CN107390757A - 一种低功耗低温漂cmos亚阈值基准电路 - Google Patents

一种低功耗低温漂cmos亚阈值基准电路 Download PDF

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Abstract

一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，属于电源管理技术领域。包括启动电路，负温度系数电压产生电路和正温度系数电压产生电路；启动电路在电路初始化阶段将第一NMOS管MN1的栅端拉高，使电路脱离零状态，正常工作后，启动电路将退出工作；负温度系数电压产生电路提取出NMOS管阈值电压VTHN作为负温度系数电压；正温度系数电压产生电路利用漏源电流相等，宽长比不等的亚阈值区MOS管产生正温度系数电压，与负温度系数电压产生电路输出的负温度系数电压进行叠加，输出基准电压VREF。本发明提出的基准电路在一定温度范围内达到近似零温的特性，且能实现μW量级的超低功耗。

Description

一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种基于亚阈值MOSFET的超低功耗低温漂基准产生电路的设计。
背景技术
基准电压源是模拟集成电路和数模混合电路中极为重要的组成部分，广泛应用于功率转换器、功率放大器、数模转换器等电路中。基准电压源的作用是为电路提供一个与温度和电源电压无关的电压基准。随着电源电压的持续下降，设计出低压低功耗、低温度系数的基准源变得十分关键。移动电子设备对功耗的要求越来越高，使得基准电压源的电源电压要能够降至1V左右，功耗在uW量级。低温度系数、低压低功耗已经成为了基准源(Reference)未来的主要发展方向。
而传统带隙基准源由于BE结电压的限制，不易实现低功耗基准源的要求；而非带隙基准源往往采用亚阈值MOSFET的栅源电压VGS作为负温量，其包含的高阶非线性温度项导致基准源的性能不高。
发明内容
为了解决现有的基于亚阈值MOSFET产生的低功耗基准源在温度特性方面的不足之处，本发明提出了一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，实现了一定温度范围内达到近似零温的特性，且能实现μW量级的超低功耗。
本发明的技术方案是：
一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，包括启动电路、负温度系数电压产生电路和正温度系数电压产生电路，所述启动电路的输出端连接所述负温度系数电压产生电路的控制端，
所述负温度系数电压产生电路包括第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4，
第二PMOS管MP2的栅极连接第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4栅极、第三NMOS管MN3和第二PMOS管MP2的漏极并作为所述负温度系数电压产生电路的控制端；
第四NMOS管MN4的栅漏短接并连接第五NMOS管MN5的栅极和第三PMOS管MP3的漏极，其源极连接第五NMOS管MN5和第四PMOS管MP4的漏极以及第六NMOS管MN6的栅极；
第五NMOS管MN5的源极连接第三NMOS管MN3的栅极和第六NMOS管MN6的漏极并作为所述负温度系数电压产生电路的输出端；
第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4的源极接电源电压VCC，第三NMOS管MN3和第六NMOS管MN6的源极接地；
所述正温度系数电压产生电路包括第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13和第十四PMOS管MP14，
第九PMOS管MP9的栅极作为所述正温度系数电压产生电路的输入端连接所述负温度系数电压产生电路的输出端，其源极接第六PMOS管MP6的漏极和第十PMOS管MP10的源极；
第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7和第八PMOS管MP8的栅极互连并连接所述负温度系数电压产生电路中第二PMOS管MP2的栅极；
第七NMOS管MN7的栅源短接并连接第五PMOS管MP5的漏极、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9和第十NMOS管MN10的栅极；
第十PMOS管MP10的栅漏短接并连接第十一PMOS管MP11的栅极和第八NMOS管MN8的源极；
第十二PMOS管MP12的栅漏短接并连接第十三PMOS管MP13的栅极和第九NMOS管MN9的源极，其源极连接第七PMOS管MP7的漏极和第十一PMOS管MP11的源极；
第十四PMOS管MP14的栅极连接其漏极和第十NMOS管MN10的源极并作为所述基准电路的输出端输出基准电压VREF，其源极连接第八PMOS管MP8的漏极和第十三PMOS管MP13的源极；
第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7和第八PMOS管MP8的源极接电源电压VCC，第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10、第九PMOS管MP9、第十一PMOS管MP11和第十三PMOS管MP13的漏极接地。
具体的，所述启动电路包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第一PMOS管MP1，
第二NMOS管MN2的栅极连接第一NMOS管MN1的漏极和第一PMOS管MP1的栅极，其漏极作为所述启动电路的输出端；
第一NMOS管MN1的栅极、第一PMOS管MP1的漏极和源极接电源电压VCC，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2的源极接地。
具体的，所述第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4的宽长比之比为1:1:2，第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的宽长比之比为1:1:3，第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6的宽长比之比为1:1，第七NMOS管MN7和第八NMOS管MN8的宽长比之比2:1。
