CN102096436B

CN102096436B - 采用mos器件实现的低压低功耗带隙基准电压源

Info

Publication number: CN102096436B
Application number: CN 201110061333
Authority: CN
Inventors: 方华军; 赵晓; 许军; 梁仁荣; 王敬
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: CN102096436A

Abstract

本发明公开了属于模拟集成电路设计领域的一种采用MOS器件实现的低压低功耗带隙基准电压源，采用CMOS工艺实现，包括一个产生与温度成正比例关系电流的电路、一个产生与温度成负比例关系电流的电路、温度二次补偿电路以及启动电路；产生与温度成正比例关系电流的电路通过一个电阻得到一个与温度成正比例的电压，同时产生与温度成负比例关系电流的电路也通过该电阻得到一个与温度成负比例的电压，两个电压相加得到一个与温度无关的基准电压；另外，温度二次补偿电路用来补偿基准电压源的高阶温度系数，从而得到更低的温漂系数；本发明具有低静态功耗；低温漂系数；同时还可以工作在低电压的环境中等诸多优点，进一步提高该电路的性能。

Description

采用MOS器件实现的低压低功耗带隙基准电压源

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计领域。特别涉及一种低压低功耗带隙基准电压源。

背景技术

20世纪年代以来，随着亚微米、超深亚微米技术的发展和系统芯片技术的日益成熟，采用电池供电的便携式电子产品获得了迅猛发展和快速普及。由于电池技术的发展远远跟不上与电子系统的发展，从心脏起搏器到助听器、移动电话和各种各样产品都对电子产品的供电电压提出了严格的限制。另一方面，随着器件尺寸不断的缩小，工艺的击穿电压也在降低，亦对电源电压提出了严格的限制。电子器件性能要求越来越高，开发周期越来越短，对开发与生产成本的制约也日趋严格，使低压模拟集成电路受到了极大的关注。

电压基准源是模拟电路中最重要的电路单元，广泛应用于模拟电路和混合信号处理电路中，如开关电容，模数、数模转换器等。但是由于晶体管的阈值电压并不随着特征尺寸的减小而线性减小，所以在低电压环境下，电压基准源的各项性能指标会大大减小。为了提高电压基准源的性能，降低基准源的温漂系数，降低基准源的功耗以适应各种低功耗环境，就必须对基准源的结构进行改进设计，这就促成了各种低压低功耗电压基准源的产生与发展。

近十年来，低压低功耗电压基准源已大量涌现，各大公司也纷纷推出自己相应的产品。其应用十分广泛，可用在DVD播放器、声卡、手机、系统、传感器等各种电路当中。与传统的带隙电压基准源相比，低压低功耗电压基准源主要具有以下几个特点：（1）使用更新的工艺以降低电源电压从而降低功耗。（2）应用各种低压电路结构。（3）使用工作在亚阈值区的MOS管作为获取正温度系数电流的结构。

传统的低压低功耗电压基准源的电路结构如图1所示。该传统基准源主要由一个运算发生器、双极性晶体管、电阻以及电流镜组成。运放通过串联电阻R2和R3来倍增电压，使得双极性晶体管Q1和Q2的电压相等，从而获得与温度成正比例关系的电流。该结构使得电源电压主要受限于运放输入管的栅源电压，从而降低了最低电源电压。但是，传统的低压低功耗电压基准源存在以下不足：

1.由于放大器的存在，其静态功耗高。

2.由于需要使用双极性晶体管，所以电路所占用的面积一般比较大。

3.由于受放大器最低工作电压的限制，基准源的最低工作电压不能降到很低。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种采用MOS器件实现的低压低功耗带隙基准电压源，其特征在于，包括一个产生与温度成正比例关系电流的电路、一个产生与温度成负比例关系电流的电路、温度二次补偿电路和启动电路和电压相加电路；

