CN108427471A - 一种零温度系数超低功耗基准电压电路 - Google Patents

一种零温度系数超低功耗基准电压电路 Download PDF

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

一种零温度系数超低功耗基准电压电路，主要功能实现零温度系数的基准电压，电路主要由产生负温度系数电压VBE电路和产生正温度系数电压电路组成，将正温度系数电压和负温度系数电压叠加实现零温度系数电压。本发明结构简洁，能实现nA级电流功耗，功耗远远低于传统带隙基准结构。

Description

一种零温度系数超低功耗基准电压电路
技术领域
本发明属于电压基准源电路领域，具体涉及一种超低功耗基准电压电路。
背景技术
随着物联网以及可穿戴医疗产品市场的发展，对低功耗集成电路设计带来了严峻的挑战。便携式电子设备的大规模应用，锂电池供电系统成为必然选择，在这种情况下，芯片的低功耗成为芯片设计的关键指标。然而含有双极晶体管和电路的传统带隙基准源要实现低功耗，电路结构复杂，占用芯片面积较大。随着便携式产品需求越来越旺盛，系统要求纽扣电池供电时要求基准电压模块功耗在nw级，传统的带隙电压产生电路满足不了需求，所以超低功耗基准电压电路需要进一步探索和研究。
传统的基准电压源采用带隙基准技术，利用双极型晶体管的基极发射极电压具有负温度特性，工作在不同电流密度下的基极发射极电压差具有正温度特性，电路实现需要运放，电路结构相对复杂，运放还会引入失配，大大降低参考电压的精度。
工作在亚阈值区的MOS器件可以减少系统的能量消耗，尤其是在电压基准电路中。本专利提出一种零温度系数超低功耗基准电压电路基于MOS管的亚阈值特性，进而提出一个具有零温漂系数、更高电源抑制比、超低功耗高精度基准电压源电路。
发明内容
1.发明目的
本发明公开一种零温度系数超低功耗基准电压电路的设计方法和电路，主要功能是产生零温度系数的基准电压，给其他电路提供参考电压。
2.技术方案
本发明主要功能实现零温度系数的基准电压源装置，所述装置包括：产生负温度系数电压模块和正温度系数电压模块，
负温度系数电压模块，由电流源I1和PNP双极型晶体管P1组成，电流源I1流入PNP双极型晶体管P1的发射极，双极型晶体管的基极和集电极接到地；双极型晶体管的集电极节点VBE连接NMOS器件NM1的栅极。
正温度系数电压模块，由电流源I2，NMOS管NM0，NMOS管NM1，电流源I3，NMOS管NM2，NMOS管NM3，电流源I4，NMOS管NM4，NMOS管NM5，电流源I5，NMOS管NM6，NMOS管NM7，电流源I6，NMOS管NM8组成；电流源I2流入NM1的漏极，NM1的源级连接NM0的漏极节点A，NM1的栅极连接节点VBE，NM0的栅极连接NM1的漏极，NM0的源级接地；电流源I3流入NM3的漏极，NM3的源级连接NM2的漏极为节点B，NM3的栅极和NM2的栅极都连接到NM3的漏极，NM2的源级连接节点A；电流源I4流入NM5的漏极，NM5的源级连接NM4的漏极为节点C，NM5的栅极和NM4的栅极都连接到NM5的漏极，NM4的源级连接节点B；电流源I5流入NM7的漏极，NM7的源级连接NM6的漏极为节点D，NM7的栅极和NM6的栅极都连接到NM7的漏极，NM6的源级连接为节点C；电流源I6流入晶体管NM8的漏极，NM8的栅极与NM8的漏极连接为输出电压节点VREF，NM8的源极连接节点D。
PNP双极型晶体管的发射极节点VBE连接NMOS管NM1的栅极，实现负温度系数电压和正温度系数电压的叠加。
电流源I1，I2，I3，I4，I5，I6电流相同，单条支路的电流在nA级，从而能实现超低功耗。
本发明实施例所提供的一种电压源产生装置，可以消除电源电压，温度和工艺对参考电压源的影响，低功耗实现基准电压源。
附图说明
图1超低功耗基准电压源电路示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进一步详细阐述。
根据本发明实施例的时钟产生装置如图1所示，包括产生负温度系数电压模块D1和正温度系数电压模块D2。
本具体实施例中D1主要功能是实现负温度系数电压，由电流源I1和双极型晶体管P1组成。其中电流源I1流入PNP双极型晶体管P1的发射极，双极型晶体管的基极和集电极接到地；双极型晶体管的集电极节点VBE连接NMOS器件NM1的栅极。实现负温度系数电压和正温度系数电压的叠加。
本具体实施例中D2主要功能是实现正温度系数电压，由电流源I2、I3、I4、I5、I6，NMOS管NM0、NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7、NM8组成。电流源I2流入NM1的漏极，NM1的源级连接NM0的漏极节点A，NM1的栅极连接节点VBE，NM0的栅极连接NM1的漏极，NM0的源级接地；电流源I3流入NM3的漏极，NM3的源级连接NM2的漏极为节点B，NM3的栅极和NM2的栅极都连接到NM3的漏极，NM2的源级连接节点A；电流源I4流入NM5的漏极，NM5的源级连接NM4的漏极为节点C，NM5的栅极和NM4的栅极都连接到NM5的漏极，NM4的源级连接节点B；电流源I5流入NM7的漏极，NM7的源级连接NM6的漏极为节点D，NM7的栅极和NM6的栅极都连接到NM7的漏极，NM6的源级连接为节点C；电流源I6流入晶体管NM8的漏极，NM8的栅极与NM8的漏极连接为输出电压节点VREF，NM8的源极连接节点D。电流源I1，I2，I3，I4，I5，I6电流相同，单条支路的电流在nA级，从而能实现超低功耗。
本具体实施例中NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7、NM8都工作在亚阈值区，当MOS管工作在亚阈值区时，栅源电压差ΔVGS是一个具有正温度系数的电压，而三极管的VBE是负温度系数电压，根据带隙基准的相关原理，利用这两个电压可以进行温度补偿。
温度补偿的核心电路由图1中所示的NM1～NM8管和P1管构成。在这里忽略衬底效应，基准电压vref为
对于以上方法的描述，本领域的技术人员将理解，本发明并不限于上述的实施例，并且不脱离由所附权利要求书定义的本发明的范围，可以做出很多修改和增加。

