CN102915066B - 用于输出基准电压的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于输出基准电压的电路，所述用于输出基准电压的电路包括分别与外部电源连接的检测单元、反馈单元及输出单元，所述检测单元内置若干场效应管，且所述检测单元检测其内部场效应管的工艺角，所述反馈单元将检测单元的检测结果进行反馈比较并将反馈比较后的信息输出，所述输出单元将与所述场效应管工艺角对应的基准电压输出至外部输出端。本发明的用于输出基准电压的电路的输出基准电压能跟随场效应管工艺角变化，实现了对场效应管工艺角的补偿。

Description

用于输出基准电压的电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种用于输出基准电压的电路。

背景技术

用于输出基准电压的电路主要用于提供一种稳定的电压输出，且其输出电压常作为其他电路的参考。其中，用于输出基准电压的电路具有温度补偿，受电源、温度影响小，精度高等特点，从而在各电路结构中得到广泛的应用。

众所周知地，在用于输出基准电压的电路中包括有多个场效应管，但现有的用于输出基准电压的电路输出的电压通常不随场效应管工艺角变化而变化；而在一些特殊电路中，比如振荡器等，由于场效应管的工艺角对振荡器频率的影响很大，通常需要对工艺角进行补偿，使其输出较为恒定的频率，此时，现有的用于输出基准电压的电路不能满足要求。因此有必要提供一种输出电压能够跟随场效应管工艺角变化的用于输出基准电压的电路；此外，为了使输出电压不受温度的影响，所述电路应同时具有温度补偿。其中，场效应管工艺角为场效应管在制造过程中，由于在同一块晶元上的位置差别，或者不同批次的晶元之间，场效应管的参数会有所差异，称之为工艺角。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于输出基准电压的电路，所述用于输出基准电压的电路的输出基准电压能跟随场效应管工艺角变化，实现了对场效应管工艺角的补偿。

为实现上述目的，本发明提供一种用于输出基准电压的电路，所述用于输出基准电压的电路包括分别与外部电源连接的检测单元、反馈单元及输出单元，所述检测单元内置若干场效应管，且所述检测单元检测其内部场效应管的工艺角，所述反馈单元将检测单元的检测结果进行反馈比较并将反馈比较后的信息输出，所述输出单元将与所述场效应管工艺角对应的基准电压输出至外部输出端。

较佳地，所述检测单元包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管，所述第一场效应管的栅极和漏极接地，所述第一场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的漏极接地，所述第三场效应管的栅极与所述第四场效应管的栅极连接，所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的源极均与外部电源连接。

较佳地，所述反馈单元包括第一电阻、第五场效应管、第六场效应管及比较器，所述第一电阻的一端接地，另一端与所述第二场效应管的栅极连接，所述比较器的反向输入端与所述第二场效应管的源极及所述第四场效应管的漏极连接，所述比较器的正向输入端与所述第三场效应管的漏极及所述第一场效应管的源极连接，所述第五场效应管的栅极和漏极、所述第四场效应管的栅极、所述第六场效应管的漏极共同连接，所述第五场效应管的源极与外部电源连接，所述第六场效应管的栅极与所述比较器的输出端连接，所述第六场效应管的源极与所述第二场效应管的栅极连接。

较佳地，所述输出单元包括第七场效应管、第二电阻及第八场效应管，所述第七场效应管的栅极与所述第五场效应管的漏极和栅极及所述第六场效应管的漏极连接，所述第七场效应管的源极与外部电源连接，所述第七场效应管的漏极与所述第二电阻的一端及外部输出端共同连接，所述第二电阻的另一端与所述第八场效应管的源极连接，所述第八场效应管的漏极及栅极均接地。

较佳地，所述第一场效应管、所述第二场效应管、所述第八场效应管的沟道长度相等，且所述第一场效应管、所述第二场效应管及所述第八场效应管的阈值电压相等。

较佳地，所述第一场效应管、所述第二场效应管的沟道宽度相等，所述第八场效应管的沟道宽度为所述第一场效应管或第二场效应管的沟道宽度的k倍，其中k为正整数。

较佳地，所述第四场效应管、所述第五场效应管及所述第七场效应管的宽长比相等，且所述第三场效应管的宽长比为所述第四场效应管或所述第五场效应管或所述第七场效应管的宽长比的两倍。

较佳地，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第七场效应管及第八场效应管的电子迁移率及栅单位电容相等。

