CN107479606B - 超低功耗低压带隙基准电压源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路领域，为提出能工作在较低的电源电压下，对电源电压的变化不敏感，且具有极低的功耗电压源。本发明，超低功耗低压带隙基准电压源，PMOS管M3、M4、M5栅极相连，源极接电源VDD，M3栅漏极相连；NMOS管M1漏极接M3漏极，源极接地，NMOS管M2漏极接M4漏极，源极通过电阻RPTAT接地，M1、M2栅极相连，并和地之间接电阻RCTAT；PMOS管M6源极接电源VDD，漏极接M1、M2的栅极，栅极接M7的栅极；PMOS管M7源极接电源VDD，漏极通过电阻ROUT接地，同时与M5的漏极相连；跨导运算放大器的负输入和正输入端分别接M3、M4的漏极。本发明主要应用于电压源设计制造。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及在射频电路或超低功耗传感器中的应用，可以为其提供超低功耗的低压基准电压源。具体讲,涉及超低功耗低压带隙基准电压源。
背景技术
近年来，为了检测不同位置的物理和环境信息，传感器网络的覆盖越来越广泛。一般来讲，每个节点处的传感器采用电池供电，这就对传感器的功耗提出了严苛的要求。为此，低功耗、低电压就成为了其采用的基准电压源的必然要求。另外，在射频电路中，低电压和低功耗可以保证更快的启动和更高的接收灵敏度。即使在一般的集成电路设计中，随着工艺的发展，晶体管的尺寸越来越小，低电压和低功耗可以保证晶体管不被击穿和保证可靠性。
图1展示的是传统的基于CMOS工艺的低电压基准电压源电路，两个PNP型三极管的基极和集电极接地，Q1的发射极接PMOS管M1的漏极，Q2的发射极通过一个电阻R2接PMOS管M2的漏极，运算放大器的负输入端和正输入端分别接PMOS管M1和M2的漏极，并分别和地之间接一个电阻R1和R3。三个PMOS管M1、M2、M3的栅极相连，并和运放的输出端相连，源极接电压源VDD，M3的漏极通过电阻接地。M3的漏极即为基准电压输出端。该电路分别产生一路与绝对温度成正比和成反比的电流，IPTAT和ICTAT，再将二者以一定的比例线性叠加注入电阻R4，从而得到基准电压。这种结构受到失调电压和三极管基极电流的影响，性能较差。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种不使用三极管，而完全采用CMOS管和电阻组成的基准电压源，以规避三极管基极电流和失调电压的弊端，同时能工作在较低的电源电压下，对电源电压的变化不敏感，且具有极低的功耗。本发明采用的技术方案是，超低功耗低压带隙基准电压源，结构如下：PMOS管M3、M4、M5栅极相连，源极接电源VDD，M3栅漏极相连；NMOS管M1漏极接M3漏极，源极接地，NMOS管M2漏极接M4漏极，源极通过电阻RPTAT接地，M1、M2栅极相连，并和地之间接电阻RCTAT；PMOS管M6源极接电源VDD，漏极接M1、M2的栅极，栅极接M7的栅极；PMOS管M7源极接电源VDD，漏极通过电阻ROUT接地，同时与M5的漏极相连；跨导运算放大器的负输入和正输入端分别接M3、M4的漏极，输出端接M6的栅极；最终在M5的漏极输出基准电压。
由M2产生的与绝对温度成正比即PTAT电流为：
其中VGS1和VGS2分别为M1和M2的栅源电压，m为亚阈值斜率，N为M2与M1的宽长比的比值，VT为热电压。由M1产生的与绝对温度成反比即CTAT电流为：
其中，Vth,0是M1在温度T0时的阈值电压，kt1是阈值电压的温度系数，ID是MOS管M1的源漏电流，μn为NMOS管的表面迁移率，COX为单位面积栅氧化物电容，W/L为MOS管宽长比。
IPTAT和ICTAT分别通过由M3、M4、M5和M6、M7组成的电流镜注入到ROUT，计算得到：
合理的设置VT和VGS1的系数，即实现对Vref的一阶温度补偿。
MOS管M1的沟道宽长比为130um/1um，M2为1040um/1um，M3、M4为2.5um/10um，M5为10um/10um，M6、M7为25um/10um，电阻RCTAT为1.5MΩ，RPTAT为1MΩ，ROUT为1MΩ。
本发明的特点及有益效果是：
