CN106527559B - 一种低电压纳瓦量级全cmos电流模式基准电压源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源，其特征是，包括启动电路、IPTATa基准电流源电路、IPTATb基准电流源电路和温度补偿电路；启动电路连接到IPTATa基准电流源电路和IPTATb基准电流源电路，并在基准电压源开启时提供电流，使得基准电压源摆脱简并偏置点；IPTATa基准电流源电路和IPTATb基准电流源电路分别产生一个偏置电流为温度补偿电路提供电流偏置；温度补偿电路将2个偏置电流分别以不同的倍数作差，得到一个与温度无关的基准电流，并驱动温度补偿电路中MOS管得到一个不受电源电压和温度变化影响的输出电压。本发明具有功耗低、版图面积小、器件与标准CMOS工艺匹配、温度系数低和电源电压抑制比高的特点。

Description

一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源。
背景技术
基准电压源是模拟集成电路和混合集成电路中不可或缺的一个模块，并广泛的应用在模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、DC-DC转换器以及功率放大器等电路系统中，用以产生不受电源电压和温度变化影响的直流电压。传统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电阻、二极管或者BJT晶体管来产生PTAT电压，所以该器件需要大的芯片面积。为了能使节能应用器件的其余电路兼容，基准电压源就要使用标准CMOS工艺，而避免使用MOS管以外的器件。然而，CMOS基准电压源电路由于使用饱和区的CMOS和电阻，使得功耗过大，芯片面积大。近来所提出的无电阻基于亚阈值区的基准电压源，虽然功耗很低，但是其温漂、电源电压调整率和电源抑制比参数较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有基准电压源存在功耗大、版图面积大、器件与标准CMOS工艺不匹配、温度系数高和电源电压抑制比低等问题，提供一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源，其特征是，包括启动电路、IPTATa基准电流源电路、IPTATb基准电流源电路和温度补偿电路；启动电路连接到IPTATa基准电流源电路和IPTATb基准电流源电路，并在基准电压源开启时提供电流，使得基准电压源摆脱简并偏置点，进入正常工作状态；IPTATa基准电流源电路产生一个偏置电流IPa，为温度补偿电路提供电流偏置；IPTATb基准电流源电路产生一个偏置电流IPb，为温度补偿电路提供电流偏置；温度补偿电路将IPTATa基准电流源电路和IPTATb基准电流源电路所产生的与温度成正比的偏置电流IPa和IPb分别以k1和k2的倍数作差，得到一个与温度无关的基准电流IREF，并驱动温度补偿电路中MOS管得到一个不受电源电压和温度变化影响的输出电压。
上述方案中，启动电路由MOS管M1-M5和电容C1组成；MOS管M1和MOS管M2的源极接电源VDD；MOS管M1-M5的栅极，MOS管M2的漏极，以及电容C1的上极板相连；MOS管M1和MOS管M5的漏极相连，并连接到MOS管M3和MOS管M4的源极；MOS管M3的漏极形成启动电路的启动输出端set_Ipa，并接至IPTATa基准电流源电路；MOS管M4的漏极形成启动电路的启动输出端set_Ipb，并接至IPTATb基准电流源电路；MOS管M5的源极和电容C1的下极板连接到地GND。
