CN106855732B - 一种超低功耗基准电压源电路系统 - Google Patents

一种超低功耗基准电压源电路系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低功耗基准电压源电路系统，其中，所述基准电压源电路系统包括：PTAT电流产生电路和负载电路，所述PTAT电流产生电路与所述负载电路一端相连接，基准电压由所述负载电路输出。本发明基于具有负温度系数的阈值电压和具有正温度系数的热电压来设计电路，电路结构全部由MOS晶体管构成，没有使用三极管，符合标准CMOS工艺，同时没有使用电阻也大大减小了芯片面积，此外，本发明输出的基准电压源低于1V，室温下功耗不到20nW，符合低功耗低电源电压要求。

Description

一种超低功耗基准电压源电路系统
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种超低功耗基准电压源电路系统。
背景技术
基准电压源是模拟和数字电路中极为重要的模块，广泛应用于可穿戴设备、智能传感器和RFID装置中，对于这些电池供电系统来说，功耗是极为重要的一项指标，低功耗代表电池使用寿命更长，系统工作时间越久，同时对模拟系统而言，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。
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nW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，随着互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，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，本发明提供了一种超低功耗基准电压源电路系统，电路结构由MOS晶体管构成，符合标准CMOS工艺，由于没有使用电阻，大大减小了芯片面积。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超低功耗基准电压源电路系统，所述基准电压源电路系统包括：PTAT(proportional to absolute temperature，与绝对温度成正比的)电流产生电路和负载电路，所述PTAT电流产生电路与所述负载电路一端相连接，基准电压由所述负载电路输出。
优选地，所述PTAT电流产生电路由第一型场效应管、第二型场效应管、第三型场效应管、第四型场效应管、第五型场效应管、第六型场效应管和第七型场效应管组成；其中，
所述第一型场效应管漏极与所述第一型场效应管栅极相连接，所述第一型场效应管源极与地相连接，所述第一型场效应管衬底与地相连接；
所述第二型场效应管漏极与所述第六型场效应管源极相连接，所述第二型场效应管栅极与所述第一型场效应管栅极相连接，所述第二型场效应管源极与地相连接，所述第二型场效应管衬底与地相连接；
所述第三型场效应管漏极与所述第三型场效应管栅极相连接，所述第三型场效应管源极与第四型场效应管的漏极相连接，所述第三型场效应管衬底与地相连接；
所述第四型场效应管漏极与所述第二型场效应管源极相连接，所述第四型场效应管栅极与所述第三型场效应管栅极相连接，所述第四型场效应管源极与地相连接，所述第四型场效应管衬底与地相连接；
所述第五型场效应管漏极与所述第一型场效应管漏极相连接，所述第五型场效应管栅极与所述第六型场效应管栅极相连接，所述第五型场效应管源极与电源电压相连接，所述第五型场效应管衬底与电源电压相连接；
所述第六型场效应管漏极与所述第六型场效应管栅极相连接，所述第六型场效应管源极与电源电压相连接，所述第六型场效应管衬底与电源电压相连接；
所述第七型场效应管漏极与所述第三型场效应管漏极相连接，所述第七型场效应管栅极与所述第六型场效应管栅极相连接，所述第七型场效应管源极与电源电压相连接，所述第七型场效应管衬底与电源电压相连接。
优选地，所述负载电路由第八型场效应管和第九型场效应管组成；其中，
所述第八型场效应管漏极与所述第九型场效应管漏极相连接，所述第八型场效应管栅极与第六型场效应管栅极相连接，所述第八型场效应管源极与电源电压相连接，所述第八型场效应管衬底与电源电压相连接；
所述第九型场效应管漏极与所述第九型场效应管栅极相连接，所述第九型场效应管源极与地相连接，所述第九型场效应管衬底与地相连接。
优选地，所述第九型场效应管漏极输出基准电压。
