CN104049671A - 一种面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，该零温度系数参考电压产生电路包括依次连接的启动电路、电流产生电路和电压产生电路，其中：启动电路，用以确保该零温度系数参考电压产生电路在上电之后能够正常工作；电流产生电路，用以产生负温度系数的电流，该负温度系数的电流与电源电压无关；电压产生电路，用以根据该负温度系数的电流产生零温度系数的参考电压。本发明提供的零温度系数参考电压产生电路，结构简单，具有实现方式简易、功耗低、不受电源电压影响、零温度系数的优点。

Description

一种面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路

技术领域

本发明属于三维存储器技术领域，尤其是一种结构简单、实现方式简易、功耗低、不受电源电压影响的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路。

背景技术

在存储器电路中，尤其在三维存储器的应用中，为了提升存储电路的读操作的一致性、可靠性及精确度，需要一个不受电源电压、温度变化影响的稳定参考电压，用以作为读操作的参考电压。

为了减小温度的影响，现有技术提供了一种不受温度变化影响的稳定参考电路，如带隙参考电路(Bandgap Reference Circuit)，用以产生上述参考电压。简单来说，带隙参考电流源是将正温度系数(Proportional toabsolute temperature，PTAT)的电压和一个负温度系数的电压(Complementary to absolute temperature，CTAT)以一定的比例相叠加，从而得到一个零温度系数的电压。传统的带隙参考电路如图1所示，包括两个三极管和一个运算放大器，这无疑增加了其结构复杂性以及增大了其面积的消耗。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种结构简单、实现方式简易、功耗低、不受电源电压影响的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，该零温度系数参考电压产生电路包括依次连接的启动电路、电流产生电路和电压产生电路，其中：启动电路，用以确保该零温度系数参考电压产生电路在上电之后能够正常工作；电流产生电路，用以产生负温度系数的电流，该负温度系数的电流与电源电压无关；电压产生电路，用以根据该负温度系数的电流产生零温度系数的参考电压。

上述方案中，该启动电路包括一个NMOS管，该NMOS管打开，将其漏端的电位拉低，使得该零温度系数参考电压产生电路有电流流过，避免该零温度系数参考电压产生电路工作在“简并”偏执点，并避免该零温度系数参考电压产生电路进入锁死状态。

上述方案中，该电流产生电路包括第一支路1和第二支路2，其中，第一支路1包括串联连接的第一PMOS管MP1、第一NMOS管MN1和第一电阻Rs；第二支路2包括串联连接的第二PMOS管MP2和第二NMOS管MN2。

上述方案中，在第一支路1中，该第一PMOS管MP1的源端连接到电源电压VDD，该第一PMOS管MP1的漏端与栅端相连接并连接于该第一NMOS管MN1的漏端；该第一NMOS管MN1的栅端连接于第二支路2上的第二NMOS管MN2的栅端，该第一NMOS管MN1的源端与第一电阻Rs一端相连接；第一电阻Rs的另一端连接到地VSS。

上述方案中，在第二支路2中，该第二PMOS管MP2的源端连接到电源电压VDD，该第二PMOS管MP2的栅端与第一支路1的第一PMOS管MP1的栅端相连接，该第二PMOS管MP2的漏端连接到该第二NMOS管MN2的漏端；该第二NMOS管MN2的栅端与漏端相连接，并且连接到该第一NMOS管MN1的栅端，该第二NMOS管MN2的源端与地VSS相接。

上述方案中，该第一PMOS管MP1与该第二PMOS管MP2的尺寸相同，该第一NMOS管(MN1)与该第二NMOS管(MN2)的尺寸比为

其中W是NMOS管子沟道的宽度，L是NMOS管子沟道的长度。

上述方案中，该第一PMOS管MP1与该第二PMOS管MP2构成电流镜，并通过该第一支路1和该第二支路2，产生一个负温度系数的电流。

上述方案中，该电压产生电路包括串联连接的第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3，其中：第三PMOS管MP3，其尺寸与第一PMOS管MP1与第二PMOS管MP2的尺寸相同，该第三PMOS管MP3的栅端同时连接于第一PMOS管MP1与第二PMOS管MP2的栅端，用以复制第一支路1和第二支路2的电流，该第三PMOS管MP3的源端接电源VDD，该第三PMOS管MP3的漏端接第三NMOS管MN3，该第三NMOS管MN3的栅端与漏端相连接电流流过二极管连接形式的MN3自生电压得到参考电压。