上述方案中，IPTATa基准电流源电路由MOS管M27-M45组成；MOS管M27-M30的源极连接到电源VDD；MOS管M27-M30的栅极连接MOS管M28的漏极和MOS管M32的源极，并形成IPTATa基准电流源电路的偏置电流输出端Ipa1，并连接温度补偿电路的MOS管M18的栅极；MOS管M27的漏极和MOS管M31的源极相连；MOS管M29的漏极和MOS管M33的源极相连；MOS管M30的漏极和MOS管M34的源极相连；MOS管M31-M34的栅极连接MOS管M32、M36的漏极，并形成IPTATa基准电流源电路的偏置电流输出端Ipa2，并接至温度补偿电路的MOS管M21的栅极；MOS管M35-M38的栅极相连，并连接到MOS管M31、M35的漏极，并形成IPTATa基准电流源电路的启动输入端set_Ipa，接至启动电路；MOS管M33、M37的漏极相连；MOS管M34、M38的漏极相连；MOS管M39、M43、M45的栅极相连，并连接到MOS管M35的源极和MOS管M39的漏极；MOS管M39-M40的源极相连，并连接到MOS管M43的漏极；MOS管M36的源极和MOS管M40的漏极相连；MOS管M40-M41的栅极相连，并连接到MOS管M37的源极和MOS管M41的漏极；MOS管M41-M42的源极相连，并连接到MOS管M44的漏极；MOS管M42、M44的栅极相连，并连接到MOS管M38的源极和MOS管M42的漏极；MOS管M43-M44的源极相连，并连接到MOS管M45的漏极；MOS管M45的源极连接到地GND。
上述方案中，IPTATb基准电流源电路由MOS管M6-M17组成；MOS管M6-M8的源极连接到电源VDD；MOS管M6-M8的栅极相连，并连接到MOS管M6的漏极和MOS管M9的源极；MOS管M7的漏极和MOS管M10的源极相连；MOS管M8的漏极和MOS管M11的源极相连；MOS管M9-M11的栅极相连，并连接到MOS管M9、M12的漏极；MOS管M12-M13的栅极相连，并连接到MOS管M10、M13的漏极，形成IPTATb基准电流源电路启动输入端set_Ipb，接至启动电路；MOS管M12的源极和MOS管M14的漏极相连；MOS管M14-M15的栅极相连，并连接到MOS管M13的源极和MOS管M15的漏极；MOS管M14的源极和MOS管M16的漏极相连；MOS管M16-M17的栅极连接MOS管M11、M17的漏极，并形成IPTATb基准电流源电路的偏置电流输出端Ipb1，并接至温度补偿电路；MOS管M15-M17的源极连接到地GND。
上述方案中，温度补偿电路由MOS管M18-M26和电容C2组成；MOS管M18-M20的源极连接到电源VDD；MOS管M18的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ipa1，并接至IPTATa基准电流源电路；MOS管M18的漏极和MOS管M21的源极相连；MOS管M19-M20的栅极相连，并连接到MOS管M19的漏极和MOS管M22的源极；MOS管M20的漏极和MOS管M23的源极相连；MOS管M21的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ipa2，并接至IPTATa基准电流源电路；MOS管M22-M23的栅极相连，并连接到MOS管M21、M22、M26的漏极；MOS管M24-M25的栅极相连，并连接到MOS管M23-M24的漏极；MOS管M24的源极和MOS管M25的漏极相连，并连接到电容C2的上极板，作为温度补偿电路即整个基准电压源的输出端；MOS管M26的栅极形成偏置电流输入端Ipb1，并接至IPTATb基准电流源电路；MOS管M25-M26的源极和电容C2的下极板连接到地GND。
上述方案中，MOS管M24为标准电压为1.8V的MOS管，MOS管M25为标准电压为3.3V的MOS管。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、功耗低，仅为纳瓦量级；
2、由于未使用无源电阻、BJT或者二极管，因而大大减小了版图面积，降低了生产成本；
3、输出的基准电压具有极高的电源抑制比和低电压调整率，性能较好；
4、采用电流相减技术实现温度补偿，并降低静态电流。
附图说明
图1为本发明的低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源的电路图。
