CN113625819A - 一种低温漂系数的高性能基准电压源 - Google Patents

一种低温漂系数的高性能基准电压源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低温漂系数的高性能基准电压源，由启动电路、偏置电流源产生电路、偏置电压产生电路和基准电压补偿电路组成；启动电路先工作，以保证偏置电流源产生电路、偏置电压产生电路和基准电压补偿电路能够正常工作，偏置电流源产生电路为偏置电压产生电路提供稳定的偏置电流，偏置电压产生电路产生偏置电压，该偏置电压经基准电压补偿电路的温度补偿作用，产生一个低温漂系数的基准电压。本发明降低了电路的温漂系数，具有较宽的温度范围、较低的功耗。

Description

一种低温漂系数的高性能基准电压源
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种低温漂系数的高性能基准电压源。
背景技术
随着电子产品的不断升级换代，对芯片的性能要求也在不断地提高。带隙基准电压源是模拟芯片和数模混合芯片中至关重要的单元，为芯片的其他电路提供精准稳定的基准电压，其性能会直接影响到整个系统的性能。高性能的带隙基准电压源主要体现在低温度系数、高电源抑制比、低功耗这三个方面，与外部电源相比，带隙基准电压源的输出参考电压要求在一定的温度范围内随温度的变化更小，并且带隙基准电压源必须对电源电压的噪声有较强的抗干扰能力，同时为了延长设备的使用寿命，低功耗对于电路来说也至关重要。然而，传统的带隙基准电压源电路结构都包含了电阻元件，而在低压低功耗应用中要实现静态电流则需要使用大阻值的电阻，这会引起芯片面积的增加。
发明内容
本发明所要解决的是包含电阻元件的带隙基准电压源在实现低功耗时存在芯片面积过大的问题，提供一种低温漂系数的高性能基准电压源。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低温漂系数的高性能基准电压源，由启动电路、偏置电流源产生电路、偏置电压产生电路和基准电压补偿电路组成；启动电路的输出端与偏置电流源产生电路的输入端相连，偏置电流源产生电路的输出端与偏置电压产生电路的输入端相连，偏置电压产生电路的输出端与基准电压补偿电路的输入端相连；偏置电流源产生电路的导通控制端连接偏置电压产生电路和基准电压补偿电路的导通控制端；基准电压补偿电路的输出端形成该低温漂系数的高性能基准电压源的输出端；启动电路先工作，以保证偏置电流源产生电路、偏置电压产生电路和基准电压补偿电路能够正常工作，偏置电流源产生电路为偏置电压产生电路提供稳定的偏置电流，偏置电压产生电路产生偏置电压，该偏置电压经基准电压补偿电路的温度补偿作用，产生一个低温漂系数的基准电压。
上述方案中，启动电路包括P型的MOS管PM1-PM3、N型的MOS管NM1和充电电容C1；MOS管PM1的源极和MOS管PM2的源极接电源VDD；MOS管PM1的漏极、MOS管PM2的栅极、MOS管NM1的栅极、MOS管PM3的栅极和充电电容C1的一端连接；MOS管PM2的漏极、MOS管NM1的漏极和MOS管PM3的源极连接；MOS管PM1的栅极、充电电容C1的另一端和MOS管NM1的源极接地；MOS管PM3的漏极形成启动电路的输出端。
上述方案中，偏置电流源产生电路包括P型的MOS管PM4-PM 7和N型的MOS管NM2-NM7；MOS管PM4的源极和MOS管PM4的源极接电源VDD；MOS管PM4的栅极、MOS管PM5的栅极及漏极和MOS管PM7的源极连接，并形成偏置电流源产生电路的一路输出端；MOS管PM4的漏极接MOS管PM6的源极；MOS管PM6的栅极、MOS管PM7的栅极及漏极和MOS管NM3的漏极连接，并形成偏置电流源产生电路的另一路输出端；
