CN101571728B - 一种非带隙的高精度基准电压源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电子迁移率和MOS管阈值电压对温度的变化呈反向趋势的原理，实现了一款非带隙的高精度基准电压源。由三部分电路构成：(1)启动电路，其主要用来解除在电路上电过程中有可能出现的电路死锁状态；(2)基准电流产生电路，其产生一个不随电源电压变化的基准电流；(3)基准电压产生电路，其利用镜像产生的基准电流，采用电子迁移率具有的正温度系数和MOS管阈值电压具有的负温度系数相互调节的方法，实现了零温度系数的基准电压输出。本发明能够有效抑制输出随温度和电源电压变化而变化。同时其能完全兼容普通的CMOS工艺，同时具有结构简单，芯片面积小、输出范围大且精度比较高，因而能大幅降低系统成本。

Description

一种非带隙的高精度基准电压源

技术领域

本发明主要涉及模拟集成电路的基准电压源设计领域，特指一种利用电子迁移率和MOS管阈值电压对温度的变化呈反向趋势的原理设计的一款非带隙的高精度基准电压源。

背景技术

基准电压源是当今集成电路中重要的组成部分，广泛应用于数字、模拟、以及数模混合电路中。特别是在诸如随机动态存储器、A/D、D/A转换器、各类数模混合IC中更是不可或缺。因此高电源抑制比、低温漂、CMOS工艺兼容的高性能基准电压源成为集成电路设计者们竞相追逐的焦点。

目前集成电路中基准电压源的构成种类繁多，带隙基准由于其精度高而为业内所广泛采用。利用pn结的正向电压具有负温度系数，而工作在不同电流密度下两个双极晶体管的基极-发射极电压差具有正温度系数，两者相互补偿，实现零温度系数的基准电压。此种结构需要采用运算放大器和双极型晶体管，电路结构复杂，占用面积较大。目前主流的CMOS工艺虽然都能提供衬底PNP管，但是PNP管对衬底的电流注入会同时引起衬偏等问题，工艺步骤复杂，这无疑大大增加了系统的成本，降低了系统可靠性。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有带隙基准存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、能与普通CMOS工艺完全兼容的高精度基准电压源设计。

本发明提出的解决方案为：首先由电阻R3，P管M3、M4，N管M5、M6构成一个与电源电压无关的粗略的基准电流。同时为了增加基准电流源的精度和其抗电源电压变化的能力，增加P管M1、M2与M3、M4一起构成了共源共栅电流镜结构。第二通过分压电阻R1、R2分压来调节MOS管MN、MP的栅源电压，使得这两个管子的沟道电子迁移率具有的正温度系数与阈值电压具有的负温度系数相互补偿，从而形成一个零温度系数的基准输出。本发明能够有效抑制输出随温度和电源电压变化而变化。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、结构简单：本发明中提出的电路结构与普通的CMOS工艺完全兼容，无需额外的工艺步骤来实现对特殊器件的兼容。没有采用运放等复杂结构因而版图面积非常小。

2、性能优异：虽然本发明提出的结构很简单，但是，本发明中提出的电路性能已经接近和达到了同工艺下带隙基准电路的性能。

3、应用范围广：不同于带隙基准和其它基准只能提供单一的基准输出，本发明的基准输出可以根据需要进行小幅度调整，因而应用范围更广。

附图说明

图1本发明的电路原理示意图；

图2是本发明在0.13μm工艺条件及2.5V电源电压条件下版图模拟结果示意图；

图3是本发明在0.13μm工艺条件下抗温度漂模拟结果示意图；

图4是本发明在0.13μm工艺条件下抗电源漂移模拟结果示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明电路可以分为3个部分：基准电流产生电路、基准电压产生电路和启动电路。基准电流产生电路又包括与电源无关基准电流产生电路(M3、M4、M5、M6、R0)和共源共栅电流镜(M1、M2、M3、M4)。根据电路图可以知道V_GS6＝V_GS5+I_D6R₀。用饱和区电流公式解出V_GS6、V_GS5并带入可以得到如下关系：

$I=\frac{2}{u_n{c}_{\mathrm{ox}}k{(w/l)}_n}\frac{1}{{R_0}^2}{(\frac{1}{\sqrt{K}}-1)}^2$

其是与电源电压无关的一个基准电流。增加共源共栅电流镜可以在增加基准电流源的精度的同时有效增加电流源抗电压变化的能力。但该电路存在一个问题就是有可能出现死锁态——电路在传输零电流的时候也是系统的一个稳定状态。启动电路就是当电路出现死锁时使电路回到正常工作状态的。电路死锁时PMOS管M1、M2、M3、M4的栅电压很高且NMOS管M5、M6栅电压很低，都达不到阈值电压，致使电路关断。这时启动电路的PMOS管MS1也关断，由M3、M4管构成的反相器传输高电平打开MS5管。这样增加了一条额外的经过MS5管的对地通路，将M3、M4管进而是M1、M2的栅压拉低，是电路导通进而解除死锁状态。当M1、M2管导通，MS1管也导通。反相器传输低电平，MS5管关断，启动电路关闭。

基准电压产生电路可分为主体电路和供电电路。供电电路由NMOS管M7、M8构成。M7、M8管作为电流镜精确镜像基准电流产生电路所生成的基准电流为主体电路供电。同时它们也可以削弱因电源变化而给主体电路带来的影响。主体电路产生的是一个零温度系数的基准电压。设MP、MN管工作在饱和区则可以推导出基准电压输出的表达式为：