具体的，所述第三NMOS管MN3、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13和第十四PMOS管MP14工作在亚阈值区。
本发明的有益效果：本发明产生的基准电压VREF在一定温度范围内能达到近似零温的特性；且利用工作在亚阈值的MOS使得本发明提出的基准电路能实现μW级的超低功耗。
附图说明
图1为本发明提出的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路拓扑结构图。
图2为实施例中提出的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路的电路全图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明提出的CMOS亚阈值基准电路的系统拓扑结构图如图1所示，由三部分组成：启动电路，负温度系数电压VCTAT产生电路和正温度系数电压VPTAT产生电路，其中启动电路输出端连接负温度系数电压VCTAT产生电路的控制端，负温度系数电压VCTAT产生电路提取出NMOS管的阈值电压VTHN作为负温度系数电压。负温度系数电压VCTAT产生电路输出端连接正温度系数电压VPTAT产生电路的输入端，负温度系数电压VCTAT产生电路输出的负温度系数电压与正温度系数电压VPTAT产生电路产生的正温度系数电压进行叠加，得到基准电压VREF。
如图2所示，本实施例中的启动电路包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第一PMOS管MP1，第一NMOS管MN1作为启动开关管使用，第一PMOS管MP1作为启动电容使用，第二NMOS管MN2的栅极连接第一NMOS管MN1的漏极和第一PMOS管MP1的栅极，其漏极作为所述启动电路的输出端连接负温度系数电压产生电路的控制端；第一NMOS管MN1的栅极、第一PMOS管MP1的漏极和源极接电源电压VCC，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2的源极接地。
启动支路在电路初始化阶段将第一NMOS管MN1的栅端拉高，使电路脱离零状态，正常工作后，启动支路将退出工作；负温度系数电压VCTAT产生电路利用工作在饱和区的第四NMOS管MN4、工作在线性区的第五NMOS管MN5和工作在饱和区的第六NMOS管MN6提取出NMOS管阈值电压VTHN作为负温度系数电压；正温度系数电压VPTAT产生电路利用第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13和第十四PMOS管MP14产生正温度系数电压，与负温度系数电压VCTAT产生电路输出的负温度系数电压进行叠加，输出基准电压VREF。
以下通过电路的工作过程结合实际线路图进行详细分析。
上电阶段，作为启动电容的第一PMOS管MP1的初始电压为电源电压VCC，此时第二NMOS管MN2导通，将第二PMOS管MP2的电位拉低，电路进入工作状态，同时另一方面，第一NMOS管MN1为第一PMOS管MP1放电，当第一PMOS管MP1电位降至第二NMOS管MN2的阈值电压以下时，第二NMOS管MN2关断，启动支路退出工作，最终第一PMOS管MP1两端电位接近于电源电压VCC。
如图2所示，负温度系数电压VCTAT产生电路包括第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4。第二PMOS管MP2分别与第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4形成电流镜连接方式，且第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4的宽长比之比为1:1:2，即第三NMOS管MN3工作在亚阈值区，第四NMOS管MN4和第六NMOS管MN6工作在饱和区，第五NMOS管MN5工作在线性区。
第四NMOS管MN4工作于饱和区，其漏源电流具有如下表达式：
可以得到第四NMOS管MN4的栅源电压：
其中μn是电子的迁移率，Cox是单位面积栅氧化电容，VTHN为NMOS管的阈值电压。
第六NMOS管MN6工作于饱和区，同理，其栅源电压具有如下表达式：
第五NMOS管MN5工作在线性区，其漏源电压具有如下表达式：
因为第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4的宽长比之比具有如下关系式：
可以得到：
又由于第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的宽长比之比存在如下关系：
由式(6)和式(7)，式(2)、式(3)和式(4)可以简化为：
其中，I＝IDS，MN4，
根据第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的连接结构，可以得到：
VGS,MN5＝VDS,MN5+VGS,MN4 (11)
以及
VDS,MN6＝VGS,MN6-VDS,MN5 (12)
联立式(7)、式(9)和式(10)可得：
将式(8)和式(12)代入式(11)可得：
VDS,MN6＝VTHN (14)
第六NMOS管MN6漏极产生的电压就是阈值电压，该电压作为负温度系数电压输出到正温度系数电压产生电路。
如图2所示，正温度系数电压VPTAT产生电路中的第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8与负温度系数电压产生电路的中第二PMOS管MP2形成电流镜连接；第七NMOS管MN7分别与第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9和第十NMOS管MN10形成电流镜连接，其中第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6的宽长比之比为1:1，第七NMOS管MN7和第八NMOS管MN8的宽长比之比2:1；第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13和第十四PMOS管MP14工作在亚阈值区。
第九PMOS管MP9和第十PMOS管MP10工作在亚阈值区，第九PMOS管MP9的漏源电流表达式如下：
其中μp是空穴的迁移率，VTHP是PMOS管的阈值电压，m为亚阈值斜率因子，VT为热电压，可以得到：
同理，
又因为第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6的宽长比之比关系如下
