CN102866723A - 一种低供电电压电流模基准电压源 - Google Patents

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马卓
杨方杰
李少青
郭阳
陈吉华
赵振宇
张民选
窦强
孙岩
乐大珩
何小威
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Abstract

本发明公开了一种基于向下电流补偿的电流模基准电压源，可工作于极低的电源电压下，且通过调节其中的器件参数可以改变基准电压源的输出电压。本发明公开的电流模基准电压源由补偿电流生成电路和基准电压生成电路组成。

Description

一种低供电电压电流模基准电压源
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，用于集成电路中基准电压的产生。具体涉及一种利用两个在一定工作温度范围内具有相同变化的电流相减来进行温度补偿的技术。
背景技术
电流/电压基准是各种电路行为的基础，基准电路的稳定性直接影响了整体电路的性能。随着集成电路复杂度的提高及低压低功耗设计的展开，基准电路通常需要在低供电电压下也能正常工作，并且还需要能够根据电路需求提供非标准输出基准电压。带隙电压基准是目前在集成电路中应用最广泛、发展最为成熟的基准电压源结构，在典型带隙电压基准中已经能够实现较小的温度系数和较高的稳定性。但就目前的带隙电压基准而言，以下两个显著的缺陷限制了其应用范围：
1.典型带隙电压基准的输出电压约为1.2V，这就限制了它的供电电压通常大于1.2V，而随着集成电路工艺的进步以及便携式消费电子产品的发展，集成电路的供电电压越来越低，典型带隙电压基准不再适用；
2.典型带隙电压基准的输出电压为固定值，而随着集成电路复杂度的提高，电路中经常需要用到不同于典型带隙输出电压的参考电压，因此缺乏足够的灵活性。
对于非带隙原理基准电压源，目前在集成电路中应用最广泛的是亚阈MOS基准电压源，这种基准电压源利用亚阈区MOS管的栅源电压代替了晶体三极管的发射结电压。目前，这种类型的电压模形式基准电压源已经有工作于0.6V供电电压的先例，但其输出电压仍然不可调节；而对于目前已有的电流模形式基准电压源，虽然输出电压可调，但其同时包含了PTAT(Proportional to Absolute Temperature)电流产生电路与CTAT(Complementary to AbsoluteTemperature)电流产生电路，电路结构十分复杂，电路中的各种非理想效应对它的影响也比对电压模基准电压源的影响更为严重。
发明内容
基准电压源是几乎所有大规模、超大规模集成电路中不可或缺的基本电路模块，如前文所述，在供电电压较低或是电路中需要非标准参考电压时，目前的基准电压源尚不完善。本发明公开了一种电流模基准电压源，其可在低至0.5V电源电压的情况下下工作，且通过调节电路中的器件参数可以调节基准电压源的输出电压。具体的技术思想可以表述为：
1.采用电流补偿代替电压补偿，使得输出电压可通过改变其中的器件参数进行调节；
2.根据PTAT/CTAT电流自适应的生成与原电流近似成线性变化的补偿电流，在工作温度范围内电流变化量相同但大小不同，通过将原PTAT/CTAT电流与补偿电流相减来得到零温度系数的电流。
本发明的技术优势在于：
1.最低供电电压可低至0.5V；
2.输出电压可调节，输出基准电压数值取决于电路器件的具体参数；
3.对PTAT/CTAT电流产生电路没有严格要求；
4.在亚阈技术的支持下，可以实现超低功耗。
附图说明
图1本发明公开的电流模基准电压源电路结构示意图；
图2与PTAT电流变化相同但电平大小不同的电流生成；
图3与温度无关的基准电流生成；
图4本发明公开的电流模基准电压源的一种具体应用；
图5图4中电路在0.5V供电电压下的输出结果。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明本发明公开的电流模基准电压源的结构和工作过程。详细的说明分两个方面展开，首先对本发明公开的电流模基准电压源部分的工作原理进行了介绍，然后给出一个简单应用示例及其实验结果。
本发明公开的电流模基准电压源如图1所示，全电路由补偿电流生成电路及基准电压生成电路两个部分组成，其中补偿电流产生电路需由外电路提供PTAT或CTAT电流。
补偿电流生成电路由三个PMOS管M1、M2、M4及电阻R1组成，其中M1的栅极、M2的栅极与基准电压生成电路中PMOS管M3的栅极相连并连接至M1的漏极，同时该电路节点还作为输出节点连接至外部的PTAT/CTAT电流源，M1的源极及M2的源极均接电源，M2的漏极与电阻R1的一端、M4的背栅相连，R1的另一端接地，M4的漏极和栅极均接地。
基准电压生成电路由PMOS管M3、电阻R2及电容C1组成，M3的源极接电源，M3的漏极与电阻R2的一端、电容C1的一端、M4的源极相连并作为基准电压输出端，R2的另一端接地，C1的另一端接地。
在图1所示电路中，当PTAT/CTAT电流输入端为PTAT电流时，M1、M2、M3形成电流镜，故M3中电流可用图2中的IPTAT来近似表示，IPTAT随温度增加近似成线性变化。如果M2、M4取适当尺寸且R1阻值合适，那么M4中的电流在其衬底输入电压及其自身的温度特性作用下可用图2中的ICOMP来近似表示，其中IPTAT与ICOMP在所需工作温度范围内电流变化量相同但大小不同(ΔIPTAT＝/ICOMP，IPTAT≠ICOMP)。因此，如图3所示，将IPTAT与ICOMP相减，即可得到与温度基本无关的电流IREF。因此，电阻R2上通过的电流近似为零温度系数，电阻R2上可生成与温度无关的基准电压。当PTAT/CTAT电流输入端为CTAT电流时，可以得到类似的结论。
图4为图1所示电路的一个不含高阶补偿的具体应用实例，图中未表示出启动电路，图4在图1的基础上增加了具体的PTAT电流产生电路，图4所示电路中M5、M6工作在亚阈区。图5为图4所示电路在0.5V供电电压下的实际输出结果，从图5可以看出，在未引入高阶补偿的情况下，图4所示电流模基准电压源在温度在-55℃至125℃变化时，输出电压变化约5mV。电路总功耗约0.65μW，M0、M1、M2所在支路电流均约为100nA，M3所在支路电流约为1μA。

Claims (1)

1.一种电流模基准电压源电路结构，包括：
利用与温度成正比的PTAT电流或与温度成反比的CTAT电流生成一个在一定温度范围内与前述PTAT/CTAT电流近似成线性变化的补偿电流，该补偿电流变化量与前述PTAT/CTAT电流相同，但大小不同，然后将前述的PTAT/CTAT电流与前述补偿电流相减得到与温度无关的零温度系数电流，再将此零温度系数电流施加至电阻得到与温度无关的基准电压；具体的电路形式包括补偿电流生成电路和基准电压生成电路；其中，补偿电流生成电路由三个PMOS管M1、M2、M4及电阻R1组成，其中M1的栅极、M2的栅极与基准电压生成电路中PMOS管M3的栅极相连并连接至M1的漏极，同时该电路节点还作为输出节点连接至外部的PTAT/CTAT电流源，M1的源极及M2的源极均接电源，M2的漏极与电阻R1的一端、M4的背栅相连，R1的另一端接地，M4的漏极和栅极均接地；基准电压生成电路由PMOS管M3、电阻R2及电容C1组成，M3的源极接电源，M3的漏极与电阻R2的一端、电容C1的一端、M4的源极相连并作为基准电压输出端，R2的另一端接地，C1的另一端接地。
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PB01 Publication
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