与现有技术相比，本发明用于输出基准电压的电路通过所述检测单元检测其内场效应管的工艺角，所述反馈单元将检测单元的检测结果进行反馈比较并将反馈比较后的信息输出，所述输出单元将与所述场效应管工艺角对应的基准电压输出至外部电路，从而使得输出的基准电压反应了场效应管工艺角的信息，也即是该基准电压能够跟随场效应管工艺角变化，实现了对场效应管工艺角的补偿，且输出的基准电压具有温度补偿，受温度影响小

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明用于输出基准电压的电路的结构框图。

图2为本发明用于输出基准电压的电路的电路原理图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种用于输出基准电压的电路，所述用于输出基准电压的电路的输出基准电压能跟随场效应管工艺角变化，实现了对场效应管工艺角的补偿。

请参阅图1，图1为本发明用于输出基准电压的电路的结构框图，如图所示，所述用于输出基准电压的电路包括分别与外部电源连接的检测单元、反馈单元及输出单元，所述检测单元用于检测场效应管工艺角并将检测结果输送至所述反馈单元，所述反馈单元用于将检测单元的检测结果进行反馈比较并将反馈比较后的信息输出至所述输出单元，所述输出单元将与所述场效应管工艺角对应的基准电压输出至外部输出端，并同时对输出的基准电压进行温度补偿。

具体地请再结合参阅图2，图2为本发明用于输出基准电压的电路的电路原理图。其中，所述外部电源为外部直流电源VCC。

所述检测电路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3及第四场效应管M4；所述第一场效应管M1的栅极和漏极及所述第二场效应管M2的漏极均与接地端GND连接，所述第三场效应管M3的源极及第四场效应管M4的源极均与外部电源VCC连接，所述第一场效应管M1的源极与第三场效应管M3的漏极连接，且定义所述第一场效应管M1的源极与第三场效应管M3的漏极的电压为V1,所述第二场效应管M2的源极与第四场效应管M4的漏极连接,且定义所述第二场效应管M2的源极与第四场效应管M4的漏极电压为V2，定义所述第二场效应管M2的栅极电压为V3。其中，所述第三场效应管M3为所述第一场效应管M1提供偏置电流，所述第四场效应管M4为所述第二场效应管M2提供偏置电流,从而所述第一场效应管M1与第二场效应管M2可产生两个不同的栅源电压;且所述第一场效应管M1的栅源电压即为V1（第一场效应管M1的栅极接地），所述第二场效应管M2的栅源电压即为V2-V3。

所述反馈单元包括第五场效应管M5、第六场效应管M6、第一电阻R1及比较器CMP；所述第二场效应管M2的栅极与所述第一电阻R1的一端连接，所述第五场效应管M5的栅极和漏极及所述第六场效应管M6的漏极均分别与所述第四场效应管M4的栅极及第三场效应管M3的栅极连接，所述第五场效应管M5的源极与外部电源VCC连接；所述第六场效应管M6的栅极与所述比较器CMP的输出端连接，所述第六场效应管M6的源极与所述第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻R1的另一端与接地端GND连接，所述第一电阻R1将电压V3转换成电流,以通过所述比较器CMP及第六场效应管M6为所述第三场效应管M3及第四场效应管M4提供偏置电流；而所述第六场效应管M6与所述比较器CMP强制使V1与V2的电压值相等，所述第五场效应管M5用于将所述第一电阻R1产出的电流按设计比例大小提供给所述第一场效应管M1及所述第二场效应管M2；所述比较器CMP的正向输入端分别与第三场效应管M3的漏极及第一场效应管M1的源极连接。从而通过所述反馈单元，使得V1与V2相等，所以V3即为所述第一场效应管M1与所述第二场效应管M2的栅源电压之差；可理解地，栅源电压之差包括场效应管工艺角信息，也即所述检测单元用于检测第一场效应管M1与第二场效应管M2的工艺角，且在电压V3内包含有第一场效应管M1与第二场效应管M2的工艺角信息。

