CN110061705A - 一种带温度补偿的内置Regulator电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带温度补偿的内置Regulator电路，芯片内部在不需要专门设计带隙基准电路模块、输出端不需要环路补偿的情况下，芯片输入为高压时电路内部产生供其他模块正常工作的稳定可靠地工作电压，设计芯片内部电路简单，芯片工作时自身电路的待机电流非常小。各种器件可以根据温度的变化对输出电压进行有效地补偿，可以做到输出电压不受温度的影响而产生不稳定的情况，从而确保了在各种温度环境中芯片的正常工作。本发明实现电路简单，适用于各种目前常见的高压CMOS工艺电路，并且使用过程安全可靠，不仅节约成本，还大大减少了研发周期。

Description

一种带温度补偿的内置Regulator电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其是一种高压CMOS工艺电路。

背景技术

随着集成电路行业的快速发展，人们对于芯片的集成度要求越来越高，但对于芯片的面积却要求越来越小，这就需要不断简化芯片内部的电路设计。目前传统芯片内部Regulator电路的一般设计如图1所示：电路内部包括电路偏置电路、启动电路、带隙基准电路、运放电路、N沟道增强型MOS管，运放补偿电阻和反馈电阻，电路中由电流偏置电路产生偏置电流，通过启动电路启动带隙基准电路，再通过运放电路和电容进行输出环路补偿。采用这种传统设计方法不仅内部电路复杂让芯片自身待机电路很大，而且当芯片应用于高压电路中时，芯片中用到的高压器件很多，导致芯片所需要的面积更大，除此之外必须在输出端专门的设计补偿电路进行稳定性补偿，有的还需要电容进行输出补偿，更加增大了芯片的设计面积，使得芯片的设计成本变得更高。

所以，亟待开发一种可应用于高压电路并且内部电路简单、不需要输出补偿电路、面积小、低待机电流的安全可靠的具有温度补偿的内置Regulator电路。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种简单带温度补偿的内置Regulator电路，能够保证芯片内部在不需要专门设计带隙基准电路模块、输出端不需要环路补偿的情况下，可以在芯片输入为高压时电路内部产生供其他模块正常工作的稳定可靠地工作电压，以解决上述问题的不足之处。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种带温度补偿的内置Regulator电路，包括高压P沟道增强型MOS管PM1-PM2，高压N沟道增强型MOS管NM1-NM3，N沟道增强型MOS管NM4-NM7，电阻R1-R3，电流偏置电路模块，VIN输入端口和VP1、VP2输出端口，所述VIN端口为高压输入端口，VP1、VP2为电路的Regulator电压输出端口；

所述偏置电流电路模块输出端连接高压P沟道增强型MOS管PM1栅极漏极和高压P沟道增强型MOS管PM2栅极，提供具有正温度系数的偏置电流。

所述高压P沟道增强型MOS管PM1源极连接VIN端口，栅极漏极连接高压P沟道增强型MOS管PM2栅极和偏置电流电路模块的输入端；所述高压P沟道增强型MOS管PM2源极连接VIN端口，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM1栅极漏极和偏置电流电路模块的输入端，漏极连接高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极；所述高压P沟道增强型MOS管PM1和PM2构成电流镜结构电路。

所述高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、二极管D1阴极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，源极连接N沟道增强型MOS管NM4栅极漏极；所述高压N沟道增强型MOS管NM2漏极连接VIN端口，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，源极连接电阻R2一端和VP1输出端口；所述高压N沟道增强型MOS管NM3漏极连接电阻R1的一端，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极和高压N沟道增强型MOS管NM2栅极，源极连接电阻R3一端和VP2输出端口。

所述N沟道增强型MOS管NM4栅极漏极连接高压N沟道增强型MOS管NM1源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM5栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM5栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM4源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM6栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM6栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM5源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM7栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM7栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM6源极，源极接地；所述N沟道增强型MOS管NM4-NM7均为二极管连接方式。

所述二极管D1阴极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，阳极接地；所述电阻R1一端连接VIN端口，另一端连接高压N沟道增强型MOS管NM3漏极；所述电阻R2一端连接高压N沟道增强型MOS管NM2源极和VP1输出端口，另一端接地；所述电阻R3一端连接高压N沟道增强型MOS管NM3源极和VP2输出端口，另一端接地；所述二极管D1起稳压作用，电阻R1为限流和ESD保护作用，电阻R2和R3为VP1和VP2输出支路的偏置作用。

