CN107992156A - 一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路 - Google Patents

一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路 Download PDF

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Abstract

一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路，属于模拟电路基准电路技术领域。包括负温度系数电压产生电路、正温度系数产生电路和电流平衡电路，负温度系数电压产生电路利用三极管基极‑发射极PN结的负温电压特性，产生负温度系数电压；正温度系数电压产生电路利用工作在亚阈值区域NMOS管的正温电压特性，产生正温度系数电压；电流平衡电路用于消除两种温度特性的电压叠加时由于电流镜的镜像误差导致的错误电流。本发明提供的基准电路与现有技术相比，具有极低的静态功耗、较低的工作电压和较好的温度特性，同时在电路中不使用电阻，所以在芯片中占用的面积较小。

Description

一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路
技术领域
本发明属于模拟电路基准电路技术领域，具体涉及一种核心电路工作在亚阈值状态的基准电路。
背景技术
在模拟电路中，基准电路是不可或缺的一部分。通过基准电路产生电压参考点后，模拟电路中的其他模块才有准确的参考点。实际上，作为标准参考点，基准电路一般都会在模拟电路工作的所有时间持续工作，所以温度特性的提升和功耗的削减是基准电路领域永恒的话题。除此之外，高电源抑制比和低工作电压也是基准电路的发展方向。
基准电路根据使用或不使用电阻分为两类。一般而言，使用电阻的基准电路有着较好的温度特性，但是会占用芯片较大的版图面积，在极低功耗基准电路领域尤其如此。因为如果一个基准电路只有纳瓦级的功耗，那么电阻的值需要几百兆欧姆，这需要占用相当大的版图面积。所以，无电阻式基准电路是低功耗基准电路的一个趋势。然而，没有了电阻的连续可调节性，无电阻基准电路的温度特性一般都差于有电阻基准电路。一般而言，常见的基准电路内的晶体管都工作在饱和区，有着较大的电流和功耗。这样大的功耗在一些便携性智能医疗设备，以及能量自收集系统中是无法接受的。所以为了减小功耗，出现了应用亚阈值MOS管的基准电路。但是使用了处于亚阈值的MOS管后，基准电压的特性难以控制，这也是低压低功耗基准中有待研究的方向。
发明内容
针对上述不足之处，本发明提出一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路，能够在极低功耗下工作，同时能够保证较高的精度。
本发明的技术方案为：
一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路，包括负温度系数电压产生电路、正温度系数产生电路和电流平衡电路，
所述负温度系数电压产生电路包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和PNP型三极管Q1，
第一PMOS管MP1的栅极连接第二PMOS管MP2的栅极和漏极以及第一NMOS管MN1的漏极，其漏极连接第一MOS管MN1的栅极和PNP型三极管Q1的发射极，其发射极连接第二PMOS管MP2的发射极并接电源电压VDD；
第一NMOS管MN1的源极连接第二NMOS管MN2的栅极和漏极并作为所述负温度系数电压产生电路的输出端；第二NMOS管MN2的源极连接PNP型三极管Q1的基极和集电极并接地GND；
所述正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、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4，
第三PMOS管MP3的栅极连接第四PMOS管MP4的栅极和漏极以及第四NMOS管MN4的漏极，其源极连接第四PMOS管MP4的源极并连接电源电压VDD，其漏极连接第三NMOS管MN3的栅极和漏极以及第四NMOS管MN4的栅极并作为所述基准电路的输出端输出基准电压Vref；
第五NMOS管MN5的栅漏短接并连接第四NMOS管MN4的源极，其源极连接第三NMOS管MN3的源极并连接所述负温度系数电压产生电路的输出端；
所述电流平衡电路包括第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN1a、第十一NMOS管MN2a、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP1a，
所述负温度系数电压产生电路的输出端连接第六NMOS管MN6的漏极、第九NMOS管MN9的漏极和第十一NMOS管MN2a的栅极，第六NMOS管MN6的栅极连接第七NMOS管MN7的栅极和漏极以及第五PMOS管MP5的漏极；第五PMOS管MP5的栅极连接所述正温度系数电压产生电路中第三PMOS管MP3的栅极；
第八NMOS管MN8的栅漏短接并连接第九NMOS管MN9的栅极和第六PMOS管MP6的漏极；
第七PMOS管MP1a的栅极连接所述负温度系数电压产生电路中第一PMOS管MP1的栅极，其漏极连接第六PMOS管MP6的栅极和第十NMOS管MN1a的漏极，第十NMOS管MN1a的栅极连接所述负温度系数电压产生电路中第一PMOS管MP1的漏极，其源极连接第十一NMOS管MN2a的漏极；
第七PMOS管MP1a、第六PMOS管MP6和第五PMOS管MP5的源极接电源电压VDD，第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9和第十一NMOS管MN2a的源极接地GND；
所述所有MOS管均工作在亚阈值状态。
本发明的工作原理为：
负温度系数电压产生电路利用三极管基极-发射极PN结的负温电压特性，产生负温度系数电压VCTAT；正温度系数电压产生电路利用工作在亚阈值区域NMOS管的正温电压特性，产生正温度系数电压VPTAT；电流平衡电路用于消除两种温度特性的电压叠加时由于第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4构成的电流镜以及第六NMOS管MN6和第七NMOS管MN7构成的电流镜镜像误差导致的错误电流。
本发明的有益效果为：与现有基准电路相比，本发明具有极低的静态功耗以及较低的工作电压，同时在电路中不使用电阻，所以在芯片中占用的面积较小。另外，本发明使用三极管产生的负温度系数电压和亚阈值MOS管产生的正温度系数电压叠加产生基准电压，有着较好的温度特性。
附图说明
图1是本发明提出的一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路架构图。
图2是本发明中基于三极管的负温度系数电压产生电路的示意图。
图3本发明中基于亚阈值MOS管的正温度系数电压产生电路的示意图。
