值电压相关的具有线性正温度系数的电压值。

同理，耗尽型PMOS管M3和M4产生与耗尽型PMOS管阈值电压相关的正温度系数电压V_GS4。

$V_{\mathrm{GS}4}=-(1-\sqrt{\frac{k_3}{k_4}})(-V_{\mathrm{thp}})---\left(6\right)$

M3管的宽长比小于M4的宽长比，因此V_GS4具有正温度系数。

$\mathrm{Vo}=V_g-V_{\mathrm{GS}4}=(1-\sqrt{\frac{k_1}{k_2}})V_{\mathrm{thn}}+(1-\sqrt{\frac{k_3}{k_4}})(-V_{\mathrm{thp}})---\left(7\right)$

将(7)式两端对温度T求偏导，可以得到：

$\frac{\∂\mathrm{Vo}}{\∂T}=(1-\sqrt{\frac{k_1}{k_2}})\frac{K_{\mathrm{TE}}}{T_0}+(1-\sqrt{\frac{k_3}{k_4}})\frac{K_{\mathrm{TD}}}{T_0}---\left(8\right)$

令 $\frac{\∂\mathrm{Vo}}{\∂T}=0,$ 可以获得相应的设计参数。即：

$(1-\sqrt{\frac{k_1}{k_2}})K_{\mathrm{TE}}+(1-\sqrt{\frac{k_3}{k_4}})K_{\mathrm{TD}}=0---\left(9\right)$

K_TE和K_TD由工艺参数决定，是固定值，因此MOS管M1～M4宽长比之间的关系由(9)式很容易确定。

当接通供电电源VDD后，M1是耗尽型NMOS管，栅源电压为零，率先进入饱和区工作状态，产生电流，耗尽型NMOS管M2随即脱离零稳态工作于饱和区，M2的栅极电压由M1决定，因此Vg是一个固定电压。同理，M4管的栅源电压也是固定的。因此，稳定电压源输出Vo是Vg和M4管栅源电压V_GS4之差，是一个稳定输出的电压值。

Claims (2)

1、一种耗尽型MOS管稳定电压源，其特征是电路中设有耗尽型NMOS管及耗尽型PMOS管以及用来产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的正温度系数电压的第一正温度系数电压产生电路、用来产生与耗尽型PMOS管阈值电压相关的正温度系数电压的第二正温度系数电压产生电路以及将第一、第二正温度系数电压产生电路产生的两个具有正温度系数的电压值相减，通过稳定电压源产生电路获得低温漂稳定电压源。

2、根据权利要求1所述的耗尽型NOS管稳定电压源，其特征是：

所述的第一正温度系数电压产生电路包括两个耗尽型NMOS管连接构成，其中NMOS管M1的栅极与源极以及NMOS管M2的栅极与漏极相连，NMOS管M1的漏极与供电电源VDD相连，NMOS管M2的源极与公共地相连，耗尽型NMOS管M1的栅极为第一正温度系数电压；

所述的第二正温度系数电压产生电路包括两个耗尽型PMOS管连接构成，其中耗尽型PMOS管M3的源极与漏极相连于供电电源VDD，耗尽型PMOS管M4的源极与PMOS管M3的漏极相连，PMOS管M4的漏极与公共地相连，PMOS管M4的栅源电压是第二正温度系数电压。

所述的稳定电压源产生电路由一个耗尽型PMOS管组成，来自于第二正温度系数电压产生电路中耗尽型PMOS管M4，其栅极与第一正温度系数电压产生电路中耗尽型NMOS管M1的源极相连，耗尽型PMOS管M4的源极是稳定电压源输出端。

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