CN106020322A - 一种低功耗cmos基准源电路 - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

本发明属于模拟电路技术领域，具体涉及一种低功耗CMOS基准源。本发明的电路主要包含一个耗尽型NMOS和一个增强型NMOS，其中耗尽型NMOS栅极和源极短接，增强型NMOS栅极与漏极短接；两个MOS管均工作在饱和区。本发明的有益效果为，电路结构简单，不需要额外的启动电路，具有较好的电源抑制能力。

Description

一种低功耗CMOS基准源电路
技术领域
本发明属于模拟电路技术领域，具体涉及一种低功耗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，以其优越的性能，被广泛应用于各种集成电路系统之中。之后，出现了很多针对该种架构的改进方案。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。因为带隙基准电压源需要使用二极管或者三极管来产生PTAT电压，这需要消耗很大的芯片。同时二极管或者三极管的使用，会限制整个基准电路的供电电压的最小值，而且消耗大量的电流。这使得该种带隙基准源架构在芯片面积和功耗上都处于劣势。
为解决该问题，出现了很多CMOS基准源电路。大部分的CMOS基准源是利用工作在亚阈区的MOS管的漏极电流和栅-源电压的关系来产生类似于三极管结构的PTAT电流。但这需要复杂的电路和很大尺寸来保证MOS管工作在亚阈区。并且该架构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，无复杂的电路结构，所有MOS晶体管均工作在饱和区的低功耗CMOS基准源。
本发明的技术方案是：一种低功耗CMOS基准源电路，包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容；第一NMOS管的漏极接电源，其栅极接第二NMOS管的源极；第二NMOS管的漏极接第一NMOS管的源极，第二NMOS管的栅极与其源极互连；第三NMOS管的漏极接第二NMOS管的源极，第三NMOS管的栅极通过第一电阻后接第五NMOS管的源极；第三NMOS管漏极与第二NMOS管源极的连接点依次通过第三电阻和第一电容后接地；第四NMOS管的漏极接第三NMOS管的源极，第四NMOS管的栅极通过第一电阻后接第五NMOS管的源极，第四NMOS管的源极接地；第五NMOS管的漏极接电源，其栅极接第二NMOS管的源极，第五NMOS管的源极依次通过第一电阻和第二电阻后接地；第二电容的一端接第五NMOS管的源极，另一端接地；第五NMOS管的源极、第一电阻和第二电容的连接点为基准源电路输出端；所述第一NMOS管和第二NMOS管为耗尽型MOS管，第三NMOS管和第四NMOS管为增强型MOS管。
本发明的有益效果为，电路结构简单，不需要额外的启动电路，具有较好的电源抑制能力。
附图说明
图1为本发明的低功耗CMOS基准源电路原理图；
图2为本发明的低功耗CMOS基准源实际电路图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明中提出的CMOS基准源的电路原理图如图1所示。电路包含一个耗尽型NMOS和一个增强型NMOS，其中M1管栅极和源极短接，M2管栅极与漏极短接。两个MOS管均工作在饱和区。那么流过M1管和M2管的电流ID1和ID2分别为
ID1＝kn1(Vgs1-Vth1)2
ID2＝kn2(Vgs2-Vth2)2
其中，Vgs1＝0，所以M2管的栅源电压Vgs2可以表示为
V g s 2 = V t h 2 + k n 1 k n 2 ( - V t h 1 )
V g s 2 = V t h 2 + ( W / L ) N 1 ( W / L ) N 2 ( - V t h 1 )
MOS管的阈值电压可以表示成温度的线性函数
Vth(T)＝Vth(T0)-αVT(T-T0)
其中Vth(T0)是在温度T＝T0时，阈值电压的数值，αVT是阈值电压的一阶温度系数。可以看出阈值电压呈现出一阶负温特性。
那么M2管的栅-源电压Vgs2包含负温电压Vth2和正温电压-Vth1。通过调整M1和M2的尺寸比例，使得正温电压和负温电压相抵消，Vgs2的电压值与温度无关。将Vgs2电压与系数k相乘得到最终的基准电压VREF。
本发明的具体电路图如图2所示。M1A和M1B串联，M2A和M2B串联，其中M1A和M2A工作在饱和区，M1B和M2B工作在线性区。除M1A和M1B为耗尽型MOS管外，其他所有MOS管均为增强型。该种串联电路可以等效为一个工作在饱和区的MOS管，同时等效出来的MOS管拥有更长的沟道长度L。减小M1A、M1B、M2A和M2B的宽长比可以降低该条支路的静态电流。
NMOS管M3与其负载电阻R1和R2构成源极跟随器，作为基准电压的输出级，为输出提供电流驱动能力。同时也提供一条反馈路径。该反馈路径用于稳定基准电压。调节电阻R1和R2的比例关系可以控制最终基准输出电压的绝对值。该电路最终输出基准电压等于
V R E F = R 1 + R 2 R 2 [ V t h 2 + ( W / L ) N 1 ( W / L ) N 2 ( - V t h 1 ) ]
其中Vth2为M2A和M2B的等效MOS管的阈值电压，呈负温特性；-Vth1为M1A和M1B的等效MOS管的阈值电压的绝对值，呈正温特性。
该电压基准的主极点位于输出点，由滤波电容C2和该节点的等效阻抗决定。电路中加入电阻R3和电容C1用于产生一对零点和极点，稳定反馈环路。
该电路结构简单，不需要额外的启动电路。供电电源VDD上电后，电路内部节点的电压可以自行建立完成。VDD只需要提供很小的电流保证所有MOS管处在正常的工作状态下。该电路结构拥有很好的电源抑制能力。低频噪声通过M3管的漏极传递到输出，M3管输出电阻ro3与电阻R1和R2的分压关系决定了噪声的放大系数，因为ro＞＞R1+R2，VDD的噪声经过很大的衰减系数后才能传递到输出。另一条噪声通路是由M1A管的漏极传递到M3管的栅极，最后传到输出点。M3管栅极到源极的噪声放大系数约等于1。那么从VDD到M3管栅极的增益就决定了噪声的放大系数。该放大系数由ro1(M1A和M1B的等效输出电压)和ro2(M2A和M2B的等效输出电压)的分压关系决定，同时ro1和ro2近似相等，可知该条噪声通路的衰减系数较小。因此该条支路决定了整个电压基准的电源抑制能力。

Claims (1)

1.一种低功耗CMOS基准源电路，包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容；第一NMOS管的漏极接电源，其栅极接第二NMOS管的源极；第二NMOS管的漏极接第一NMOS管的源极，第二NMOS管的栅极与其源极互连；第三NMOS管的漏极接第二NMOS管的源极，第三NMOS管的栅极通过第一电阻后接第五NMOS管的源极；第三NMOS管漏极与第二NMOS管源极的连接点依次通过第三电阻和第一电容后接地；第四NMOS管的漏极接第三NMOS管的源极，第四NMOS管的栅极通过第一电阻后接第五NMOS管的源极，第四NMOS管的源极接地；第五NMOS管的漏极接电源，其栅极接第二NMOS管的源极，第五NMOS管的源极依次通过第一电阻和第二电阻后接地；第二电容的一端接第五NMOS管的源极，另一端接地；第五NMOS管的源极、第一电阻和第二电容的连接点为基准源电路输出端；所述第一NMOS管和第二NMOS管为耗尽型MOS管，第三NMOS管和第四NMOS管为增强型MOS管。
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