CN115112941B - 一种电压检测电路 - Google Patents

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CN115112941B CN202211017811.3A CN202211017811A CN115112941B CN 115112941 B CN115112941 B CN 115112941B CN 202211017811 A CN202211017811 A CN 202211017811A CN 115112941 B CN115112941 B CN 115112941B
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Abstract

本发明提供一种电压检测电路，涉及模拟集成电路技术领域，该电路包括：第一电压参考电路单元和电压检测电路单元；电压检测电路单元，包括：第一场效应管和第二场效应管；第一场效应管的源极、栅极和衬底与总输出信号端相连，漏极接地；第二场效应管的源极和衬底与总输入信号端相连，漏极与总输出信号端相连，栅极与第一电压参考电路单元相连；第一电压参考电路单元，包括多个相连的场效应管，第一电压参考电路单元的输入端与总输入信号端相连；第一电压参考电路单元的输出端与第二场效应管的栅极相连。本发明中，通过加入一条具有温度系数的低功耗电压参考电路，抵消电压检测电路的内核温度系数，实现低温度系数的电压检测电路。

Description

一种电压检测电路
技术领域
本发明实施例涉及模拟集成电路技术领域，尤其涉及一种电压检测电路。
背景技术
由于能量收集系统面临的外界环境和负载情况是复杂并且多变，从而需要对能量收集系统的输入输出以及内部节点的电压进行监测，电压检测电路往往属于常开模块，需要一直处于工作状态下，所以对电压检测电路的功耗要求极为严格。
现有技术中的电压检测电路，一种是基于CMOS （Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）的无参考电压检测电路，电压检测电路的输入和电源均为待检测信号，输出翻转阈值是由内部电路结构和参数决定，但是当需要检测的电压较大时，输出的两个场效应管的宽长比将达到一个不太实际的比值，此外输出翻转阈值直接与温度线性强相关，且检测的电压越大，电压检测单元的温度系数很大；另一种基于不同类型场效应管的电压检测电路，利用两种场效应管阈值电压差的温度系数来抵消之前电压检测电路的温度系数，但是在不同工艺角下，阈值电压之差的温度系数存在一定的变化，从而导致电压检测电路的温度系数恶化，使得整个校准过程变得更加复杂。
发明内容
本发明实施例提供一种电压检测电路，以解决现有的无法低功耗低温度系数进行能量收集系统的输入输出以及内部节点的电压监测的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种电压检测电路，包括：
第一电压参考电路单元和电压检测电路单元；
所述电压检测电路单元，包括：第一场效应管MP1和第二场效应管MP2；用于对输入信号进行电压检测；
所述第一场效应管MP1的源极、栅极和衬底与总输出信号端相连，漏极接地；
所述第二场效应管MP2的源极和衬底与总输入信号端相连，漏极与总输出信号端相连，栅极与所述第一电压参考电路单元相连；
所述第一电压参考电路单元，包括多个相连的场效应管，所述第一电压参考电路单元的输入端与总输入信号端相连；所述第一电压参考电路单元的输出端与所述第二场效应管MP2的栅极相连；所述第一电压参考电路单元用于向所述第二场效应管MP2的栅极提供稳定电压，并平衡所述电压检测电路单元的温度系数。
可选的，所述第一电压参考电路单元，包括：第三场效应管MN1、第四场效应管MN2和第五场效应管MN3；
所述第三场效应管MN1的源极和衬底接地，漏极与所述第四场效应管MN2的源极和所述第五场效应管MN3的栅极相连，栅极与所述第五场效应管MN3的栅极相连；
所述第四场效应管MN2的源极与所述第三场效应管MN1的漏极相连，漏极与所述第五场效应管MN3的源极相连，栅极和衬底接地；
