CN102385409B - 同时提供零温度系数电压和电流基准的vgs/r型基准源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时提供零温度系数电压和电流基准的V_GS/R型基准源，涉及CMOS集成电路技术，包括两个PMOS管，两个NMOS管，一个负温度系数电阻和一个正温度系数电阻。本发明的V_GS/R型基准源电路，在传统的V_GS/R型电路的基础上增加了一个正温度系数的电阻。相比于传统的V_GS/R型基准源电路只可以提供一个恒电流基准，改进的电路除了可提供一个恒电流基准外，还可以同时提供一个零温度系数的恒电压基准。同时，该改进结构不增加任何功耗，且结构简单，功耗低，版图面积小。

Description

同时提供零温度系数电压和电流基准的VGS/R型基准源

技术领域

本发明涉及CMOS集成电路技术领域，是一种可同时提供零温度系数电压基准和零温度系数电流基准的V_GS/R型基准源电路。 

背景技术

基准源电路是为模拟电路系统提供电压或者电流基准工作点的电路，是模拟电路系统中重要的模块之一。从温度系数上，基准可分为零温度系数基准，正温度系数(PTAT，Proportional To AbsoluteTemperature)基准，负温度系数(CTAT，Complementary To AbsoluteTemperature)基准。从基准属性上，又可以分为电压基准和电流基准。其中，零温度系数的电流基准(又称恒电流基准)和零温度系数的电压基准(又称恒电压基准)的特性由于不随温度改变而改变，是模拟电路系统中常常选用的基准。 

CMOS工艺可以提供的电阻中，有些为正温度系数，如未硅化的多晶硅电阻；有些为负温度系数，如硅化的多晶硅电阻。 

V_GS/R型基准源电路由于其结构简单，功耗电流低，版图面积小而被广泛应用于无线射频识别标签(RFID，Radio FrequencyIDentification)等低功耗、低成本领域。传统的V_GS/R型基准源电路可以提供一种零温度系数电流基准、一种CTAT电压基准和一种PTAT电压基准。图1为传统的V_GS/R型基准源电路原理图。PM1和PM2尺寸相同，构成电流镜。流过R_CTAT的电流和流过NM1的电流相等，设为I_REF。假设NM1工作在饱和状态，则： 

$I_{\mathrm{REF}}{R}_{\mathrm{CTAT}}=V_{T1}+\sqrt{\frac{{2I}_{\mathrm{REF}}}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_1}}---\left(1\right)$

其中，R_CTAT代表电阻R_CTAT的阻值，V_T1代表NM1的阈值电压， μ_n代表电子迁移率，C_ox代表栅极金属-氧化物单位面积电容率。(W/L)₁代表NM1的宽长比。对(1)式两边求导：可得， 

$\frac{\∂I_{\mathrm{REF}}}{\∂T}\·R_{\mathrm{CTAT}}+\frac{\∂R_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T}\·I_{\mathrm{REF}}$

$=\frac{\∂V_{T1}}{\∂T}+\sqrt{\frac{1}{2{\mathrm{\μ}}_n{C}_{0x}{(W/L)}_1{I}_{\mathrm{REF}}}}\·\frac{\∂I_{\mathrm{REF}}}{\∂T}-\sqrt{\frac{1}{2{{\mathrm{\μ}}_n}^3{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_1}}\·\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_n}{\∂T}---\left(2\right)$

(2)式第三项相比于其他项较小，可以忽略。要得到一个零温度系数的电流基准I，即 

时，由(2)式可得： 

$\frac{\∂R_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T}\·I_{\mathrm{REF}}=\frac{\∂V_{T1}}{\∂T}---\left(3\right)$

即当R_CTAT和V_T1满足(3)式时，I_REF为零温度系数。且从(1)式可以看出，电流基准的值与电源电压无关。电流基准的大小等于NM1的栅源电压值V_GS除以电阻值R。所以此基准源电路被称为V_GS/R型基准源电路。如果忽略高阶温度系数，NMOS管的阈值电压为负温度系数，为了得到一个零温度系数的电流基准，电阻R_CTAT应选用负温度系数电阻。零温度系数电流流过负温度系数电阻，可以得到图1中的负温度系数电压基准V_CTAT。同时，PMOS的栅极偏置点也可以提供一个正温度系数的电压基准V_PTAT.总之，传统的V_GS/R型基准源电路可以提供一个恒电流基准I_REF、一个PTAT电压基准和一个CTAT电压基准。 

