CN113110679B

CN113110679B - 一种适用于纳米级cmos工艺的低功耗基准电压源

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Publication number: CN113110679B
Application number: CN202110449316.9A
Authority: CN
Inventors: 代晶
Original assignee: Guangdong Baoyuantong Testing Co ltd
Current assignee: Guangdong Baoyuantong Testing Co ltd
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2021-04-25
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2041-04-25
Also published as: CN113110679A

Abstract

本发明提供了一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源，其包括补偿电流产生电路和基准电压产生电路；通过电路结构设置，电路中的MOS管均工作于弱反型区，降低了电路对工作电压的需求，实现了电路工作的低功耗。本发明通过一阶电流及二阶电流补偿技术，使电路中工作于弱反型区的MOS管的栅源极电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，并将其作为基准电压输出，有效减低了电路输出基准电压的温度系数。

Description

一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源

技术领域

本发明涉及基准电压源电路系统的设计，尤其涉及的是，一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源的设计。

背景技术

随着纳米级CMOS制造工艺在集成电路生产中的应用，集成电路的集成规模不断增加，体积不断减小，但也带来了电路性能方面的诸多问题。当基准电压源电路在纳米级CMOS制造工艺下设计并生产时，电路中的MOS管通常具有较大的导电沟道长度，且MOS管的漏电流增大，输出阻抗降低。这使得基准电压源电路需要较高的工作电压，并更容易受到工艺偏差的影响，进而使电路的温度系数增大。为了能在纳米级CMOS制造工艺条件下，设计出低功耗及低温度系数的基准电压源电路，本发明提出了一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源。

本发明的技术方案如下：

一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源包括补偿电流产生电路和基准电压产生电路。补偿电流产生电路主要用于产生二阶补偿电流并输出到基准电压产生电路中。基准电压产生电路在一阶补偿电流及二阶补偿电流的作用下，使工作于弱反型区的MOS管的栅源极电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，并将此电压作为基准电压输出。补偿电流产生电路与基准电压产生电路中的MOS管均工作于弱反型区，可在低工作电压下正常运行，从而降低了基准电压源电路的功耗。基准电压产生电路通过一阶及二阶电流补偿技术，使输出的基准电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，进而使基准电压源电路具有较低的温度系数。

一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源中，补偿电流产生电路包括MOS管M1至M13，电阻R1，电阻R2，电容C1，电容C2。其中MOS管M1至M7、电阻R1、电阻R2连接构成的电路用于产生二阶补偿电流。其电路连接结构使MOS管M1至M7均被偏置工作于弱反型区，且MOS管M6的栅源极电压与M7的栅源极电压的差值作用于电阻R2，以产生补偿电流I1。MOS管M8至M13、电容C1、电容C2连接构成的电路主要用于提供反馈环路，提高电流I1的电源抑制比，并将电流I1按MOS管M2与M10的比例关系输入到基准电压产生电路中。

