CN101334681B - 耗尽型nmos管稳定电压源电路 - Google Patents

Abstract

一种耗尽型NMOS管稳定电压源电路，电路中含有增强型NMOS管及耗尽型NMOS管，其特征是电路中还设有用来产生与增强型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压的第一负温度系数电压产生电路、用来产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压的第二负温度系数电压产生电路以及将第一、第二负温度系数电压产生电路产生的两个具有负温度系数的电压值相减，获得低温漂稳定电压源。

Description

耗尽型NMOS管稳定电压源电路

技术领域

本发明涉及电压源，尤其是一种耗尽型NMOS管稳定电压源电路。

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。对MOS器件而言，最主要的两个温度特性参数是阈值电压和迁移率。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。本发明提供了一种耗尽型NMOS管稳定电压源电路，电路结构中仅包含增强型NMOS管、耗尽型NMOS管和电阻三种元器件，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增强型和耗尽型NMOS管阈值电压的温度系数，由增强型和耗尽型NMOS管阈值电压存在的线性温度系数特性进行温度补偿，在整个工作温度范围内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NMOS管稳定电压源电路，其特征是电路中设有增强型NMOS管及耗尽型NMOS管以及用来产生与增强型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压的第一负温度系数电压产生电路、用来产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压的第二负温度系数电压产生电路以及将第一、第二负温度系数电压产生电路产生的两个具有负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。

所述的第一负温度系数电压产生电路含四个NMOS管和两个电阻连接构成，其中耗尽型NMOS管M1和增强型NMOS管M3的漏极与供电电源相连，NMOS管M1的栅极与源极、NMOS管M3的栅极以及增强型NMOS管M2的漏极相连，增强型NMOS管M2和耗尽型NMOS管M4的源极以及栅极与公共地相连，NMOS管M4的漏极与NMOS管M3的源极相连，电阻R1的两端分别与NMOS管M1和M2的栅极相接，电阻R2的一端接于NMOS管M2的栅极，另一端与公共地相接；

所述的第二负温度系数电压产生电路含两个耗尽型NMOS管连接构成，其中耗尽型NMOS管M5的漏极与供电电源相连，耗尽型NMOS管M5的源极与耗尽型NMOS管M6的漏极相连，NMOS管M6的栅极以及源极与公共地相连；

所述的稳定电压源产生电路含一个耗尽型NMOS管，来自于第二负温度系数电压产生电路中耗尽型NMOS管M5，其栅极与第一负温度系数电压产生电路中NMOS管M3的源极相连，其源极为稳定电压源输出端。

本发明的优点及有益效果：

本发明的NMOS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NMOS器件和电阻，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NMOS管稳定电压源电路温度系数补偿方式简单，直接由增强型和耗尽型NMOS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。

(4)本发明的NMOS管稳定电压源电路，通过电路参数的改变设计，可以获得不同的输出电压值，根据系统的需要，可以设计所需的输出电压值。

附图说明

图1是现有NMOS稳定电压源电路；

图2是本发明NMOS稳定电压源电路结构框图；

图3是本发明NMOS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，NMOS管稳定电压源电路利用耗尽型NMOS管和增强型NMOS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管和增强型NMOS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。

第一负温度系数电压产生电路，用来产生与增强型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压Vg；

第二负温度系数电压产生电路，用来产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压V_GS5；

稳定电压源产生电路，将第一负温度系数电压产生电路和第二负温度系数电压产生电路产生的两个具有负温度系数的电压值相减，产生低温漂的稳定电压源。

第一负温度系数电压产生电路由四个NMOS管和两个电阻连接组成，其中耗尽型NMOS管M1和增强型NMOS管M3的漏极与供电电源相连，NMOS管M1的栅极与源极、NMOS管M3的栅极以及增强型NMOS管M2的漏极相连。增强型NMOS管M2和耗尽型NMOS管M4的源极以及栅极与公共地相连。NMOS管M4的漏极与NMOS管M3的源极相连。电阻R1的两端分别与NMOS管M1和M2的栅极相接，电阻R2的一端接于NMOS管M2的栅极，另一端与公共地相接。

第二负温度系数电压产生电路由两个耗尽型NMOS管连接组成，其中耗尽型NMOS管M5的漏极与供电电源相连，耗尽型NMOS管M5的源极与耗尽型NMOS管M6的漏极相连，NMOS管M6的栅极以及源极与公共地相连。V_GS5是NMOS管M5的栅源电压。

稳定电压源产生电路由一个耗尽型NMOS管组成，来自于第二负温度系数电压产生电路中耗尽型NMOS管M5组成。其源极是稳定电压源输出端Vo。

一般，NMOS管阈值电压V_T的温度特性可表示为：

$V_T\left(T\right)=V_T\left(T_0\right)+K_T(\frac{T}{T_0}-1)---\left(1\right)$

T₀为参考温度，K_T为NMOS管阈值电压的温度系数，V_T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，

是NMOS管迁移率温度指数。迁移率也具有负温度系数。

M1～M4，R1和R2产生与增强型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压，如图3所示，M2和M3管的栅源电压V_GS2和V_GS3可以表示为：

