CN110568902B - 一种基准电压源电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基准电压源电路，包括：电源输入端、电流镜模块和自偏置模块；电源输入端外接电源，用于为基准电压源电路提供电压信号；电流镜模块，包括至少两个电流镜，电流镜模块用于为基准电压源电路提供不受电压信号控制的电流，电流镜由场效应管构成；自偏置模块与电流镜模块连接，用于根据电流输出基准电压，解决了现有基准电压源电路结构复杂的技术问题。

Description

一种基准电压源电路
技术领域
本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种基准电压源电路。
背景技术
基准电压源是模拟集成电路的重要组成部分，因在工艺、电源电压、温度变化时能够提供稳定的输出电压而被广泛应用于电源管理，数据转换器、动态存储器和低压差线性稳压器等集成电路系统中。
基准电压源电路输出基准电压的必要条件是，基准电压源电路的工作电流与外接的电源无关。上述功能是通过在基准电压源电路中设计偏置电流发生器实现。然而偏置电流发生器中具有较多的场效应管、电阻和电容等器件，从而使现有的基准电压源电路结构复杂。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种基准电压源电路，解决了现有基准电压源电路结构复杂的技术问题。
一种基准电压源电路，包括：电源输入端、电流镜模块和自偏置模块；
所述电源输入端外接电源，用于为基准电压源电路提供电压信号；
所述电流镜模块，包括至少两个电流镜，所述电流镜模块用于为所述基准电压源电路提供不受所述电压信号控制的电流，所述电流镜由场效应管构成；
所述自偏置模块与所述电流镜模块连接，用于根据所述电流输出基准电压。
可选地，所述电流镜模块包括第一电流镜和第二电流镜；
所述第一电流镜包括第一场效应管和第二场效应管，且所述第一场效应管的栅极连接所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的源极与所述第二场效管的源极均连接所述电源输入端；
所述第二电流镜包括第三场效应管和第四场效应管，且所述第三场效应管的栅极连接所述第四场效应管的栅极，所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的源极均接地；
所述第一场效应管的漏极连接所述第三场效应管的漏极，所述第二场效应管的漏极连接所述第四场效应管的漏极。
可选地，所述第一场效应管、所述第二场效应管、所述第三场效应管和所述第四场效应管均为：MOS晶体管。
可选地，所述自偏置模块包括：第五场效应管和第六场效应管；
所述第五场效应管的源极连接所述第六场效应管的漏极，所述第五场效应管的栅极与所述第六场效应管的栅极均连接所述第五场效应管的漏极，所述第六场效应管的源极接地。
可选地，所述第五场效应管和所述第六场效应管均为MOS晶体管。
可选地，所述第四场效应管的栅极与漏极均连接所述第五场效应管的体，所述第四场效应管的源极接地。
可选地，所述电流镜模块和所述自偏置模块均工作在亚阈值区。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请提供了一种基准电压源电路，包括：电源输入端、电流镜模块和自偏置模块；电源输入端，用于为基准电压源电路提供电压信号；电流镜模块，包括至少两个电流镜，电流镜模块用于为基准电压源电路提供不受电压信号控制的电流，自偏置模块与电流镜模块连接，用于根据电流输出基准电压。
本申请中提供的基准电压源电路，通过至少两个由场效应管连接组成的电流镜，就可以输出不受电压信号控制的电流，不再需要单独设计一个与外接电源无关的偏置电流发生器，由于本申请中的电流镜是由场效应管连接组成，只需要几个场效应管，不需要设计电阻和电容等器件，相较于现有由多个场效应管、电阻和电容构成的偏置电流发生器，结构简单，从而解决了现有基准电压源电路结构复杂的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例中一种基准电压源电路的连接示意图；