补偿电流产生电路中，MOS管M1的源极连接电源VDD，MOS管M1的栅极连接MOS管M2的栅极，MOS管M1的漏极连接MOS管M3的漏极。MOS管M2的源极连接电源VDD，MOS管M2的栅极连接MOS管M10的栅极，MOS管M2的漏极连接电阻R1的上端。MOS管M3的漏极连接MOS管M3的栅极，MOS管M3的栅极连接MOS管M4的栅极，MOS管M3的源极连接MOS管M5的漏极。MOS管M4的漏极连接电阻R1的下端，MOS管M4的栅极连接MOS管M3的漏极，MOS管M4的源极连接MOS管M7的漏极。MOS管M5的漏极连接MOS管M5的栅极，MOS管M5的栅极连接MOS管M3的源极，MOS管M5的源极连接MOS管M6的漏极。MOS管M6的漏极连接MOS管M6的栅极，MOS管M6的栅极连接MOS管M7的栅极，MOS管M6源极接地。MOS管M7的漏极连接MOS管M9的栅极，MOS管M7的栅极连接MOS管M5的源极，MOS管M7的源极连接电阻R2的上端，电阻R2的下端接地。MOS管M8的漏极连接电源VDD，MOS管M8的栅极连接MOS管M8的的漏极，MOS管M8的源极连接电容C1的上端。MOS管M9的漏极连接电容C1的下端，MOS管M9的栅极连接MOS管M12的源极，MOS管M9的源极接地。MOS管M10的源极连接电源VDD，MOS管M10的栅极连接MOS管M2的栅极，MOS管M10的漏极连接MOS管M11的源极。MOS管M11的源极连接MOS管M10的漏极，MOS管M11的栅极连接电阻R1的下端，MOS管M11的漏极连接MOS管M13的源极。MOS管M12的漏极连接MOS管M10的栅极，MOS管M12的栅极连接MOS管M9的漏极，MOS管M12的源极接地。电容C2的上端连接MOS管M9的栅极，电容C2的下端接地。MOS管M13的源极连接MOS管M13的栅极，MOS管M13的栅极连接MOS管M11的漏极，MOS管M13的漏极连接MOS管M27的源极。

一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源中，基准电压产生电路包括MOS管M14至M29，电阻R3至R7，基准电压输出端口Vref。MOS管M25至M29、电阻R4至R7连接构成的电路结构使MOS管M25至M29被偏置工作于弱反型区，并在补偿电流的作用下产生基准电压。R6、R7均为高阻多晶硅电阻，MOS管M27的栅源极电压与MOS管M28的栅源极电压的差值作用于R6，产生补偿电流I2。I2流过电阻R7，在电阻R6与电阻R7的连接点处产生一阶补偿电压Vs1。电阻R2为P型扩散电阻。由于电阻R2与电阻R7为具有不同温度特性的不同类型的电阻，由R2产生的补偿电流I1作用于R7时，将在电阻R6与电阻R7的连接点处产生一阶补偿电压Vs2及二阶补偿电压Ve1。通过电路结构设置，补偿电压Vs1、Vs2及Ve1共同作用于MOS管M27的栅源极电压。通过调节电阻R2、R6及R7的阻值，可使MOS管M27栅极与MOS管M28栅极连接点处电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，并将此处电压作为基准电压通过端口Vref输出。MOS管M14至M24、电阻R3连接构成的电路结构使MOS管M14至M24被偏置工作于弱反型区，并使MOS管M25的漏极电流与MOS管M26的漏极电流时刻保持相等，从而使MOS管M27漏极流入电阻R7的电流与补偿电流I2相等，以加倍一阶补偿电流I2的效果。