所述带温度补偿的内置Regulator电路的实现方法为：

当VIN正常上电时，电流偏置电路模块提供具有正温度系数的电流，电流经过高压P沟道增强型MOS管PM1和PM2构成的电流镜电路，在高压P沟道增强型MOS管PM2漏极产生镜像电流I1；N沟道增强型MOS管NM4-NM7均采用二极管连接方式工作在饱和区，作为电阻使用和钳位各自的电压，由于N沟道增强型MOS管的电阻值Ron等于饱和区跨导gm的倒数，N沟道增强型MOS管NM4-NM7每个管子的电阻值为：

其中μ_n为N沟道增强型MOS管的电子迁移率，C_ox为单位面积的栅氧化层电容，I_D为流过管子的电流I₁，L为N沟道增强型MOS管源漏方向的栅长，W为N沟道增强型MOS管源漏方向的栅宽。

通过N沟道增强型MOS管NM4-NM7每个管子源漏两端的电流I₁具有正温度系数，调整偏置电流和N沟道增强型MOS管NM4-NM7的自身参数，使得高压N沟道增强型MOS管NM1的栅极产生与温度无关的电压V_G，其中二极管连接方式的N沟道增强型MOS管NM4-NM7各自的源漏两端电压V_DS为：

V_DS＝R_on·I₁ (2)

将I_D＝I₁和式(1)代入得：

高压N沟道增强型MOS管NM1的源极电压为：

V_S＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (4)

则通过高压N沟道增强型MOS管NM1的栅极电压为：

V_G＝V_S+V_TH1 (5)

其中V_TH1为高压N沟道增强型MOS管NM1的阈值电压；

高压N沟道增强型MOS管NM2、NM3和高压N沟道增强型MOS管NM1相匹配，阈值电压都相等，得出调整后的输出电压为：

VP1＝V_G-V_TH2 (6)

将式(5)代入得：

VP1＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (7)

同理可得：

VP2＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (8)

VP2支路中在高压N沟道增强型MOS管NM3的漏极和VIN输入端口之间有电阻R1，对VP2支路进行限流和ESD保护，进而可以驱动后级和VP1不同的电路模块。

通过改变高压N沟道增强型MOS管NM1支路上采用二极管连接的N沟道增强型MOS管的个数，以及N沟道增强型MOS管自身的宽长比，产生所需要的稳定输出Regulator电压值VP1和VP2。

本发明的有益效果在于本发明的带温度补偿的内置Regulator电路，不需要专门在芯片内部设计带隙基准电路就可以把高压输入转化成稳定的芯片内部工作电压，并且不需要在输出端进行环路补偿。由于这种设计芯片内部电路简单，芯片工作时自身电路的待机电流非常小。此外由于内部电路中各种器件可以根据温度的变化对输出电压进行有效地补偿，可以做到输出电压不受温度的影响而产生不稳定的情况，从而确保了在各种温度环境中芯片的正常工作。本发明实现电路简单，适用于各种目前常见的高压CMOS工艺电路，并且使用过程安全可靠，不仅节约成本，还大大减少了研发周期。

附图说明

图1为传统的Regulator电路示意图。

图2为本发明的带温度补偿的内置Regulator电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种带温度补偿的内置Regulator电路，如图2所示，包括高压P沟道增强型MOS管PM1-PM2，高压N沟道增强型MOS管NM1-NM3，N沟道增强型MOS管NM4-NM7，电阻R1-R3，电流偏置电路模块，VIN输入端口和VP1、VP2输出端口，其中所述VIN端口为高压输入端口，VP1、VP2为电路的Regulator电压输出端口；

所述偏置电流电路模块输出端连接高压P沟道增强型MOS管PM1栅极漏极和高压P沟道增强型MOS管PM2栅极，为整体电路提供具有正温度系数的偏置电流。

所述高压P沟道增强型MOS管PM1源极连接VIN端口，栅极漏极连接高压P沟道增强型MOS管PM2栅极和偏置电流电路模块的输入端；所述高压P沟道增强型MOS管PM2源极连接VIN端口，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM1栅极漏极和偏置电流电路模块的输入端，漏极连接高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极；所述高压P沟道增强型MOS管PM1和PM2构成电流镜结构电路。

所述高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、二极管D1阴极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，源极连接N沟道增强型MOS管NM4栅极漏极；所述高压N沟道增强型MOS管NM2漏极连接VIN端口，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，源极连接电阻R2一端和VP1输出端口；所述高压N沟道增强型MOS管NM3漏极连接电阻R1的一端，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极和高压N沟道增强型MOS管NM2栅极，源极连接电阻R3一端和VP2输出端口。