所述产生与温度成正比例关系电流的电路由PMOS管P1和P2组成的第一个电流镜、工作在亚阈值区的NMOS管N1、N2和电阻R1组成；

所述产生与温度成负比例关系电流的电路是由PMOS管P3和P4组成的第二电流镜、电流源管P6、放大管N3、N4和电阻R2组成；

所述温度二次补偿电路是由NMOS管N9和N10组成的第三电流镜、电流源管P9、工作在亚阈值区的PMOS管P11和电阻R6组成；

所述启动电路是由NMOS管N5、N6、N7、N8和PMOS管P7、P8组成；所述电压相加电路由PMOS管P5、P10和电阻R4、R5组成。

上述各电路连接关系：在与温度成正比例关系电流的电路中，NMOS管N1的漏极与NMOS管N2的栅极相连，同时N1的漏极与电阻R1相连，电阻R1的另一端回接到NMOS管N1的栅极，N1的栅极与电流镜管P1的漏极相接，同时P1的栅极与电流镜管P2的栅极和漏极相连，组成第一电流镜，该电流镜使得流经工作在亚阈值区的NMOS管N1、N2的电流相等，P2的漏极与NMOS管N2的漏极相连，第一个电流镜P1和P2的栅极连接于P10的栅极，P10的漏极连接于电阻R4的一端，电阻R1两端的电压是N1和N2的栅源电压之差，由于N1和N2都工作在亚阈值区，因此R1两端的电压与温度成正比例关系，流过R1的电流也是与温度成正比例的电流，该电流通过电流镜管P10的漏极取出；在与温度成负比例关系电流的电路中，NMOS管N4的栅极与电阻R2相连，P6的栅极与第一个电流镜P1和P2的栅极相连接，同时P4的栅极与电流镜管P3的栅极和漏极相连，组成第二个电流镜，其中NMOS管N3的漏极与第二个电流镜管P3和P4的栅极连接，P4的漏极与电阻R2相连接，第二个电流镜P3和P4的栅极与P5的栅极相连接，PMOS管P5的漏极连接于R4的一端，由于NMOS管N4的漏极与PMOS管P6的漏极相连，使得NMOS管N4工作在亚阈值区，N4的栅源电压与温度成负比例关系，该电压落在电阻R2上，因此流经R2的电流与温度成负比例关系，该电流通过电流镜PMOS管P5的漏极取出，其中NMOS管N3的漏极与电流镜管P3和P4的栅极连接构成负反馈回路，确保NMOS管N4工作在亚阈值区；温度二次补偿电路则是第一个电流镜P1和P2管通过栅极连接到P9的栅极，而P9的漏极则与第三个电流镜N9和N10相连接，P9的漏极与N10的漏极相连接，N9管的漏极与电阻R6相连接，同时N9的漏极与P11管的栅极相连接，P11管的漏极与R5相连接，通过电流源管P9的漏极以及电流镜N9和N10的漏极取出的与温度成正比例关系的电流，该电流流经R6取得一个与温度成正比例关系的电压，该电压使得PMOS管P11工作在亚阈值区，从而P11的源漏电流经过R5得到一个补偿带隙电压高阶温度系数的电压；另外的启动电路则是由NMOS管N5、N6、N7、N8和PMOS管P7、P8组成，N5的栅极连接到正电源，P8的漏极和N8的漏极连接构成一个反向器，该反相器的输出连接到N6的栅极上，N6的漏极与N5的源级相连接，同时P7的栅极连接于第一个电流镜P1和P2的栅极，P7的漏极与N7的漏极连接，N7的栅极与正电源相连接，同时P7和N7的漏极与P8和N8的栅极相连接；电压相加电路是由PMOS管P5、P10和电阻R4、R5组成，P10的栅极与第一个电流镜P1和P2的栅极相连接，P5的栅极与第二个电流镜P3和P4的栅极相连接，同时P10和P5的漏极相连接，再与电阻R4相连接，R4的另一端与R5相连接，再连接于P11的漏极；其中的各个MOS管采用常规MOS晶体管或采用高迁移率的应变硅MOS晶体管，以进一步提高该电路的性能。