优选地，所述第五型场效应管、所述第六型场效应管、所述第七型场效应管和所述第八型场效应管为P型场效应管。
优选地，所述第一型场效应管、所述第二型场效应管、所述第三型场效应管、所述第四型场效应管和所述第九型场效应管为N型场效应管。
在本发明实施例中，采用PTAT电流产生电路和负载电路输出基准电压，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，全部功耗在室温下低于20nW，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
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的超低功耗基准电压源电路系统的系统结构组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例中的超低功耗基准电压源电路系统的系统结构组成示意图，如图1所示，所述基准电压源电路系统包括：PTAT电流产生电路和负载电路，所述PTAT电流产生电路与所述负载电路一端相连接，基准电压由所述负载电路输出。
优选地，所述PTAT电流产生电路由第一型场效应管M1、第二型场效应管M2、第三型场效应管M3、第四型场效应管M4、第五型场效应管M5、第六型场效应管M6和第七型场效应管M7组成；其中，
所述第一型场效应管M1漏极与所述第一型场效应管M1栅极相连接，所述第一型场效应管M1源极与地相连接，所述第一型场效应管M1衬底与地相连接；
所述第二型场效应管M2漏极与所述第六型场效应管M6源极相连接，所述第二型场效应管M2栅极与所述第一型场效应管M1栅极相连接，所述第二型场效应管M2源极与地相连接，所述第二型场效应管M2衬底与地相连接；
所述第三型场效应管M3漏极与所述第三型场效应管M3栅极相连接，所述第三型场效应管M3源极与第四型场效应管M4的漏极相连接，所述第三型场效应管M3衬底与地相连接；
所述第四型场效应管M4漏极与所述第二型场效应管M2源极相连接，所述第四型场效应管M4栅极与所述第三型场效应管M3栅极相连接，所述第四型场效应管M4源极与地相连接，所述第四型场效应管M4衬底与地相连接；
所述第五型场效应管M5漏极与所述第一型场效应管M1漏极相连接，所述第五型场效应管M5栅极与所述第六型场效应管M6栅极相连接，所述第五型场效应管M5源极与电源电压相连接，所述第五型场效应管M5衬底与电源电压相连接；
所述第六型场效应管M6漏极与所述第六型场效应管M6栅极相连接，所述第六型场效应管M6源极与电源电压相连接，所述第六型场效应管M6衬底与电源电压相连接；
所述第七型场效应管M7漏极与所述第三型场效应管M3漏极相连接，所述第七型场效应管M7栅极与所述第六型场效应管M6栅极相连接，所述第七型场效应管M7源极与电源电压相连接，所述第七型场效应管M7衬底与电源电压相连接。
优选地，所述负载电路由第八型场效应管M8和第九型场效应管M9组成；其中，
所述第八型场效应管M8漏极与所述第九型场效应管M9漏极相连接，所述第八型场效应管M8栅极与第六型场效应管M6栅极相连接，所述第八型场效应管M8源极与电源电压相连接，所述第八型场效应管M8衬底与电源电压相连接；
所述第九型场效应管M9漏极与所述第九型场效应管M9栅极相连接，所述第九型场效应管M9源极与地相连接，所述第九型场效应管M9衬底与地相连接。
优选地，所述第九型场效应管M9漏极输出基准电压。
优选地，所述第五型场效应管M5、所述第六型场效应管M6、所述第七型场效应管M7和所述第八型场效应管M8为P型场效应管。
优选地，所述第一型场效应管M1、所述第二型场效应管M2、所述第三型场效应管M3、所述第四型场效应管M4和所述第九型场效应管M9为N型场效应管。
在电路系统中，第三型场效应管M3和第九型场效应管M9处于饱和区，第四型场效应管M4处于线性区，其余的N型场效应管和P型场效应管处于亚阈值区，基准电压Vref由第九型场效应管M9漏极输出。
第一型场效应管M1和所述第二型场效应管M2中的电流分别为：
上式中I1表示流过M1的电流，I2表示流过M2的电流，VT＝KT/q表示热电压，表示特征电流，m＞1是一非理想因子。
根据I1，I2表达式可以得到：
因为第五型场效应管M5和第六型场效应管M6组成电流镜，所以有K5,K6分别表示M5和M6的宽长比。
第四型场效应管M4和第三型场效应管M3中的电流分别为：
上式中的I4表示流过第四型场效应管M4的电流，I3表示流过第三型场效应管M3的电流，Vx表示第三型场效应管M3漏极电位，K表示场效应管宽长比，VDS4表示第四型场效应管M4漏极电压。