基准电压产生电路中，MOS管M14的源极连接电源VDD，MOS管M14的栅极连接MOS管M15的栅极，MOS管M14的漏极连接MOS管M18的漏极。MOS管M15的源极连接电源VDD，MOS管M15的栅极连接MOS管M16的栅极，MOS管M15的漏极连接MOS管M16的源极。MOS管M16的源极连接MOS管M16的栅极，MOS管M16的栅极连接MOS管M14 的栅极，MOS管M16的漏极连接MOS管M17的源极。MOS管M17的源极连接MOS管M16的漏极，MOS管M17的栅极连接电阻R4的下端，MOS管M17的漏极连接MOS管M23的漏极。MOS管M18的漏极连接MOS管M18的栅极，MOS管M18的栅极连接MOS管M24的栅极，MOS管M18的源极接地。MOS管M19的源极连接电源VDD，MOS管M19的栅极连接MOS管M20的栅极，MOS管M19的漏极连接MOS管M21的源极。MOS管M20的源极连接电源VDD，MOS管M20的栅极连接MOS管M19的漏极，MOS管M20的漏极连接MOS管M24的漏极。MOS管M21的源极连接MOS管M19的栅极，MOS管M21的栅极连接MOS管M20的栅极，MOS管M21的漏极连接MOS管M22的源极。MOS管M22的源极连接MOS管M21的漏极，MOS管M22的栅极连接电阻R5的下端，MOS管M22的漏极连接MOS管M17的漏极。MOS管M23的漏极连接MOS管M22的漏极，MOS管M23的栅极连接MOS管M22的栅极，MOS管M23的源极连接电阻R3的上端，电阻R3的下端接地。MOS管M24的漏极连接MOS管M27的栅极，MOS管M24的栅极连接MOS管M18的漏极，MOS管M24的源极接地。电阻R4的上端连接电源VDD，电阻R4的下端连接MOS管M25的漏极。电阻R5的上端连接电源VDD，电阻R5的下端连接MOS管M26的漏极。MOS管M25的漏极连接MOS管M17的栅极，MOS管M25的栅极连接MOS管M26的栅极，MOS管M25的源极连接MOS管M27的漏极。MOS管M26的漏极连接MOS管M22的栅极，MOS管M26的栅极连接MOS管M25的漏极，MOS管M26的源极连接MOS管M28的漏极。MOS管M27的漏极连接MOS管M25的源极，MOS管M27的栅极连接MOS管M28的栅极，MOS管M27的源极连接电阻R7的上端。MOS管M28的漏极连接MOS管M26的源极，MOS管M28的栅极连接基准电压输出端口Vref，MOS管M28的源极连接电阻R6的上端。MOS管M29的漏极连接MOS管M24的漏极，MOS管M29的栅极连接电阻R6的下端，MOS管M29的源极接地。电阻R7的上端连接电阻R6的下端，电阻R7的下端接地。

本发明提供了一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源。通过电路结构设置，电路中的MOS管均工作于弱反型区，降低了电路对工作电压的需求，实现了电路工作的低功耗。本发明通过一阶电流及二阶电流补偿技术，使电路中工作于弱反型区的MOS管的栅源极电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，并将其作为基准电压输出，有效减低了电路输出基准电压的温度系数。

附图说明

图1为本发明的电路结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件连接到该另一个元件。

如图1所示，本发明包括补偿电流产生电路和基准电压产生电路。其中，补偿电流产生电路包括MOS管M1至M13，电阻R1，电阻R2，电容C1，电容C2。基准电压产生电路包括MOS管M14至M29，电阻R3至R7，基准电压输出端口Vref。补偿电流产生电路主要用于产生二阶补偿电流并输出到基准电压产生电路中。基准电压产生电路在一阶补偿电流及二阶补偿电流的作用下，使工作于弱反型区的MOS管的栅源极电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，并将此电压作为基准电压输出。补偿电流产生电路与基准电压产生电路中的MOS管均工作于弱反型区，可在低工作电压下正常运行，从而降低了基准电压源电路的功耗。基准电压产生电路通过一阶及二阶电流补偿技术，使输出的基准电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，进而使基准电压源电路具有较低的温度系数。

如图1所示，补偿电流产生电路包括MOS管M1至M13，电阻R1，电阻R2，电容C1，电容C2。其中MOS管M1至M7、电阻R1、电阻R2连接构成的电路用于产生二阶补偿电流。其电路连接结构使MOS管M1至M7均被偏置工作于弱反型区，且MOS管M6的栅源极电压与M7的栅源极电压的差值作用于电阻R2，以产生补偿电流I1。MOS管M8至M13、电容C1、电容C2连接构成的电路主要用于提供反馈环路，提高电流I1的电源抑制比，并将电流I1按MOS管M2与M10的比例关系输入到基准电压产生电路中。