上述方案中，该电流产生电路产生的负温度系数的电流，通过电流镜镜像作用，使得电压产生电路中流过负温度系数的电流，该负温度系数的电流流过二极管连接形式的第三NMOS管MN3，从而产生了一个零温度系数的电压。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的零温度系数参考电压产生电路，每个支路只有百nA级别的电流，功耗低。

2、本发明提供的零温度系数参考电压产生电路，其中的电流产生电路，对电源电压变化不敏感，降低了对电源电压的要求。

3、本发明提供的零温度系数参考电压产生电路，结构简单，面积消耗小。

4、本发明提供的零温度系数参考电压产生电路，其中的启动电路确保该电路在上电之后能够正常工作。

5、本发明提供的零温度系数参考电压产生电路，参考电压的温度系数可达到10ppm/℃量级，温度范围-40℃～120℃。

6、本发明提供的零温度系数参考电压产生电路，结构简单，具有实现方式简易、功耗低、不受电源电压影响、零温度系数的优点。

附图说明

图1是传统设计中的参考电压产生电路的原理图。

图2是依照本发明实施例的零温度系数参考电压产生电路的结构框图。

图3是依照本发明实施例的零温度系数参考电压产生电路的原理图。

图4是依照本发明实施例的零温度系数参考电压产生电路的支路电流的温度特性曲线。

图5是依照本发明实施例的零温度系数参考电压产生电路的输出电压随温度的变化曲线。

公式中的符号说明

μ_n～NMOS的电子迁移率；

μ_p～PMOS的电子迁移率；

Cox～MOS管的栅氧层电容；

V_gs～管子的栅源电压；

V_{gs_n1}～MN1管子的栅源电压；

V_{gs_n2}～MN2管子的栅源电压；

V_{gs_n3}～MN3管子的栅源电压；

(W/L)_n1～MN1管子尺寸；

(W/L)_n2～MN2管子尺寸；

(W/L)_n3～MN3管子尺寸；

V_th～MOS管的阈值电压；

V_{th_n1}～MN1的阈值电压；

V_{th_n2}～MN2的阈值电压；

V_{th_n3}～MN3的阈值电压；

I～电流；

I₁～第一支路1的电流；

I₂～第二支路2的电流；

I₃～电压产生电路的电流；

K～MN1和MN2的管子尺寸比值；

Rs～第一电阻

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种零温度系数、不受电源电压变化影响的、低功耗的参考电压产生电路，其结构框图如图2和图3所示，包括依次连接的启动电路、电流产生电路和电压产生电路，其中，启动电路用以确保该零温度系数参考电压产生电路在上电之后能够正常工作；电流产生电路用以产生负温度系数的电流，该负温度系数的电流与电源电压无关；电压产生电路用以根据该负温度系数的电流产生零温度系数的参考电压。

图3中，该启动电路包括一个NMOS管，该NMOS管打开，将其漏端的电位拉低，使得该零温度系数参考电压产生电路有电流流过，避免该零温度系数参考电压产生电路工作在“简并”偏执点，并避免该零温度系数参考电压产生电路进入锁死状态。

图3中，该电流产生电路包括第一支路1和第二支路2，其中，第一支路1包括串联连接的第一PMOS管MP1、第一NMOS管MN1和第一电阻Rs；第二支路2包括串联连接的第二PMOS管MP2和第二NMOS管MN2：其中：

在第一支路1中，该第一PMOS管MP1的源端连接到电源电压VDD，该第一PMOS管MP1的漏端与栅端相连接并连接于该第一NMOS管MN1的漏端；该第一NMOS管MN1的栅端连接于第二支路2上的第二NMOS管MN2的栅端，该第一NMOS管MN1的源端与第一电阻Rs一端相连接；第一电阻Rs的另一端连接到地VSS。

在第二支路2中，该第二PMOS管MP2的源端连接到电源电压VDD，该第二PMOS管MP2的栅端与第一支路1的第一PMOS管MP1的栅端相连接，该第二PMOS管MP2的漏端连接到该第二NMOS管MN2的漏端；该第二NMOS管MN2的栅端与漏端相连接，并且连接到该第一NMOS管MN1的栅端，该第二NMOS管MN2的源端与地VSS相接。

第一PMOS管MP1与第二PMOS管MP2的尺寸相同，第一NMOS管MN1与第二NMOS管MN2的尺寸比为其中W是NMOS管子沟道的宽度，L是NMOS管子沟道的长度。