本发明可以在较大范围的电源电压范围内稳定工作，并对电源电压不敏感，因此可以工作在较低的电源电压下。亚阈值MOS管的引入使本结构具有极低的功耗。另外，结构还具有较小的温度系数。
附图说明：
图1传统的基于CMOS工艺的低电压基准电压源电路。
图2本发明提出的基准电压源的结构。
具体实施方式
本发明提出的基准电压源的结构如图2所示。PMOS管M3、M4、M5栅极相连，源极接电源VDD，M3栅漏极相连。NMOS管M1漏极接M3漏极，源极接地，NMOS管M2漏极接M4漏极，源极通过电阻RPTAT接地，M1、M2栅极相连，并和地之间接电阻RCTAT。PMOS管M6源极接电源VDD，漏极接M1、M2的栅极，栅极接M7的栅极。PMOS管M7源极接电源VDD，漏极通过电阻ROUT接地，同时与M5的漏极相连。跨导运算放大器的负输入和正输入端分别接M3、M4的漏极，输出端接M6的栅极。最终在M5的漏极输出基准电压。
与传统结构主要的不同就是，用工作在亚阈值区的MOS管代替了三极管，从而由M2产生的与绝对温度成正比即PTAT电流为：
其中VGS1和VGS2分别为M1和M2的栅源电压，m为亚阈值斜率，N为M2与M1的宽长比的比值，VT为热电压。由M1产生的与绝对温度成反比即CTAT电流为：
其中，Vth,0是M1在温度T0时的阈值电压，kt1是阈值电压的温度系数，ID是MOS管M1的源漏电流，μn为NMOS管的表面迁移率，COX为单位面积栅氧化物电容，W/L为MOS管宽长比。
IPTAT和ICTAT分别通过由M3、M4、M5和M6、M7组成的电流镜注入到ROUT，计算得到：
合理的设置VT和VGS1的系数，即可实现对Vref的一阶温度补偿。
提出的基准电压源最低可以在1V电源电压下稳定工作，其在该电压和室温下输出基准电压为597mV，在-40～85℃范围内的温度系数为50ppm/℃。结构还表现出了极好的对电源VDD的不敏感性，可以在1～3.3V内只产生3mV的变化。结构还具有极低的功耗，总电流在1uA以下。
由于具有以上特点，在应用于传感器时，能使其具有更好的续航能力和对环境变化的适应能力，从而减少维护频率；能更好的适应射频电路对启动速度和灵敏度的要求；能适应极低尺寸工艺集成电路对电压和功耗的要求。
前述技术方案中，MOS管M1的沟道宽长比为130um/1um，M2为1040um/1um，M3、M4为2.5um/10um，M5为10um/10um，M6、M7为25um/10um，电阻RCTAT为1.5MΩ，RPTAT为1MΩ，ROUT为1MΩ。
Claims (4)
1.一种超低功耗低压带隙基准电压源，结构如下：PMOS管M3、M4、M5栅极相连，源极接电源VDD；NMOS管M1漏极接M3漏极，源极接地；跨导运算放大器的负输入和正输入端分别接M3、M4的漏极；最终在M5的漏极输出基准电压，其特征是，M3栅漏极相连，NMOS管M2漏极接M4漏极，源极通过电阻RPTAT接地，M1、M2栅极相连，并和地之间接电阻RCTAT；PMOS管M6源极接电源VDD，漏极接M1、M2的栅极，栅极接M7的栅极；PMOS管M7源极接电源VDD，漏极通过电阻ROUT接地，同时与M5的漏极相连，输出端接M6的栅极。
2.如权利要求1所述的超低功耗低压带隙基准电压源，其特征是，由M2产生的与绝对温度成正比即PTAT电流为：
其中VGS1和VGS2分别为M1和M2的栅源电压，m为亚阈值斜率，N为M2与M1的宽长比的比值，VT为热电压，由M1产生的与绝对温度成反比即CTAT电流为：
其中，Vth,0是M1在温度T0时的阈值电压，kt1是阈值电压的温度系数，ID是MOS管M1的源漏电流，μn为NMOS管的表面迁移率，COX为单位面积栅氧化物电容，W/L为MOS管宽长比。
3.如权利要求2所述的超低功耗低压带隙基准电压源，其特征是，IPTAT和ICTAT分别通过由M3、M4、M5和M6、M7组成的电流镜注入到ROUT，计算得到：
合理的设置VT和VGS1的系数，即实现对Vref的一阶温度补偿。
4.如权利要求2所述的超低功耗低压带隙基准电压源，其特征是，MOS管M1的沟道宽长比为130um/1um，M2为1040um/1um，M3、M4为2.5um/10um，M5为10um/10um，M6、M7为25um/10um，电阻RCTAT为1.5MΩ，RPTAT为1MΩ，ROUT为1MΩ。
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