CN107450652A - 一种电压基准源电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供的电压基准源电路采用标准CMOS工艺实现，电路结构中只使用了CMOS管，利用工作在亚阈值区和工作在饱和区的CMOS管相结合，以及衬底效应相互抵消技术产生与电源无关的电流，利用工作在亚阈值区的CMOS管的电压电流特性实现温度补偿得到稳定的电压输出。电路中并未使用电阻和电容以及特殊阈值的CMOS管等元件，所以具有成本低、兼容性强和面积小的优点。

Description

一种电压基准源电路

技术领域

本发明涉及电路元器件领域，更具体地，涉及一种低功耗、低温度系数、较宽工作电压范围、低成本、强兼容性和小面积的电压基准源电路。

背景技术

基准源电路广泛应用于模拟和混合电路中，如A/D转换器、D/A转换器、电压调谐器、电压表、电流表等测试仪器以及偏置电路。其特点是输出的基准信号稳定，与电源电压、温度以及工艺的变化无关。在SOC(system on chip)芯片中，基准源电路是必不可少的一部分，其温度稳定性以及抗干扰性等性能的好坏影响着整个电路系统的精度及电路系统的性能。

基准源电路设计时主要考虑以下几个性能指标：功耗、温度系数、工作电压范围以及电源抑制比。为了能够满足现在对电源管理芯片低功耗的要求，基准源电路设计要尽量降低其工作电流，从而减少其功耗，使电池工作寿命变得更长久。温度系数越低即基准源电路的输出电压受温度影响越小，电压越稳定。较大的工作范围可使基准源电路更容易达到目标的输出电压值。

对于传统的基准源电路通常是利用两个不同温度系数的电流模块来实现零温度系数的电压输出。设计者要设计一个正温度系数电流模块(电流随温度的增加而增加)和一个负温度系数电流模块(电流随温度的降低而降低)然后将这两个电流模块相叠加，从而得到低温度系数的电压输出。

如图1所示是一个传统的带隙基准源电路结构。通过运算放大器OP的负反馈作用，使得节点电压V_A＝V_B，从而使得流过PM₁和PM₂的电流相等，即I₁＝I₂＝I，在电阻R₁上的电压降等于Q₁和Q₂的基-射电压差,为V_BE＝V_TlnN，N是Q₁和Q₂的发射区面积之比。在这个电路结构中，基准输出电压是双极型晶体管Q₃的基极-发射极电压V_BE3和电阻R₂上的电压降之和，所以有V_REF的表达式如下：

式中的第二项与绝对温度成正比，用于补偿V_BE3的负温度系数。通过选择合适的R₁和R₂之比，基准电压的温度系数在某一特定温度下可以达到零，在该值附近基准电压随温度的变化很小。

但这种结构存在一定的不足。首先，该电路的输出电压为1.2V左右，不适用于低压的场合，其次，该电路使用到三极管和电阻，电路的面积比较大。另一方面，这种电路需要较大的静态电路，从而导致电路的功耗较大，通常也在几百uW级别，这对于低工作电压、低功耗的应用是致命的弱点。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的的缺陷，提供了一种低功耗、低温度系数、较宽工作电压范围、低成本、强兼容性和小面积的电压基准源电路。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种电压基准源电路，包括启动电路单元、电流产生单元、高增益运算放大器和电压输出负载单元；所述启动电路单元在电路启动阶段为电流产生单元提供启动电压与电流，使电流产生单元摆脱工作在“简并点”；电流产生单元，由两个支路组成，用于为电压输出负载单元产生一个偏置电流；高增益运算放大器的两个输入端分别与电流产生单元的两个支路连接，其输出端与启动电路单元和电流产生单元连接，通过负反馈对电流产生单元起到钳位作用，在电流产生单元两个支路间建立起一个明确的电压关系，从而使电流产生单元产生一个与电源电压无关的偏置电流；电压输出负载单元，用于基于偏置电流产生并输出基准电压和实现输出零温度系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的电压基准源电路具有低功耗、低温度系数、较宽工作电压范围、低成本、强兼容性和小面积特点。

附图说明

图1为传统的基准源电路的结构示意图。

图2为本发明提供的基准源电路的结构示意图。

图3为本发明提供的的基准源电路的启动电路单元的结构示意图。

图4为本发明提供的的基准源电路的电流产生单元的结构示意图。

图5为本发明提供的的基准源电路的高增益运算放大器的结构示意图。

图6为本发明提供的的基准源电路的电压输出负载单元的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

本发明涉及一款低功耗、低温度系数、较宽的工作电压范围、成本低、兼容性强和面积小的电压基准源电路。本发明采用标准CMOS工艺实现，电路结构中只使用了CMOS管，利用工作在亚阈值区和工作在饱和区的CMOS管相结合，以及衬底效应相互抵消技术产生与电源无关的电流，利用工作在亚阈值区的CMOS管的电压电流特性实现温度补偿得到稳定的电压输出。电路中并未使用电阻和电容以及特殊阈值的CMOS管等元件，所以具有成本低、兼容性强和面积小的优点。

