CN112327990B - 一种输出电压可调的低功耗亚阈值基准电压产生电路 - Google Patents

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Abstract

一种输出电压可调的低功耗亚阈值基准电压产生电路，正温度系数电压产生模块和负温度系数电压产生模块中第一NMOS管栅极连接第二NMOS管源极和第一电阻一端，其源极连接第一电阻另一端并接地，其漏极连接第二NMOS管栅极和第一PMOS管漏极并输出负温度系数电压；第二PMOS管栅极连接第一PMOS管源极和第二电阻一端，其源极连接第二电阻另一端并连接电源电压，其漏极连接第一PMOS管栅极和第二NMOS管漏极并输出正温度系数电压；基准电压产生模块将负温度系数电压和正温度系数电压按比例相加得到零温度系数的基准电压。本发明可根据电路需要调节MOS管的宽长比实现对基准电压值的调节，且只用了四个MOS管，所有MOS管工作在亚阈值区，具有低功耗、结构简单、易于集成设计的特点。

Description

一种输出电压可调的低功耗亚阈值基准电压产生电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种亚阈值基准电压产生电路，具有输出电压可调和低功耗的特点。
背景技术
随着人工智能技术的发展及人们日益增长的物质需求，可穿戴设备及植入式的医疗产品受到消费者的广泛关注。而由于可穿戴设备及植入式医疗产品的尺寸和电池的限制，降低电源管理芯片的功耗显得尤为重要。其中，基准电路作为芯片中的重要模块之一可以为所设计电路提供精准稳定的电压参考，因此设计一个性能良好的电压基准是必不可少的。并且近年来亚阈值区导电由于其功耗低的特性也成为相关研究人员的研究热点。
用工作在亚阈值区的场效应管替代双极性晶体管虽然能有效降低功耗，但场效应管的阈值电压随工艺的影响较大，直接应用到电路中可能会导致基准电压不准，因此还需要根据实际需求对输出的基准电压进行微调以适配电路。
发明内容
基于上述对基准电压产生电路的功耗要求，以及应用亚阈值区的场效应管时可能导致产生的基准电压不准确的不足之处，本发明提出一种工作在亚阈值区的CMOS基准电压产生电路，具有输出的基准电压可调、结构简单和功耗低的优势。
本发明的技术方案如下：
一种输出电压可调的低功耗亚阈值基准电压产生电路，包括正温度系数电压产生模块、负温度系数电压产生模块和基准电压产生模块，
所述负温度系数电压产生模块包括第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，所述正温度系数电压产生模块包括第一PMOS管、第二PMOS管和第二电阻，其中第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管均工作在亚阈值区；
第一NMOS管的栅极连接第二NMOS管的源极和第一电阻的一端，其源极连接第一电阻的另一端并接地，其漏极连接第二NMOS管的栅极和第一PMOS管的漏极；第二PMOS管的栅极连接第一PMOS管的源极和第二电阻的一端，其源极连接第二电阻的另一端并连接电源电压，其漏极连接第一PMOS管的栅极和第二NMOS管的漏极；
调节第一NMOS管和第二PMOS管的宽长比使得流经第一NMOS管和第二PMOS管的电流相等，令第一NMOS管的漏极输出负温度系数电压，令第二PMOS管的漏极输出正温度系数电压；
所述基准电压产生模块用于将所述负温度系数电压和所述正温度系数电压按比例相加，得到零温度系数的基准电压；
通过调节第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比改变所述负温度系数电压的温度系数，通过调节第一PMOS管和第二PMOS管的宽长比改变所述正温度系数电压的温度系数，从而调节所述基准电压的电压值。
具体的，所述基准电压产生模块包括第三电阻和第四电阻，第三电阻和第四电阻的一端分别连接所述正温度系数电压和所述负温度系数电压，其另一端互连并输出所述基准电压，根据所述正温度系数电压的温度系数和所述负温度系数电压的温度系数调节第三电阻和第四电阻的阻值，使得所述基准电压为零温度特性。
本发明的有益结果为：本发明采用的所有MOS管均工作在亚阈值区，因此整体电路工作时的功耗较小；本发明可根据电路需要调节MOS管的宽长比产生不同温度系数的VCTAT电压和VPTAT电压，以产生不同的基准电压，实现对基准电压的调节；本发明的整体结构只用了四个MOS管，结构简单，易于集成设计。
附图说明
下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
图1为本发明提出的一种输出电压可调的低功耗亚阈值基准电压产生电路的结构框图。