传统的V_GS/R型基准源电路只能提供一个零温度系数基准：恒电流基准。在实际应用中，很多模拟电路系统既需要恒电流基准，又需要恒电压基准。为了实现此目的，模拟系统中经常采用两个基准源电路，一个提供零温度系数基准电压，一个提供零温度系数基准电流。或者采用图2的方式，引出一支恒电流基准，让其流过由PTAT电阻和CTAT电阻串联而成的零温度系数电阻，得到一个恒电压基准。然而，这两种方法都增加了大量的功耗电流和版图面积。 

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的V_GS/R型基准源电路，既能提供传统V_GS/R型基准源电路所能提供的零温度系数电流基准，CTAT电压基准和PTAT电压基准，又能提供一种零温度系数电压基准。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术解决方案： 

一种改进的V_GS/R型基准源电路，用于无线射频识别标签(RFID)，包括两个PMOS管PM1、PM2，两个NMOS管NM1、NM2，一个负温度系数电阻R_CTAT； 

PM1管的源极和PM2管的源级接VDD；PM1管的漏极分别接NM1管的漏极和NM2管的栅极；PM1管的栅极分别接PM2管的栅极和漏极，及NM2管的漏极；NM1管的栅极接负温度系数电阻R_CTAT的一端，NM1管的源极分别接负温度系数电阻R_CTAT的另一端和地；其还包括一个正温度系数电阻R_PTAT；其中， 

NM2管的源极接正温度系数电阻R_PTAT的一端，正温度系数电阻R_PTAT的另一端接NM1管栅极和负温度系数电阻R_CTAT一端的接点。 

所述的改进的V_GS/R型基准源电路，其电路的输出基准电压V_REF写为： 

V_REF＝I_REF·(R_CTAT+R_PTAT)    (5) 

当 $\frac{\∂R_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T}=-\frac{\∂R_{\mathrm{PTAT}}}{\∂T}$ 时， 

$\frac{\∂V_{\mathrm{REF}}}{\∂T}=I_{\mathrm{REF}}(\frac{\∂R_{\mathrm{PTAT}}}{\∂T}+\frac{\∂R_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T})=0---\left(6\right)$

V_REF为零温度系数的恒电压基准。 

本发明改进的V_GS/R型基准源电路，结构简单，功耗低，版图面积小，适用于低功耗，低成本领域。与传统的V_GS/R型基准源电路相比，本发明的改进电路在不额外增加功耗的同时多提供了一个恒电压基准。与其他的同时实现恒电压基准和恒电流基准输出的方法相比， 更具有优越性，解决了现有技术存在的问题。 

附图说明

图1：传统的V_GS/R型基准源电路； 

图2：传统的同时提供恒电压基准和恒电流基准的基准电路； 

图3：本发明的一种改进的V_GS/R型基准源电路示意图； 

图4：本发明实施例电路的输出电流基准的温度特性曲线； 

图5：本发明实施例电路的输出电压基准的温度特性曲线； 

图6：为以本发明的基准源电路构建的弛豫式振荡器电路图。 

具体实施方式

图3为本发明的一种改进的V_GS/R型基准源电路原理图。PM1和PM2尺寸相同，构成电流镜。R_CTAT的上端与NM1的栅极相连。与传统的V_GS/R型基准源电路相比，改进的电路在NM2的源级与NM1的栅极之间增加一个正温度系数的电阻R_PTAT。 

同传统的V_GS/R型基准源电路一样，当下式满足时： 

$\frac{\∂R_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T}\·I_{\mathrm{REF}}=\frac{\∂V_{T1}}{\∂T}---\left(4\right)$

电路输出的电流基准I_REF为恒电流基准。R_CTAT的上端可以提供一种负温度系数的电压基准。PMOS的栅极偏置电压是一种正温度系数的电压基准。此电路的输出基准电压V_REF可以写为： 

V_REF＝I_REF·(R_CTAT+R_PTAT)    (5) 

当 $\frac{\∂R_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T}=-\frac{\∂R_{\mathrm{PTAT}}}{\∂T}$ 时， 

$\frac{\∂V_{\mathrm{REF}}}{\∂T}=I_{\mathrm{REF}}(\frac{\∂R_{\mathrm{PTAT}}}{\∂T}+\frac{\∂R_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T})=0---\left(6\right)$

