CN106547300A - 一种低功耗低温度系数的电压基准源电路 - Google Patents

一种低功耗低温度系数的电压基准源电路 Download PDF

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Abstract

一种低功耗低温度系数的电压基准源电路，其特征在于包括PTAT电流产生电路和负载电路；PTAT电流产生电路与负载电路一端相连，基准电压源由所述负载电路输出，所述PTAT电流产生电路由PM0、PM1、PM2、PM3、NM0、NM1、NM2、NM5和NM6组成，PM0、PM1、PM2、PM3为PMOS管，NM0、NM1、NM2、NM5和NM6为NMOS管。本发明与已有技术相比，具有即使是低电压，甚至是超低电压下，也能正常工作的优点。

Description

一种低功耗低温度系数的电压基准源电路
技术领域
本发明涉及芯片的电压基准源技术领域，尤其涉及一种低功耗低温度系数的电压基准源电路。
背景技术
基准电压源是集成电路中极为重要的模块，广泛应用于模拟、数字、模数混合电路中，特别是在数模转化器和模数转换器等系统中。对模拟系统而言，基准电压源的性能直接影响整个系统的精度，而基准电压源的性能主要受温度的影响，因此需要设计出一种输出与温度无关的基准电压源。
传统的基准电压源采用带隙基准技术设计，这些设计中，都是利用双极型晶体管的基极—发射极电压具有负温度特性，而工作在不同电流密度下的基极—发射极电压之差则具有正温度特性，两者相互补偿可得到与温度无关的输出电压。
采用带隙基准技术设计的基准电压源的输出电压大于1V，其典型值是1.25V，而当今由于移动电子设备的增多，要求模拟集成电路的电源电压能够降至1V左右，功耗在 uW量级上，降低功耗的一个重要方法就是降低电源电压，因此带隙基准难以达到低功耗要求。与此同时，随着CMOS工艺发展到深亚微米，一些标准CMOS工艺未提供三极管器件，带隙基准不再适用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种输出的基准电压源低于1V，室温下功耗低于1uW的低功耗低温度系数的电压基准源电路。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种低功耗低温度系数基准电压源电路，包括PTAT电流产生电路和负载电路；PTAT电流产生电路与负载电路一端相连，基准电压源由所述负载电路输出，所述PTAT电流产生电路由PM0、PM1、PM2、PM3、NM0、NM1、NM2、NM3、NM5和NM6组成，PM0、PM1、PM2、PM3为PMOS管，NM0、NM1、NM2、NM3、NM5和NM6为NMOS管，PM0漏极d与NM3漏极d连接，PM0栅极g与PM2栅极d连接，PM0源极s与电源VDD连接，PM0衬底与电源VDD相连；PM1漏极d与其栅极g连接，PM1源极s与电源VDD连接，PM1衬底接电源VDD；PM2漏极d与其栅极g连接，PM2源极s与电源VDD连接，PM2衬底与电源VDD连接；PM3漏极d与NM1漏极d连接，PM3栅极g与PM1栅极g连接，PM3源极s与电源VDD连接，PM3衬底与电源VDD连接；NM0漏极d与PM1漏极d连接，NM0栅极g与NM3栅极g连接，NM0源极s与NM6漏极d连接，NM0衬底接地GND；NM1漏极d与其栅极g连接，NM1源极s接地GND，NM1衬底接地GND；NM2漏极d与PM2漏极d连接，NM2栅极g与NM1栅极g连接，NM2源极s与NM5漏极d连接，NM2衬底接地GND；NM3漏极d与其栅极g连接，NM3源极s接地GND，衬底接地GND；NM5漏极d与NM2源极s连接，NM5栅极g与NM1栅极g连接，NM5源极s接地GND，接地GND衬底接地GND；NM6漏极d与NM2源极s连接，NM6栅极g与NM3栅极g连接，NM6源极s接地GND，NM6衬底与地GND连接,所述负载电路由PM4和NM4组成,PM4漏极d与NM4漏极d连接，PM4栅极g与PM3栅极g连接，PM4源极s与电源VDD连接，PM4衬底与电源VDD连接，NM4漏极d与其栅极g连接，NM4源极s接地GND，NM4衬底与地GND连接,所述基准电压由NM4漏极d输出，NM0、NM1、NM2、NM3的NMOS管的物理性能是这样的，NM3、NM1与NM2、NM0的Vth(阀值电压)均不相同，而且，Vth3-Vth0=Vth1-Vth2，NM0的漏极电流I0等于NM2的漏极电流I2，NM1的漏极电流I1等于NM3的漏极电流I3。