Claims (4)

1.一种零温度系数超低功耗基准电压电路，其特征在于，主要包括产生负温度系数电压模块和正温度系数电压模块，其中：
负温度系数电压模块，由电流源I1和PNP双极型晶体管P1组成，电流源I1流入PNP双极型晶体管P1的发射极，双极型晶体管的基极和集电极接到地；双极型晶体管的集电极节点VBE连接NMOS器件NM1的栅极；
正温度系数电压模块，由电流源I2，NMOS管NM0，NMOS管NM1，电流源I3，NMOS管NM2，NMOS管NM3，电流源I4，NMOS管NM4，NMOS管NM5，电流源I5，NMOS管NM6，NMOS管NM7，电流源I6，NMOS管NM8组成；电流源I2流入NM1的漏极，NM1的源级连接NM0的漏极节点A，NM1的栅极连接节点VBE，NM0的栅极连接NM1的漏极，NM0的源级接地；电流源I3流入NM3的漏极，NM3的源级连接NM2的漏极为节点B，NM3的栅极和NM2的栅极都连接到NM3的漏极，NM2的源级连接节点A；电流源I4流入NM5的漏极，NM5的源级连接NM4的漏极为节点C，NM5的栅极和NM4的栅极都连接到NM5的漏极，NM4的源级连接节点B；电流源I5流入NM7的漏极，NM7的源级连接NM6的漏极为节点D，NM7的栅极和NM6的栅极都连接到NM7的漏极，NM6的源级连接为节点C；电流源I6流入晶体管NM8的漏极，NM8的栅极与NM8的漏极连接为输出电压节点VREF，NM8的源极连接节点D。
2.根据权利要求1所述的一种零温度系数超低功耗基准电压电路，其特征在于，PNP双极型晶体管的发射极节点VBE连接NMOS管NM1的栅极，实现负温度系数电压和正温度系数电压的叠加。
3.根据权利要求1所述的一种零温度系数超低功耗基准电压电路，其特征在于，晶体管NM0，NM1，NM2，NM3，NM4，NM5，NM6，NM7，NM8都工作在亚阈值区。
4.根据权利要求1所述的一种零温度系数超低功耗基准电压电路，其特征在于，电流源I1，I2，I3，I4，I5，I6电流相同，单条支路的电流在nA级，从而能实现超低功耗。
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