图4本发明提出的一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路的完整电路结构示意图。
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。
如图1所示是本发明提出的亚阈值低功耗无电阻式基准电路的拓扑结构图，包括负温度系数电压产生电路、正温度系数电压产生电路和电流平衡电路。负温度系数电压产生电路采用三极管产生负温度系数电压VCTAT，正温度系数电压产生电路使用工作在亚阈值区的MOS管产生正温度系数电压VPTAT，再通过对两个电压一定方式的叠加得到基准电压。从图1可以看出，负温度系数电压产生电路输出的负温度系数电压VCTAT作为正温度系数电压产生电路的地电位，这样正温度系数电压产生电路的输出电压就是基准电压Vref。最后，为了保证负温度系数电压产生电路和正温度系数电压产生电路这两个不同温度系数的模块间不会有电流影响彼此工作，加入了电流平衡电路。
如图2所示是负温度系数电压产生电路的电路图，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和PNP型三极管Q1，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2构成电流镜结构，镜像比为z:1，第一PMOS管MP1的栅极连接第二PMOS管MP2的栅极和漏极一级第一NMOS管MN1的漏极，其漏极连接第一MOS管MN1的栅极和PNP型三极管Q1的发射极，其发射极连接第二PMOS管MP2的发射极并接电源电压；第一NMOS管MN1的源极连接第二NMOS管MN2的栅极和漏极并作为负温度系数电压产生电路的输出端输出负温度系数电压VCTAT；第二NMOS管MN2的源极连接PNP型三极管Q1的基极和集电极并接地。负温度系数电压产生电路利用PNP型三极管Q1的基极-发射极电压经MOS管分压得到负温度系数电压VCTAT。
在PNP三极管支路中，PNP型三极管Q1的发射极电流公式为：
其中VT是热电压，VE是PNP型三极管Q1的发射极电压，因为此时PNP型三极管Q1的基极接地，所以VE就是基极-发射极电压。ISE是三极管基极-发射极短路电流，其公式为：
式中b是与工艺有关的常数，4-n2是工艺带来的温度系数，Eg是PNP型三极管Q1的带隙半导体材料的带隙能量，一些实施例中PNP型三极管Q1的半导体材料为硅，k是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度。
MOS管分压支路中，工作在亚阈值状态的第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的电流公式为：
其中n是MOS管亚阈值斜率因子，VGS是MOS管栅源电压，VTH是MOS管阈值电压，ISD是MOS管单位面积漏衬电流，其公式为：
ISD＝μCOXS(n-1)VT 2 (4)
式中μ是迁移率，COX是单位面积栅电容，S是宽长比。
PNP三极管支路和MOS管分压支路的电流比例是由第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2构成的电流镜的宽长比的比值z:1决定。
另外，在本实施例中使得第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的宽长比相同(实际上第一NMOS管MN1和第二MNOS管MN2的宽长比还可以是其他比例)，所以两个NMOS管上的栅源电压应该相同。那么，可以得到等式：
IE＝zIMN1 (5)
通过(6)可以反解出VE：
实际上，迁移率μ也存在温度系数，令：
式中n1是与工艺有关的温度系数，Tr为参考温度，这里为绝对零度，那么可以得到：
所以可以得到VE的最终表达式为：
最终输出的负温度系数电压VCTAT经过MOS管分压为VE/2，其温度系数为：
其中βTH是阈值电压的温度系数。与常规基准中应用三极管基极-发射极负温系数n2-4的相比，此时的负温系数主导项为n2-n1-2，线性度更好。同时，这种结构内建了阈值电压补偿，从而既降低了电源电压的要求，也减小了传统结构VBE的负温特性。
如图3所示为正温度系数电压产生电路示意图，其原理与负温度系数电压产生电路原理类似，该正温度系数电压产生电路的被分压值为亚阈值MOS管栅源电压。正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、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4，第三PMOS管MP3的栅极连接第四PMOS管MP4的栅极和漏极以及第四NMOS管MN4的漏极，其源极连接第四PMOS管MP4的源极并连接电源电压，其漏极连接第三NMOS管MN3栅极和漏极以及第四NMOS管MN4的栅极并作为正温度系数电压产生电路的输出端输出正温度系数电压VPTAT，同时也作为基准电路的输出端输出基准电压Vref；第五NMOS管MN5的栅漏短接并连接第四NMOS管MN4的源极，其源极连接第三NMOS管MN3的源极并连接所述负温度系数电压产生电路的输出端；负温度系数电压产生电路的输出电压作为正温度系数电压产生电路的地电位，连接第三NMOS管MN3和第五NMOS管MN5的源极。
正温度系数电压产生电路也分为两个支路，第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4构成的电流镜的比值为m:1。工作于亚阈值区的NMOS管漏源电流在(3)中已经给出，所以可以得到等式：
IMN3＝mIMN5 (13)
MN3源端为正温度系数电压VPTAT：
该正温度系数电压VPTAT的温度系数为：
正温度系数电压产生模块的参考地是负温度系数电压产生电路的输出电压即负温度系数电压VCTAT，而第六NMOS管MN6的作用是通过镜像一个与第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4的电流之和相等的电流，阻止正温度系数电压产生电路的电流流入负温度系数电压产生电路。但实际上，由于第六NMOS管MN6的漏源电压远小于第七NMOS管MN7的漏源电压，所以第六NMOS管MN6与第七NMOS管MN7构成的电流镜镜像并不是很准确，即第六NMOS管MN6并不能很好的将正温度系数电压产生电流的所有电流导出。
因此，复制负温度系数电压产生电路的右支路，如图4所示。如果误差电流进入第二NMOS管MN2，其栅端电压会上升，所以第十一NMOS管MN2a的电流增大，第七PMOS管MP1a的漏端电压下降，第六PMOS管MP6和第八NMOS管MN8的电流增大，通过镜像，第九NMOS管MN9上会有一定电流被抽取，通过这种方式消除了误差电流。
本发明中的关键点在于对亚阈值状态下MOS管正温特性栅源电压的应用，以及通过MOS管分压优化三极管负温特性电压的线性度，并通过特定的电路组合方式将两种电压准确叠加。
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 (1)