图2为本申请实施例中仿真后的基准电压VREF受温度变化的示意图；
图3为本申请实施例中仿真后的基准电压VREF受电压信号变化的示意图；
其中，附图标记为：
1、第一场效应管；2、第二场效应管；3、第三场效应管；4、第四场效应管；5、第五场效应管；6、第六场效应管。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种基准电压源电路，解决了现有基准电压源电路结构复杂的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，本申请实施例中一种基准电压源电路的连接示意图。
本实施例中的基准电压源电路包括：电源输入端、电流镜模块和自偏置模块；电源输入端外接电源，用于为基准电压源电路提供电压信号；电流镜模块包括至少两个电流镜，电流镜模块用于为基准电压源电路提供不受电压信号控制的电流，电流镜由场效应管构成；自偏置模块与电流镜模块连接，用于根据电流输出基准电压。
本申请中提供的基准电压源电路，通过至少两个由场效应管组成的电流镜，就可以输出不受电压信号控制的电流，不再需要单独设计一个与外接电源无关的偏置电流发生器，由于本申请中的电流镜是由场效应管连接组成，只需要几个场效应管，不需要设计电阻和电容等器件，相较于现有由多个场效应管、电阻和电容构成的偏置电流发生器，结构简单，从而解决了现有基准电压源电路结构复杂的技术问题。
以上为本申请实施例提供的一种基准电压源电路的第一实施例，以下为本申请实施例提供的一种基准电压源电路的第二实施例。
如图1所示，本实施例中的基准电压源电路包括：电源输入端、电流镜模块和自偏置模块；电源输入端外接电源，用于为基准电压源电路提供电压信号；电流镜模块包括至少两个电流镜，电流镜模块用于为基准电压源电路提供不受电压信号控制的电流，电流镜由场效应管构成；自偏置模块与电流镜模块连接，用于根据电流输出基准电压。
进一步地，本实施例中的电流镜模块包括第一电流镜和第二电流镜，第一电流镜包括第一场效应管1和第二场效应管2，且第一场效应管1的栅极连接第二场效应管2的栅极，第一场效应管1的源极与第二场效管2的源极均连接电源输入端；第二电流镜包括第三场效应管3和第四场效应管4，且第三场效应管3的栅极连接第四场效应管4的栅极，第三场效应管3的源极与第四场效应管4的源极均接地；第一场效应管1的漏极连接第三场效应管3的漏极，第二场效应管2的漏极连接第四场效应管4的漏极。
需要说明的是，电流镜的数量为两个及两个以上，可以是三个，也可以是四个，本领域技术人员可以根据需要进行设置，此处不做具体限定。
进一步地，本实施例中的第一场效应管1、第二场效应管2、第三场效应管3和第四场效应管4均为：MOS晶体管。
需要说明的是，第一场效应管1、第二场效应管2、第三场效应管3和第四场效应管4可以都是P型MOS晶体管，也可以都是N型MOS晶体管，还可以是，第一场效应管1与第二场效应管2为一种类型的MOS晶体管，第三场效应管3与第四场效应管4为另一种类型的MOS晶体管。本实施例中的第一场效应管1和第二场效应管2为P型MOS晶体管，第三场效应管3和第四场效应管4为N型MOS晶体管。
当基准电压源电路的电源输入端输入电压信号时，则会产生电流I，此时电路中的支路电流分别为I1、I2、I3，通过第一电流镜和第二电流镜的作用，可得到：
Figure BDA0002239464940000041
Figure BDA0002239464940000042
Figure BDA0002239464940000043
其中，K1、K2、K3、K4分别为第一场效应管1、第二场效应管2、第三场效应管3和第四场效应管4的宽长比。
进一步地，本实施例中的电流镜模块和自偏置模块均工作在亚阈值区。