在本发明实施例中， PM0、PM1、PM2、PM3、NM0、NM1、NM2、NM3、NM5和NM6构成PTAT电流产生电路，PTAT电流产生电路用来给负载电路中提供电流，这种电流与绝对温度成正比，且与电源VDD无关；负载电路由PM4、NM4构成，PM4与PTAT电流产生电路中的PM1组成电流镜，将PTAT电路中产生的电流复制到负载电路中，这样从NM4漏极得到的基准电压可以达到零温度系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：避免了使用三极管带来的与标准CMOS工艺不兼容的问题，避免使用电阻，大大减小了芯片面积，本发明得到的基准电压源电压低于1V，符合当今电子设备低电源电压和低功耗的发展趋势。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：
包括PTAT电流产生电路和负载电路；PTAT电流产生电路与负载电路一端相连，基准电压源由所述负载电路输出，所述PTAT电流产生电路由PM0、PM1、PM2、PM3、NM0、NM1、NM2、NM5和NM6组成，PM0、PM1、PM2、PM3为PMOS管，NM0、NM1、NM2、NM5和NM6为NMOS管，PM0漏极d与NM3漏极d连接，PM0栅极g与PM2栅极d连接，PM0源极s与电源VDD连接，PM0衬底与电源VDD相连；PM1漏极d与其栅极g连接，PM1源极s与电源VDD连接，PM1衬底接电源VDD；PM2漏极d与其栅极g连接，PM2源极s与电源VDD连接，PM2衬底与电源VDD连接；PM3漏极d与NM1漏极d连接，PM3栅极g与PM1栅极g连接，PM3源极s与电源VDD连接，PM3衬底与电源VDD连接；NM0漏极d与PM1漏极d连接，NM0栅极g与NM3栅极g连接，NM0源极s与NM6漏极d连接，NM0衬底接地GND；NM1漏极d与其栅极g连接，NM1源极s接地GND，NM1衬底接地GND；NM2漏极d与PM2漏极d连接，NM2栅极g与NM1栅极g连接，NM2源极s与NM5漏极d连接，NM2衬底接地GND；NM3漏极d与其栅极g连接，NM3源极s接地GND，衬底接地GND；NM5漏极d与NM2源极s连接，NM5栅极g与NM1栅极g连接，NM5源极s接地GND，接地GND衬底接地GND；NM6漏极d与NM2源极s连接，NM6栅极g与NM3栅极g连接，NM6源极s接地GND，NM6衬底与地GND连接,所述负载电路由PM4和NM4组成,PM4漏极d与NM4漏极d连接，PM4栅极g与PM3栅极g连接，PM4源极s与电源VDD连接，PM4衬底与电源VDD连接，NM4漏极d与其栅极g连接，NM4源极s接地GND，NM4衬底与地GND连接,所述基准电压由NM4漏极d输出，NM0、NM1、NM2、NM3的NMOS管的物理性能是这样的，NM3、NM1与NM2、NM0的Vth(阀值电压)均不相同，而且，Vth3-Vth0= Vth1-Vth2，NM0的漏极电流I0等于NM2的漏极电流I2，NM1的漏极电流I1等于NM3的漏极电流I3。
本发明的电路原理是：
电路中由于NM1、NM3的NMOS管处于饱和区，而NM0、NM2的NMOS管处于亚阀值区，因此，NM0、NM1、NM2、NM3的NMOS管具有以下的特性：
，
上式中表示热电压，K、q是一常数，T是温度，表示特征电流，m＞1是一非理想因子，VGS是栅极、源极间的电压差，Vth是阀值电压，μn表示MOS管的电子迁移率，Cox表示MOS管栅极氧化层电容，W表示MOS管栅极宽度，L表示MOS管栅极长度。将上下两式相减，得到两个等式：
因为NM5和NM6的漏极电位相等，所以式等于式，由于选择的NM3和NM1、NM0与NM2的阈值电压相同，所以有Vth3-Vth0= Vth1-Vth2，PM0和PM2组成电流镜，将NM3的漏极电流等比例复制给NM2，PM1和PM3组成电流镜，将NM1的漏极电流等比例复制给NM0，所以NM3与NM2的漏极电流相等，NM1与NM0的漏极电流相等，同时根据NMOS管的电流特性，通过设置MOS管的宽长比K，在K3不等于K1和K0不等于K2的情况下，也能使NM0的漏极电流I0等于NM2的漏极电流I2，NM1的漏极电流I1等于NM3的漏极电流I3，这样就得到：
由于，最终得到的表达式：
PM1、PM4组成电流镜，于是有，NM4是二极管连接形式，于是可以得到基准电压的表达式：
因为有,,调整系数就可以得到。
在Hspice仿真器下本基准电压源在－15～150℃的温度范围内具有6.1ppm/℃的温度系数，输出基准电压在593.5mV～594.1mV之间,电源电压，室温下功耗为714.7nW。