图2为本发明的低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源的核心电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源，如图1所示，包括启动电路，IPTATa基准电流源电路，IPTATb基准电流源电路和温度补偿电路。
启动电路连接到IPTATa基准电流源电路和IPTATb基准电流源电路，并在基准电压源开启时提供电流，使得基准电压源摆脱简并偏置点，进入正常工作状态。在本发明中，启动电路由MOS管M1-M5和电容C1组成。MOS管M1和MOS管M2的源极接电源VDD。MOS管M1-M5的栅极，MOS管M2的漏极和电容C1的上极板相连。MOS管M1和MOS管M5的漏极相连，并连接到MOS管M3和MOS管M4的源极。MOS管M3的漏极形成启动电路的启动输出端set_Ipa，并连接到IPTATa基准电流源电路的MOS管M35-M38的栅极和MOS管M31、MOS管M35的漏极。MOS管M4的漏极形成启动电路的启动输出端set_Ipb，并连接到IPTATb基准电流源电路的MOS管M12-M13的栅极和MOS管M10、M13的漏极。MOS管M5的源极和电容C1的下极板连接到地GND。在电源上电时，给MOS管M35和MOS管M13提供栅极偏压，使电路正常工作。
IPTATa基准电流源电路，产生一个偏置电流IPa；同时，采用源极耦合差分对代替传统基准电压源中所采用的电阻和Bipolar晶体管，提高基准电压源的电源抑制比，为温度补偿电路提供电流偏置。在本发明中，IPTATa基准电流源电路由MOS管M27-M45组成。MOS管M27-M30的源极连接到电源VDD。MOS管M27-M30的栅极连接MOS管M28的漏极和MOS管M32的源极，并形成IPTATa基准电流源电路的偏置电流输出端Ipa1，并连接温度补偿电路的MOS管M18的栅极。MOS管M27的漏极和MOS管M31的源极相连。MOS管M29的漏极和MOS管M33的源极相连。MOS管M30的漏极和MOS管M34的源极相连。MOS管M31-M34的栅极连接MOS管M32、M36的漏极，并形成IPTATa基准电流源电路的偏置电流输出端Ipa2，并接至温度补偿电路的MOS管M21的栅极。MOS管M35-M38的栅极相连，并连接到MOS管M31、M35的漏极和启动电路的MOS管M3的漏极。MOS管M33、M37的漏极相连。MOS管M34、M38的漏极相连。MOS管M39、M43、M45的栅极相连，并连接到MOS管M35的源极和MOS管M39的漏极。MOS管M39-M40的源极相连，并连接到MOS管M43的漏极。MOS管M36的源极和MOS管M40的漏极相连。MOS管M40-M41的栅极相连，并连接到MOS管M37的源极和MOS管M41的漏极。MOS管M41-M42的源极相连，并连接到MOS管M44的漏极。MOS管M42、M44的栅极相连，并连接到MOS管M38的源极和MOS管M42的漏极。MOS管M43-M44的源极相连，并连接到MOS管M45的漏极。MOS管M45的源极连接到地GND。
IPTATb基准电流源电路，基于Oguey电流源，它是一个自偏置的电流源，采用一个工作在线性区的MOS管M16代替传统带隙结构中的无源电阻，产生一个偏置电流IPb；同时，采用共源共栅电流镜，抑制电源噪声，为温度补偿电路提供电流偏置。在本发明中，IPTATb基准电流源电路由MOS管M6-M17组成。MOS管M6-M8的源极连接到电源VDD。MOS管M6-M8的栅极相连，并连接到MOS管M6的漏极和MOS管M9的源极。MOS管M7的漏极和MOS管M10的源极相连。MOS管M8的漏极和MOS管M11的源极相连。MOS管M9-M11的栅极相连，并连接到MOS管M9、M12的漏极。MOS管M12-M13的栅极相连，并连接到MOS管M10、M13的漏极和启动电路的MOS管M4的漏极。MOS管M12的源极和MOS管M14的漏极相连。MOS管M14-M15的栅极相连，并连接到MOS管M13的源极和MOS管M15的漏极。MOS管M14的源极和MOS管M16的漏极相连。MOS管M16-M17的栅极连接MOS管M11、M17的漏极，并形成IPTATb基准电流源电路的偏置电流输出端Ipb1，并接至温度补偿电路的MOS管M26的栅极。MOS管M15-M17的源极连接到地GND。