所述电流镜管P1和P2尺寸大小是一致的。

本发明的有益效果是这种新型的低压低功耗带隙基准电压源与传统设计的基准电压源相比具有低静态功耗；低温漂系数；同时还可以工作在低电压的环境中等诸多优点。

附图说明：

图1为传统的低压基准电压源的电路结构图。

图2为本发明的新型的低压低功耗带隙基准电压源的电路结构图。

具体实施方式：

本发明提出的采用MOS器件实现的低压低功耗带隙基准电压源，其一种实施方式为采用CMOS工艺实现。如图2所示，主要包括一个产生与温度成正比例关系电流的电路、一个产生与温度成负比例关系电流的电路、温度二次补偿电路和启动电路和电压相加电路；所述产生与温度成正比例关系电流的电路由PMOS管P1和P2组成的第一个电流镜、工作在亚阈值区的NMOS管N1、N2和电阻R1组成；所述产生与温度成负比例关系电流的电路是由PMOS管P3和P4组成的第二电流镜、电流源管P6、放大管N3、N4和电阻R2组成；所述温度二次补偿电路是由NMOS管N9和N10组成的第三电流镜、电流源管P9、工作在亚阈值区的PMOS管P11和电阻R6组成；所述启动电路是由NMOS管N5、N6、N7、N8和PMOS管P7、P8组成；所述电压相加电路是由PMOS管P5、P10和电阻R4、R5组成。

如图2所示，在与温度成正比例关系电流的电路中，NMOS管N1的漏极与NMOS管N2的栅极相连，同时N1的漏极与电阻R1相连，电阻R1的另一端回接到NMOS管N1的栅极，N1的栅极与电流镜管P1的漏极相接，同时P1的栅极与电流镜管P2的栅极和漏极相连，组成第一电流镜，该电流镜使得流经工作在亚阈值区的NMOS管N1、N2的电流相等，P2的漏极与NMOS管N2的漏极相连，第一个电流镜P1和P2的栅极连接于P10的栅极，P10的漏极连接于电阻R4的一端，电阻R1两端的电压是N1和N2的栅源电压之差，由于N1和N2都工作在亚阈值区，因此R1两端的电压与温度成正比例关系，流过R1的电流也是与温度成正比例的电流，该电流通过电流镜管P10的漏极取出；在与温度成负比例关系电流的电路中，NMOS管N4的栅极与电阻R2相连，P6的栅极与第一个电流镜P1和P2的栅极相连接，同时P4的栅极与电流镜管P3的栅极和漏极相连，组成第二个电流镜，其中NMOS管N3的漏极与第二个电流镜管P3和P4的栅极连接，P4的漏极与电阻R2相连接，第二个电流镜P3和P4的栅极与P5的栅极相连接，PMOS管P5的漏极连接于R4的一端，由于NMOS管N4的漏极与PMOS管P6的漏极相连，使得NMOS管N4工作在亚阈值区，N4的栅源电压与温度成负比例关系，该电压落在电阻R2上，因此流经R2的电流与温度成负比例关系，该电流通过电流镜PMOS管P5的漏极取出，其中NMOS管N3的漏极与电流镜管P3和P4的栅极连接构成负反馈回路，确保NMOS管N4工作在亚阈值区；温度二次补偿电路则是第一个电流镜P1和P2管通过栅极连接到P9的栅极，而P9的漏极则与第三个电流镜N9和N10相连接，P9的漏极与N10的漏极相连接，N9管的漏极与电阻R6相连接，同时N9的漏极与P11管的栅极相连接，P11管的漏极与R5相连接，通过电流源管P9的漏极以及电流镜N9和N10的漏极取出的与温度成正比例关系的电流，该电流流经R6取得一个与温度成正比例关系的电压，该电压使得PMOS管P11工作在亚阈值区，从而P11的源漏电流经过R5得到一个补偿带隙电压高阶温度系数的电压；另外的启动电路则是由NMOS管N5、N6、N7、N8和PMOS管P7、P8组成，N5的栅极连接到正电源，P8的漏极和N8的漏极连接构成一个反向器，该反相器的输出连接到N6的栅极上，N6的漏极与N5的源级相连接，同时P7的栅极连接于第一个电流镜P1和P2的栅极，P7的漏极与N7的漏极连接，N7的栅极与正电源相连接，同时P7和N7的漏极与P8和N8的栅极相连接；电压相加电路是由PMOS管P5、P10和电阻R4、R5组成，P10的栅极与第一个电流镜P1和P2的栅极相连接，P5的栅极与第二个电流镜P3和P4的栅极相连接，同时P10和P5的漏极相连接，再与电阻R4相连接，R4的另一端与R5相连接，再连接于P11的漏极；其中的各个MOS管采用常规MOS晶体管或采用高迁移率的应变硅MOS晶体管，以进一步提高该电路的性能。

