CN108897365A - 一种高精度电流模式基准电压源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高精度电流模式基准电压源，包括启动电路、CTAT基准电流源电路、PTAT基准电流源电路、温度补偿电路。本发明未使用无源电阻、二极管或者三极管，与CMOS工艺兼容，大大减小了版图面积，降低了生产成本，功耗低，同时具有高电源抑制比和低温漂系数。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高精度电流模式基准电压源。
背景技术
基准电压源是数模混合电路最基本的模块，广泛的应用在数模转换器(ADC)和模数转换器(DAC)中，提供稳定的直流电压。传统的基准电压源采用BJT管和无源电阻结构，芯片面积大。随着CMOS工艺的不断进步，可穿戴和生物医学SOC系统的发展需求，基准电压源对功耗等性能提出了更高的要求。近年来提出的几种高阶温度补偿策略，虽然基准电压源性能提高，但功耗很大。基于亚阈值区的电流模式的基准电压源使用无源电阻，芯片面积很大。
发明内容
本发明所要解决的是传统电流模式的基准电压源功耗大、版图面积大、温漂系数高和电源电压抑制比低的问题，提供一种高精度电流模式基准电压源。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高精度电流模式基准电压源，包括启动电路、CTAT基准电流源电路、PTAT基准电流源电路和温度补偿电路；启动电路连接到CTAT基准电流源电路和PTAT基准电流源电路，并在基准电压源开启时提供电流，使得基准电压源摆脱简并偏置点，进入正常工作状态；CTAT基准电流源电路产生一个与温度成反比的电流Ia，为温度补偿电路提供电流偏置；PTAT基准电流源电路产生一个与温度成正比的电流Ib为温度补偿电路提供电流偏置；温度补偿电路将CTAT基准电流源电路所产生的与温度成反比的偏置电流Ia和PTAT基准电流源电路所产生的与温度成正比的偏置电流Ib分别以k1和k2的倍数相加，得到一个与温度无关的基准电流IREF，并驱动温度补偿电路中MOS管得到一个不受电源电压和温度变化影响的输出电压。
上述方案中，CTAT基准电流源电路由MOS管M6-M17组成；MOS管M6-M8的源极连接到电源VDD；MOS管M6-M8的栅极相连，并连接到MOS管M8的漏极和MOS管M11的源极后，形成CTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ia1，并接至温度补偿电路；MOS管M6的漏极和MOS管M9的源极相连；MOS管M7的漏极和MOS管M10的源极相连；MOS管M9-M11的栅极相连，并连接到MOS管M11、M13的漏极后，形成CTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ia2，并接至温度补偿电路；MOS管M12-M13的栅极相连，并连接到MOS管M10、M12的漏极后，形成CTAT基准电流源电路启动输入端set_a，并接至启动电路；MOS管M14-M15的栅极相连，并连接到MOS管M12的源极和MOS管M14的漏极；MOS管M13的源极和MOS管M15的漏极相连；MOS管M16-M17的栅极相连，并连接到MOS管M9、M16的漏极；MOS管M15的源极和MOS管M17的漏极相连；MOS管M14、M16-M17的源极连接到地GND。
上述方案中，PTAT基准电流源电路由MOS管M24-M33组成；MOS管M24-M25的源极连接到电源VDD；MOS管M24-M25的栅极相连，并连接到MOS管M24的漏极和MOS管M26的源极后，形成PTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ib1，并接至温度补偿电路；MOS管M25的漏极和MOS管M27的源极相连；MOS管M26-M27的栅极相连，并连接到MOS管M26、M28的漏极后，形成PTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ib2，并接至温度补偿电路；MOS管M28-M29的栅极相连，并连接到MOS管M27、M29的漏极后，形成PTAT基准电流源电路启动输入端set_b，并接至启动电路；MOS管M28的源极和MOS管M32的漏极相连；MOS管M30-M31的栅极相连，并连接到MOS管M29的源极和MOS管M30的漏极；MOS管M30的源极和MOS管M31的漏极相连，并连接到MOS管M33的栅极；MOS管M31的源极和MOS管M33的漏极相连，并连接到MOS管M32的栅极；MOS管M32-M33的源极连接到地GND。