温度补偿电路，采用PMOS管共源共栅电流镜，将IPTATa基准电流源电路和IPTATb基准电流源电路所产生的与温度成正比的偏置电流IPa和IPb分别以k1和k2倍数作差，得到一个与温度无关的基准电流IREF，并驱动温度补偿电路中的MOS管M24和MOS管M25得到一个不受电源电压和温度变化影响的输出电压。采用共源共栅电流镜，抑制电源噪声。采用电流作差，不但可以实现温度补偿，还能明显的降低功耗。在本发明中，温度补偿电路由MOS管M18-M26和电容C2组成。MOS管M18-M20的源极连接到电源VDD。MOS管M18的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ipa1，并接至IPTATa基准电流源电路的MOS管M27-M30的栅极、MOS管M28的漏极和MOS管M32的源极。MOS管M18的漏极和MOS管M21的源极相连。MOS管M19-M20的栅极相连，并连接到MOS管M19的漏极和MOS管M22的源极。MOS管M20的漏极和MOS管M23的源极相连。MOS管M21的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ipa2，并接至IPTATa基准电流源电路的MOS管M31-M34的栅极和MOS管M32、M36的漏极。MOS管M22-M23的栅极相连，并连接到MOS管M21、M22、M26的漏极。MOS管M24-M25的栅极相连，并连接到MOS管M23-M24的漏极。MOS管M24的源极和MOS管M25的漏极相连，并连接到电容C2的上极板，作为基准电压输出端。MOS管M26的栅极形成偏置电流输入端Ipb1，并接至IPTATb基准电流源电路的MOS管M16-M17的栅极和MOS管M11、M17的漏极。MOS管M25-M26的源极和电容C2的下极板连接到地GND。
参见图2，本发明的核心电路模块包括IPTATa基准电流源电路、IPTATb基准电流源电路和温度补偿电路。2个基准电流源电路分别产生与温度成正比的IPa和IPb，并且分别以k1和k2倍数作差，得到与温度无关的基准电流，并提供给温度补偿电路。
IPTATa基准电流源电路的MOS管M39-M42工作在亚阈值区，MOS管M43-M44工作在饱和区。
MOS管工作在饱和区时的漏极电流可以表示为：
式中，u(＝u0(T0/T)m)是MOS管的电子迁移率；T0是参考温度；T是绝对温度；u0是参考温度T0下的电子迁移率；m是温度指数；COX是栅氧化层电容；K＝W/L是MOS管的宽长比；VGS是MOS管的栅源电压；VTH是MOS管的阈值电压。
则MOS管M43和MOS管M44的栅源电压差可以表示为：
MOS管工作在亚阈值区时的漏极电流为：
式中，VT(＝kBT/q)是热电压；kB是玻尔兹曼常数；q是电子电荷；η是亚阈值区斜率因子。ΔVp也可表示为：
由(2)和(4)，Ipa可表示为：
其中
当VT0为在室温T0时的VT值，式(5)与温度的关系可表示为：
因为m是一个与工艺相关的温度系数，对于普通的MOS管其值约为1.5，所以Ipa具有正的温度系数。
IPTATb基准电流源电路的MOS管M16工作在线性区，MOS管M17工作在饱和区，MOS管M6-M15工作在亚阈值区。
基准电流IPb由MOS管M16的栅源电压VGS16和漏源电压VDS16产生。在电路中增加MOS管M17，为MOS管M16提供偏置电压。
MOS管M16的漏电流为：
MOS管M16的漏源电压为：
MOS管M17的漏电流为：
此外
式中，k2表示MOS管M17和MOS管M16的漏电流比值。
由(8)，(9)，(10)和(11)可以得出基准电流源产生的IPb为：
其中，
则式(12)与温度的关系式可表示为：
因此，IPb具有正的温度系数。
温度补偿电路的MOS管M24-M25工作在亚阈值区，MOS管M24为标准电压为1.8V的MOS管，MOS管M25为标准电压为3.3V的MOS管。利用两个相同温度系数的电流作差，得到一个与温度无关的基准电流IREF，为温度补偿电路中的MOS管M24和MOS管M25提供基准电流IREF。