所述电流镜管P1和P2尺寸大小是一致的，考虑到沟道长度调制效应，在本实施例中，电流镜P1和P2的宽长比设置为3/1μm，但是只要保持P1和P2尺寸相等，效果都是等同的。同时，工作在亚阈值区的NMOS管N2的尺寸应该是NMOS管N1的2.5倍，在本实施例中，N2的宽长比设置为为5/1，N1的宽长比设置为2/1，其它设置亦可，只要保持尺寸比例在2.5倍。另外，在本发明中，电阻R1的阻值可以设置为30K到80K之间，电阻R2的阻值设置为100K到500K之间，电阻R6的阻值设置为50K到300K之间。

在本发明中，存在两条电流路径，同时两条路径的电流大小是相等的，因此工作在亚阈值区的NMOS管N1和N2的电流可以达到非常小，本实施例中的基准电压源的电流大小为7.2μA。另外，由于NMOS管N1和N2工作在亚阈值区，所以电源电压可以达到非常低，本发明的基准电压源的电源电压可以达到0.8V。因此，该基准电压源的功耗仅为5.76μW，远远低于目前所应用的基准电压源的功耗。

由该设计实例可以看出，本发明的低压低功耗带隙基准电压源可以达到非常低的静态功耗。另外本发明的基准源可以达到较低的温漂系数，因此在低压低功耗要求的环境下，该基准源非常适合。

Claims

1.一种采用MOS器件实现的低压低功耗带隙基准电压源，其特征在于包括一个产生与温度成正比例关系电流的电路、一个产生与温度成负比例关系电流的电路、温度二次补偿电路、启动电路和电压相加电路；

所述启动电路是由NMOS管N5、N6、N7、N8和PMOS管P7、P8组成；所述电压相加电路是由PMOS管P5、P10和电阻R4、R5组成。

上述各电路连接关系：在与温度成正比例关系电流的电路中，NMOS管N1的漏极与NMOS管N2的栅极相连，同时N1的漏极与电阻R1相连，电阻R1的另一端回接到NMOS管N1的栅极，N1的栅极与电流镜管P1的漏极相接；同时P1的栅极与电流镜管P2的栅极和漏极相连，组成的第一个电流镜，P2的漏极与NMOS管N2的漏极相连，第一个电流镜管P1和P2的栅极连接于P10的栅极，P10的漏极连接于电阻R4的一端，在与温度成负比例关系电流的电路中，NMOS管N4的栅极、PMOS管P4的漏极和电阻R2的一端连接在一起，R2的另一端与N4的源极、N3的源极连接在一起； NMOS管N4的漏极与PMOS管P6的漏极相连，P6的栅极与第一个电流镜管P1和P2的栅极相连接，同时P4的栅极与电流镜管P3的栅极和漏极相连，组成第二电流镜，其中NMOS管N3的漏极与第二电流镜管的P3和P4的栅极连接， NMOS管N3的栅极与NMOS管N4 的漏极、PMOS管P6的漏极相连，第二电流镜管的P3和P4的栅极与P5的栅极相连接，PMOS管P5的漏极连接于R4的一端；温度二次补偿电路则是第一个电流镜P1和P2管通过栅极连接到P9的栅极，而P9的漏极则与第三个电流镜N9和N10相连接，P9的漏极与N10的漏极相连接， N9的漏极与电阻R6相连接，同时N9的漏极与P11管的栅极相连接，P11管的漏极与R5相连接；另外的启动电路则是由NMOS管N5、N6、N7、N8和PMOS管P7、P8组成，N5的栅极连接到正电源，N5的漏极连接于P7的栅极，P8的漏极和N8的漏极连接，P8和N8的栅极连接构成一个反相器，反相器的输出P8和N8管连接到N6的栅极上，N6的漏极与N5的源极相连接，同时P7的栅极连接于第一个电流镜管P1和P2的栅极，P7的漏极与N7的漏极连接，N7的栅极与正电源相连接，同时P7和N7的漏极与P8和N8的栅极相连接；电压相加电路是由PMOS管P5、P10和电阻R4、R5组成，P10的栅极与第一个电流镜P1和P2的栅极相连接，P5的栅极与第二电流镜P3和P4的栅极相连接，同时P10和 P5的漏极相连接，再与电阻R4连接， R4的另一端与R5和P11的漏极共同连接在一起；其中的各个MOS管采用常规MOS晶体管或采用高迁移率的应变硅MOS晶体管，以进一步提高该电路的性能。

2.根据权利要求1所述的低压低功耗带隙基准电压源，其特征在于，所述P1和P2尺寸大小是一致的。