所述N沟道增强型MOS管NM4栅极漏极连接高压N沟道增强型MOS管NM1源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM5栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM5栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM4源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM6栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM6栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM5源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM7栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM7栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM6源极，源极接地；所述N沟道增强型MOS管NM4-NM7均为二极管连接方式，起电阻的作用,并且具有负温度系数。

所述二极管D1阴极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，阳极接地；所述电阻R1一端连接VIN端口，另一端连接高压N沟道增强型MOS管NM3漏极；所述电阻R2一端连接高压N沟道增强型MOS管NM2源极和VP1输出端口，另一端接地；所述电阻R3一端连接高压N沟道增强型MOS管NM3源极和VP2输出端口，另一端接地；其中所述二极管D1起稳压作用，电阻R1为限流和ESD保护作用，电阻R2和R3为VP1和VP2输出支路的偏置作用。

所述带温度补偿的内置Regulator电路可以通过改变高压N沟道增强型MOS管NM1支路上采用二极管连接的N沟道增强型MOS管的个数，以及N沟道增强型MOS管自身的宽长比，产生所需要的稳定输出Regulator电压值VP1和VP2。

所述带温度补偿的内置Regulator电路的实现方法为：

当VIN正常上电时，电流偏置电路模块提供具有正温度系数的电流，电流经过高压P沟道增强型MOS管PM1和PM2构成的电流镜电路，在高压P沟道增强型MOS管PM2漏极产生镜像电流I1；N沟道增强型MOS管NM4-NM7均采用二极管连接方式工作在饱和区，作为电阻使用和钳位各自的电压，由于N沟道增强型MOS管的电阻值Ron等于饱和区跨导gm的倒数，所以N沟道增强型MOS管NM4-NM7每个管子的电阻值为：

其中μ_n为N沟道增强型MOS管的电子迁移率，C_ox为单位面积的栅氧化层电容，I_D为流过管子的电流也就是本电路中的I₁，L为N沟道增强型MOS管源漏方向的栅长，W为N沟道增强型MOS管源漏方向的栅宽。

由于通过N沟道增强型MOS管NM4-NM7每个管子源漏两端的电流I₁具有正温度系数，二极管连接方式的N沟道增强型MOS管NM4-NM7做电阻时具有很小的正温度系数，而高压N沟道增强型MOS管NM1的阈值电压V_TH1具有负温度系数，所以调整偏置电流和N沟道增强型MOS管NM4-NM7的自身参数，使得高压N沟道增强型MOS管NM1的栅极产生与温度无关的电压V_G，其中二极管连接方式的N沟道增强型MOS管NM4-NM7各自的源漏两端电压V_DS为：

V_DS＝R_on·I₁ (2)

将I_D＝I₁和式(1)代入得：

高压N沟道增强型MOS管NM1的源极电压为：

V_S＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (4)

则通过高压N沟道增强型MOS管NM1的栅极电压为：

V_G＝V_S+V_TH1 (5)

其中V_TH1为高压N沟道增强型MOS管NM1的阈值电压；

因为高压N沟道增强型MOS管NM2、NM3和高压N沟道增强型MOS管NM1相匹配，阈值电压都相等，所以得出调整后的输出电压为：

VP1＝V_G-V_TH2 (6)

将式(5)代入得：

VP1＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (7)

同理可得：

VP2＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (8)

因为VP2支路中在高压N沟道增强型MOS管NM3的漏极和VIN输入端口之间添加电阻R1，对VP2支路进行限流和ESD保护，进而可以驱动后级和VP1不同的电路模块。

综上，本发明提出了一种简单带温度补偿的内置Regulator电路，实现方法简单，电路内部不需要带隙基准和环路补偿，可适用于各种高压CMOS工艺电路中，并且具有低待机电流等一系列的优点。

Claims (3)

1.一种带温度补偿的内置Regulator电路，其特征在于：

所述带温度补偿的内置Regulator电路中，包括高压P沟道增强型MOS管PM1-PM2，高压N沟道增强型MOS管NM1-NM3，N沟道增强型MOS管NM4-NM7，电阻R1-R3，电流偏置电路模块，VIN输入端口和VP1、VP2输出端口，所述VIN端口为高压输入端口，VP1、VP2为电路的Regulator电压输出端口，所述偏置电流电路模块输出端连接高压P沟道增强型MOS管PM1栅极漏极和高压P沟道增强型MOS管PM2栅极，提供具有正温度系数的偏置电流；

