CN105224006A - 一种低压cmos基准源 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟电路技术领域，具体的说涉及一种低压CMOS基准源。本发明的电路主要包括启动电路、正温电流产生电路和电压叠加电路，其中，第五PMOS管MP5、第五NMOS管MN5和电容C构成启动电路；第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4构成正温电流产生电路；第三PMOS管MP3、第八PMOS管MP8构成电压叠加电路，主要原理为。本发明的有益效果为，电路结构简单，可以通过很少的器件实现；相对于传统基准电路而言，本发明不包含三极管和电阻，完全通过MOS器件实现，这极大的较低了电路面积；同时，MOS基准电路可以在更低的电压和电流下工作，从而极大降低了电路功耗。

Description

一种低压CMOS基准源

技术领域

本发明属于模拟电路技术领域，具体的说涉及一种低压CMOS基准源。

背景技术

在模拟集成电路或混合信号集成电路设计领域，基准电压源是非常重要且常用的模块，常应用在ADC转换器、DC-DC换器、以及功率放大器等电路系统中，它的作用是为系统提供一个不随温度及供电电压变化的电压基准。

自带隙基准电压源架构由Widlar提出以来，由于其优越的性能，带隙基准电压源被广泛应用于很多系统之中，且针对该种架构提出了很多改进方案。但随着芯片系统集成度的进一步增加，低电压与低功耗变得越来越重要，但带隙基准电压源由于需要大的电流而造成功耗较大，并且在设计过程中需要使用二极管或者BJT晶体管来产生PTAT电压，但该两种器件均需要大的芯片面积。尽管针对该问题提出过亚阈值区基准电压源，但并没有完全消除电路中的非线性参数，造成输出基准电压的温度系数较大。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种用于不需要二极管或者BJT晶体管的低压CMOS基准源。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低压CMOS基准源，包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和电容C；其中，第五PMOS管MP5的栅极通过电容C后接电源，其漏接接地；第五NMOS管MN5的栅极接电源，其漏接通过电容C后接电源，其源极接地；第四PMOS管MP4的源极接电源，其栅极接第一PMOS管MP1的漏极，其漏极接第一NMOS管MN1的漏极和第一NMOS管MN1的栅极；第一NMOS管MN1的源极接地；第七PMOS管MP7的源极接电源，其栅极接第六PMOS管MP6的漏极；第六PMOS管MP6的栅极与漏极互连，其源极接第七PMOS管MP7的漏极；第二NMOS管MN2的漏极接第六PMOS管MP6的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第一PMOS管MP1的源极接第七PMOS管MP7的漏极，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极；第三NMOS管MN3的漏极接第一PMOS管MP1的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第二PMOS管MP2的源极接电源，其栅极与漏极互连；第四NMOS管MN4的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第三PMOS管MP3的源极接电源，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极；第八PMOS管MP8的栅极和源极接地，其漏极接第三PMOS管MP3的漏极；第三PMOS管MP3漏极与第八PMOS管MP8漏极的连接点为基准源的输出端。

本发明的有益效果为，电路结构简单，可以通过很少的器件实现；相对于传统基准电路而言，本发明不包含三极管和电阻，完全通过MOS器件实现，这极大的较低了电路面积；同时，MOS基准电路可以在更低的电压和电流下工作，从而极大降低了电路功耗。

附图说明

图1为本发明的低压CMOS基准源电路原理图；

图2为本发明的低压CMOS基准源电路结构示意图；

图3为本发明的低压CMOS基准源核心模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

针对现有基准源电路面积和功耗过大的问题，本发明提出了一种对传统结构有所改进的低压基准源，其工作原理图如图1所示。

阈值电压与环境温度有近似线性的关系：

V_TH(T)＝V_TH(T₀)-α_VT(T-T₀)(1)

其中T表示绝对温度，T₀为参考温度，V_TH(T₀)是温度为T₀时的阈值电压，α_VT是阈值电压的温度系数，α_VT＞0。因此，将V_TH与一个同温度成正比(PTAT，ProportionalToAbsoluteTemperature)的电压V_PTAT以一定比例系数相叠加，就可以得到一个一阶补偿的基准电压V_REF。通过合理设置这个比例系数的大小可以使得

如果

V_PTAT＝αT(2)

则有

V_REF＝V_TH(T₀)+αT₀(3)

利用工作在亚阈值的CMOS产生一个与温度T²成正比的一个电流I_D，通过电流镜MP2、MP3的镜像流到MP8。由工作在饱和区的MP8的栅源电压作为基准源(VREF＝Vgs_MP8)。由饱和区MOS的电压电流特性知

$I_{MP8}=I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{OX}\frac{W_{MP8}}{L_{MP8}}{({\mathrm{Vgs}}_{MP8}-V_{TH})}^2\∝T^2---\left(4\right)$

可得输出基准电压源为

V_REF＝Vgs_MP8＝αT+V_TH(5)