所述输出单元包括第七场效应管M7、第二电阻R2及第八场效应管M8；所述第七场效应管M7的栅极与所述第六场效应管M6的漏极及所述第五场效应管M5的栅极连接，从而所述第六场效应管M6将所述第一电阻R1产出的电流按设计比例输出给所述第七场效应管M7，也即流过所述第七场效应管M7的电流中包含有工艺角信息，所述第七场效应管M7的源极与外部电源VCC连接，所述第七场效应管M7的漏极及所述第二电阻R2的一端与外部输出输出端OUT连接；所述第二电阻R2的另一端与所述第八场效应管M8的源极连接；所述第八场效应管M8的漏极及其栅极与接地端GND连接。其中所述第七场效应管M7为所述第八场效应管M8提供偏置电流，所述第二电阻R2将所述第七场效应管M7提供的电流转换成电压，并同时抵消掉第一电阻R1与第二电阻R2的工艺角带来的影响，所述第八场效应管M8提供阈值电压，并同时将所述第七场效应管M7提供的电流转换成电压，从而与所述第二电阻R2上产生的电压相加，以产生并输出基准电压，且基准电压通过外部输出端OUT输出。

在本发明的优选实施方式中，所述第一场效应管M1、第二场效应管M2及第八场效应管M8的沟道长度及阀值电压相等，且所述第一场效应管M1、所述第二场效应管M2的沟道宽度相等，而所述第八场效应管M8的沟道宽度为所述第一场效应管M1或第二场效应管M2的沟道宽度的k倍，其中k为正整数。另外，所述第四场效应管M4、所述第五场效应管M5及所述第七场效应管M7的宽长比相等，且所述第三场效应管M3的宽长比为所述第四场效应管M4或所述第五场效应管M5或所述第七场效应管M7的宽长比的两倍；其中，各个所述场效应管（M1-M8）中除第六场效应管M6外，其它各个场效应管的电子迁移率及栅单位电容相等。

本发明基准电压检测电路的工作原理如下所述：如图2，定义外部输出端OUT输出的基准电压为VREF，且定义第一场效应管M1的沟道长度为L1,第二场效应管M2的沟道长度为L2，第八场效应管M8的沟道长度为L8，也即L1=L2=L8；定义所述第一场效应管M1的沟道宽度为W1,第二场效应管M2的沟道宽度为W2，也即W1=W2，定义第八场效应管M8的沟道宽度为W8,则k*W2=k*W1=W8，其中k为正整数；定义所述第一场效应管M1、所述第二场效应管M2及所述第八场效应管M8的阈值电压为V_TH；定义第三场效应管M3的宽长比为(W/L)₃，定义第四场效应管M4的宽长比为(W/L)₄，定义第五场效应管M5的宽长比为(W/L)₅，定义第七场效应管M7的宽长比为(W/L)₇，即所述第三场效应管M3、所述第四场效应管M4、所述第五场效应管M5、所述第七场效应管M7的宽长比分别为0.5*(W/L)₃＝(W/L)₄＝(W/L)₅＝(W/L)₇；定义流过所述第一电阻R1的电流为IR，由于0.5*(W/L)₃＝(W/L)₄＝(W/L)₅＝(W/L)₇，则流过所述第三场效应管M3、所述第四场效应管M4、所述第五场效应管M5、所述第七场效应管M7的电流分别为2*IR、IR、IR、IR；定义up为上述所有场效应管（除第六场效应管M6外）的电子迁移率，Cox为上述所有场效应管（除第六场效应管M6外）的栅单位电容;

所述第一场效应管M1的栅源电压V_GS1为：

$V_{\mathrm{GS}1}=V1=V2=V_{\mathrm{TH}}+\sqrt{\frac{4*\mathrm{IR}}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{(W/L)}_1}}$

所述第二场效应管M2的栅源电压V_GS2为：

$V_{\mathrm{GS}2}=V2-V3=V_{\mathrm{GS}1}-V3=V_{\mathrm{TH}}+\sqrt{\frac{2*\mathrm{IR}}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{(W/L)}_2}}---\left(1\right)$

因V3=IR*R1，（1）式变为：

$V_{\mathrm{TH}}+\sqrt{\frac{4*\mathrm{IR}}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{(W/L)}_1}}-\mathrm{IR}*R1=V_{\mathrm{TH}}+\sqrt{\frac{2*\mathrm{IR}}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{(W/L)}_2}}---\left(2\right)$

因(W/L)₁=(W/L)₂，则由（2）式解得

$\mathrm{IR}=\frac{2*{(\sqrt{2}-1)}^2}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{(W/L)}_1*{R1}^2}$

由于VREF=IR*R2+V_GS8，得

$\mathrm{VREF}=V_{\mathrm{TH}}+\frac{2*{(\sqrt{2}-1)}^2}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{(W/L)}_1*{R1}^2}*R2+\sqrt{\frac{2*\mathrm{IR}}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{(W/L)}_8}}$