Claims (1)

1.一种低功耗低温度系数的电压基准源电路，其特征在于包括PTAT电流产生电路和负载电路；PTAT电流产生电路与负载电路一端相连，基准电压源由所述负载电路输出，所述PTAT电流产生电路由PM0、PM1、PM2、PM3、NM0、NM1、NM2、NM3、NM5和NM6组成，PM0、PM1、PM2、PM3为PMOS管，NM0、NM1、NM2、NM3、NM5和NM6为NMOS管，PM0漏极d与NM3漏极d连接，PM0栅极g与PM2栅极d连接，PM0源极s与电源VDD连接，PM0衬底与电源VDD相连；PM1漏极d与其栅极g连接，PM1源极s与电源VDD连接，PM1衬底接电源VDD；PM2漏极d与其栅极g连接，PM2源极s与电源VDD连接，PM2衬底与电源VDD连接；PM3漏极d与NM1漏极d连接，PM3栅极g与PM1栅极g连接，PM3源极s与电源VDD连接，PM3衬底与电源VDD连接；NM0漏极d与PM1漏极d连接，NM0栅极g与NM3栅极g连接，NM0源极s与NM6漏极d连接，NM0衬底接地GND；NM1漏极d与其栅极g连接，NM1源极s接地GND，NM1衬底接地GND；NM2漏极d与PM2漏极d连接，NM2栅极g与NM1栅极g连接，NM2源极s与NM5漏极d连接，NM2衬底接地GND；NM3漏极d与其栅极g连接，NM3源极s接地GND，衬底接地GND；NM5漏极d与NM2源极s连接，NM5栅极g与NM1栅极g连接，NM5源极s接地GND，接地GND衬底接地GND；NM6漏极d与NM2源极s连接，NM6栅极g与NM3栅极g连接，NM6源极s接地GND，NM6衬底与地GND连接,所述负载电路由PM4和NM4组成,PM4漏极d与NM4漏极d连接，PM4栅极g与PM3栅极g连接，PM4源极s与电源VDD连接，PM4衬底与电源VDD连接，NM4漏极d与其栅极g连接，NM4源极s接地GND，NM4衬底与地GND连接,所述基准电压由NM4漏极d输出，NM0、NM1、NM2、NM3的NMOS管的物理性能是这样的，NM3、NM1与NM2、NM0的阀值电压Vth不相同，而且，Vth3-Vth0= Vth1-Vth2，NM0的漏极电流I0等于NM2的漏极电流I2，NM1的漏极电流I1等于NM3的漏极电流I3。
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