CN110320959A - 一种用于产生cmos阈值电压vth的电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于产生CMOS阈值电压VTH的电路，主要解决现有CMOS场效应管的阈值电压产生电路结构复杂，功耗高的问题。该电路包括由五个相同MOS管组成的环路，基于两个VGS栅源电压产生阈值电压的MOS管M6，以及用于使MOS管M6处于和MOS管M5处于一样的饱和区的MOS管M7。通过上述设计，本发明电路结构简单，利用多个相同的MOS管组成环路，基于两个MOS管的栅源电压相减，调整两个相同MOS管之间的电流关系即可得到阈值电压，并且该电路不需要运算放大器来稳定结果，简化了电路结构，降低了电路的整体功耗。因此，具有很高的使用价值和推广价值。

Description

一种用于产生CMOS阈值电压VTH的电路与方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体地说，是涉及一种用于产生CMOS阈值电压VTH的电路与方法。

背景技术

CMOS场效应管的阈值电压是CMOS电路设计中的重要参数，在特定工艺条件下，该阈值电压与工艺角相关，并且具有非线性的负温系数，因此在一般情形下它没有必要作为独立电压产生。但是在一些特殊应用中，需要获取该阈值电压，这些特殊应用包括：判断CMOS场效应管所处的工艺角，生成特殊温度系数的电压或电流，生成低温漂时钟的环形振荡器等等。

而现有的CMOS场效应管的阈值电压产生电路的环路补偿需要一个运算放大器来稳定结果，使得电路结构复杂，功耗高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于产生CMOS阈值电压VTH的电路与方法，主要解决现有CMOS场效应管的阈值电压产生电路结构复杂，功耗高的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于产生CMOS阈值电压VTH的电路，包括源极S接电压源的MOS管M1，漏极D均与MOS管M1的栅极G相连的MOS管M3和MOS管M4，栅极G与MOS管M3的栅极G相连的MOS管M2，漏极D与MOS管M2的漏极D相连的MOS管M7，漏极D与MOS管M7的源极S相连的MOS管M6，一端与MOS管M7的栅极G相连另一端与MOS管M6的栅极G相连的电阻R3，一端与MOS管M6的栅极G相连且另一端接地的电阻R2，与MOS管M7的栅极G和MOS管M1的漏极均相连的电阻R1，以及漏极D与电阻R1另一端相连的MOS管M5；其中，MOS管M5的栅极G和MOS管M4的栅极G均与MOS管M5的漏极D相连，MOS管M2的源极S和MOS管M3的源极S均外接电压源，MOS管M4的源极S、MOS管M6的源极S、MOS管M5的源极S均接地，MOS管M2的漏极D与MOS管M2的源极S相连。

进一步地，该电路还包括与MOS管M1的漏极D相连的启动电路。

本发明还提供了一种用于产生CMOS阈值电压VTH的方法，采用了上述所述用于产生CMOS阈值电压VTH的电路，利用通过各个MOS管饱和区的电流，通过调整两个相同MOS管的电流关系，得到两个MOS管的VGS之差即是VTH。

进一步地，所述通过MOS管饱和区的电流的计算公式为：

I＝0.5*Kn(VGS-VTH)²*(1+λ*VDS)

其中，Kn为常数，VGS为MOS管栅极G与MOS管源极S之间的电压降，VDS为MOS管漏极D与MOS管源极S之间的电压降，λ为MOS管的沟道长度。

进一步地，常数Kn的计算公式为：

Kn＝Kn’*W/L*(1+λ*VDS)，

Kn’＝μ_n*COX

其中，W为MOS管的宽度，L为MOS管的长度，μ_n为介电常数，COX是栅氧传感电容。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明电路结构简单，通过多个相同的MOS管组成环路，基于两个MOS管的栅源电压相减，调整两个相同MOS管之间的电流关系即可得到阈值电压，并且该电路不需要运算放大器来稳定结果，简化了电路结构，降低了电路的整体功耗。

(2)本发明阈值电压产生方法简单，只需要调整通过MOS管饱和区之间的电流关系就能快速得到阈值电压，实现方法简单方便。

附图说明

图1为本发明的电路结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1所示，本发明公开的一种用于产生CMOS阈值电压VTH的电路，包括源极S接电压源的MOS管M1，漏极D均与MOS管M1的栅极G相连的MOS管M3和MOS管M4，栅极G与MOS管M3的栅极G相连的MOS管M2，漏极D与MOS管M2的漏极D相连的MOS管M7，漏极D与MOS管M7的源极S相连的MOS管M6，一端与MOS管M7的栅极G相连另一端与MOS管M6的栅极G相连的电阻R3，一端与MOS管M6的栅极G相连且另一端接地的电阻R2，与MOS管M7的栅极G和MOS管M1的漏极均相连的电阻R1，以及漏极D与电阻R1另一端相连的MOS管M5；其中，MOS管M5的栅极G和MOS管M4的栅极G均与MOS管M5的漏极D相连，MOS管M2的源极S和MOS管M3的源极S均外接电压源，MOS管M4的源极S、MOS管M6的源极S、MOS管M5的源极S均接地，MOS管M2的漏极D与MOS管M2的源极S相连。