可以理解的是，第一场效应管1、第二场效应管2、第三场效应管3、第四场效应管4、第五场效应管5和第六场效应管6均工作在亚阈值区，即利用电流调制，将电流调整到使所有场效应管都满足条件：VGS＜VTH和VDS>200mv，那么，此时所有场效应管均是在亚阈值区工作，以便于后续进行基准电压的计算，其中亚阈值公式为：
Figure BDA0002239464940000051
其中，VDS为MOS晶体管的漏源电压，VGS为MOS晶体管的栅源电压，VTH为MOS晶体管的阈值电压，η为MOS晶体管的亚阈值斜率因子，VT为MOS晶体管的热电压，μ为MOS晶体管的载流子迁移率，COX为MOS晶体管的栅氧电容，K为MOS晶体管的宽长比。
进一步地，本实施例中的自偏置模块包括第五场效应管5和第六场效应管6，且第五场效应管5的源极连接第六场效应管6的漏极，第五场效应管5的栅极与第六场效应管6的栅极均连接第五场效应管5的漏极，第六场效应管6的源极接地。
需要说明的是，第三场效应管3的栅极与第五场效应管5的栅极连接，则第三场效应管3的栅源电压等于第五场效应管5的栅源电压加上第六场效应管6的漏源电压，且第六场效应管6的漏源电压为I2乘第六场效应管6的漏源之间的等效电阻。其中第三场效应管3栅源电压的表达式为：
Figure BDA0002239464940000052
其中，VGS,3为第三场效应管3的栅源电压，VGS,5为第五场效应管5的栅源电压，RON.6为第六场效应管6的漏源之间的等效电阻。
可以理解的是，第五场效应管5与第六场效应管6构成自偏置结构，使第五场效应管5和第六场效应管6可以稳定地工作在亚阈值区。
进一步地，本实施例中的第五场效应管5和第六场效应管6均为MOS晶体管。
需要说明的是，第五场效应管5和第六场效应管6可以均为P型MOS晶体管，也可以均为N型MOS晶体管，本申请实施例中的第五场效应管5和第六场效应管6均为N型MOS晶体管。
进一步地，本实施例中的第四场效应管4的栅极与漏极均连接第五场效应管5的体，第四场效应管4的源极接地。
需要说明的是，通过第四场效应管4的栅极与漏极均连接第五场效应管5的体产生体效应，可得出体效应公式：
Figure BDA0002239464940000061
其中，
Figure BDA0002239464940000062
为MOS晶体管处于体效应的情况下的阈值电压，
Figure BDA0002239464940000063
为体效应系数，q为电子电荷，εsi为硅的介电常数，Nsub为衬底掺杂浓度，ΦF为费米势，VSB为源衬电势差。
可以理解的是，第五场效应管5是N型MOS晶体管，所以第五场效应管5的体正常情况下是接地的，第五场效应管5与第六场效应管6是相同参数的N型MOS晶体管，则第五场效应管5与第六场效应管6的阈值电压相等，通过第四场效应管4的栅极与漏极均连接第五场效应管5的体产生体效应，可以减少第五场效应管5的阈值电压，从而使第五场效应管5与第六场效应管6的之间产生阈值电压差，最后利用阈值电压差，输出基准电压。
将上述I1、I2、I3的三个公式和亚阈值公式代入第三场效应管栅源电压的表达式，便可求解得到基准电压对应的电流I，其中I的表达式为：
Figure BDA0002239464940000064
其中，VTH,3为第三场效应管3的阈值电压，
Figure BDA0002239464940000065
为第五场效应管5在体效应情况下的阈值电压，K5为第五场效应管5的宽长比。
需要说明的是，工作在亚阈值区的MOS晶体管的漏源之间的等效电阻为一个定值，因此，从上述电流I的表达式可以看出，通过调整MOS晶体管的宽长比能控制电流I的大小，使电流I不受电压信号控制。
根据第五场效应管5与第六场效应管6的阈值电压差得出基准电压VREF的表达式为：
VREF＝VGS,6-VGS,2；
将亚阈值公式和体效应公式代入基准电压的表达式，可得出：
Figure BDA0002239464940000071
其中，VGS,6为第六场效应管6的栅源电压，VGS,2为第二场效应管2的栅源电压，K6为第六场效应管6的宽长比，VGS,4为第四场效应管4的栅源电压，可由亚阈值公式得出。
