CN102880215A - 一种低功耗低温度系数电压基准源 - Google Patents

一种低功耗低温度系数电压基准源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗低温度系数的电压基准源，涉及电源电压技术领域，包括补偿电流产生电路和一阶温度补偿电路,所述补偿电流产生电路的补偿电流由工作在亚阈区的NMOS管提供，一阶温度补偿电路由增强型NMOS管和耗尽型NMOS管组成，补偿电流产生电路与一阶补偿电路相连接，由补偿电流产生电路中工作在亚阈区的耗尽型NMOS管为一阶补偿电路引入补偿电流，从而输出低温度系数的基准电压。本发明通过在基准电压温度曲线上新增加一个零温度系数点，使得该基准模块具有很好的温度稳定性，同时，该电压基准源还具有低功耗等特点，可以工作在低电源电压下，并适用于模拟集成电路，高精度数模转换电路以及纯数字集成电路。

Description

一种低功耗低温度系数电压基准源
  
技术领域
    本发明涉及电源电压技术领域，确切地说涉及一种低功耗低温度系数电压基准源。 
背景技术
在模拟、数模混合、甚至纯数字电路中都需要高电源抑制比、低温度系数的高精度电压基准源。电压基准源的稳定性直接决定了电路性能的优劣。描述电压基准源稳定性的指标主要有：电源抑制比、温度系数等。为了满足电路在恶劣的外界温度环境下正常工作的要求以及提高电源利用效率，电压基准必须具有高的温度稳定性、高的电源抑制比和低功耗等特点。 
而针对电池供电器件中的基准电压模块，其特点须为：供电电压低、芯片面积小和提供低基准输出电压。传统的带隙基准源采用一阶温度补偿，主要靠负温度系数的 
Figure DEST_PATH_66555DEST_PATH_IMAGE001
和正温系数的
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE002
来实现。在忽略非线性的情况下，一阶温度系数通常限制在20-100ppm/℃。尽管高阶补偿技术的引用，可以改善其温度稳定性，但同时由于带隙基准的输出电压在1.25V左右，导致带隙基准源不可能在较低的供电电压下工作。带隙基准源，其电路结构的复杂度也阻碍了芯片面积的小型化和功耗的降低。 
发明内容
本发明为解决上述现有技术中所存在的基准源供电电压较高，提供的基准输出电压较高，功耗较高，结构较为复杂等技术问题，提出了一种低功耗低温度系数的电压基准源。 
本发明是通过采用下述技术方案实现的： 
一种低功耗低温度系数的电压基准源，包括补偿电流产生电路和一阶温度补偿电路,其特征在于：所述补偿电流产生电路的补偿电流由工作在亚阈区的NMOS管提供，一阶温度补偿电路由增强型NMOS管和耗尽型NMOS管组成，补偿电流产生电路与一阶补偿电路相连接，由补偿电流产生电路中工作在亚阈区的耗尽型NMOS管为一阶补偿电路引入补偿电流，从而输出低温度系数的基准电压。
所述补偿电流产生电路，包括耗尽型NMOS管MD1，增强型NMOS管ME0和ME1；其中，耗尽型NMOS管MD1的漏极接外接电源电压，耗尽型NMOS管MD1的栅极接地，耗尽型NMOS管MD1的源极、增强型NMOS管ME0的漏极和栅极与增强型NMOS管ME1的栅极相连并作为节点A，增强型NMOS管ME0的源极接地，增强型NMOS管ME1的源极接地，增强型NMOS管ME1的漏极作为节点
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
。 
所述一阶温度补偿电路，包括耗尽型NMOS管MD2，增强型NMOS管ME2。其中，耗尽型NMOS管MD2的漏极接电源电压；耗尽型NMOS管MD2的栅极和源极，增强型NMOS管ME2的栅极和漏极与增强型NMOS管的ME1的漏极相连接于节点
Figure DEST_PATH_214299DEST_PATH_IMAGE003
，增强型NMOS管ME2的源极接地。 
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果如下： 
1、本发明中，采用所述补偿电流产生电路的补偿电流由工作在亚阈区的NMOS管提供，一阶温度补偿电路由增强型NMOS管和耗尽型NMOS管组成，补偿电流产生电路与一阶补偿电路相连接，由补偿电流产生电路中工作在亚阈区的耗尽型NMOS管为一阶补偿电路引入补偿电流这样的结构方式，解决了现有技术中所存在的基准源供电电压较高，提供的基准输出电压较高，功耗较高，结构较为复杂等技术问题。具体地，通过在基准电压温度曲线上新增加一个零温度系数点，使得该基准模块具有很好的温度稳定性。由于该电压基准源结构简单，采用管子数目极少，因此不仅带来了功耗的降低，也实现了芯片面积的小型化和结构的简单化。同时，该结构不同于带隙基准，补偿电流产生电路以及一阶温度补偿电路电源到地的通路上，仅存在一个增强型NMOS管和一个耗尽型NMOS管，因此本发明基准源可以工作在低电源电压下，并提供较低的基准电压。本发明适用于模拟集成电路，高精度数模转换电路以及纯数字集成电路。
2、本发明中，所采用的补偿电流产生电路由工作在亚阈区的耗尽型NMOS管和两个工作在亚阈区的增强型NMOS管组成，其中耗尽型NMOS管和一个增强型NMOS管均工作在亚阈区，产生补偿电流。所产生的补偿电流被另外一个工作在亚阈区的增强型NMOS管镜像。所镜像的补偿电流与一阶补偿电路相结合，使得基准电压在温度较高时新增加了一个零温度系数点，从而提高了基准电压源的温度稳定性。与其他补偿电流产生电路相比，本发明中的补偿电流产生电路具有结构极其简单的特点。 
3、本发明中，所采用的一阶温度补偿电路由栅源短接的耗尽型NMOS管和二极管接法的增强型NMOS管组成，为基准源产生了一个零温度系数点。该一阶温度补偿电路与补偿电流产生电路相结合，使得该基准源在整个温度范围内，实现了更好的温度稳定性。与其他一阶温度补偿电路相比，本发明所涉及的一阶温度补偿电路具有结构及其简单的特点。 
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中： 
图1为本发明的低功耗低温度系数的电压基准源电路示意图；
图2为本发明的低功耗低温度系数的电压基准源不同供电电压的输出电压温度特性图；
图3为本发明的低功耗低温度系数的电压基准源电源抑制比特性图。
具体实施方式
实施例1 
作为本发明的一较佳实施方式，本发明公开了一种低功耗低温度系数的电压基准源，包括补偿电流产生电路和一阶温度补偿电路,所述补偿电流产生电路的补偿电流由工作在亚阈区的NMOS管提供，一阶温度补偿电路由增强型NMOS管和耗尽型NMOS管组成，补偿电流产生电路与一阶补偿电路相连接，由补偿电流产生电路中工作在亚阈区的耗尽型NMOS管为一阶补偿电路引入补偿电流，从而输出低温度系数的基准电压。
实施例2 
作为本发明的最佳实施方式，下面将结合说明书附图予以具体说明：
本发明所述低功耗低温度系数电压基准源电路示意图如图1所示。