MOS管PM6的漏极、MOS管NM2的漏极与栅极和MOS管NM3的栅极连接，并形成偏置电流源产生电路的输入端；MOS管NM2的漏极、MOS管NM4的漏极及栅极和MOS管NM5的栅极连接；MOS管NM3的源极接MOS管NM7的漏极；MOS管NM4的源极、MOS管NM5的漏极和MOS管NM6的栅极连接；MOS管NM5的源极、MOS管NM6的漏极和MOS管NM7的栅极连接，并形成偏置电流源产生电路的导通控制端；MOS管NM6的源极和MOS管NM7的源极接地。
上述方案中，偏置电压产生电路包括P型的MOS管PM8-PM 9和N型的MOS管NM8-NM10；MOS管PM8的源极接电源VDD；MOS管PM8的栅极形成偏置电压产生电路的一路输入端；MOS管PM8接MOS管PM9的源极；MOS管PM9的栅极形成偏置电压产生电路的另一路输入端；MOS管PM9的漏极、MOS管NM8的漏极及栅极和MOS管NM9的漏极及栅极连接；MOS管NM9的源极接MOS管NM10的漏极，并形成偏置电压产生电路的输出端；MOS管NM10的栅极形成偏置电压产生电路的导通控制端；MOS管NM8的源极和MOS管NM10的源极接地。
上述方案中，基准电压补偿电路包括P型的MOS管PM10-PM 17和N型的MOS管NM11-NM16；MOS管PM10的源极、MOS管PM11的源极、MOS管PM14的源极和MOS管PM15的源极接电源VDD；MOS管PM10的栅极及漏极，MOS管PM11的栅极和MOS管PM12的源极连接；MOS管PM11的漏极接MOS管PM13的源极；MOS管PM12的栅极及漏极、MOS管PM13的栅极和MOS管NM11的漏极连接；MOS管PM13的漏极、MOS管NM12的漏极和MOS管NM14的栅极连接；MOS管NM11的栅极形成基准电压补偿电路的输入端；MOS管NM11的源极、MOS管NM12的源极和MOS管NM13的漏极连接；MOS管PM14的栅极及漏极、MOS管PM15的栅极和MOS管NM16的源极连接；MOS管PM15的漏极接MOS管PM17的源极；MOS管PM16的栅极及漏极、MOS管PM17的栅极和MOS管NM14的漏极连接；MOS管PM17的漏极接MOS管NM15的漏极及栅极，并形成基准电压补偿电路的输出端；MOS管NM14的源极、MOS管NM15的源极和MOS管NM16的漏极连接；MOS管NM13的栅极接MOS管NM16的栅极，并形成基准电压补偿电路的导通控制端；MOS管NM13的源极和MOS管NM16的源极接地。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、采用自偏置的Oguey电流源作为带隙基准源的内部电流源，利用工作在线性区的NMOS管代替传统的无源电阻，为带隙基准电压源提供一个稳定的偏置电流，降低了电路的功耗；
2、基准电压产生电路通过两个阈值电压不同的MOS管的栅源电压差，相对于其他电路，降低了电路的温漂系数；
3、基准电压补偿单元中采用了cascode结构，通过该结构的二级补偿作用，有效改善了电路的电源抑制比，降低了温漂系数。
附图说明
图1为一种低温漂系数的高性能基准电压源的原理图。
图2为一种低温漂系数的高性能基准电压源的基准电压温度曲线。
图3为一种低温漂系数的高性能基准电压源的电源抑制比仿真曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
参见图1，一种低温漂系数的高性能基准电压源，由启动电路、偏置电流源产生电路、偏置电压产生电路和基准电压补偿电路组成。启动电路的输出端与偏置电流源产生电路的输入端相连，偏置电流源产生电路的输出端与基准电压产生电路的输入端相连，基准电压产生电路的输出端与基准电压补偿电路的输入端相连，偏置电流源产生电路的导通控制端连接偏置电压产生电路和基准电压补偿电路的导通控制端。启动电路先工作，以保证偏置电流源产生电路、偏置电压产生电路和基准电压补偿电路能够正常工作，偏置电流源产生电路为偏置电压产生电路提供稳定的偏置电流，偏置电压产生电路产生偏置电压，该偏置电压经基准电压补偿电路的温度补偿作用，产生一个低温漂系数的基准电压VREF。