图2为本发明提出的一种输出电压可调的低功耗亚阈值基准电压产生电路在实施例中的具体电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本发明提出的一种亚阈值基准电压产生电路，包括正温度系数电压VPTAT产生模块102、负温度系数电压VCTAT产生模块101和基准电压VREF产生模块103，其中正温度系数电压VPTAT产生模块102和负温度系数电压VCTAT产生模块101都是通过MOS管与电阻共同实现，如图1所示，负温度系数电压VCTAT产生模块101包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和第一电阻R1，正温度系数电压VPTAT产生模块102包括第一PMOS管M3、第二PMOS管M4和第二电阻R2，第一NMOS管M1的栅极连接第二NMOS管M2的源极和第一电阻R1的一端，其源极连接第一电阻R1的另一端并接地GND，其漏极连接第二NMOS管M2的栅极和第一PMOS管M3的漏极；第二PMOS管M4的栅极连接第一PMOS管M3的源极和第二电阻R2的一端，其源极连接第二电阻R2的另一端并连接电源电压VDD，其漏极连接第一PMOS管M3的栅极和第二NMOS管M2的漏极。
第一NMOS管M1的栅源电压即为第一电阻R1的两端电压，第一NMOS管M1的漏极和第二NMOS管M2的栅极连接处的电压是负温度系数电压VCTAT，负温度系数电压VCTAT即为第一NMOS管M1的栅源电压和第二NMOS管M2的栅源电压累加之和。第二PMOS管M4的栅源电压即为第二电阻R2两端电压，第二PMOS管M4的漏极和第一PMOS管M3的栅极连接处的电压即为正温度系数电压VPTAT，正温度系数电压VPTAT即为第一PMOS管M3的栅源电压和第二PMOS管M4的栅源电压累加之和。
其中，第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3和第二PMOS管M4均工作在亚阈值区，以实现低功耗设计。亚阈值区电流公式为：
Figure BDA0002765217310000031
其中，ID表示的是MOS管的漏极电流；μ表示MOS管的载流子迁移率；Cox代表的是单位面积下的栅氧电容；m是亚阈值区斜率因子，具体值与工艺有关；W和L分别代表的是沟道宽度和长度；VT代表的是热电压；VGS代表的是MOS管的栅源电压；Vth表示的是阈值电压；VDS为MOS管的漏源电压。
在具体的电路当中，当漏源电压大于热电压VT满足一定关系时，即VDS≥3VT时，可以得到简化的亚阈值区电流表达式：
Figure BDA0002765217310000032
在对电路参数的初步设置时，预设第一NMOS管M1、第一PMOS管M3、第二电阻R2所在支路和第二NMOS管M2、第二PMOS管M4、第一电阻R1所在支路的电流是完全一致的，根据预设电阻可确定第一NMOS管M1和第二PMOS管M4的栅源电压，然后根据上述亚阈值区电流公式调节第一NMOS管M1和第二PMOS管M4的宽长比使得流经第一NMOS管M1和第二PMOS管M4的电流完全相等，令第一NMOS管M1的漏极输出负温度系数电压，令第二PMOS管M4的漏极输出正温度系数电压，具体分析如下。
联立第一NMOS管M1和第二PMOS管M4的亚阈值区电流公式可以解出本发明中的支路电流为：
Figure BDA0002765217310000041
其中，m1表示第一NMOS管M1的亚阈值区斜率因子，m4表示第二PMOS管M4的亚阈值区斜率因子；β为迁移率μ、栅氧电容Cox和宽长比W/L的乘积，β1为第一NMOS管M1的亚阈值区斜率因子，β2为第二PMOS管M4的亚阈值区斜率因子；Vth1为第一NMOS管M1的阈值电压，Vth4为第二PMOS管M4的阈值电压。
最后再将式(3)的支路电流公式代入第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的亚阈值区电流表达式，可求出负温度系数电压表达式为：
Figure BDA0002765217310000042
VCTAT表达式中的最后一项可通过调节MOS管宽长比等参数使得其近似为与温度呈一阶线性关系的一项，从而得到负温度系数电压VCTAT为与温度呈一阶线性关系的电压，具有负温度系数。
正温度系数电压VPTAT的产生方法与负温度系数电压VCTAT一致，同理可得出正温度系数电压VPTAT的表达式为：
Figure BDA0002765217310000043
即正温度系数电压VPTAT为与温度呈一阶线性关系的电压，具有正温度系数。
