CN111176361B - 一种基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体为一种基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源，用以解决现有的基于亚阈值技术的低电压带隙基准电压源温度范围窄、尤其是低温时严重受限的问题。本发明包括：亚阈值电流源、PTAT产生电路、CTAT产生电路、反馈电路与电源抑制比增强模块，其中，构成PTAT产生电路的PMOS管的衬底连接于其漏极，大大降低了其产生的衬底电流，使得低温下的基尔霍夫电流定律仍能得到PTAT电压解，从而大幅度扩展了基准电压源的工作温度范围；同时，采用由二极管D1构成的CTAT产生电路，保证低温下CTAT电压不失真，进一步保证了本发明基准电压源的低温适应性；并采用由电容Cc构成的电源抑制比增强模块有效提升电压源的电源抑制比。

Description

一种基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种带隙基准电压源结构，具体为一种基于衬底偏置调控的低电压低功耗、应用于宽温度范围的亚阈值带隙基准电压源。
背景技术
带隙基准电压源广泛应用于如AD/DA、LDO、PLL等各类集成电路模块之中，起到了基础但关键的作用；随着近些年来极低功耗集成电路设计的流行和工艺制程的进步，医疗电子、物联网等领域都需要工作在低电压下的低功耗基准电压源作为电路的有力支撑。
目前，应用最广泛的是基于亚阈值的带隙基准电压源技术，其利用MOSFET在亚阈区具有极低漏源电流的特性大幅度削减了电路功耗，同时亚阈区的设计也确保了电路可以工作在较低的电源电压下；然而，这类基准源电路的温度适应性是一个亟待解决的问题：由于用于产生基准电压的正温系数(PTAT)电压在更低温度下丧失线性特点，干扰了正常补偿能力，导致绝大部分基准源在-20摄氏度以下都不能正常工作，而-20摄氏度并非是一个很低的温度，严重限制基准源在很多场合下的应用。如图2所示为一种传统亚阈值带隙基准电压源，其电路结构主要包括以下部分：亚阈值电流源，由一个栅极与源极相接、衬底与源极相接的PMO S管M2构成；PTAT产生电路，由两个二极管接法的PMOS管M3、M4串联构成，所述二极管接法的PMOS管是指衬底与源极相连、栅极与漏极相连的PMOS管；负温系数(CTAT)电压产生电路，由一个基极与集电极相接的PNP管Q1构成；反馈电路，由一个NMOS管M1构成；基准电压通过PTAT产生电路和CTAT产生电路串联实现。然而发明人在实际应用中发现，该亚阈值带隙基准电压源中，由于作为亚阈值电流源的PMOS管的衬底与源极相接，衬底电位较高，低温(-20摄氏度以下)下衬底电流较大，影响了PTAT的线性度，导致温度范围十分受限。
基于此，如何能让PTAT电压在低温时不失真并且保持其高温线性不受影响，并基于亚阈值设计技术产生宽温度范围的低电压低功耗基准电压源，是本领域技术人员需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的基于亚阈值技术的低电压带隙基准电压源温度范围窄、尤其是低温时严重受限的问题，提供一种基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源，既满足亚阈值下低电压低功耗的基本要求，又能在很宽的温度范围内有效工作。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源，包括：亚阈值电流源、PTAT产生电路、CTAT产生电路、反馈电路与电源抑制比增强模块，其中，所述反馈电路由NMOS管M5构成，所述亚阈值电流源由PMOS管M6构成，所述PMOS管M6的栅极与源极相接、且连接于NMOS管M5的源极，所述PMOS管M6的衬底与漏极相接、且连接于基准电压端VREF，所述NMOS管M5的栅极与基准电压端VREF相接，所述NMOS管M5的漏极连接电源VDD；其特征在于，所述PTAT产生电路由PMOS管M7构成，所述CTAT产生电路由二极管D1构成，所述电源抑制比增强模块由电容Cc构成，所述PMOS管M7的衬底与源极相连、且连接于基准电压端VREF，所述PMOS管M7的栅极与漏极相连、且连接于二极管D1的正极，所述二极管D1的负极接地，所述电容Cc一端与基准电压端VREF相连、另一端接地。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源，与传统的亚阈值带隙基准电压源相比，本发明中通过调整作为亚阈值电流源的PMOS的衬底电位，使得低温下以衬底电流为代表的干扰电流强度大大减弱，很好地拓宽了PTAT电压的线性区间，从而得到了工作在很宽温度范围的低电压、低功耗亚阈值带隙基准电压源。
附图说明
图1为本发明基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源的电路示意图。
图2为传统的亚阈值带隙基准电压源的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源，用以实现TSMC180nm制程下低电压低功耗、应用于宽温度范围的亚阈值带隙基准电压源，其电路结构如图1所示，包括以下部分：亚阈值电流源，由栅极与源极相接、衬底与漏极相接的PMOS管M6构成；P TAT产生电路，由二极管接法的PMOS管M7构成；CTAT产生电路，由二极管D1构成；反馈电路，由NMOS管M5构成；电源抑制比增强模块，由电容Cc构成；基准电压通过PTAT产生电路和CTAT产生电路串联实现。
其工作原理为：本发明利用衬底偏置技术设计亚阈值带隙基准电压源，大幅度扩展其低温适用范围；正常温度时，如图1所示的电路结构中只存在两股电流，分别为流过PMOS管M6的亚阈值电流和流过PMOS管M7的亚阈值电流，由基尔霍夫电流定律求得PMOS管M7产生的是PTAT电压；若所述PMOS管M6采用如图2所示电路中PMOS管M2的结构，则在低温下(-20摄氏度以下)PMOS管M6在除去产生亚阈值电流以外，还会产生与亚阈值电流大小相近的衬底电流，而衬底电流的存在将干扰由基尔霍夫电流定律得到的电压解，使电压解不为PTAT电压，导致基准电压的温漂系数很大；因此，本发明将PMOS管M6的衬底连接于电压相对较低的漏极，大大降低了其产生的衬底电流，从而使得低温下的基尔霍夫电流定律仍能得到PTAT电压解，从而大幅度扩展了基准电压源的工作温度范围；同时，本发明采用由电容Cc构成的电源抑制比增强模块将来自电源VDD的噪声耦合到地，进而大大提升基准电压源的抗噪声能力，使得电压源的电源抑制比增强；本发明中CTAT产生电路采用二极管D1，保证低温下CTAT电压不失真，进一步保证了本发明基准电压源的低温适应性，且能够有效节省芯片面积；另外，本发明中PTAT产生电路仅需要一个PMOS管构成，进一步节省芯片面积。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种基于衬底偏置调控的亚阈值带隙基准电压源，包括：亚阈值电流源、PTAT产生电路、CTAT产生电路、反馈电路与电源抑制比增强模块，其中，所述反馈电路由NMOS管M5构成，所述亚阈值电流源由PMOS管M6构成，所述PMOS管M6的栅极与源极相接、且连接于NMOS管M5的源极，所述PMOS管M6的衬底与漏极相接、且连接于基准电压端VREF，所述NMOS管M5的栅极与基准电压端VREF相接，所述NMOS管M5的漏极连接电源VDD；其特征在于，所述PTAT产生电路由PMOS管M7构成，所述CTAT产生电路由二极管D1构成，所述电源抑制比增强模块由电容Cc构成，所述PMOS管M7的衬底与源极相连、且连接于基准电压端VREF，所述PMOS管M7的栅极与漏极相连、且连接于二极管D1的正极，所述二极管D1的负极接地，所述电容Cc一端与基准电压端VREF相连、另一端接地。
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