启动电路包括PMOS晶体管PM1-PM3，NMOS管NM1和充电电容C1。MOS管PM1的源极接电源VDD，MOS管PM1的栅极接地，MOS管PM1的漏极、MOS管PM2的栅极、MOS管NM1的栅极、MOS管PM3的栅极和充电电容C1的一端连接在一起，充电电容C1的另一端接地；MOS管PM2的源极接电源VDD，MOS管PM2的漏极、MOS管NM1的漏极和MOS管PM3的源极连接，MOS管NM1的源极接地，MOS管PM3的漏极接偏置电流源产生电路中MOS管PM6的漏极。启动电路通过对C1的充电，进而控制PM3的开关，最终使电路启动。
偏置电流源产生电路包括PMOS晶体管PM4-PM7，NMOS晶体管NM2-NM7。MOS管PM4的源极和MOS管PM4的源极接电源VDD，MOS管PM4的栅极、MOS管PM5的栅极及漏极和MOS管PM7的源极连接，MOS管PM4的漏极接MOS管PM6的源极；MOS管PM6的栅极、MOS管PM7的栅极及漏极和MOS管NM3的漏极连接，MOS管PM6的漏极、MOS管NM2的漏极与栅极和MOS管NM3的栅极连接；MOS管NM2的漏极、MOS管NM4的漏极及栅极和MOS管NM5的栅极连接，MOS管NM3的源极接MOS管NM7的漏极；MOS管NM4的源极、MOS管NM5的漏极和MOS管NM6的栅极连接，MOS管NM5的源极、MOS管NM6的漏极和MOS管NM7的栅极连接，MOS管NM6的源极和MOS管NM7的源极接地。偏置电流源产生电路采用了Oguey的电流镜结构，且MOS管的线性区电阻受工作在亚阈值去的NM6、NM7两个MOS管栅源电压差的控制，从而产生一稳定的偏置电流。
偏置电压产生电路包括PMOS管PM8-PM9，NMOS管NM8-NM10。MOS管PM8的源极接电源VDD，MOS管PM8的栅极接偏置电流源产生电路中MOS管PM5的漏极，MOS管PM8接MOS管PM9的源极；MOS管PM9的栅极接偏置电流源产生电路中MOS管PM7的漏极，MOS管PM9的漏极、MOS管NM8的漏极及栅极和MOS管NM9的漏极及栅极连接；MOS管NM9的源极接MOS管NM10的漏极，MOS管NM10的栅极接偏置电流源产生电路中MOS管NM7的栅极，MOS管NM8的源极和MOS管NM10的源极接地。偏置电压源产生电路中的NM8、NM9通过偏置电流源产生的电流进行控制，降低了输出基准电压VREF0对温度的敏感,，且VREF0由NM8、NM9这两个阈值电压不同的MOS管的栅源电压差产生。
基准电压补偿电路由两个相同的基准电压补偿单元级联组成，第一级基准电压补偿单元由PMOS晶体管PM10-13和NMOS晶体管NM11-13组成。第二基准电压补偿单元由PMOS晶体管PM14-17和NMOS晶体管NM14-16组成。MOS管PM10的源极和MOS管PM11的源极接电源VDD，MOS管PM10的栅极及漏极，MOS管PM11的栅极和MOS管PM12的源极连接，MOS管PM11的漏极接MOS管PM13的源极，MOS管PM12的栅极及漏极、MOS管PM13的栅极和MOS管NM11的漏极连接，MOS管PM13的漏极、MOS管NM12的漏极和第二级补偿电路中MOS管NM14的栅极连接，MOS管NM11的栅极接偏置电压产生电路中MOS管NM9的源极，MOS管NM11的源极、MOS管NM12的源极和MOS管NM13的漏极连接，MOS管NM13的栅极接偏置电流源产生电路中MOS管NM7的栅极，MOS管NM13的源极接地；MOS管PM14的源极和MOS管PM15的源极接电源VDD，MOS管PM14的栅极及漏极、MOS管PM15的栅极和MOS管NM16的源极连接，MOS管PM15的漏极接MOS管PM17的源极，MOS管PM16的栅极及漏极、MOS管PM17的栅极和MOS管NM14的漏极连接，MOS管PM17的漏极接MOS管NM15的漏极及栅极，输出VREF，MOS管NM14的栅极接第一级补偿电路中MOS管NM12的栅极，MOS管NM14的源极、MOS管NM15的源极和MOS管NM16的漏极连接，MOS管NM16的栅极接偏置电流源产生电路中MOS管NM7的栅极，MOS管NM16的源极接地。