CN102981550A - 一种低压低功耗cmos电压源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低压低功耗CMOS电压源，包括电流源和电压输出级，电流源提供一个与第一电阻成反比，与温度成正比的电流，该电流镜像到电压输出级，产生一个与第二电阻与第一电阻的比值成正比，与温度成正比的电压，该电压为该CMOS电压源的输出电压，由于电流源和电压输出级中的所有管子采用MOS管，可以与CMOS工艺兼容，所有MOS管工作于亚阈值区，该CMOS电压源的工作电压低。该CMOS电压源的输出电压与第二电阻和第一电阻的比值成正比，可以通过调节第一电阻和/或第二电阻的阻值来调节输出电压的大小。由于该CMOS电压源的输出电压与温度成正比，即输出电压可以感应温度的变化。因此，应用于对温度进行调控的场合。

Description

一种低压低功耗CMOS电压源

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种低压低功耗CMOS电压源。

背景技术

电压源是集成电路中非常重要的基本电路之一，它为芯片中其他模块的正常工作提供必需的偏置电压，因此它的性能也很大程度上影响了芯片的整体性能。

随着微电子制造工艺技术的发展，芯片的功耗和面积都在大幅度降低，进而对电压源提出的设计挑战也越来越高。因此新型电压源应该能够工作在超低的电源电压下，并且占用较小的芯片面积，同时消耗很小的电源功率，具有与标准CMOS工艺兼容的能力。

但是目前广泛应用的电压源，结构比较复杂，功耗高，占用面积大，制造成本高；有些甚至需要在BiCMOS的工艺下实现，不能与标准CMOS工艺兼容。

另外，在深亚微米工艺下，电路工作的电源电压一般低于1V，传统的带隙基准电压源输出电压较高，一般带隙基准电压源是由三极管制作的，并不能满足工作电压低这一要求。因此，如何设计得到一种结构简单、工作电压低、占用芯片面积小，并且能够完全与标准CMOS工艺兼容的低功耗电压源是本领域技术人员需要解决技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低压低功耗CMOS电压源，工作电压低、占用芯片面积小，并且能够与标准CMOS工艺兼容。

本发明实施例提供一种低压低功耗CMOS电压源，包括：电流源和电压输出级；

所述电流源包括电流镜、第一NMOS管、第二NMOS和第一电阻，所述电流镜、第一NMOS管和第二NMOS管中的所有MOS晶体管工作于亚阈值区；所述第二NMOS管的漏极连接所述电流镜的第一端；所述第一NMOS管的漏极连接第一NMOS管的栅极和所述电流镜的第二端；所述第一NMOS管的栅极连接第二NMOS管的栅极；第一NMOS管的源极接地，第二NMOS管的源极通过所述第一电阻接地；该电流源产生的电流与所述第一电阻成反比，与温度成正比；

所述电压输出级包括第二组MOS晶体管和第二电阻，所述第二组MOS晶体管均工作于亚阈值区；所述电流源为电压输出级提供电流，所述第二电阻与所述电流的乘积为该CMOS电压源的输出电压。

优选地，所述电流镜包括：第一PMOS管和第二PMOS管；

所述第一PMOS管的栅极连接第二PMOS管的栅极，所述第一PMOS管的源极连接第二PMOS管的源极并连接电源；

所述第二PMOS管的栅极和漏极连接在一起作为该电流镜的第一端，所述第一PMOS管的漏极作为该电流镜的第二端。

优选地，所述第二组MOS管包括第三PMOS管；

所述第三PMOS管的栅极连接所述第二PMOS管的栅极，第三PMOS管的源极连接所述电源；

所述第三PMOS管的漏极通过所述第二电阻接地；

所述第三PMOS管的漏极为该CMOS电压源的电压输出端。

优选地，所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的宽长比相同。

优选地，所述第一电阻和第二电阻的类型相同。

优选地，所述第一电阻和第二电阻均为多晶硅电阻。

优选地，所述第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比为1：M。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例提供的低压低功耗CMOS电压源，包括电流源和电压输出级，其中电流源提供一个与第一电阻成反比，与温度成正比的电流，该电流镜像到电压输出级，产生一个与第二电阻与第一电阻的比值成正比，与温度成正比的电压，该电压为该CMOS电压源的输出电压，由于电流源和电压输出级中的所有管子采用MOS管，所以可以与CMOS工艺兼容，并且所有MOS管工作于亚阈值区，所以该CMOS电压源的工作电压低。由于该CMOS电压源的输出电压与第二电阻和第一电阻的比值成正比，因此，可以通过调节第一电阻和/或第二电阻的阻值来调节输出电压的大小。另外，由于该CMOS电压源的输出电压与温度成正比，即输出电压可以感应温度的变化。因此，可以应用于对温度进行调控的场合。