利用电流镜得到两个正温度系数电流的差值IREF，基准电流IREF的表达式为：
IREF＝k2IPb-k1IPa (15)
式(15)与温度的关系式可表示为：
由(7)，(14)和(16)可以看出，通过调整k1、k2、MOS管M39-M44和MOS管M14-M17的宽长比的比值，可以获得与温度无关的基准电流。
基准电压VREF可由MOS管M24和MOS管M25不同的栅源电压作差得到，根据MOS管在亚阈值区的I-V特性，基准电压VREF可表示为：
其中，tOX，24和tOX，25是MOS管M24和MOS管M25的氧化层厚度。
NMOS管的阈值电压具有负温度系数，且其表达式为：
VTH＝VTH0-κT (18)
式中，VTH0表示绝度温度为0K时的阈值电压，κ为VTH的温度系数TC(κ＝dVTH/dT)，因此ΔVTH具有负的温度系数。具有负温度系数的ΔVTH和具有正温度系数的VT，经过调节可以得到与温度无关的输出基准电压VREF。
阈值电压进一步可表示为：
式中，εSi表示硅衬底的相对电介质常数，NA为衬底掺杂浓度，ni为本征载流子浓度，Eg为带隙，ψB为费米能级势能与本征能级势能之差，VTH的温度系数κ(κ＝dVTH/dT)可以表示为：
式中，Nc为导带的有效态密度，Nv为价带的有效态密度，忽略体效应，则可以得出输出基准电压与温度的关系式可表示为
令参考电压的温度系数为零，则可以确定MOS管的宽长比：
可以看出，通过对K24/K25仔细调整，可以获得温度系数为零的参考电压，加入电容C2以提高电源电压抑制比。
本发明未使用无源电阻、二极管或者三极管，与CMOS工艺兼容，大大减小了版图面积，降低了生产成本，功耗低，同时具有高电源抑制比和低电压调整率。在SMIC 0.18-umCMOS工艺标准下，采用Cadence Spectre仿真器进行设计仿真，仿真结果表明，在1.8V电源电压下，本基准电压源的电源电压抑制比在低频时为-61.8dB，在高频时为-62.5dB，在-45—150℃的温度范围内具有17.5ppm/℃的温度系数，其功耗为133.8nW；在0.7V—3.3V电源电压范围内具有0.23％的电源电压调整率，这些仿真结果验证了以上措施的有效性。

Claims (5)

1.一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源，包括启动电路、IPTATa基准电流源电路、IPTATb基准电流源电路和温度补偿电路；
启动电路连接到IPTATa基准电流源电路和IPTATb基准电流源电路，并在基准电压源开启时提供电流，使得基准电压源摆脱简并偏置点，进入正常工作状态；
IPTATa基准电流源电路产生一个偏置电流IPa，为温度补偿电路提供电流偏置；
IPTATb基准电流源电路产生一个偏置电流IPb，为温度补偿电路提供电流偏置；
温度补偿电路将IPTATa基准电流源电路和IPTATb基准电流源电路所产生的与温度成正比的偏置电流IPa和IPb分别以不同倍数后作差，得到一个与温度无关的基准电流IREF，并驱动温度补偿电路中MOS管得到一个不受电源电压和温度变化影响的输出电压；
其特征是，
上述温度补偿电路由MOS管M18-M26和电容C2组成；MOS管M18-M20的源极连接到电源VDD；MOS管M18的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ipa1，并接至IPTATa基准电流源电路；MOS管M18的漏极和MOS管M21的源极相连；MOS管M19-M20的栅极相连，并连接到MOS管M19的漏极和MOS管M22的源极；MOS管M20的漏极和MOS管M23的源极相连；MOS管M21的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ipa2，并接至IPTATa基准电流源电路；MOS管M22-M23的栅极相连，并连接到MOS管M21、M22、M26的漏极；MOS管M24-M25的栅极相连，并连接到MOS管M23-M24的漏极；MOS管M24的源极和MOS管M25的漏极相连，并连接到电容C2的上极板，作为温度补偿电路即整个基准电压源的输出端；MOS管M26的栅极形成偏置电流输入端Ipb1，并接至IPTATb基准电流源电路；MOS管M25-M26的源极和电容C2的下极板连接到地GND。