上述方案中，启动电路由MOS管M1-M5和电容C1组成；MOS管M1和MOS管M2的源极接电源VDD；MOS管M1的栅极接地GND；MOS管M2-M5的栅极，MOS管M1的漏极，以及电容C1的上极板相连；MOS管M2和MOS管M3的漏极相连，并连接到MOS管M4和MOS管M5的源极；MOS管M4的漏极形成启动电路的启动输出端set_a，并接至CTAT基准电流源电路；MOS管M5的漏极形成启动电路的启动输出端set_b，并接至PTAT基准电流源电路；MOS管M3的源极和电容C1的下极板连接到地GND。
上述方案中，温度补偿电路由MOS管M18-M23和电容C2组成；MOS管M18-M19的源极连接到电源VDD；MOS管M18的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ia1，并接至CTAT基准电流源电路；MOS管M18的漏极和MOS管M20的源极相连；MOS管M20的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ia2，并接至CTAT基准电流源电路；MOS管M19的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ib1，并接至PTAT基准电流源电路；MOS管M19的漏极和MOS管M21的源极相连；MOS管M21的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ib2，并接至PTAT基准电流源电路；MOS管M20-M21的漏极和MOS管M22-M23的栅极相连，并连接到MOS管M22的漏极；MOS管M22的源极和MOS管M23的漏极相连，并连接到电容C2的上极板，作为温度补偿电路即整个基准电压源的输出端；MOS管M23的源极和电容C2的下极板连接到地GND。
上述方案中，MOS管M22为标准电压为1.8V的MOS管，MOS管M23为标准电压为3.3V的MOS管。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、采用两个结构不同的自偏置电流源电路，由于未使用无源电阻、BJT或者二极管，因而大大减小了版图面积，降低了生产成本；
2、采用电流相加技术实现温度补偿，并降低静态电流；
3、功耗低，仅为纳瓦量级；
4、输出的基准电压具有极好的温度特性和电源抑制比，性能较好。
附图说明
图1为一种高精度电流模式基准电压源的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一种高精度电流模式基准电压源，如图1所示，包括启动电路、CTAT基准电流源电路、PTAT基准电流源电路和温度补偿电路。
启动电路连接到CTAT基准电流源电路和PTAT基准电流源电路，并在基准电压源开启时提供电流，使得基准电压源摆脱简并偏置点，进入正常工作状态。在本发明中，启动电路由MOS管M1-M5和电容C1组成。MOS管M1和MOS管M2的源极接电源VDD。MOS管M1的栅极接地GND。MOS管M2-M5的栅极，MOS管M1的漏极，以及电容C1的上极板相连。MOS管M2和MOS管M3的漏极相连，并连接到MOS管M4和MOS管M5的源极。MOS管M4的漏极形成启动电路的启动输出端set_a，并接到CTAT基准电流源电路的MOS管M12-M13的栅极和MOS管M10、M12的漏极。MOS管M5的漏极形成启动电路的启动输出端set_b，并接至PTAT基准电流源电路的MOS管M28-M29的栅极和MOS管M27、M29的漏极；MOS管M3的源极和电容C1的下极板连接到地GND。在电源上电时，给MOS管M12和MOS管M29提供栅极偏压，使电路正常工作。
CTAT基准电流源电路，基于Oguey电流源，它是一个自偏置的电流源，采用一个工作在线性区的MOS管M17代替传统带隙结构中的无源电阻，产生一个与温度成反比的偏置电流Ia；同时，采用共源共栅电流镜，抑制电源噪声，提高电源抑制比，为温度补偿电路提供电流偏置。在本发明中，CTAT基准电流源电路由MOS管M6-M17组成。MOS管M6-M8的源极连接到电源VDD。MOS管M6-M8的栅极相连，并连接到MOS管M8的漏极和MOS管M11的源极，并形成CTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ia1，并接至温度补偿电路的MOS管M18的栅极。MOS管M6的漏极和MOS管M9的源极相连。MOS管M7的漏极和MOS管M10的源极相连。MOS管M9-M11的栅极相连，并连接到MOS管M11、M13的漏极，并形成CTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ia2，并接至温度补偿电路的MOS管M20的栅极。MOS管M12-M13的栅极相连，并连接到MOS管M10、M12的漏极和启动电路的MOS管M4的漏极。MOS管M14-M15的栅极相连，并连接到MOS管M12的源极和MOS管M14的漏极。MOS管M13的源极和MOS管M15的漏极相连。MOS管M16-M17的栅极相连，并连接到MOS管M9、M16的漏极。MOS管M15的源极和MOS管M17的漏极相连。MOS管M14、M16-M17的源极连接到地GND。