第一PMOS管MP1与第二PMOS管MP2构成电流镜，并通过第一支路1和第二支路2，产生一个负温度系数的电流。

通过这样的电流产生电路使第一支路1和第二支路2这两个支路流过与电源电压无关的电流。

图3中，电压产生电路包括串联连接的第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3；其中：第三PMOS管MP3，其尺寸与第一PMOS管MP1与第二PMOS管MP2的尺寸相同，该第三PMOS管MP3的栅端同时连接于第一PMOS管MP1与第二PMOS管MP2的栅端，用以复制第一支路1和第二支路2的电流，该第三PMOS管MP3的源端接电源VDD，该第三PMOS管MP3的漏端接第三NMOS管MN3，该第三NMOS管MN3的栅端与漏端相连接电流流过二极管连接形式的MN3自生电压得到参考电压。

电流产生电路产生的负温度系数的电流，通过电流镜镜像作用，使得电压产生电路中流过负温度系数的电流，该负温度系数的电流流过二极管连接形式的第三NMOS管MN3，从而产生了一个零温度系数的电压。

图3中第一PMOS管MP1与第二PMOS管MP2的尺寸相同，使得第一支路1与第二支路2中的电流相等。而根据图3中A点的电压公式(设MP1和MP2的栅端节点为A点)：

V_A＝V_{gs_n2}＝V_{gs_n1}+I₁R_s        (1)

其中，V_A是A点的电压，V_{gs_n2}是MN2的栅源电压，V_{gs_n1}是MN1的栅源电压，I₁表示第一支路1的电流。

根据饱和区电流公式，忽略沟道调制作用，并且利用各个支路电流相等可求出第一支路1的电流公式：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{V}_A=\sqrt{\frac{{2I}_2}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{n2}}}+V_{\mathrm{th}\_n2}=\sqrt{\frac{{2I}_1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{n1}}}+V_{\mathrm{th}\_n1}+I_1{R}_s\\ {(W/L)}_{n1}=K\·{(W/L)}_{n2}\\ I=I_1=I_2\end{array}\right.\\ \⇒\\ I=\frac{2}{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{n1}}\·\frac{1}{{R_S}^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{K}})}^2\end{array}---\left(2\right)$

同样的电流经过电压产生电路，通过二极管连接形式的MN3，自生栅电压V_{gs_n3}，亦即参考电压Vref：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{I}_3=\frac{1}{2{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n3}{(V_{\mathrm{gs}\_n3}-V_{\mathrm{th}\_n3})}^2\\ I=\frac{2}{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{n1}}\·\frac{1}{{R_S}^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{K}})}^2\\ I=I_3\end{array}\right.\\ \⇒\\ V_{\mathrm{gs}\_n3}=\frac{K_1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{R}_s}\sqrt{\frac{1}{{(W/L)}_{n2}{(W/L)}_{n3}}}+V_{\mathrm{th}\_n3}=V_{\mathrm{ref}}\end{array}---\left(3\right)$

其中，

$K_1=2(1-\frac{1}{\sqrt{K}})$

由输出电压Vref对温度求导，并忽略电阻的温度系数，可以得到其温度系数：

$\frac{\∂\mathrm{Vref}}{\∂T}=\frac{\∂V_{\mathrm{th}\_n3}}{\∂T}-A\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_n}{\∂T}$ (4)

其中， $A=\frac{K_1}{C_{\mathrm{ox}}{R}_s}\sqrt{\frac{1}{{(W/L)}_{n2}{(W/L)}_{n3}}}$

公式中MN3的阈值随温度的升高而下降，工艺的迁移率随温度的上升而下降，故而对其变形得到公式(5)。

$\frac{\∂\mathrm{Vref}}{\∂T}=\frac{\∂V_{\mathrm{th}\_n3}}{\∂T}-A\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_n}{\∂T}=-\left|\frac{\∂V_{\mathrm{th}\_n3}}{\∂T}\right|+A\left|\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_n}{\∂T}\right|---\left(5\right)$

参数	变化趋势	作用
			RS	变大	A增加，Vref温度系数更加正
K	变大	A降低，Vref温度系数更加负。
			(W/L)n2	变大	A增加，Vref温度系数更加正
(W/L)n3	变大	A增加，Vref温度系数更加正