2.根据权利要求1所述的一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源，其特征在于：启动电路由MOS管M1-M5和电容C1组成；
MOS管M1和MOS管M2的源极接电源VDD；MOS管M1-M5的栅极，MOS管M2的漏极，以及电容C1的上极板相连；MOS管M1和MOS管M5的漏极相连，并连接到MOS管M3和MOS管M4的源极；MOS管M3的漏极形成启动电路的启动输出端set_Ipa，并接至IPTATa基准电流源电路；MOS管M4的漏极形成启动电路的启动输出端set_Ipb，并接至IPTATb基准电流源电路；MOS管M5的源极和电容C1的下极板连接到地GND。
3.根据权利要求1所述的一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源，其特征在于：IPTATa基准电流源电路由MOS管M27-M45组成；
MOS管M27-M30的源极连接到电源VDD；MOS管M27-M30的栅极连接MOS管M28的漏极和MOS管M32的源极，并形成IPTATa基准电流源电路的偏置电流输出端Ipa1，并连接温度补偿电路的MOS管M18的栅极；MOS管M27的漏极和MOS管M31的源极相连；MOS管M29的漏极和MOS管M33的源极相连；MOS管M30的漏极和MOS管M34的源极相连；MOS管M31-M34的栅极连接MOS管M32、M36的漏极，并形成IPTATa基准电流源电路的偏置电流输出端Ipa2，并接至温度补偿电路的MOS管M21的栅极；MOS管M35-M38的栅极相连，并连接到MOS管M31、M35的漏极，并形成IPTATa基准电流源电路的启动输入端set_Ipa，接至启动电路；MOS管M33、M37的漏极相连；MOS管M34、M38的漏极相连；MOS管M39、M43、M45的栅极相连，并连接到MOS管M35的源极和MOS管M39的漏极；MOS管M39-M40的源极相连，并连接到MOS管M43的漏极；MOS管M36的源极和MOS管M40的漏极相连；MOS管M40-M41的栅极相连，并连接到MOS管M37的源极和MOS管M41的漏极；MOS管M41-M42的源极相连，并连接到MOS管M44的漏极；MOS管M42、M44的栅极相连，并连接到MOS管M38的源极和MOS管M42的漏极；MOS管M43-M44的源极相连，并连接到MOS管M45的漏极；MOS管M45的源极连接到地GND。
4.根据权利要求1所述的一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源，其特征在于：IPTATb基准电流源电路由MOS管M6-M17组成；
MOS管M6-M8的源极连接到电源VDD；MOS管M6-M8的栅极相连，并连接到MOS管M6的漏极和MOS管M9的源极；MOS管M7的漏极和MOS管M10的源极相连；MOS管M8的漏极和MOS管M11的源极相连；MOS管M9-M11的栅极相连，并连接到MOS管M9、M12的漏极；MOS管M12-M13的栅极相连，并连接到MOS管M10、M13的漏极，形成IPTATb基准电流源电路启动输入端set_Ipb，接至启动电路；MOS管M12的源极和MOS管M14的漏极相连；MOS管M14-M15的栅极相连，并连接到MOS管M13的源极和MOS管M15的漏极；MOS管M14的源极和MOS管M16的漏极相连；MOS管M16-M17的栅极连接MOS管M11、M17的漏极，并形成IPTATb基准电流源电路的偏置电流输出端Ipb1，并接至温度补偿电路；MOS管M15-M17的源极连接到地GND。
5.根据权利要求1所述的一种低电压纳瓦量级全CMOS电流模式基准电压源，其特征在于：MOS管M24为标准电压为1.8V的MOS管，MOS管M25为标准电压为3.3V的MOS管。
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