$V_{\mathrm{GS}2}=V_{\mathrm{TE}}+\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_D}{{\mathrm{\μ}}_E}}\sqrt{\frac{k_1}{k_2}}\left|V_{\mathrm{TD}}\right|---\left(3\right)$

$V_{\mathrm{GS}3}=V_{\mathrm{TE}}+\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_D}{{\mathrm{\μ}}_E}}\sqrt{\frac{k_4}{k_3}}\left|V_{\mathrm{TD}}\right|---\left(4\right)$

V_TE和V_TD分别是增强型和耗尽型NMOS管的阈值电压，μ_D和μ_E分别是增强型和耗尽型NMOS管的迁移率，k₁～k₄分别是M1～M4管的宽长比。

于是，电压Vg可以表示为：

$V_g=(1+\frac{R1}{R2})V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{GS}3}=\frac{R1}{R2}{V}_{\mathrm{TE}}+[(1+\frac{R1}{R2})\sqrt{\frac{k_1}{k_2}}-\sqrt{\frac{k_4}{k_3}}]\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_D}{{\mathrm{\μ}}_E}}\left|V_{\mathrm{TD}}\right|---\left(5\right)$

在电路参数设计时，使得 $\sqrt{\frac{k_4}{k_3}}\sqrt{\frac{k_2}{k_1}}=1+\frac{R1}{R2},$ 便可抵消Vg中存在的由迁移率引起的非线性温度系数因素。

因此： $V_g=\frac{R1}{R2}{V}_{\mathrm{TE}},$ Vg是一个与增强型NMOS管阈值电压相关的具有线性负温度系数的电压值。

耗尽型NMOS管M5和M6产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压V_GS5。

$V_{\mathrm{GS}5}=V_{\mathrm{TD}}+\sqrt{\frac{{2I}_6}{{\mathrm{\μ}}_D{C}_{\mathrm{ox}}{k}_5}}=(1-\sqrt{\frac{k_6}{k_5}})V_{\mathrm{TD}}---\left(6\right)$

M6管的宽长比小于M5的宽长比，因此V_GS5具有负温度系数。

$\mathrm{Vo}=V_g-V_{\mathrm{GS}5}=\frac{R1}{R2}{V}_{\mathrm{TE}}-(1-\sqrt{\frac{k_6}{k_5}})V_{\mathrm{TD}}---\left(7\right)$

将(7)式两端对温度T求偏导，可以得到：

$\frac{\∂\mathrm{Vo}}{\∂T}=\frac{R1}{R2}\frac{K_{\mathrm{TE}}}{T_0}-(1-\sqrt{\frac{k_6}{k_5}})\frac{K_{\mathrm{TD}}}{T_0}---\left(8\right)$

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

$\frac{k_6}{k_5}={(1-\frac{R1}{R2}\frac{K_{\mathrm{TE}}}{K_{\mathrm{TD}}})}^2---\left(9\right)$

本发明中，如果给定不同的R1和R2的比例关系，可以获得不同的输出电压Vo。在设计时，可以根据系统需要，设计所需的R1和R2比例，再根据上述温度系数补偿原理进行所有NMOS管宽长比的设计。

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，M2随即脱离零稳态工作于饱和区。M3的栅极电压由M2的栅极电压以及电阻R1和R2的比例决定，M3的电流由耗尽管M4决定，在固定栅极电压和电流的条件下，M3管的源极电压Vg是一个固定值。同理，M5管的栅源电压也是固定的。因此，稳定电压源输出Vo是Vg和M5管栅源电压之差，是一个稳定输出的电压值。

Claims (1)

1.一种耗尽型NMOS管稳定电压源电路，其特征是电路中设有增强型NMOS管及耗尽型NMOS管以及用来产生与增强型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压的第一负温度系数电压产生电路、用来产生与耗尽型NMOS管阈值电压相关的负温度系数电压的第二负温度系数电压产生电路以及将第一、第二负温度系数电压产生电路产生的两个具有负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；

所述的第一负温度系数电压产生电路含四个NMOS管和两个电阻连接构成，其中耗尽型NMOS管M1和增强型NMOS管M3的漏极与供电电源相连，NMOS管M1的栅极与源极、NMOS管M3的栅极以及增强型NMOS管M2的漏极相连，增强型NMOS管M2和耗尽型NMOS管M4的源极以及栅极与公共地相连，NMOS管M4的漏极与NMOS管M3的源极相连，电阻R1的两端分别与NMOS管M1和M2的栅极相接，电阻R2的一端接于NMOS管M2的栅极，另一端与公共地相接；

所述的第二负温度系数电压产生电路含两个耗尽型NMOS管连接构成，其中耗尽型NMOS管M5的漏极与供电电源相连，耗尽型NMOS管M5的源极与耗尽型NMOS管M6的漏极相连，NMOS管M6的栅极以及源极与公共地相连；

所述的稳定电压源产生电路由一个耗尽型NMOS管组成，即：来自于第二负温度系数电压产生电路中耗尽型NMOS管M5，其栅极与第一负温度系数电压产生电路中NMOS管M3的源极相连，其源极为稳定电压源输出端。

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