如图1所示，MOS管M1的源极连接电源VDD，MOS管M1的栅极连接MOS管M2的栅极，MOS管M1的漏极连接MOS管M3的漏极。MOS管M2的源极连接电源VDD，MOS管M2的栅极连接MOS管M10的栅极，MOS管M2的漏极连接电阻R1的上端。MOS管M3的漏极连接MOS管M3的栅极，MOS管M3的栅极连接MOS管M4的栅极，MOS管M3的源极连接MOS管M5的漏极。MOS管M4的漏极连接电阻R1的下端，MOS管M4的栅极连接MOS管M3的漏极，MOS管M4的源极连接MOS管M7的漏极。MOS管M5的漏极连接MOS管M5的栅极，MOS管M5的栅极连接MOS管M3的源极，MOS管M5的源极连接MOS管M6的漏极。MOS管M6的漏极连接MOS管M6的栅极，MOS管M6的栅极连接MOS管M7的栅极，MOS管M6源极接地。MOS管M7的漏极连接MOS管M9的栅极，MOS管M7的栅极连接MOS管M5的源极，MOS管M7的源极连接电阻R2的上端，电阻R2的下端接地。MOS管M8的漏极连接电源VDD，MOS管M8的栅极连接MOS管M8的的漏极，MOS管M8的源极连接电容C1的上端。MOS管M9的漏极连接电容C1的下端，MOS管M9的栅极连接MOS管M12的源极，MOS管M9的源极接地。MOS管M10的源极连接电源VDD，MOS管M10的栅极连接MOS管M2的栅极，MOS管M10的漏极连接MOS管M11的源极。MOS管M11的源极连接MOS管M10的漏极，MOS管M11的栅极连接电阻R1的下端，MOS管M11的漏极连接MOS管M13的源极。MOS管M12的漏极连接MOS管M10的栅极，MOS管M12的栅极连接MOS管M9的漏极，MOS管M12的源极接地。电容C2的上端连接MOS管M9的栅极，电容C2的下端接地。MOS管M13的源极连接MOS管M13的栅极，MOS管M13的栅极连接MOS管M11的漏极，MOS管M13的漏极连接MOS管M27的源极。

如图1所示，基准电压产生电路包括MOS管M14至M29，电阻R3至R7，基准电压输出端口Vref。MOS管M25至M29、电阻R4至R7连接构成的电路结构使MOS管M25至M29被偏置工作于弱反型区，并在补偿电流的作用下产生基准电压。R6、R7均为高阻多晶硅电阻，MOS管M27的栅源极电压与MOS管M28的栅源极电压的差值作用于R6，产生补偿电流I2。I2流过电阻R7，在电阻R6与电阻R7的连接点处产生一阶补偿电压Vs1。电阻R2为P型扩散电阻。由于电阻R2与电阻R7为具有不同温度特性的不同类型的电阻，由R2产生的补偿电流I1作用于R7时，将在电阻R6与电阻R7的连接点处产生一阶补偿电压Vs2及二阶补偿电压Ve1。通过电路结构设置，补偿电压Vs1、Vs2及Ve1共同作用于MOS管M27的栅源极电压。通过调节电阻R2、R6及R7的阻值，可使MOS管M27栅极与MOS管M28栅极连接点处电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，并将此处电压作为基准电压通过端口Vref输出。MOS管M14至M24、电阻R3连接构成的电路结构使MOS管M14至M24被偏置工作于弱反型区，并使MOS管M25的漏极电流与MOS管M26的漏极电流时刻保持相等，从而使MOS管M27漏极流入电阻R7的电流与补偿电流I2相等，以加倍一阶补偿电流I2的效果。