因为这个电路有两个简并点，一个是零，一个是通过MOS管M5和MOS管M6的电流相差正好4倍时。所以这个电路需要启动电路避免零的简并点。所述启动电路与MOS管M1的漏极D相连。

本发明还提供了一种用于产生CMOS阈值电压VTH的方法，采用了上述所述的用于产生CMOS阈值电压VTH的电路，利用通过各个MOS管饱和区的电流公，通过调整两个相同MOS管的电流关系，得到两个MOS管的VGS之差即是VTH。

所述通过MOS管饱和区的电流的计算公式为：

I＝0.5*Kn(VGS-VTH)²*(1+λ*VDS) (1)，

其中，Kn为常数，VGS为MOS管栅极G与MOS管源极S之间的电压降，VDS为MOS管漏极D与MOS管源极S之间的电压降，λ为MOS管的沟道长度。常数Kn的计算公式为：

Kn＝Kn’*W/L*(1+λ*VDS) (2)，

Kn’＝μ_n*COX (3)，

其中，W为MOS管的宽度，L为MOS管的长度，μ_n为介电常数，COX是栅氧传感电容。记MOS管M5的栅极G与MOS管M5的源极S之间的电压降为V1，MOS管M6的栅极G与MOS管M6的源极S之间的电压降为V2，MOS管M6的栅极G与MOS管M6的源极S之间的电压降和MOS管M7的栅极G与MOS管M7的源极S之间的电压降之和为Vx，即Vx＝2*V2。MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7完全相同。因为λ<<1，VDS<<1，所以λ*VDS<<1，则由式(1)、式(2)得

V1＝Sqrt(I_M5/Kn)+VTH，

V2＝Sqrt(I_M6/Kn)+VTH，

又因为：

Vx＝2*V2，

所以R1上面的电压降V即是：

V＝Vx-V1＝2*V2-V1＝2*(Sqrt(I_M6/Kn)+VTH)-V1＝Sqrt(I_M5/Kn)+VTH，

当I_M5＝4*I_M6时，Vx-V1＝VTH，即得到阈值电压VTH。

其中，I_M5为通过MOS管M5的电流，I_M6为通过MOS管M6的电流。M7的作用是让M6处于和M5一样的饱和区，VDS相差不会太大。

通过上述设计，本发明电路结构简单，利用多个相同的MOS管组成环路，基于两个MOS管的栅源电压相减，调整两个相同MOS管之间的电流关系即可得到阈值电压，并且该电路不需要运算放大器来稳定结果，简化了电路结构，降低了电路的整体功耗。因此，具有很高的使用价值和推广价值。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于产生CMOS阈值电压VTH的电路，其特征在于，包括源极S接电压源的MOS管M1，漏极D均与MOS管M1的栅极G相连的MOS管M3和MOS管M4，栅极G与MOS管M3的栅极G相连的MOS管M2，漏极D与MOS管M2的漏极D相连的MOS管M7，漏极D与MOS管M7的源极S相连的MOS管M6，一端与MOS管M7的栅极G相连另一端与MOS管M6的栅极G相连的电阻R3，一端与MOS管M6的栅极G相连且另一端接地的电阻R2，与MOS管M7的栅极G和MOS管M1的漏极均相连的电阻R1，以及漏极D与电阻R1另一端相连的MOS管M5；其中，MOS管M5的栅极G和MOS管M4的栅极G均与MOS管M5的漏极D相连，MOS管M2的源极S和MOS管M3的源极S均外接电压源，MOS管M4的源极S、MOS管M6的源极S、MOS管M5的源极S均接地，MOS管M2的漏极D与MOS管M2的源极S相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生CMOS阈值电压VTH的电路，其特征在于，还包括与MOS管M1的漏极D相连的启动电路。

3.一种用于产生CMOS阈值电压VTH的方法，其特征在于，采用了如权利要求1或2任一项所述的用于产生CMOS阈值电压VTH的电路，利用通过各个MOS管饱和区的电流，通过调整两个相同MOS管的电流关系，得到两个MOS管的VGS之差即是VTH。

4.根据权利要求3所述的一种用于产生CMOS阈值电压VTH的方法，其特征在于，所述通过MOS管饱和区的电流的计算公式为：

I＝0.5*Kn(VGS-VTH)²*(1+λ*VDS)

其中，Kn为常数，VGS为MOS管栅极G与MOS管源极S之间的电压降，VDS为MOS管漏极D与MOS管源极S之间的电压降，λ为MOS管的沟道长度。

5.根据权利要求4所述的一种用于产生CMOS阈值电压VTH的方法，其特征在于，常数Kn的计算公式为：

Kn＝Kn’*W/L*(1+λ*VDS)，

Kn’＝μ_n*COX

其中，W为MOS管的宽度，L为MOS管的长度，μ_n为介电常数，COX是栅氧传感电容。