基准电压补偿电路是由电流镜偏置的差分对组成，通过输入对管NM11和NM12，NM14和NM15的栅源电压差的二级补偿作用，完成了对VREF0的进一步温度补偿，最终输出的基准电压为VREF。
本发明的工作过程如下：
1)电源开启，MOS管PM1导通，同时给C1充电，此时PM1的漏极电压输出为高电平，经过PM2和NM1组成的非门，PM2的漏极与NM1的漏极连接处输出低电平，使得PM3导通，使得偏置电流源产生电路开始正常工作，当C1充满电后，PM1的栅漏电压被下拉到地，启动电路停止工作；
2)PM4和PM5、PM6和PM7、NM2和NM3组成Oguey结构的电流镜，其中PM4和PM5、PM6和PM7组成的电流镜分别为PM8和PM9提供电流，使PM8和PM9导通，且NM2和NM3组成的电流镜也导通，此时NM4工作在饱和区，采用MN4和MN5栅极相连到NM4漏极的方式导通，使其作为恒定电阻，此时NM4和NM5漏极相连到NM6栅极使NM6导通，同时NM5的源极连接到NM7的栅极使得NM7导通；
3)电流源产生电路产生的电流使得PM8、PM9导通，NM8和NM9的栅漏极通过与PM9的漏极相连导通，两个阈值电压不同的MOS管NM8和NM9的栅漏电压差产生一基准电压，NM10连接NM7的栅极，使得NM10导通；
4)NM9输出的基准电压VREF0需要进一步进行温度补偿，输出到NM11的漏极，PM10和PM11、PM12和PM13、NM11及NM12组成电流镜偏置的cascode差分放大电路，NM13栅极通过与NM7的栅极相连导通，对VREF0进行了一次温度补偿；PM13和NM12的漏极输出到NM14的栅极，驱动由PM14和PM15、PM16和PM17、NM14及NM15组成的电流镜偏置的cascode差分放大电路，同时NM16栅极与NM12和NM13的漏极连接后导通，最终NM15输出低温漂系数的VREF。
图2为本发明实施低温漂系数的高性能基准电压源的温度曲线，从图中可以看出在-25℃—155℃的温度范围，基准电压的平均值为283.4mV，温漂系数为6.9ppm/℃。图3为本发明实施低温漂系数的高性能基准电压源的电压抑制比仿真曲线，从图中可以看出在100Hz时，电路的电源抑制比(PSRR)为-47.3dB。本发明降低了电路的温漂系数，具有较宽的温度范围、较低的功耗。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种低温漂系数的高性能基准电压源，其特征是，由启动电路、偏置电流源产生电路、偏置电压产生电路和基准电压补偿电路组成；
启动电路的输出端与偏置电流源产生电路的输入端相连，偏置电流源产生电路的输出端与偏置电压产生电路的输入端相连，偏置电压产生电路的输出端与基准电压补偿电路的输入端相连；偏置电流源产生电路的导通控制端连接偏置电压产生电路和基准电压补偿电路的导通控制端；基准电压补偿电路的输出端形成该低温漂系数的高性能基准电压源的输出端；
启动电路先工作，以保证偏置电流源产生电路、偏置电压产生电路和基准电压补偿电路能够正常工作，偏置电流源产生电路为偏置电压产生电路提供稳定的偏置电流，偏置电压产生电路产生偏置电压，该偏置电压经基准电压补偿电路的温度补偿作用，产生一个低温漂系数的基准电压。
2.根据权利要求1所述的一种低温漂系数的高性能基准电压源，其特征是，启动电路包括P型的MOS管PM1-PM3、N型的MOS管NM1和充电电容C1；