从电路中可知I4＝I3+I2，M5和M7组成电流镜，所以有由此得到I4与I3的关系式：
将I4和I3的表达式代入上式可得：
令Vx-VDS4-Vth＝Va，将上式化简可得：
将Va代入I2表达式中，
第九型场效应管M9处于饱和区，根据饱和区电流公式可以得到栅源电压表达式：
第八型场效应管M8和第六型场效应管M6组成电流镜，所以有将I3表达式代入：
将I3代Vref表达式中，
最后将VDSO代入上式，
因为有调整系数可以得到
在Hspice仿真器下本基准电压源在0～150℃的温度范围内具有8.6ppm/℃的温度系数，输出基准电压411.3mV,电源电压VDD＝0.7V，室温下功耗为17.9nW。
上述P型场效应管是指P型金属-氧化物-半导体(P-Mental-Oxide-Semiconductor，PMOS)晶体管，每个PMOS晶体管包括四个引脚，即漏极D，源极S，衬底，栅极G。
上述N型场效应管是N型金属-氧化物-半导体(N-Mental-Oxide-Semiconductor，NMOS)晶体管，每个NMOS晶体管包括四个引脚，即漏极D，源极S，衬底，栅极G。
在本发明实施例中，采用PTAT电流产生电路和负载电路输出基准电压，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，全部功耗在室温下低于20nW，符合当今电子设备低电源电压和低功耗的发展趋势。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种超低功耗基准电压源电路系统进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种超低功耗基准电压源电路系统，其特征在于，所述基准电压源电路系统包括：PTAT电流产生电路和负载电路，所述PTAT电流产生电路与所述负载电路一端相连接，基准电压由所述负载电路输出；
所述PTAT电流产生电路由第一型场效应管、第二型场效应管、第三型场效应管、第四型场效应管、第五型场效应管、第六型场效应管和第七型场效应管组成；其中，
所述第一型场效应管漏极与所述第一型场效应管栅极相连接，所述第一型场效应管源极与地相连接，所述第一型场效应管衬底与地相连接；
所述第二型场效应管漏极与所述第六型场效应管源极相连接，所述第二型场效应管栅极与所述第一型场效应管栅极相连接，所述第二型场效应管源极与地相连接，所述第二型场效应管衬底与地相连接；
所述第三型场效应管漏极与所述第三型场效应管栅极相连接，所述第三型场效应管源极与第四型场效应管的漏极相连接，所述第三型场效应管衬底与地相连接；
所述第四型场效应管漏极与所述第二型场效应管源极相连接，所述第四型场效应管栅极与所述第三型场效应管栅极相连接，所述第四型场效应管源极与地相连接，所述第四型场效应管衬底与地相连接；
所述第五型场效应管漏极与所述第一型场效应管漏极相连接，所述第五型场效应管栅极与所述第六型场效应管栅极相连接，所述第五型场效应管源极与电源电压相连接，所述第五型场效应管衬底与电源电压相连接；
所述第六型场效应管漏极与所述第六型场效应管栅极相连接，所述第六型场效应管源极与电源电压相连接，所述第六型场效应管衬底与电源电压相连接；
所述第七型场效应管漏极与所述第三型场效应管漏极相连接，所述第七型场效应管栅极与所述第六型场效应管栅极相连接，所述第七型场效应管源极与电源电压相连接，所述第七型场效应管衬底与电源电压相连接；
所述负载电路由第八型场效应管和第九型场效应管组成；其中，
所述第八型场效应管漏极与所述第九型场效应管漏极相连接，所述第八型场效应管栅极与第六型场效应管栅极相连接，所述第八型场效应管源极与电源电压相连接，所述第八型场效应管衬底与电源电压相连接；
所述第九型场效应管漏极与所述第九型场效应管栅极相连接，所述第九型场效应管源极与地相连接，所述第九型场效应管衬底与地相连接。
2.根据权利要求1所述的基准电压源电路系统，其特征在于，所述第九型场效应管漏极输出基准电压。
3.根据权利要求1所述的基准电压源电路系统，其特征在于，所述第五型场效应管、所述第六型场效应管、所述第七型场效应管和所述第八型场效应管为P型场效应管。
4.根据权利要求1所述的基准电压源电路系统，其特征在于，所述第一型场效应管、所述第二型场效应管、所述第三型场效应管、所述第四型场效应管和所述第九型场效应管为N型场效应管。
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