PTAT基准电流源电路，它是一个自偏置的电流源，采用一个工作在线性区的MOS管M31代替传统带隙结构中的无源电阻，产生一个与温度成正比的偏置电流Ib；同时，采用共源共栅电流镜，抑制电源噪声，提高电源抑制比，为温度补偿电路提供电流偏置。在本发明中，PTAT基准电流源电路由MOS管M24-M33组成。MOS管M24-M25的源极连接到电源VDD。MOS管M24-M25的栅极相连，并连接到MOS管M24的漏极和MOS管M26的源极，并形成PTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ib1，并连接到温度补偿电路的MOS管M19的栅极。MOS管M25的漏极和MOS管M27的源极相连。MOS管M26-M27的栅极相连，并连接到MOS管M26、M28的漏极，并形成PTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ib2，并连接到温度补偿电路的MOS管M21的栅极；MOS管M28-M29的栅极相连，并连接到MOS管M27、M29的漏极和启动电路的MOS管M5的漏极。MOS管M28的源极和MOS管M32的漏极相连。MOS管M30-M31的栅极相连，并连接到MOS管M29的源极和MOS管M30的漏极。MOS管M30的源极和MOS管M31的漏极相连，并连接到MOS管M33的栅极。MOS管M31的源极和MOS管M33的漏极相连，并连接到MOS管M32的栅极。MOS管M32-M33的源极连接到地GND。
温度补偿电路，采用PMOS管共源共栅电流镜，将CTAT基准电流源电路所产生的与温度成反比的偏置电流Ia和PTAT基准电流源电路所产生的与温度成正比的偏置电流Ib分别以k1和k2倍数相加，得到一个与温度无关的基准电流IREF，并驱动温度补偿电路中的MOS管M22和MOS管M23得到一个不受电源电压和温度变化影响的输出电压。采用共源共栅电流镜，抑制电源噪声，提高电源抑制比。在本发明中，温度补偿电路由MOS管M18-M23和电容C2组成。MOS管M18-M19的源极连接到电源VDD。MOS管M18的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ia1，并接至CTAT基准电流源电路的MOS管M6-M8的栅极、MOS管M8的漏极和MOS管M11的源极。MOS管M18的漏极和MOS管M20的源极相连。MOS管M20的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ia2，并接至CTAT基准电流源电路的MOS管M9-M11的栅极和MOS管M11、M13的漏极。MOS管M19的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ib1，并接至PTAT基准电流源电路的MOS管M24-M25的栅极、MOS管M24的漏极和MOS管M26的源极。MOS管M19的漏极和MOS管M21的源极相连；MOS管M21的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ib2，并接至PTAT基准电流源电路的MOS管M26-M27的栅极和MOS管M26、M28的漏极。MOS管M20-M21的漏极和MOS管M22-M23的栅极相连，并连接到MOS管M22的漏极；MOS管M22的源极和MOS管M23的漏极相连，并连接到电容C2的上极板，作为温度补偿电路即整个基准电压源的输出端；MOS管M23的源极和电容C2的下极板连接到地GND。
本发明的工作原理为：
启动电路中，MOS管M1的栅极与地GND相连，等效为一个电阻，与电容C1一起构成充电回路。MOS管M2-M3构成反相器，电源上电时，C1开始充电，MOS管M2、M4-M5导通，MOS管M3截止，MOS管M2的电流通过MOS管M4-M5注入到基准电流源电路中，摆脱简并偏置点；当C1充电结束，MOS管M2、M4-M5截止，MOS管M3导通，启动电路与基准电流源电路脱离，减小了启动电路对核心电路的影响，完成整个启动过程。
本发明的核心电路包括CTAT基准电流源电路、PTAT基准电流源电路和温度补偿电路。CTAT基准电流源电路由MOS管M6-M17组成，其中MOS管M17工作在线性区，MOS管M16工作在饱和区，MOS管M6-M15工作在亚阈值区。基准电流Ia由MOS管M17的栅源电压VGS17和漏源电压VDS17产生。在电路中增加MOS管M16，为MOS管M17提供偏置电压。MOS管工作在亚阈值区的I-V特性可以表示为：
式中，ID是MOS管的漏端电流；K＝W/L是MOS管的宽长比；为特征电流，μ＝μ0(T0/T)m是MOS管的电子迁移率，T0是参考温度，μ0是参考温度T0下电子迁移率，T是绝对温度，m是温度指数，COX＝εOX/tOX是栅氧化层电容，εOX是氧化物介电常数，tOX是氧化层厚度，η是亚阈值区斜率因子，VGS是MOS管的栅源电压，VT＝kBT/q是热电压，kB是玻尔兹曼常数，q是电子电荷，VTH是MOS管的阈值电压，VDS是MOS管的漏源电压。