其中工作在饱和区的CMOS管的电压电流特性如下表达式所示：

工作在亚阈值区的CMOS管的电压电流特性如下表达式所示：

V_T为热电压(V_T＝k_BT/q)具有负温度系数。K为CMOS管的宽长比，I_DS是其漏极电流，η为亚阈值斜率因子，μ_n为载流子迁移率，C_ox为栅氧层电容。

其中V_TH是门阈值电压，具有正温度系数，其表达式如下所示：

V_TH＝V_TH(T₀)-κ_t(T-T₀) (4)

κ_t为V_TH的一阶温度系数，T₀是参考温度(300K),V_TH(T₀)代表参考温度下的阈值电压。

如图2所示，本发明提供的电压基准源电路，包括启动电路单元、电流产生单元、高增益运算放大器和电压输出负载单元。

参考图3，所述启动电路单元包括PMOS管MC和NMOS管MS1、MS2、MS3；所述MC的源极和漏极与电源VDD连接，MC的栅极分别与MS1的漏极、MS2的栅极、MS3的栅极连接，作为MOS管电容为MS2、MS3的栅极提供启动电压，MS2、MS3的漏极通过结点node1与运算放大器的输出端连接，MS2、MS3的源极分别与电流产生单元的两个支路连接，在电路启动时通过节点node2和node3为两个支路提供启动电流，使电流产生单元摆脱工作在“简并点”，确保电路正常工作。MS1的栅极与参考电压输出端V_ref连接,MS1的源极接地。当电路正常工作后输出电压V_ref作为反馈信号使启动电路自动断开，从而降低功耗。

参考图4，所述电流产生单元包括PMOS管PM1、PM2和NMOS管M1、M2、M3、M4，所述M1和M2工作在亚阈值区，M3和M4工作在饱和区，所述M1的栅极和漏极与M3的栅极连接，PM1的漏极与M1的栅极和漏极连接、PM1的源极接电源VDD，M3的源极接地，M1的源极与MS2的源极连接；M1的源极和M3的漏极通过结点node2与运算放大器的负输入端连接，所述M2的栅极和漏极与M4的栅极连接，PM2的漏极与M2的栅极和漏极连接、PM2的源极接电源VDD，M4的源极接地，M4的栅极与MS3的源极连接。M1和M3构成电流产生单元的一个支路，M2和M4构成电流产生单元的另一个支路，PM1的栅极和PM2的栅极通过结点node1与运算放大器的输出端连接，PM1和PM2以电流镜结构连接使两支路的电流相等。利用运算放大器负反馈的钳位作用，在电流产生单元原本独立的两个支路间建立起一个明确的电压关系，即使结点node2和结点node4的电压相等，得到电流产生单元的电压关系式如式(5)所示：

V_GS1-V_GS3＝V_GS2-V_GS4 (5)

根据CMOS管工作在饱和区和亚阈值的电压电流特性，如式(2)、(3)所示，可以进一步的到电路产生电路的电流I的表达式：

由上式可知，该电流与M1、M2、M3、M4的宽长比有关，通过调节其宽长比就可以得到极低的偏置电流。

参考图5，所述高增益运算放大器包括PMOS管MA3、MA4和NMOS管MA1、MA2、MA5，所述MA3与MA4以电流镜结构连接，即MA4的漏极和栅极与MA3的栅极连接，MA3的源极和MA4的源极接电源VDD，MA3的漏极作为运算放大器的输出端通过结点node1与PM1的栅极、PM2的栅极、MS2的漏极、MS3的漏极连接，MA1的漏极与MA3的漏极连接，MA2的漏极与MA4的漏极连接，MA2的栅极和MA1的栅极作为运算放大器的正负输入端分别通过结点node4和node2与M4的漏极和M3的漏极连接，MA1和MA2的源极与MA5的漏极连接，MA5的栅极与参考电压输出端V_ref连接，MA5的源极接地。由于运算放大器负反馈的钳位作用，在电流产生单元原本独立的两个支路间建立起一个明确的电压关系，即使结点node2和结点node4的电压相等，从而使M1和M2的衬底效应相互抵消，因此由式(5)推导出的电流表达式更加精确。