1.一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路，其特征在于，包括负温度系数电压产生电路、正温度系数产生电路和电流平衡电路，
所述负温度系数电压产生电路包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)和PNP型三极管(Q1)，
第一PMOS管(MP1)的栅极连接第二PMOS管(MP2)的栅极和漏极以及第一NMOS管(MN1)的漏极，其漏极连接第一MOS管(MN1)的栅极和PNP型三极管(Q1)的发射极，其发射极连接第二PMOS管(MP2)的发射极并接电源电压(VDD)；
第一NMOS管(MN1)的源极连接第二NMOS管(MN2)的栅极和漏极并作为所述负温度系数电压产生电路的输出端；第二NMOS管(MN2)的源极连接PNP型三极管(Q1)的基极和集电极并接地(GND)；
所述正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)、第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)，
第三PMOS管(MP3)的栅极连接第四PMOS管(MP4)的栅极和漏极以及第四NMOS管(MN4)的漏极，其源极连接第四PMOS管(MP4)的源极并连接电源电压(VDD)，其漏极连接第三NMOS管(MN3)的栅极和漏极以及第四NMOS管(MN4)的栅极并作为所述基准电路的输出端输出基准电压(Vref)；
第五NMOS管(MN5)的栅漏短接并连接第四NMOS管(MN4)的源极，其源极连接第三NMOS管(MN3)的源极并连接所述负温度系数电压产生电路的输出端；
所述电流平衡电路包括第六NMOS管(MN6)、第七NMOS管(MN7)、第八NMOS管(MN8)、第九NMOS管(MN9)、第十NMOS管(MN1a)、第十一NMOS管(MN2a)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)和第七PMOS管(MP1a)，
所述负温度系数电压产生电路的输出端连接第六NMOS管(MN6)的漏极、第九NMOS管(MN9)的漏极和第十一NMOS管(MN2a)的栅极，第六NMOS管(MN6)的栅极连接第七NMOS管(MN7)的栅极和漏极以及第五PMOS管(MP5)的漏极；第五PMOS管(MP5)的栅极连接所述正温度系数电压产生电路中第三PMOS管(MP3)的栅极；
第八NMOS管(MN8)的栅漏短接并连接第九NMOS管(MN9)的栅极和第六PMOS管(MP6)的漏极；
第七PMOS管(MP1a)的栅极连接所述负温度系数电压产生电路中第一PMOS管(MP1)的栅极，其漏极连接第六PMOS管(MP6)的栅极和第十NMOS管(MN1a)的漏极，第十NMOS管(MN1a)的栅极连接所述负温度系数电压产生电路中第一PMOS管(MP1)的漏极，其源极连接第十一NMOS管(MN2a)的漏极；
第七PMOS管(MP1a)、第六PMOS管(MP6)和第五PMOS管(MP5)的源极接电源电压(VDD)，第六NMOS管(MN6)、第七NMOS管(MN7)、第八NMOS管(MN8)、第九NMOS管(MN9)和第十一NMOS管(MN2a)的源极接地(GND)；
所述所有MOS管均工作在亚阈值状态。
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