当VDS大于3倍VT时，可以忽略VDS的影响，可以得到：
进而可以得到MOSFETs的栅源电压：
η取决于栅氧化层和损耗层的电容，本发明假定η为一个常数。
MOS管M17的漏源电压为：
通过调节工作在饱和区的MOS管M16的宽长比(W/L)16和MOS管M17的宽长比(W/L)17，使MOS管M17工作在深三极管区。所以MOS管M17可近似表示为：
由(4)，(5)，可以得出基准电流源产生的Ia为：
假设m≈1.5，Ia与温度的关系可表示为：
因此，Ia具有负的温漂系数。
PTAT基准电流源电路由MOS管M24-M33组成，其中MOS管M31工作在线性区，MOS管M30工作在饱和区，MOS管M24-M29、M32-M33工作在亚阈值区。基准电流Ib由MOS管M31的栅源电压VGS31和漏源电压VDS31产生。在电路中增加MOS管M30，为MOS管M31提供偏置电压。同理，可以得出基准电流源产生的Ib为：
MOS管M31的栅源电压为：
由(8)，(9)可以得出基准电流源产生的Ib为：
其中，
对等式(10)作近似处理，基准电流源产生的Ib可表示为：
则Ib与温度的关系式可表示为：
Ib∝T2-m (13)
m是一个与工艺相关的温度系数，值在1.5到2之间。因此，Ib具有正的温漂系数。
温度补偿电路由MOS管M18-M23组成，其中M18-M23工作在亚阈值区，MOS管M22为标准电压为1.8V的MOS管，MOS管M23为标准电压为3.3V的MOS管。利用两个不同温漂系数的电流求和，得到一个与温度无关的基准电流IREF，为温度补偿电路中的MOS管M22和MOS管M23提供基准电流IREF。
利用电流镜得到两个相反温漂系数电流的和值IREF，基准电流IREF的表达式为：
IREF＝k1Ia+k2Ib (14)
式(15)与温度的关系式可表示为：
由(7)，(10)和(15)可以看出，通过调整k1、k2、MOS管M14-M17和MOS管M30-M33的宽长比的比值，可以获得与温度无关的基准电流。
基准电压VREF可由MOS管M22和MOS管M23不同的栅源电压作差得到，根据MOS管在亚阈值区的I-V特性，基准电压VREF可表示为：
其中，tOX，22和tOX，23是MOS管M22和MOS管M23的氧化层厚度。
NMOS管的阈值电压具有负温漂系数，且其表达式为：
VTH＝VTH0-κT (17)
式中，VTH0表示绝度温度为0K时的阈值电压，κ为VTH的温漂系数TC(κ＝dVTH/dT)，因此ΔVTH具有负的温漂系数。具有负温漂系数的ΔVTH和具有正温漂系数的VT，经过调节可以得到与温度无关的输出基准电压VREF。
阈值电压进一步可表示为：
式中，εSi表示硅衬底的相对电介质常数，NA为衬底掺杂浓度，ni为本征载流子浓度，Eg为带隙，ψB为费米能级势能与本征能级势能之差，VTH的温度系数κ(κ＝dVTH/dT)可以表示为：
式中，Nc为导带的有效态密度，Nv为价带的有效态密度，忽略体效应，则可以得出输出基准电压与温度的关系式可表示为
令参考电压的温漂系数为零，则可以确定MOS管的宽长比：
可以看出，通过对K22K23仔细调整，可以获得温漂系数为零的参考电压，加入电容C2以提高电源电压抑制比。
本发明未使用无源电阻、二极管或者三极管，与CMOS工艺兼容，大大减小了版图面积，降低了生产成本，功耗低，同时具有高电源抑制比和低温漂系数。在TSMC 0.18-um CMOS工艺标准下，采用Cadence Spectre仿真器进行设计仿真，仿真结果表明，在1.8V电源电压下，本基准电压源的电源电压抑制比在低频时为-79dB，在-20—150℃的温度范围内具有10.5ppm/℃的温漂系数，在-50—150℃的温度范围内具有31.5ppm/℃的温漂系数，其功耗为197nW；在1.3V—3.3V电源电压范围内具有0.21％的电源电压调整率，这些仿真结果验证了以上措施的有效性。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种高精度电流模式基准电压源，其特征是，包括启动电路、CTAT基准电流源电路、PTAT基准电流源电路和温度补偿电路；
启动电路连接到CTAT基准电流源电路和PTAT基准电流源电路，并在基准电压源开启时提供电流，使得基准电压源摆脱简并偏置点，进入正常工作状态；
CTAT基准电流源电路产生一个与温度成反比的电流Ia，为温度补偿电路提供电流偏置；
PTAT基准电流源电路产生一个与温度成正比的电流Ib为温度补偿电路提供电流偏置；