正温度系数电压VPTAT产生模块102中可以通过调节第一PMOS管M3和第二PMOS管M4的宽长比使得式(5)正温度系数电压VPTAT表达式中的ln(β4/β3)调节到预想值，从而调节VPTAT的温度系数。负温度系数电压VCTAT产生模块101中可以通过调节第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的宽长比使得式(4)负温度系数电压VCTAT表达式中的ln(β1/β2)调节到预想值，从而调节VCTAT的温度系数。而负温度系数电压VCTAT和正温度系数电压VPTAT的交点电压是电路输出的基准电压。因此本发明通过调节第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3和第二PMOS管M4中一个或多个MOS管的宽长比而调节VCTAT和VPTAT电压的温度系数，使得两条电压-温度曲线的交点也发生相应的偏移，即可以根据所需基准电压值来设定调节的MOS管宽长比，以达到调节输出电压的目的。
基准电压VREF产生模块103的两个输入端分别连接正温度系数电压VPTAT和负温度系数电压VCTAT，用于将负温度系数电压VCTAT和正温度系数电压VPTAT按比例相加，得到零温度系数的基准电压VREF，其中叠加的比例根据负温度系数电压VCTAT和正温度系数电压VPTAT的温度系数调整，使得负温度系数电压VCTAT和正温度系数电压VPTAT分别乘以不同的系数得到K1*VCTAT和K2*VPTAT，使得K1*VCTAT和K2*VPTAT温度系数的绝对值相等，求和就得到了基准电压VREF。
如图2所示给出了基准电压VREF产生模块103的一种实现电路结构，本实施例中采用的是两个电阻串联来实现，功能在于使得VCTAT和VPTAT电压的温度系数绝对值相等，从而可输出零温度系数的基准电压。本实施例中基准电压VREF产生模块103包括第三电阻R3和第四阻R4，第三电阻R3和第四阻R4的一端分别连接正温度系数电压VPTAT和负温度系数电压VCTAT，其另一端互连并输出基准电压VREF。
为更好描述本发明实施例中基准电压VREF产生模块103发挥的具体作用，假设VCTAT电压和VPTAT电压与温度的关系如下：
Figure BDA0002765217310000051
其中，V0表示VPTAT和VCTAT对应两条电压-温度曲线的交点处的电压，a1为VCTAT的温度系数，a1＜0；a2为VPTAT的温度系数，a2＞0。根据本实施例中的电路关系不难得到VREF的表达式如下：
Figure BDA0002765217310000052
可见，可以根据VCTAT的温度系数a1和VPTAT的温度系数a2来调节第三电阻R3和第四阻R4的阻值，使得最终输出的基准电压VREF为零温度系数电压。
综上所述，本发明通过四个工作在亚阈值区的MOS管和两个电阻，产生了与温度呈正相关的正温度系数电压VPTAT和与温度呈负相关的负温度系数电压VCTAT，然后将这两个电压按比例叠加得到一个零温度系数的基准电压VREF，且可通过改变MOS管的宽长比调节VCTAT和VPTAT的温度系数，进而对基准电压VREF的电压值进行一定的调节。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种输出电压可调的低功耗亚阈值基准电压产生电路，包括正温度系数电压产生模块、负温度系数电压产生模块和基准电压产生模块，其特征在于，
所述负温度系数电压产生模块包括第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，所述正温度系数电压产生模块包括第一PMOS管、第二PMOS管和第二电阻，其中第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管均工作在亚阈值区；
第一NMOS管的栅极连接第二NMOS管的源极和第一电阻的一端，其源极连接第一电阻的另一端并接地，其漏极连接第二NMOS管的栅极和第一PMOS管的漏极；第二PMOS管的栅极连接第一PMOS管的源极和第二电阻的一端，其源极连接第二电阻的另一端并连接电源电压，其漏极连接第一PMOS管的栅极和第二NMOS管的漏极；
调节第一NMOS管和第二PMOS管的宽长比使得流经第一NMOS管和第二PMOS管的电流相等，令第一NMOS管的漏极输出负温度系数电压，令第二PMOS管的漏极输出正温度系数电压；
所述基准电压产生模块用于将所述负温度系数电压和所述正温度系数电压按比例相加，得到零温度系数的基准电压；
通过调节第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比改变所述负温度系数电压的温度系数，通过调节第一PMOS管和第二PMOS管的宽长比改变所述正温度系数电压的温度系数，从而调节所述基准电压的电压值。
2.根据权利要求1所述的输出电压可调的低功耗亚阈值基准电压产生电路，其特征在于，所述基准电压产生模块包括第三电阻和第四电阻，第三电阻和第四电阻的一端分别连接所述正温度系数电压和所述负温度系数电压，其另一端互连并输出所述基准电压，根据所述正温度系数电压的温度系数和所述负温度系数电压的温度系数调节第三电阻和第四电阻的阻值，使得所述基准电压为零温度特性。
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