其中，补偿电流产生电路，包括耗尽型NMOS管MD1，增强型NMOS管ME0、ME1。其中，耗尽型NMOS管MD1的漏极接外接电源电压，耗尽型NMOS管MD1的栅极接地，耗尽型NMOS管MD1的源极、增强型NMOS管ME0的漏极和栅极与增强型NMOS管ME1的栅极相连并作为节点A，增强型NMOS管ME0的源极接地，增强型NMOS管ME1的源极接地，增强型NMOS管ME1的漏极作为节点
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE004
。由于增强型NMOS管ME0的栅源电压
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE005
，导致耗尽型NMOS管MD1的栅源电压
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE006
，因此MD1和ME0工作在亚阈区。流过MD1和ME0的电流被ME1镜像倍后作为补偿电流
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE008
： 
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
A点电压
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
其中，为热电压，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE013
代表迁移率，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE015
分别代表器件沟道宽度和长度，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE016
为NMOS管阈值电压，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE017
为NMOS管与寄生电容相关的器件参数，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE018
为节点A的电压，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE019
为补偿电流，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE020
为镜像倍数，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE022
作为下标分别指代增强型NMOS管和耗尽型NMOS管。获得的补偿电流被用来调节基准电压在高温时向上的变化趋势，从而产生新的零温系数点。
一阶温度补偿电路，包括耗尽型NMOS管MD2，增强型NMOS管ME2。其中，耗尽型NMOS管MD2的漏极接电源电压，耗尽型NMOS管MD2的栅极和源极，增强型NMOS管ME2的栅极和漏极，与增强型NMOS管的ME1的漏极相连接于节点
Figure DEST_PATH_603649DEST_PATH_IMAGE003
。增强型NMOS管ME2的源极接地。由于流过MD2管的电流等于流过ME1管的电流
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE024
与流过ME2管的电流之和，即，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE025
；因此基准电压
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE026
可以表示为： 
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE027
其中，代表迁移率，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE030
分别代表器件沟道宽度和长度，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE031
为NMOS管阈值电压，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE032
为补偿电流，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE034
作为下标分别指代增强型NMOS管和耗尽型NMOS管。
上式中，第一项
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE035
在低温时起主要作用，基准电压随温度升高而呈下降趋势； 
上式中，第二项在高温时起主要作用；
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE037
，，、为常数；
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE041
，有；
因此，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE043
在高温时随温度升高有增大趋势；
而，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE044
在高温时随温度升高有下降趋势；
因此，最终显示的基准电压温度系数特性图中呈现了两个零温度系数点。
该发明仅由五个管子组成，补偿电流为亚阈区工作电流，因此该电压基准源功耗很低，芯片面积和设计复杂度也得到很大程度的降低。 
至此我们得到了低功耗，低温度系数的基准电压： 
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE045
图2为电压基准源不同供电电压的输出电压温度特性图。基于0.13μm的CMOS工艺提出的电压基准电路进行验证，获得了以下实验结果：3V电源电压下，温度在-40℃~120℃之间变化时，温度系数为4.48ppm/℃；2.5V电源电压下，温度在-40℃~120℃之间变化时，温度系数为4.45ppm/℃；2V电源电压下，温度在-40℃~120℃之间变化时，温度系数为4.44ppm/℃；1.2V电源电压下，温度在-40℃~120℃之间变化时，温度系数为5.36ppm/℃。
图3为电压基准源电源抑制比的特性图。基于0.13μm的CMOS工艺提出的电压基准电路进行验证，获得了以下实验结果：电源抑制比保持足够高，在100kHz处，电源抑制比为-52.8dB；在10MHz处，电源抑制比为-40dB。 
本发明的电压基准源，在基准电压温度曲线上新增加一个零温度系数点，具有很低的功耗和很好的温度稳定性，可以工作在低电源电压下，适用于模拟集成电路，高精度数模转换电路以及纯数字集成电路。 