V_REF为零温度系数的恒电压基准。即改进的V_GS/R型基准源电路即可以提供零温度系数的电流基准I_REF，又可以提供零温度系数的电压基准V_REF。 

实施例： 

下面举一个具体实现的例子： 

本发明示例电路采用Charted 0.13μm工艺。电路结构如图3所示，电源电压为1.2V。仿真结果表明，示例电路功耗电流仅为188nA。 

图4为本发明示例电路的电流基准I_REF的温度特性曲线。在0-100℃的变化范围，示例电路输出电流基准变化了0.21nA，变化范围为0.25％。 

图5为本发明示例电路输出的电压基准V_REF的温度特性曲线。在0-100℃的变化范围内，示例电路输出电压基准的变化范围为6.5mV，变化范围为1.1％。 

从图4和图5可以看出，本发明示例电路即可以输出恒电流基准，又可以同时输出恒电压基准。 

应用举例： 

下面举一个本发明电路在模拟电路系统中的应用实例： 

图6是一个常用于RFID等低功耗领域的弛豫式RC振荡器电路。常用来为系统提供时钟信号等。它的工作原理如下：假设初始时C1处于充电状态，C1电压不断升高，当C1电压高于基准电压时，比较器输出状态改变，从而SR触发器输出状态改变，连接C2的PMOS管导通，C2开始充电，而连接C1的PMOS管关闭，NMOS管导通，C1对地放电；C2充电到基准电压后，电路状态再次发生改变，C1充电，C2放电。如此反复，由SR触发器控制电容C1和C2交替充放电，产生振荡信号。 

振荡周期的稳定性是判断振荡器电路性能的一项重要指标。图6所示振荡器振荡周期由充电时间，即C*Vref/Iref决定。而Vref和Iref均由V_GS/R型基准源电路提供。传统的方法采用图1中的I_REF作为电流基准，图1中的V_CTAT作为电压基准，连接图6中的Vref。这样，振荡周期由C*V_CTAT/I_REF，即由图6振荡器电路的电容值C和图1基准源电路的负温度系数电压基准和恒电流基准的比值V_CTAT/I_REF决定。V_CTAT/I_REF会随着温度的变化而变化，从而振荡器的振荡周期会 随着温度的改变而变化。 

如果采用本发明的基准源电路为振荡器电路提供恒电压基准V_REF和恒电流基准I_REF。那么，V_REF/I_REF在整个温度范围内保持恒定。振荡周期随温度的变化仅与振荡器电路的电容的温度特性有关，变化幅度会显著减小。 

Claims (1)

1.一种同时提供零温度系数电压和电流基准的V_GS／R型基准源，用于无线射频识别标签，包括两个PMOS管(PM1、PM2)，两个NMOS管(NM1、NM2)，一个负温度系数电阻(R_CTAT)；

PM1管的源极和PM2管的源级接VDD；PM1管的漏极分别接NM1管的漏极和NM2管的栅极；PM1管的栅极分别接PM2管的栅极和漏极，及NM2管的漏极；NM1管的栅极接负温度系数电阻(R_CTAT)的一端，NM1管的源极分别接负温度系数电阻(R_CTAT)的另一端和地；其特征在于，还包括一个正温度系数电阻(R_PTAT)；其中，

NM2管的源极接正温度系数电阻(R_PTAT)的一端，正温度系数电阻(R_PTAT)的另一端接NM1管栅极和负温度系数电阻(R_CTAT)一端的接点；

其中，电路的输出基准电压V_REF：

V_REF=I_REF·(R_CTAT+R_PTAT)   (5)

其中，V_REF是本发明电路的输出电压，I_REF为本发明电路的输出电流；R_CTAT和R_PTAT分别代表本发明电路中R_CTAT和R_PTAT电阻的阻值；

当 $\frac{{\∂R}_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T}=-\frac{{\∂R}_{\mathrm{PTAT}}}{\∂T}$ 时，

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{REF}}}{\∂T}=I_{\mathrm{REF}}(\frac{{\∂R}_{\mathrm{PTAT}}}{\∂T}+\frac{{\∂R}_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T})=0---\left(6\right)$

V_REF为零温度系数的恒电压基准；

当负温度系数电阻(R_CTAT)与NM1管满足下式：

$\frac{{\∂R}_{\mathrm{CTAT}}}{\∂T}\·I_{\mathrm{REF}}=\frac{{\∂V}_{T1}}{\∂T}$

且负温度系数电阻(R_CTAT)与正温度系数电阻(R_PTAT)满足式(6)时，在正温度系数电阻(R_PTAT)与NM1管的连接端能够产生一零温度系数的电压基准。

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