图4是依照本发明实施例的零温度系数参考电压产生电路的支路电流的温度特性曲线。图4展示了本结构中的支路电流随温度变化的特性，可以看出随着支路电流符合公式(2)的特点，由于迁移率提供了负的温度系数使得这个电流有随温度升高而升高的趋势。图5是依照本发明实施例的零温度系数参考电压产生电路的输出电压随温度的变化曲线。图5中的输出电压随温度的变化范围很小，依照上一个表格的内容以及公式(5)可以看出，Vref电压中的温度系数中，阈值电压的贡献了负温度系数，而迁移率贡献了正温度系数，通过选取合适的电阻、管子尺寸可以是两者的温度系数抵消，就可以得到几乎不受温度影响的电压。

综上所述，通过对Vref电压的温度系数的分析，可以得出，通过对电路的参数进行适当的选取，可以得到不随温度变化的电压。由于电路简单，对启动电路的要求并不高，降低了对启动电路的要求。电路的电流消耗非常小，可以达到nA级别。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，该零温度系数参考电压产生电路包括依次连接的启动电路、电流产生电路和电压产生电路，其中：

启动电路，用以确保该零温度系数参考电压产生电路在上电之后能够正常工作；

电流产生电路，用以产生负温度系数的电流，该负温度系数的电流与电源电压无关；

电压产生电路，用以根据该负温度系数的电流产生零温度系数的参考电压。

2.根据权利要求1所述的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，该启动电路包括一个NMOS管，该NMOS管打开，将其漏端的电位拉低，使得该零温度系数参考电压产生电路有电流流过，避免该零温度系数参考电压产生电路工作在“简并”偏执点，并避免该零温度系数参考电压产生电路进入锁死状态。

3.根据权利要求1所述的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，该电流产生电路包括第一支路(1)和第二支路(2)，其中，第一支路(1)包括串联连接的第一PMOS管(MP1)、第一NMOS管(MN1)和第一电阻(Rs)；第二支路(2)包括串联连接的第二PMOS管(MP2)和第NMOS管(MN2)。

4.根据权利要求3所述的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，在第一支路(1)中，该第一PMOS管(MP1)的源端连接到电源电压VDD，该第一PMOS管(MP1)的漏端与栅端相连接并连接于该第一NMOS管(MN1)的漏端；该第一NMOS管(MN1)的栅端连接于第二支路(2)上的第二NMOS管(MN2)的栅端，该第一NMOS管(MN1)的源端与第一电阻(Rs)一端相连接；第一电阻(Rs)的另一端连接到地VSS。

5.根据权利要求3所述的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，在第二支路(2)中，该第二PMOS管(MP2)的源端连接到电源电压VDD，该第二PMOS管(MP2)的栅端与第一支路(1)的第一PMOS管(MP1)的栅端相连接，该第二PMOS管(MP2)的漏端连接到该第二NMOS管(MN2)的漏端；该第二NMOS管(MN2)的栅端与漏端相连接，并且连接到该第一NMOS管(MN1)的栅端，该第二NMOS管(MN2)的源端与地VSS相接。

6.根据权利要求3所述的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，该第一PMOS管(MP1)与该第二PMOS管(MP2)的尺寸相同，该第一NMOS管(MN1)与该第二NMOS管(MN2)的尺寸比为

其中W是NMOS管子沟道的宽度，L是NMOS管子沟道的长度。

7.根据权利要求3所述的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，该第一PMOS管(MP1)与该第二PMOS管(MP2)构成电流镜，并通过该第一支路(1)和该第二支路(2)，产生一个负温度系数的电流。

8.根据权利要求1所述的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，该电压产生电路包括串联连接的第三PMOS管(MP3)和第三NMOS管(MN3)，其中：

第三PMOS管(MP3)，其尺寸与第一PMOS管(MP1)与第二PMOS管(MP2)的尺寸相同，该第三PMOS管(MP3)的栅端同时连接于第一PMOS管(MP1)与第二PMOS管(MP2)的栅端，用以复制第一支路(1)和第二支路(2)的电流，该第三PMOS管(MP3)的源端接电源VDD，该第三PMOS管(MP3)的漏端接第三NMOS管(MN3)，该第三NMOS管(MN3)的栅端与漏端相连接电流流过二极管连接形式的第三NMOS管(MN3)自生电压得到参考电压。

9.根据权利要求8所述的面向三维存储器的零温度系数参考电压产生电路，其特征在于，该电流产生电路产生的负温度系数的电流，通过电流镜镜像作用，使得电压产生电路中流过负温度系数的电流，该负温度系数的电流流过二极管连接形式的第三NMOS管(MN3)，从而产生了一个零温度系数的电压。