所述高压P沟道增强型MOS管PM1源极连接VIN端口，栅极漏极连接高压P沟道增强型MOS管PM2栅极和偏置电流电路模块的输入端；所述高压P沟道增强型MOS管PM2源极连接VIN端口，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM1栅极漏极和偏置电流电路模块的输入端，漏极连接高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极；所述高压P沟道增强型MOS管PM1和PM2构成电流镜结构电路；

所述高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、二极管D1阴极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，源极连接N沟道增强型MOS管NM4栅极漏极；所述高压N沟道增强型MOS管NM2漏极连接VIN端口，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，源极连接电阻R2一端和VP1输出端口；所述高压N沟道增强型MOS管NM3漏极连接电阻R1的一端，栅极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、二极管D1阴极和高压N沟道增强型MOS管NM2栅极，源极连接电阻R3一端和VP2输出端口；

所述N沟道增强型MOS管NM4栅极漏极连接高压N沟道增强型MOS管NM1源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM5栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM5栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM4源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM6栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM6栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM5源极，源极连接N沟道增强型MOS管NM7栅极漏极；所述N沟道增强型MOS管NM7栅极漏极连接N沟道增强型MOS管NM6源极，源极接地；所述N沟道增强型MOS管NM4-NM7均为二极管连接方式；

所述二极管D1阴极连接高压P沟道增强型MOS管PM2漏极、高压N沟道增强型MOS管NM1栅极漏极、高压N沟道增强型MOS管NM2栅极和高压N沟道增强型MOS管NM3栅极，阳极接地；所述电阻R1一端连接VIN端口，另一端连接高压N沟道增强型MOS管NM3漏极；所述电阻R2一端连接高压N沟道增强型MOS管NM2源极和VP1输出端口，另一端接地；所述电阻R3一端连接高压N沟道增强型MOS管NM3源极和VP2输出端口，另一端接地；所述二极管D1起稳压作用，电阻R1为限流和ESD保护作用，电阻R2和R3为VP1和VP2输出支路的偏置作用。

2.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的内置Regulator电路，其特征在于：

通过改变高压N沟道增强型MOS管NM1支路上采用二极管连接的N沟道增强型MOS管的个数，以及N沟道增强型MOS管自身的宽长比，产生所需要的稳定输出Regulator电压值VP1和VP2。

3.一种利用权利要求1所述带温度补偿的内置Regulator电路的实现方法，其特征在于包括下述步骤：

当VIN正常上电时，电流偏置电路模块提供具有正温度系数的电流，电流经过高压P沟道增强型MOS管PM1和PM2构成的电流镜电路，在高压P沟道增强型MOS管PM2漏极产生镜像电流I1；N沟道增强型MOS管NM4-NM7均采用二极管连接方式工作在饱和区，作为电阻使用和钳位各自的电压，由于N沟道增强型MOS管的电阻值Ron等于饱和区跨导gm的倒数，N沟道增强型MOS管NM4-NM7每个管子的电阻值为：

其中μ_n为N沟道增强型MOS管的电子迁移率，C_ox为单位面积的栅氧化层电容，I_D为流过管子的电流I₁，L为N沟道增强型MOS管源漏方向的栅长，W为N沟道增强型MOS管源漏方向的栅宽；

通过N沟道增强型MOS管NM4-NM7每个管子源漏两端的电流I₁具有正温度系数，调整偏置电流和N沟道增强型MOS管NM4-NM7的自身参数，使得高压N沟道增强型MOS管NM1的栅极产生与温度无关的电压V_G，其中二极管连接方式的N沟道增强型MOS管NM4-NM7各自的源漏两端电压V_DS为：

V_DS＝R_on·I₁ (2)

将I_D＝I₁和式(1)代入得：

高压N沟道增强型MOS管NM1的源极电压为：

V_S＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (4)

则通过高压N沟道增强型MOS管NM1的栅极电压为：

V_G＝V_S+V_TH1 (5)

其中V_TH1为高压N沟道增强型MOS管NM1的阈值电压；

高压N沟道增强型MOS管NM2、NM3和高压N沟道增强型MOS管NM1相匹配，阈值电压都相等，得出调整后的输出电压为：

VP1＝V_G-V_TH2 (6)

将式(5)代入得：

VP1＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (7)

同理可得：

VP2＝V_DS4+V_DS5+V_DS6+V_DS7 (8)

VP2支路中在高压N沟道增强型MOS管NM3的漏极和VIN输入端口之间有电阻R1，对VP2支路进行限流和ESD保护，进而可以驱动后级和VP1不同的电路模块。