令(W/L)₈=k*(W/L)₁

$\mathrm{VREF}=V_{\mathrm{TH}}+\frac{2-\sqrt{2}}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}*{(W/L)}_1*R1}*(\frac{(2-\sqrt{2})*R2}{R1}+\frac{1}{k})---\left(3\right)$

令：

$\mathrm{\β}=\frac{2-\sqrt{2}}{{(W/L)}_1*R1}*(\frac{(2-\sqrt{2})*R2}{R1}+\frac{1}{k})$

则，（3）式变为：

$\mathrm{VREF}=V_{\mathrm{TH}}+\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{up}*\mathrm{Cox}}---\left(4\right)$

众所周知地，电子迁移率具有高阶负温特性，即在本发明中up具有高阶负温特性；且在（4）式中，则β/(Cox*up)为高阶正温特性，且各个场效应管的阀值电压具有一阶负温特性，即在本发明中V_TH为具有一阶负温特性的参数，故输出的基准电压VREF具有一阶温度补偿。同时，因为V_TH和Cox均是和场效应管工艺角相关的参数，且当场效应管分布于慢工艺角时，V_TH变大，同时Cox变小，即β/(Cox*up)也变大，其结果导致VREF变大；反之，当场效应管处于快工艺角时，V_TH变小，同时Cox变大，即β/(Cox*up)也变小，其结果导致VREF变小；由此可见，本发明用于输出基准电压的电路输出的基准电压VREF最终反映了第一场效应管M1与第二场效应管M2工艺角的情况。

综上，所述本发明的用于输出基准电压的电路不仅可以跟随场效应管工艺角的变化，如实反映场效应管的工艺角，同时还对输出端OUT的输出电压VREF进行了温度补偿，使其输出端OUT输出的基准电压VREF不受温度的影响。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种用于输出基准电压的电路，其特征在于，包括分别与外部电源连接的检测单元、反馈单元及输出单元，所述检测单元内置若干场效应管，且所述检测单元检测其内部场效应管的工艺角，所述反馈单元将检测单元的检测结果进行反馈比较并将反馈比较后的信息输出，所述输出单元将与所述场效应管工艺角对应的基准电压输出至外部输出端所述检测单元包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管，所述第一场效应管的栅极和漏极接地，所述第一场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的漏极接地，所述第三场效应管的栅极与所述第四场效应管的栅极连接，所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的源极均与外部电源连接；所述反馈单元包括第一电阻、第五场效应管、第六场效应管及比较器，所述第一电阻的一端接地，另一端与所述第二场效应管的栅极连接，所述比较器的反向输入端与所述第二场效应管的源极及所述第四场效应管的漏极连接，所述比较器的正向输入端与所述第三场效应管的漏极及所述第一场效应管的源极连接，所述第五场效应管的栅极和漏极、所述第四场效应管的栅极、所述第六场效应管的漏极共同连接，所述第五场效应管的源极与外部电源连接，所述第六场效应管的栅极与所述比较器的输出端连接，所述第六场效应管的源极与所述第二场效应管的栅极连接。

2.如权利要求1所述的用于输出基准电压的电路，其特征在于，所述输出单元包括第七场效应管、第二电阻及第八场效应管，所述第七场效应管的栅极与所述第五场效应管的漏极和栅极及所述第六场效应管的漏极连接，所述第七场效应管的源极与外部电源连接，所述第七场效应管的漏极与所述第二电阻的一端及外部输出端共同连接，所述第二电阻的另一端与所述第八场效应管的源极连接，所述第八场效应管的漏极及栅极均接地。

3.如权利要求2所述的用于输出基准电压的电路，其特征在于，所述第一场效应管、所述第二场效应管、所述第八场效应管的沟道长度相等，且所述第一场效应管、所述第二场效应管及所述第八场效应管的阈值电压相等。

4.如权利要求3所述的用于输出基准电压的电路，其特征在于，所述第一场效应管、所述第二场效应管的沟道宽度相等，所述第八场效应管的沟道宽度为所述第一场效应管或第二场效应管的沟道宽度的k倍，其中k为正整数。

5.如权利要求2所述的用于输出基准电压的电路，其特征在于，所述第四场效应管、所述第五场效应管及所述第七场效应管的宽长比相等，且所述第三场效应管的宽长比为所述第四场效应管或所述第五场效应管或所述第七场效应管的宽长比的两倍。

6.如权利要求2所述的用于输出基准电压的电路，其特征在于，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第七场效应管及第八场效应管的电子迁移率及栅单位电容相等。