附图说明

图1是本发明提供的低压低功耗CMOS电压源实施例一示意图；

图2是本发明提供的低压低功耗CMOS电压源实施例二电路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图1，该图为本发明提供的低压低功耗CMOS电压源实施例一示意图。

本实施例提供的低压低功耗CMOS电压源，包括：电流源100和电压输出级200；

所述电流源100包括所述电流源包括电流镜、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2和第一电阻R1，所述电流镜、第一NMOS管N1和第二NMOS管N2中的所有MOS晶体管工作于亚阈值区；所述第二NMOS管N2的漏极连接所述电流镜的第一端；所述第一NMOS管N1的漏极连接第一NMOS管N1的栅极和所述电流镜的第二端；所述第一NMOS管N1的栅极连接第二NMOS管N2的栅极；第一NMOS管N1的源极接地，第二NMOS管N2的源极通过所述第一电阻R1接地；；该电流源产生的电流与所述第一电阻R1成反比，与温度成正比；

所述电压输出级200包括第二组MOS晶体管和第二电阻，所述第二组MOS晶体管均工作于亚阈值区；所述电流源100为所述电压输出级200提供电流，所述第二电阻与所述电流的乘积为该CMOS电压源的输出电压。

本发明实施例提供的低压低功耗CMOS电压源，包括电流源100和电压输出级200，其中电流源100提供一个与第一电阻成反比，与温度成正比的电流，该电流镜像到电压输出级200，产生一个与第二电阻与第一电阻的比值成正比，与温度成正比的电压，该电压为该CMOS电压源的输出电压，由于电流源100和电压输出级200中的所有管子采用MOS管，所以可以与CMOS工艺兼容，并且所有MOS管工作于亚阈值区，所以该CMOS电压源的工作电压低。

由于该CMOS电压源的输出电压与第二电阻和第一电阻的比值成正比，因此，可以通过调节第一电阻和/或第二电阻的阻值来调节输出电压的大小。

另外，由于该CMOS电压源的输出电压与温度成正比，即输出电压可以感应温度的变化。因此，可以应用于对温度进行感应的场合，例如，当第二电阻与第一电阻的比值一定时，温度由20度变为40度，该CMOS电压源的输出电压将发生变化，此时可以感应出温度的变化。

下面结合附图详细介绍本发明提供的CMOS电压源的一种具体实现方式。

参见图2，该图为本发明提供的低压低功耗CMOS电压源实施例二电路图。

本实施例提供的低压低功耗CMOS电压源中，所述电流源100包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2；

其中，所述第一PMOS管P1和第二PMOS管P2连接为电流镜，所述第一PMOS管P1的栅极连接第二PMOS管P2的栅极，所述第一PMOS管P1的源极连接第二PMOS管P2的源极并连接电源；

需要说明的是，电流源100中的电流镜也可以通过其他方式的电流镜来实现，不局限于本实施例提供的P1和P2。

所述第二NMOS管N2的漏极连接第一PMOS管P1的栅极和漏极；

所述第一NMOS管N1的漏极连接第一NMOS管N1的栅极和第一PMOS管P1的漏极；

所述第一NMOS管N1的栅极连接第二NMOS管N2的栅极；

第一NMOS管N1的源极接地，第二NMOS管N2的源极通过所述第一电阻R1接地。

所述电压输出级中的第二组MOS管包括第三PMOS管P3；

所述第三PMOS管P3的栅极连接所述第二PMOS管P2的栅极，第三PMOS管P3的源极连接第二PMOS管P2的源极；

所述第三PMOS管P3的漏极通过所述第二电阻R2接地；

所述第三PMOS管P3的漏极为该CMOS电压源的电压输出端。

为了本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明实施例提供的CMOS电压源，下面具体分析图2所示的CMOS电压源的工作原理。

优选地，所述第一PMOS管P1、第二PMOS管P2和第三PMOS管P3的宽长比相同。这样所述第一PMOS管P1、第二PMOS管P2和第三PMOS管P3的漏源电流相等。

可以理解的是，P1、P2和P3的宽长比也可以不相同。

由于P1、P2、P3、N1和N2均工作于亚阈值区，因此，这五个晶体管的漏源电流适用下面的公式（1）：

$I={\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right){V_T}^2\mathrm{ex}{p}^{\frac{V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}}}{{\mathrm{\ζV}}_T}}---\left(1\right)$