本发明所提出的电压基准源如图2所示，包括三大部分：启动电路、正温电流产生电路、电压叠加电路；其中，第五PMOS管MP5、第五NMOS管MN5和电容C构成启动电路；第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4构成正温电流产生电路；第三PMOS管MP3、第八PMOS管MP8构成电压叠加电路；其中，第五PMOS管MP5的栅极通过电容C后接电源，其漏接接地；第五NMOS管MN5的栅极接电源，其漏接通过电容C后接电源，其源极接地；第四PMOS管MP4的源极接电源，其栅极接第一PMOS管MP1的漏极，其漏极接第一NMOS管MN1的漏极和第一NMOS管MN1的栅极；第一NMOS管MN1的源极接地；第七PMOS管MP7的源极接电源，其栅极接第六PMOS管MP6的漏极；第六PMOS管MP6的栅极与漏极互连，其源极接第七PMOS管MP7的漏极；第二NMOS管MN2的漏极接第六PMOS管MP6的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第一PMOS管MP1的源极接第七PMOS管MP7的漏极，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极；第三NMOS管MN3的漏极接第一PMOS管MP1的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第二PMOS管MP2的源极接电源，其栅极与漏极互连；第四NMOS管MN4的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第三PMOS管MP3的源极接电源，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极；第八PMOS管MP8的栅极和源极接地，其漏极接第三PMOS管MP3的漏极；第三PMOS管MP3漏极与第八PMOS管MP8漏极的连接点为基准源的输出端。

本发明的工作原理为：

上电后MN5管子导通，把MP5管子的栅端电压拉低，使其导通；随后MP4的栅端由MP5拉低，MP4导通；MN5上的电流通过电源逐渐给电容C充电，MP5管子栅端电压上升，使其逐渐关断；MN5同时逐渐被压到线性区电路启动过程结束。

下面对本发明的低压COMS基准电压源原理进行具体说明。

图3中除了MP6和MP7工作在亚阈值区以外，所有的PMOS管均工作在饱和区，由亚阈值区的公式可以得到：

$I_{MPQ1}=\frac{W_{MP6}}{L_{MP6}}{I}_{D0}\exp \left(\frac{{\mathrm{Vgs}}_{MP6}-{\mathrm{Vth}}_{MP6}}{{\mathrm{\ξV}}_T}\right)---\left(6\right)$

$I_{MP7}=\frac{W_{MP7}}{L_{MP7}}{I}_{D0}\exp \left(\frac{{\mathrm{Vgs}}_{MP7}-{\mathrm{Vth}}_{MP7}}{{\mathrm{\ξV}}_T}\right)---\left(7\right)$

假设NMOS管MN2、MN3、MN4上的电流比为1:a:b,则有：

I_MP7＝(1+a)I_MP6(8)

由公式(6)、(7)、(8)，可以得到：

${\mathrm{Vsd}}_{MP7}=V_{T}ln\[(a+1)\×\frac{\frac{W_{MP6}}{L_{MP6}}}{\frac{W_{MP7}}{L_{MP7}}}\]---\left(9\right)$

假设PMOS管MPQ1与MPQ2的宽长比之比为m；MP1与MP2的宽长比之比为M，则有：

Vsd_MP7＝V_Tln[(a+1)m](10)

则有流过MP2上的电流为：

$I_{MP2}=\frac{b}{2}\frac{W_{MP2}}{L_{MP2}}\frac{1}{{(\sqrt{b}-\sqrt{\frac{a}{M}})}^2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{ox}{\{V_{T}ln\[(a+1)m\]\}}^2---\left(11\right)$

I_MP2通过电流镜MP2、MP3镜像流到MP0，MP0的过驱动电压为：

$V_{ov}=\frac{\frac{W_{MP2}}{L_{MP2}}}{\frac{W_{MP8}}{L_{MP8}}}\frac{1}{1-\sqrt{\frac{a}{bM}}}{V}_{T}ln\[(a+1)m\]=\mathrm{\α}T---\left(12\right)$

由上式可以看到V_ov为正温系数，可以得到：

V_REF＝V_ov+V_th,MP0＝V_TH(T₀)-α_VT(T-T₀)+αT(13)

通过调节系数可以得到温度系数为零的基准电压。

图3中通过电流镜MN1、MN4的1:1镜像，保证了PMOS管MP1和MP4上的电流大小一样。设置使MP1、MP4的宽长比一样，保证了A、B两点的静态工作点一致。图2中MP4、MN4、MP1构成了负反馈环路，用来稳定A点电压。

Claims (1)

1.一种低压CMOS基准源，包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和电容C；其中，第五PMOS管MP5的栅极通过电容C后接电源，其漏接接地；第五NMOS管MN5的栅极接电源，其漏接通过电容C后接电源，其源极接地；第四PMOS管MP4的源极接电源，其栅极接第一PMOS管MP1的漏极，其漏极接第一NMOS管MN1的漏极和第一NMOS管MN1的栅极；第一NMOS管MN1的源极接地；第七PMOS管MP7的源极接电源，其栅极接第六PMOS管MP6的漏极；第六PMOS管MP6的栅极与漏极互连，其源极接第七PMOS管MP7的漏极；第二NMOS管MN2的漏极接第六PMOS管MP6的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第一PMOS管MP1的源极接第七PMOS管MP7的漏极，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极；第三NMOS管MN3的漏极接第一PMOS管MP1的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第二PMOS管MP2的源极接电源，其栅极与漏极互连；第四NMOS管MN4的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，其栅极接第四PMOS管MP4的漏极，其源极接地；第三PMOS管MP3的源极接电源，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极；第八PMOS管MP8的栅极和源极接地，其漏极接第三PMOS管MP3的漏极；第三PMOS管MP3漏极与第八PMOS管MP8漏极的连接点为基准源的输出端。