如图1所示，MOS管M14的源极连接电源VDD，MOS管M14的栅极连接MOS管M15的栅极，MOS管M14的漏极连接MOS管M18的漏极。MOS管M15的源极连接电源VDD，MOS管M15的栅极连接MOS管M16的栅极，MOS管M15的漏极连接MOS管M16的源极。MOS管M16的源极连接MOS管M16的栅极，MOS管M16的栅极连接MOS管M14 的栅极，MOS管M16的漏极连接MOS管M17的源极。MOS管M17的源极连接MOS管M16的漏极，MOS管M17的栅极连接电阻R4的下端，MOS管M17的漏极连接MOS管M23的漏极。MOS管M18的漏极连接MOS管M18的栅极，MOS管M18的栅极连接MOS管M24的栅极，MOS管M18的源极接地。MOS管M19的源极连接电源VDD，MOS管M19的栅极连接MOS管M20的栅极，MOS管M19的漏极连接MOS管M21的源极。MOS管M20的源极连接电源VDD，MOS管M20的栅极连接MOS管M19的漏极，MOS管M20的漏极连接MOS管M24的漏极。MOS管M21的源极连接MOS管M19的栅极，MOS管M21的栅极连接MOS管M20的栅极，MOS管M21的漏极连接MOS管M22的源极。MOS管M22的源极连接MOS管M21的漏极，MOS管M22的栅极连接电阻R5的下端，MOS管M22的漏极连接MOS管M17的漏极。MOS管M23的漏极连接MOS管M22的漏极，MOS管M23的栅极连接MOS管M22的栅极，MOS管M23的源极连接电阻R3的上端，电阻R3的下端接地。MOS管M24的漏极连接MOS管M27的栅极，MOS管M24的栅极连接MOS管M18的漏极，MOS管M24的源极接地。电阻R4的上端连接电源VDD，电阻R4的下端连接MOS管M25的漏极。电阻R5的上端连接电源VDD，电阻R5的下端连接MOS管M26的漏极。MOS管M25的漏极连接MOS管M17的栅极，MOS管M25的栅极连接MOS管M26的栅极，MOS管M25的源极连接MOS管M27的漏极。MOS管M26的漏极连接MOS管M22的栅极，MOS管M26的栅极连接MOS管M25的漏极，MOS管M26的源极连接MOS管M28的漏极。MOS管M27的漏极连接MOS管M25的源极，MOS管M27的栅极连接MOS管M28的栅极，MOS管M27的源极连接电阻R7的上端。MOS管M28的漏极连接MOS管M26的源极，MOS管M28的栅极连接基准电压输出端口Vref，MOS管M28的源极连接电阻R6的上端。MOS管M29的漏极连接MOS管M24的漏极，MOS管M29的栅极连接电阻R6的下端，MOS管M29的源极接地。电阻R7的上端连接电阻R6的下端，电阻R7的下端接地。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明其所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种适用于纳米级CMOS工艺的低功耗基准电压源，其特征在于，其包括补偿电流产生电路和基准电压产生电路；

补偿电流产生电路包括MOS管M1至M13，电阻R1，电阻R2，电容C1，电容C2；

基准电压产生电路包括MOS管M14至M29，电阻R3至R7，基准电压输出端口Vref；

MOS管M1的源极连接电源VDD，MOS管M1的栅极连接MOS管M2的栅极，MOS管M1的漏极连接MOS管M3的漏极；MOS管M2的源极连接电源VDD，MOS管M2的栅极连接MOS管M10的栅极，MOS管M2的漏极连接电阻R1的上端；MOS管M3的漏极连接MOS管M3的栅极，MOS管M3的栅极连接MOS管M4的栅极，MOS管M3的源极连接MOS管M5的漏极；MOS管M4的漏极连接电阻R1的下端，MOS管M4的栅极连接MOS管M3的漏极，MOS管M4的源极连接MOS管M7的漏极；MOS管M5的漏极连接MOS管M5的栅极，MOS管M5的栅极连接MOS管M3的源极，MOS管M5的源极连接MOS管M6的漏极；MOS管M6的漏极连接MOS管M6的栅极，MOS管M6的栅极连接MOS管M7的栅极，MOS管M6源极接地；MOS管M7的漏极连接MOS管M9的栅极，MOS管M7的栅极连接MOS管M5的源极，MOS管M7的源极连接电阻R2的上端，电阻R2的下端接地；MOS管M8的漏极连接电源VDD，MOS管M8的栅极连接MOS管M8的的漏极，MOS管M8的源极连接电容C1的上端；MOS管M9的漏极连接电容C1的下端，MOS管M9的栅极连接MOS管M12的源极，MOS管M9的源极接地；MOS管M10的源极连接电源VDD，MOS管M10的栅极连接MOS管M2的栅极，MOS管M10的漏极连接MOS管M11的源极；MOS管M11的源极连接MOS管M10的漏极，MOS管M11的栅极连接电阻R1的下端，MOS管M11的漏极连接MOS管M13的源极；MOS管M12的漏极连接MOS管M10的栅极，MOS管M12的栅极连接MOS管M9的漏极，MOS管M12的源极接地；电容C2的上端连接MOS管M9的栅极，电容C2的下端接地；MOS管M13的源极连接MOS管M13的栅极，MOS管M13的栅极连接MOS管M11的漏极，MOS管M13的漏极连接MOS管M27的源极；