$V_{\mathrm{ref}}=(1+\frac{R_1}{R_2})V_{\mathrm{GSN}}-\left|V_{\mathrm{GSP}}\right|---\left(1\right)$

利用饱和区电流公式计算出V_GSN、与V_GSP并代入上式可得：

$V_{\mathrm{ref}}=(1+\frac{R_1}{R_2})[W_{\mathrm{thn}}+\sqrt{\frac{2\mathrm{MI}}{u_{n}c{\left(\frac{w}{l}\right)}_n}}]-\left|\right[V_{\mathrm{thp}}+\sqrt{\frac{2\mathrm{MI}}{u_{p}c{\left(\frac{w}{l}\right)}_p}}]|---\left(2\right)$

其中阈值电压V_GSN、V_GSP以及沟道电子迁移率u_N、u_p具有温度特性。对其可以采用如下模型进行精确建模：

V_thN(T)＝V_thN(T₀)-β_vthN(T-T₀)

|V_thP(T)|＝|V_thP(T₀)|-β_vthP(T-T₀)

u_n＝u_n(T₀)(T/T₀)-β_un

u_p＝u_p(T₀)(T/T₀)-β_up

将其带入表达式(2)并对其关于温度求导可以得到如下表达式：

$\frac{\∂V_{\mathrm{ref}}}{\∂T}=[-(1+\frac{R1}{R2}){\mathrm{\β}}_{\mathrm{vthn}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{vthp}}]+---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{\β}}_{u_p}}{T_0}\sqrt{\frac{2{\mathrm{MI}}_B\left(T_0\right)}{u_p\left(T_0\right)c_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{w}{l}\right)}_p}}\×[(1+\frac{R_1}{R_2})(\frac{1}{2}+\frac{1{\mathrm{\β}}_{u_n}}{2{\mathrm{\β}}_{u_p}})\sqrt{\frac{u_p\left(T_0\right){\left(\frac{w}{l}\right)}_P}{u_n\left(T_0\right){\left(\frac{w}{l}\right)}_n}}\×{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{up}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{un}}-2}{2}}-{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{up}}-1}]---\left(4\right)$

令(3)、(4)分别为零则可以推导出：

$\frac{R1}{R2}=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{vthp}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{vthn}}}-1---\left(5\right)$

$\frac{{\left(\frac{w}{l}\right)}_p}{{\left(\frac{w}{l}\right)}_n}=\frac{\frac{u_n\left(T_0\right)}{u_p\left(T_0\right)}{\left(\frac{T_r}{T_0}\right)}^{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{up}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{un}}}}{{\left(\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{vthp}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{vthn}}}\right)}^2{(\frac{1}{2}+\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{up}}}{2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{un}}})}^2}---\left(6\right)$

选择适宜的电阻和管子尺寸满足上述关系就可以得到一个零温度系数的基准电压输出。同时在满足上述条件的基础上，再通过调节工作电流和基准电压产生电路的电阻值，可以实现0.4v-1.0v的基准输出。

如图2、3、4所示，是本发明在0.13μm工艺条件下的模拟结果。可以看到，本发明的基准输出电压为0.715V。当温度由-25度到125度变化时，基准电压输出变化2.32mV，可计算出温度系数为21.6PPM；当电源电压由2.2V变化到3.5V时，输出基准变化2.2mV，可以计算得到输出线性度为0.256％。

Claims (1)

1.高精度非带隙基准电压产生电路，其特征在于：

由启动电路(1)，基准电流产生电路(2)，基准电压产生电路(3)构成；其中启动电路(1)由MOS管MS1、MS2、MS3、MS4和MS5组成，PMOS管MS1的源极和MS3的源极接电源，NMOS管MS2的源极、MS4的源极和MS5的源极接地，MS1管的栅极与基准电流产生电路(2)中M1管的栅极、漏极相连，MS1管的漏极与MS2管的栅极、MS3管的栅极、MS4管的栅极以及MS2管的漏极相连，MS3管的漏极与MS4管的漏极以及MS5管的栅极相连，MS5管的漏极与基准电流产生电路(2)中M3管的漏极、栅极以及M5管的漏极相连；基准电流产生电路(2)由PMOS管M1、M2、M3和M4，NMOS管M5、M6以及电阻R0构成，M1管的源极、M2管的源极接电源，M1管栅极、漏极短接并与M3管的源极、M2管的栅极、基准电压产生电路(3)中M7管栅极以及启动电路(1)中MS1管栅极相连，M2管的漏极与M4管的源极相连，M3管栅极、漏极短接并与M5管漏极、M4管的栅极以及基准电压产生电路(3)中M8管的栅极相连，M5管的源极连接电阻R0的一端，电阻R0的另一端接地，M6管栅极、漏极短接并与M5管的栅极以及M4管的漏极相连，M6管的源极接地；基准电压产生电路(3)包括PMOS管M7、M8、MP，NMOS管MN和电阻R1、R2，其中M7管的源极接电源，电阻R1的一端与M8管的漏极、MP管的源极相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和MN管的栅极相连，电阻R2的另一端接地，MN管的源极接地，M7管的漏极连接M8管的源极，MP管的栅极、漏极短接并与MN管的漏极连在一起后作为电路的输出。

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