温度补偿电路将CTAT基准电流源电路所产生的与温度成反比的偏置电流Ia和PTAT基准电流源电路所产生的与温度成正比的偏置电流Ib分别以k1和k2的倍数相加，得到一个与温度无关的基准电流IREF，并驱动温度补偿电路中MOS管得到一个不受电源电压和温度变化影响的输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种高精度电流模式基准电压源，其特征是，CTAT基准电流源电路由MOS管M6-M17组成；MOS管M6-M8的源极连接到电源VDD；MOS管M6-M8的栅极相连，并连接到MOS管M8的漏极和MOS管M11的源极后，形成CTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ia1，并接至温度补偿电路；MOS管M6的漏极和MOS管M9的源极相连；MOS管M7的漏极和MOS管M10的源极相连；MOS管M9-M11的栅极相连，并连接到MOS管M11、M13的漏极后，形成CTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ia2，并接至温度补偿电路；MOS管M12-M13的栅极相连，并连接到MOS管M10、M12的漏极后，形成CTAT基准电流源电路启动输入端set_a，并接至启动电路；MOS管M14-M15的栅极相连，并连接到MOS管M12的源极和MOS管M14的漏极；MOS管M13的源极和MOS管M15的漏极相连；MOS管M16-M17的栅极相连，并连接到MOS管M9、M16的漏极；MOS管M15的源极和MOS管M17的漏极相连；MOS管M14、M16-M17的源极连接到地GND。
3.根据权利要求1所述的一种高精度电流模式基准电压源，其特征是，PTAT基准电流源电路由MOS管M24-M33组成；MOS管M24-M25的源极连接到电源VDD；MOS管M24-M25的栅极相连，并连接到MOS管M24的漏极和MOS管M26的源极后，形成PTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ib1，并接至温度补偿电路；MOS管M25的漏极和MOS管M27的源极相连；MOS管M26-M27的栅极相连，并连接到MOS管M26、M28的漏极后，形成PTAT基准电流源电路的偏置电流输出端Ib2，并接至温度补偿电路；MOS管M28-M29的栅极相连，并连接到MOS管M27、M29的漏极后，形成PTAT基准电流源电路启动输入端set_b，并接至启动电路；MOS管M28的源极和MOS管M32的漏极相连；MOS管M30-M31的栅极相连，并连接到MOS管M29的源极和MOS管M30的漏极；MOS管M30的源极和MOS管M31的漏极相连，并连接到MOS管M33的栅极；MOS管M31的源极和MOS管M33的漏极相连，并连接到MOS管M32的栅极；MOS管M32-M33的源极连接到地GND。
4.根据权利要求1所述的一种高精度电流模式基准电压源，其特征是，启动电路由MOS管M1-M5和电容C1组成；MOS管M1和MOS管M2的源极接电源VDD；MOS管M1的栅极接地GND；MOS管M2-M5的栅极，MOS管M1的漏极，以及电容C1的上极板相连；MOS管M2和MOS管M3的漏极相连，并连接到MOS管M4和MOS管M5的源极；MOS管M4的漏极形成启动电路的启动输出端set_a，并接至CTAT基准电流源电路；MOS管M5的漏极形成启动电路的启动输出端set_b，并接至PTAT基准电流源电路；MOS管M3的源极和电容C1的下极板连接到地GND。
5.根据权利要求1所述的一种高精度电流模式基准电压源，其特征是，温度补偿电路由MOS管M18-M23和电容C2组成；MOS管M18-M19的源极连接到电源VDD；MOS管M18的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ia1，并接至CTAT基准电流源电路；MOS管M18的漏极和MOS管M20的源极相连；MOS管M20的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ia2，并接至CTAT基准电流源电路；MOS管M19的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ib1，并接至PTAT基准电流源电路；MOS管M19的漏极和MOS管M21的源极相连；MOS管M21的栅极形成温度补偿电路的偏置电流输入端Ib2，并接至PTAT基准电流源电路；MOS管M20-M21的漏极和MOS管M22-M23的栅极相连，并连接到MOS管M22的漏极；MOS管M22的源极和MOS管M23的漏极相连，并连接到电容C2的上极板，作为温度补偿电路即整个基准电压源的输出端；MOS管M23的源极和电容C2的下极板连接到地GND。
6.根据权利要求5所述的一种高精度电流模式基准电压源，其特征是，MOS管M22为标准电压为1.8V的MOS管，MOS管M23为标准电压为3.3V的MOS管。
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