MOS管M14的源极连接电源VDD，MOS管M14的栅极连接MOS管M15的栅极，MOS管M14的漏极连接MOS管M18的漏极；MOS管M15的源极连接电源VDD，MOS管M15的栅极连接MOS管M16的栅极，MOS管M15的漏极连接MOS管M16的源极；MOS管M16的源极连接MOS管M16的栅极，MOS管M16的栅极连接MOS管M14 的栅极，MOS管M16的漏极连接MOS管M17的源极；MOS管M17的源极连接MOS管M16的漏极，MOS管M17的栅极连接电阻R4的下端，MOS管M17的漏极连接MOS管M23的漏极；MOS管M18的漏极连接MOS管M18的栅极，MOS管M18的栅极连接MOS管M24的栅极，MOS管M18的源极接地；MOS管M19的源极连接电源VDD，MOS管M19的栅极连接MOS管M20的栅极，MOS管M19的漏极连接MOS管M21的源极；MOS管M20的源极连接电源VDD，MOS管M20的栅极连接MOS管M19的漏极，MOS管M20的漏极连接MOS管M24的漏极；MOS管M21的源极连接MOS管M19的栅极，MOS管M21的栅极连接MOS管M20的栅极，MOS管M21的漏极连接MOS管M22的源极；MOS管M22的源极连接MOS管M21的漏极，MOS管M22的栅极连接电阻R5的下端，MOS管M22的漏极连接MOS管M17的漏极；MOS管M23的漏极连接MOS管M22的漏极，MOS管M23的栅极连接MOS管M22的栅极，MOS管M23的源极连接电阻R3的上端，电阻R3的下端接地；MOS管M24的漏极连接MOS管M27的栅极，MOS管M24的栅极连接MOS管M18的漏极，MOS管M24的源极接地；电阻R4的上端连接电源VDD，电阻R4的下端连接MOS管M25的漏极；电阻R5的上端连接电源VDD，电阻R5的下端连接MOS管M26的漏极；MOS管M25的漏极连接MOS管M17的栅极，MOS管M25的栅极连接MOS管M26的栅极，MOS管M25的源极连接MOS管M27的漏极；MOS管M26的漏极连接MOS管M22的栅极，MOS管M26的栅极连接MOS管M25的漏极，MOS管M26的源极连接MOS管M28的漏极；MOS管M27的漏极连接MOS管M25的源极，MOS管M27的栅极连接MOS管M28的栅极，MOS管M27的源极连接电阻R7的上端；MOS管M28的漏极连接MOS管M26的源极，MOS管M28的栅极连接基准电压输出端口Vref，MOS管M28的源极连接电阻R6的上端；MOS管M29的漏极连接MOS管M24的漏极，MOS管M29的栅极连接电阻R6的下端，MOS管M29的源极接地；电阻R7的上端连接电阻R6的下端，电阻R7的下端接地；

补偿电流产生电路主要用于产生二阶补偿电流并输出到基准电压产生电路中；

基准电压产生电路在一阶补偿电流及二阶补偿电流的作用下，使工作于弱反型区的MOS管的栅源极电压基本不受温度变化及工艺偏差的影响，并将此电压作为基准电压输出。