Claims (3)

1.一种低功耗低温度系数的电压基准源，包括补偿电流产生电路和一阶温度补偿电路,其特征在于：所述补偿电流产生电路的补偿电流由工作在亚阈区的NMOS管提供，一阶温度补偿电路由增强型NMOS管和耗尽型NMOS管组成，补偿电流产生电路与一阶补偿电路相连接，由补偿电流产生电路中工作在亚阈区的耗尽型NMOS管为一阶补偿电路引入补偿电流。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗低温度系数的电压基准源，其特征在于：所述补偿电流产生电路，包括耗尽型NMOS管MD1，增强型NMOS管ME0和ME1；其中，耗尽型NMOS管MD1的漏极接外接电源电压，耗尽型NMOS管MD1的栅极接地，耗尽型NMOS管MD1的源极、增强型NMOS管ME0的漏极和栅极与增强型NMOS管ME1的栅极相连并作为节点A，增强型NMOS管ME0的源极接地，增强型NMOS管ME1的源极接地，增强型NMOS管ME1的漏极作为节点 
Figure DEST_PATH_366905DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求1或2所述的一种低功耗低温度系数的电压基准源，其特征在于：所述一阶温度补偿电路，包括耗尽型NMOS管MD2，增强型NMOS管ME2，其中，耗尽型NMOS管MD2的漏极接电源电压；耗尽型NMOS管MD2的栅极和源极，增强型NMOS管ME2的栅极和漏极与增强型NMOS管的ME1的漏极相连接于节点
Figure DEST_PATH_208959DEST_PATH_IMAGE004
，增强型NMOS管ME2的源极接地。
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