MOS管PM1的源极和MOS管PM2的源极接电源VDD；MOS管PM1的漏极、MOS管PM2的栅极、MOS管NM1的栅极、MOS管PM3的栅极和充电电容C1的一端连接；MOS管PM2的漏极、MOS管NM1的漏极和MOS管PM3的源极连接；MOS管PM1的栅极、充电电容C1的另一端和MOS管NM1的源极接地；MOS管PM3的漏极形成启动电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种低温漂系数的高性能基准电压源，其特征是，偏置电流源产生电路包括P型的MOS管PM4-PM 7和N型的MOS管NM2-NM7；
MOS管PM4的源极和MOS管PM4的源极接电源VDD；MOS管PM4的栅极、MOS管PM5的栅极及漏极和MOS管PM7的源极连接，并形成偏置电流源产生电路的一路输出端；MOS管PM4的漏极接MOS管PM6的源极；MOS管PM6的栅极、MOS管PM7的栅极及漏极和MOS管NM3的漏极连接，并形成偏置电流源产生电路的另一路输出端；
MOS管PM6的漏极、MOS管NM2的漏极与栅极和MOS管NM3的栅极连接，并形成偏置电流源产生电路的输入端；MOS管NM2的漏极、MOS管NM4的漏极及栅极和MOS管NM5的栅极连接；MOS管NM3的源极接MOS管NM7的漏极；MOS管NM4的源极、MOS管NM5的漏极和MOS管NM6的栅极连接；MOS管NM5的源极、MOS管NM6的漏极和MOS管NM7的栅极连接，并形成偏置电流源产生电路的导通控制端；MOS管NM6的源极和MOS管NM7的源极接地。
4.根据权利要求1所述的一种低温漂系数的高性能基准电压源，其特征是，偏置电压产生电路包括P型的MOS管PM8-PM 9和N型的MOS管NM8-NM10；
MOS管PM8的源极接电源VDD；MOS管PM8的栅极形成偏置电压产生电路的一路输入端；MOS管PM8接MOS管PM9的源极；MOS管PM9的栅极形成偏置电压产生电路的另一路输入端；MOS管PM9的漏极、MOS管NM8的漏极及栅极和MOS管NM9的漏极及栅极连接；MOS管NM9的源极接MOS管NM10的漏极，并形成偏置电压产生电路的输出端；MOS管NM10的栅极形成偏置电压产生电路的导通控制端；MOS管NM8的源极和MOS管NM10的源极接地。
5.根据权利要求1所述的一种低温漂系数的高性能基准电压源，其特征是，基准电压补偿电路包括P型的MOS管PM10-PM 17和N型的MOS管NM11-NM16；
MOS管PM10的源极、MOS管PM11的源极、MOS管PM14的源极和MOS管PM15的源极接电源VDD；MOS管PM10的栅极及漏极，MOS管PM11的栅极和MOS管PM12的源极连接；MOS管PM11的漏极接MOS管PM13的源极；MOS管PM12的栅极及漏极、MOS管PM13的栅极和MOS管NM11的漏极连接；MOS管PM13的漏极、MOS管NM12的漏极和MOS管NM14的栅极连接；MOS管NM11的栅极形成基准电压补偿电路的输入端；MOS管NM11的源极、MOS管NM12的源极和MOS管NM13的漏极连接；MOS管PM14的栅极及漏极、MOS管PM15的栅极和MOS管NM16的源极连接；MOS管PM15的漏极接MOS管PM17的源极；MOS管PM16的栅极及漏极、MOS管PM17的栅极和MOS管NM14的漏极连接；MOS管PM17的漏极接MOS管NM15的漏极及栅极，并形成基准电压补偿电路的输出端；MOS管NM14的源极、MOS管NM15的源极和MOS管NM16的漏极连接；MOS管NM13的栅极接MOS管NM16的栅极，并形成基准电压补偿电路的导通控制端；MOS管NM13的源极和MOS管NM16的源极接地。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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