第七NMOS管MN7和第八NMOS管MN8的宽长比之比关系如下：
所以第九PMOS管MP9和第十PMOS管MP10的漏源电流具有如下关系：
由式(16)、式(17)和式(19)可得：
第九PMOS管MP9和第十PMOS管MP10的栅源电压之差就是一个正温度系数电压。
同理，
由式(14)、(21)、(22)和(23)可得：
VREF＝VTHN+K2 mVT (24)
其中，
通过上式可以看出，最后的基准电压输出为两部分叠加形成，负温度系数电压VCTAT为VTHN、正温度系数电压VPTAT为K2mVT。合理的设置电路参数能够使得基准电压VREF在宽的温度范围内达到近似零温的特性。
本发明中第三NMOS管MN3、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13和第十四PMOS管MP14工作于亚阈值区，相比饱和区而言节省了功耗。通过参数优化使得整个基准实现了μw量级的功耗，具有低功耗的特点。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，包括启动电路、负温度系数电压产生电路和正温度系数电压产生电路，所述启动电路的输出端连接所述负温度系数电压产生电路的控制端，
其特征在于，所述负温度系数电压产生电路包括第三NMOS管(MN3)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)、第六NMOS管(MN6)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)，
第二PMOS管(MP2)的栅极连接第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)栅极、第三NMOS管(MN3)和第二PMOS管(MP2)的漏极并作为所述负温度系数电压产生电路的控制端；
第四NMOS管(MN4)的栅漏短接并连接第五NMOS管(MN5)的栅极和第三PMOS管(MP3)的漏极，其源极连接第五NMOS管(MN5)和第四PMOS管(MP4)的漏极以及第六NMOS管(MN6)的栅极；
第五NMOS管(MN5)的源极连接第三NMOS管(MN3)的栅极和第六NMOS管(MN6)的漏极并作为所述负温度系数电压产生电路的输出端；
第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)的源极接电源电压(VCC)，第三NMOS管(MN3)和第六NMOS管(MN6)的源极接地；
所述正温度系数电压产生电路包括第七NMOS管(MN7)、第八NMOS管(MN8)、第九NMOS管(MN9)、第十NMOS管(MN10)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)、第八PMOS管(MP8)、第九PMOS管(MP9)、第十PMOS管(MP10)、第十一PMOS管(MP11)、第十二PMOS管(MP12)、第十三PMOS管(MP13)和第十四PMOS管(MP14)，
第九PMOS管(MP9)的栅极作为所述正温度系数电压产生电路的输入端连接所述负温度系数电压产生电路的输出端，其源极接第六PMOS管(MP6)的漏极和第十PMOS管(MP10)的源极；
第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)和第八PMOS管(MP8)的栅极互连并连接所述负温度系数电压产生电路中第二PMOS管(MP2)的栅极；
第七NMOS管(MN7)的栅源短接并连接第五PMOS管(MP5)的漏极、第八NMOS管(MN8)、第九(NMOS管(MN9)和第十NMOS管(MN10)的栅极；
第十PMOS管(MP10)的栅漏短接并连接第十一PMOS管(MP11)的栅极和第八NMOS管(MN8)的源极；
第十二PMOS管(MP12)的栅漏短接并连接第十三PMOS管(MP13)的栅极和第九NMOS管(MN9)的源极，其源极连接第七PMOS管(MP7)的漏极和第十一PMOS管(MP11)的源极；
第十四PMOS管(MP14)的栅极连接其漏极和第十NMOS管(MN10)的源极并作为所述基准电路的输出端输出基准电压(VREF)，其源极连接第八PMOS管(MP8)的漏极和第十三PMOS管(MP13)的源极；
第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)和第八PMOS管(MP8)的源极接电源电压(VCC)，第七NMOS管(MN7)、第八NMOS管(MN8)、第九(NMOS管(MN9)、第十NMOS管(MN10)、第九PMOS管(MP9)、第十一PMOS管(MP11)和第十三PMOS管(MP13)的漏极接地。
2.根据权利要求1所述的低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，其特征在于，所述启动电路包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)和第一PMOS管(MP1)，
第二NMOS管(MN2)的栅极连接第一NMOS管(MN1)的漏极和第一PMOS管(MP1)的栅极，其漏极作为所述启动电路的输出端；
第一NMOS管(MN1)的栅极、第一PMOS管(MP1)的漏极和源极接电源电压(VCC)，第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)的源极接地。
3.根据权利要求1所述的低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，其特征在于，所述第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)的宽长比之比为1:1:2，第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)的宽长比之比为1:1:3，第五PMOS管(MP5)和第六PMOS管(MP6)的宽长比之比为1:1，第七NMOS管(MN7)和第八NMOS管(MN8)的宽长比之比2:1。
4.根据权利要求3所述的低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，其特征在于，所述第三NMOS管(MN3)、第九PMOS管(MP9)、第十PMOS管(MP10)、第十一PMOS管(MP11)、第十二PMOS管(MP12)、第十三PMOS管(MP13)和第十四PMOS管(MP14)工作在亚阈值区。
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