参考图6，电压输出负载单元包括PMOS管PM3、PM4和NMOS管M5、M6、M7，在本发明所述电路结构中，为了得到更好的温度系数，所述M5、M7工作在亚阈值区，M6工作在饱和区。M5和M6级联，即M5的栅极和漏极与M6的栅极连接，M5的源极和M6的漏极与M7的源极连接，PM3的漏极与M5的栅极和漏极连接、PM3的源极接电源VDD，PM3的栅极与PM4的栅极、PM2的栅极、PM1的栅极连接，M6的源极接地，M7的栅极、漏极与PM4的漏极连接，PM4的源极接电源VDD，M7的漏极作为参考电压输出端V_ref。得到输出电压表达式如下：

V_ref＝V_GS6-V_GS5+V_GS7 (7)

所述节点node1又与电压输出负载单元连接，PM3与PM4组成电流镜，通过该电流镜将电流产生单元产生的电流镜像到电压输出负载单元，使PM3所在支路得到与I成比例的电流βI，该比例由PM3和PM4的宽长比决定，由式(2)、(3)MOS管工作在饱和区和亚阈值区的电压电流特性，可进一步的得到输出电压的表达式：

由上述公式可知道通过适当地调整M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7的宽长比K就可以消除温度T对输出电压的影响，从而实现零温度系数。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电压基准源电路，其特征在于：包括启动电路单元、电流产生单元、高增益运算放大器和电压输出负载单元；所述启动电路单元在电路启动阶段为电流产生单元提供启动电压与电流，使电流产生单元摆脱工作在“简并点”；电流产生单元，由两个支路组成，用于为电压输出负载单元产生一个偏置电流；高增益运算放大器的两个输入端分别与电流产生单元的两个支路连接，其输出端与启动电路单元和电流产生单元连接，通过负反馈对电流产生单元起到钳位作用，在电流产生单元两个支路间建立起一个明确的电压关系，从而使电流产生单元产生一个与电源电压无关的偏置电流；电压输出负载单元，用于基于偏置电流产生并输出基准电压和实现输出零温度系数。

2.根据权利要求1所述的电压基准源电路，其特征在于，所述启动电路单元包括PMOS管MC和NMOS管MS1、MS2、MS3；所述MC的源极和漏极与电源VDD连接，MC的栅极分别与MS1的漏极、MS2的栅极、MS3的栅极连接，MS1的栅极与电压输出负载单元的参考电压输出端V_ref连接,MS1的源极接地；MS2的漏极、MS3的漏极与高增益运算放大器的输出端连接，MS2的源极、MS3的源极分别与电流产生单元的两个支路连接。

3.根据权利要求2所述的电压基准源电路，其特征在于，所述电流产生单元包括PMOS管PM1、PM2和NMOS管M1、M2、M3、M4，所述M1的栅极和漏极与M3的栅极连接，PM1的漏极与M1的栅极和漏极连接，PM1的栅极与高增益运算放大器的输出端、PM2的栅极、电压输出负载单元连接；PM1的源极接电源VDD，M3的源极接地，M1的源极与MS2的源极连接，M1的源极与M3的漏极、高增益运算放大器的一个输入端连接；所述M2的栅极和漏极与M4的栅极连接，PM2的漏极与M2的栅极和漏极连接，PM2的源极接电源VDD，M4的源极接地，M4的栅极与MS3的源极连接；M2的源极与M4的漏极、高增益运算放大器的另一个输入端连接。

4.根据权利要求3所述的电压基准源电路，其特征在于，所述高增益运算放大器包括PMOS管MA3、MA4和NMOS管MA1、MA2、MA5，MA4的漏极和栅极与MA3的栅极连接，MA3的源极和MA4的源极接电源VDD，MA3的漏极作为运算放大器的输出端与PM1的栅极、PM2的栅极、MS2的漏极、MS3的漏极连接，MA1的漏极与MA3的漏极连接，MA2的漏极与MA4的漏极连接，MA2的栅极和MA1的栅极作为运算放大器的正负输入端分别与M4的漏极和M3的漏极连接，MA1和MA2的源极与MA5的漏极连接，MA5的栅极与参考电压输出端V_ref连接，MA5的源极接地。

5.根据权利要求4所述的电压基准源电路，其特征在于，所述电压输出负载单元包括PMOS管PM3、PM4和NMOS管M5、M6、M7，M5的栅极和漏极与M6的栅极连接，M5的源极和M6的漏极与M7的源极连接，PM3的漏极与M5的栅极和漏极连接、PM3的源极接电源VDD，PM3的栅极与PM4的栅极、PM2的栅极、PM1的栅极连接，M6的源极接地，M7的栅极、漏极与PM4的漏极连接，PM4的源极接电源VDD，M7的漏极作为参考电压输出端V_ref。