结合上式，可以看出，只有VT和VTH,4与温度有关，通过调整场效应管的宽长比可以使他们相互抵消，从而使基准电压不受温度控制。
本申请中提供的基准电压源电路，通过至少两个由场效应管连接组成的电流镜，就可以输出不受电压信号控制的电流，不再需要单独设计一个与外接电源无关的偏置电流发生器，由于本申请中的电流镜是由场效应管连接组成，只需要几个场效应管，不需要设计电阻和电容等器件，相较于现有由多个场效应管、电阻和电容构成的偏置电流发生器，结构简单，从而解决了现有基准电压源电路结构复杂的技术问题。
以上为本申请实施例提供的一种基准电压源电路的第二实施例，以下为本申请实施例提供的一种基准电压源电路的仿真结果，请参阅图2和图3。
本申请实用Candence软件进行了仿真，表1为此次仿真的场效应管的尺寸：
场效应管 1 2 3 4 5 6
宽/长，μm/μm 13/4 18.9/8 5.48/8 11.9/10 1/50 5.99/10
表1
如图2所示，X轴为温度，Y轴为基准电压，当温度从-40℃到125℃时，可以看出基准电压VREF变化情况。从图中可以看出，A点对应的基准电压VREF与B点对应的基准电压VREF之间的差值最大。点A的坐标为(-40，196.0477)，点B的坐标为(30，199.3127)，基准电压VREF的大小从196.0477mV变化到199.3127mV，变化大小仅为3.265mV，因此，可以说明本申请中基准电压源电路得出的基准电压VREF的大小几乎不受温度的影响。
如图3所示，X轴为电源电压，Y轴为基准电压，当电源输出的电压从0.65V到1.8V时，可以看出基准电压VREF的变化不大。从图中可以看出，点C的坐标为(0.65,194.315)，点D的坐标为(1.8,222.281)，基准电压VREF从194.315mV变化到222.281mV，变化大小为27.966mV，因此，可以说明本申请中基准电压VREF受电源输出的电压信号的影响很小。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基准电压源电路，其特征在于，包括：电源输入端、电流镜模块和自偏置模块；
所述电源输入端外接电源，用于为基准电压源电路提供电压信号；
所述电流镜模块，包括第一电流镜和第二电流镜，所述电流镜模块用于为所述基准电压源电路提供不受所述电压信号控制的电流，具体为：所述第一电流镜包括第一场效应管和第二场效应管，且所述第一场效应管的栅极连接所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的源极均连接所述电源输入端，所述第二电流镜包括第三场效应管和第四场效应管，且所述第三场效应管的栅极连接所述第四场效应管的栅极，所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的源极均接地，所述第一场效应管的漏极连接所述第三场效应管的漏极，所述第二场效应管的漏极连接所述第四场效应管的漏极；
所述自偏置模块与所述电流镜模块连接，用于根据所述电流输出基准电压。
2.根据权利要求1所述的基准电压源电路，其特征在于，所述第一场效应管、所述第二场效应管、所述第三场效应管和所述第四场效应管均为：MOS晶体管。
3.根据权利要求1所述的基准电压源电路，其特征在于，所述自偏置模块包括：第五场效应管和第六场效应管；
所述第五场效应管的源极连接所述第六场效应管的漏极，所述第五场效应管的栅极与所述第六场效应管的栅极均连接所述第五场效应管的漏极，所述第六场效应管的源极接地。
4.根据权利要求3所述的基准电压源电路，其特征在于，所述第五场效应管和所述第六场效应管均为MOS晶体管。
5.根据权利要求3所述的基准电压源电路，其特征在于，所述第四场效应管的栅极与漏极均连接所述第五场效应管的漏极，所述第四场效应管的源极接地。
6.根据权利要求1所述的基准电压源电路，其特征在于，所述电流镜模块和所述自偏置模块中的MOS管均工作在亚阈值区。
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