其中，I为晶体管的漏源电流，μ_n为晶体管的迁移率，C_OX是单位面积的栅氧化层电容，(W/L)为晶体管的宽长比，V_T为热电势即kT/q，V_GS为晶体管的栅源电压差，V_TH为晶体管的阈值电压。ζ为晶体管的系数。

根据基尔霍夫电压定律，对于节点A可以列出如下的公式（2）：

V_GS1=V_GS2+IR₁     （2）

V_GS1为第一NMOS管N1的栅源电压差，V_GS2为第二NMOS管N2的栅源电压差。I为第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的漏源电流；R₁是第一电阻R1的阻值。

将公式（1）代入公式（2）中，并假设第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的阈值电压相等，第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比为1：M，M可以为整数，也可以不为整数。例如，M的优选值可以为2或者4。则可以得到N1和N2的漏源电流I的表达式：

$I=\frac{{\mathrm{\ζV}}_T\ln M}{R_1}---\left(3\right)$

由于P1、P2与P3构成电流镜，所以P3镜像得到的电流也为I，因此流经第二电阻R5的电流也为I。根据公式（3）可以得到输出电压的表达式：

$V=\frac{R_2}{R_1}{\mathrm{\ζV}}_T\ln M---\left(4\right)$

其中，R₂为第二电阻R2的阻值。

通过公式（4）可以看出，输出电压V与温度T成正比，并且与电阻的绝对值无关而与电阻的比值（第二电阻R2与第一电阻R1的比值）成正比，因此可以通过调节电阻的比值对输出电压进行灵活的设计。

由于采用工作在亚阈值区的MOS晶体管，因此该CMOS电压源能够工作在电源电压低于1V的系统中。这对于深亚微米的电路设计具有重要意义。

综上所述，本发明采用的电路结构简单实用，占用芯片面积小，同时在电路中只选用了MOS管和电阻，使其与标准CMOS工艺完全兼容，从而提高了参考电路的兼容性，降低了芯片成本。

优选地，所述第一电阻R1和第二电阻R2的类型相同。例如，所述第一电阻和第二电阻均为多晶硅电阻。当R1和R2类型相同时，R2与R1的比值可以做到线性化。

相较于传统电压基准源，本发明中不采用任何运算放大器，而且MOS晶体管均工作在亚阈值区，因为电路消耗较低的功耗，特别有利于低功耗应用场合。

另外，由于本发明实施例提供的CMOS电压源的输出电压与温度成正比，因此可用输出电压的值来表征温度的场合，特别适合需要感应温度变化的应用场合，例如温度传感器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种低压低功耗CMOS电压源，其特征在于，包括：电流源和电压输出级；

所述电流源包括电流镜、第一NMOS管、第二NMOS和第一电阻，所述电流镜、第一NMOS管和第二NMOS管中的所有MOS晶体管工作于亚阈值区；所述第二NMOS管的漏极连接所述电流镜的第一端；所述第一NMOS管的漏极连接第一NMOS管的栅极和所述电流镜的第二端；所述第一NMOS管的栅极连接第二NMOS管的栅极；第一NMOS管的源极接地，第二NMOS管的源极通过所述第一电阻接地；该电流源产生的电流与所述第一电阻成反比，与温度成正比；

所述电压输出级包括第二组MOS晶体管和第二电阻，所述第二组MOS晶体管均工作于亚阈值区；所述电流源为电压输出级提供电流，所述第二电阻与所述电流的乘积为该CMOS电压源的输出电压。

2.根据权利要求1所述的低压低功耗CMOS电压源，其特征在于，所述电流镜包括：第一PMOS管和第二PMOS管；

所述第一PMOS管的栅极连接第二PMOS管的栅极，所述第一PMOS管的源极连接第二PMOS管的源极并连接电源；

所述第二PMOS管的栅极和漏极连接在一起作为该电流镜的第一端，所述第一PMOS管的漏极作为该电流镜的第二端。

3.根据权利要求2所述的低压低功耗CMOS电压源，其特征在于，所述第二组MOS管包括第三PMOS管；

所述第三PMOS管的栅极连接所述第二PMOS管的栅极，第三PMOS管的源极连接所述电源；

所述第三PMOS管的漏极通过所述第二电阻接地；

所述第三PMOS管的漏极为该CMOS电压源的电压输出端。

4.根据权利要求3所述的低压低功耗CMOS电压源，其特征在于，所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的宽长比相同。

5.根据权利要求1-4任一项所述的低压低功耗CMOS电压源，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的类型相同。

6.根据权利要求5所述的低压低功耗CMOS电压源，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻均为多晶硅电阻。

7.根据权利要求2所述的低压低功耗CMOS电压源，其特征在于，所述第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比为1：M。

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