所述第五场效应管MN3的源极与所述第四场效应管MN2的漏极相连；漏极与所述第一电压参考电路单元的输入端相连，衬底与所述第三场效应管MN1的衬底和所述第四场效应管MN2的衬底相连并接地；
其中，所述第三场效应管MN1的漏极、所述第四场效应管MN2的源极和所述第五场效应管MN3的栅极分别与所述第一电压参考电路单元的输出端相连。
可选的，还包括：
第二电压参考电路单元，包括：第六场效应管MN4、第七场效应管MN5和第八场效应管MN6；
所述第六场效应管MN4的源极与所述第七场效应管MN5的栅极和所述第一电压参考电路单元的输出端相连，漏极与所述第七场效应管MN5的源极和所述第八场效应管MN6的栅极相连，栅极与所述第八场效应管MN6的栅极相连，衬底接地；
所述第七场效应管MN5的源极与所述第六场效应管MN4的漏极相连，漏极与所述第八场效应管MN6的源极相连，栅极与和所述第一电压参考电路单元的输出端相连，衬底接地；
所述第八场效应管MN6的源极与所述第七场效应管MN5的漏极相连；漏极与总输入信号相连，衬底与所述第六场效应管MN4的衬底和所述第七场效应管MN5的衬底相连并接地；
其中，所述第六场效应管MN4的漏极、所述第七场效应管MN5的源极和所述第八场效应管MN6的栅极分别与所述第二电压参考电路单元的输出端与所述电压检测电路单元中所述第二场效应管MP2的栅极相连。
可选的，所述电压检测电路包括多个第二电压参考电路单元，其中，第一个第二电压参考电路单元的输入端与所述第一电压参考电路单元的输出端相连，输出端与下一个第二电压参考电路单元的输入端相连；
最后一个第二电压参考电路单元的输入端与前一个第二电压参考电路单元的输出端相连，输出端与所述第二场效应管MP2的栅极相连。
可选的，所述第一场效应管MP1和第二场效应管MP2为N沟道场效应管。
可选的，所述第一电压参考电路单元中的场效应管为P沟道场效应管。
可选的，所述第二电压参考电路单元中的场效应管为P沟道场效应管。
可选的，所述第三场效应管MN1包括两个或两个以上的场效应管阵列，通过变换所述场效应管阵列改变所述场效应管的尺寸。
可选的，所述第六场效应管MN4包括两个或两个以上的场效应管阵列，通过变换所述场效应管阵列改变所述场效应管的尺寸。
可选的，所述电压检测电路中的所有场效应管的温度系数总和为零。
可选的，所述第一场效应管MP1、所述第二场效应管MP2、所述第三场效应管MN1和所述第六场效应管MN4为增强型场效应管；
所述第四场效应管MN2、所述第五场效应管MN3、所述第七场效应管MN5和所述第八场效应管MN6为耗尽型场效应管。
在本发明中，通过加入一条具有温度系数的低功耗电压参考电路，并通过合理设计各个场效应管的宽长，抵消电压检测电路的内核温度系数，实现零温度系数的电压检测电路。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种电压检测电路的拓扑图；
图2是本发明实施例提供的另一种电压检测电路的拓扑图；
图3是本发明实施例提供的一种电压检测电路的输入输出特性曲线；
图4是本发明实施例提供的一种电压检测电路的输出翻转阈值电压的温度曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本发明实施例提供了一种电压检测电路，包括：
第一电压参考电路单元01和电压检测电路单元02；
所述电压检测电路单元01，包括：第一场效应管MP1和第二场效应管MP2；用于对输入信号进行电压检测；
所述第一场效应管MP1的源极、栅极和衬底与总输出信号端Vin相连，漏极接地；
所述第二场效应管MP2的源极和衬底与总输入信号端Vin相连，漏极与总输出信号端Vout相连，栅极与所述第一电压参考电路单元01相连；
所述第一电压参考电路单元01，包括多个相连的场效应管，所述第一电压参考电路单元01的输入端与总输入信号端Vin相连；所述第一电压参考电路单元01的输出端与所述第二场效应管MP2的栅极相连；所述第一电压参考电路单元01用于向所述第二场效应管MP2的栅极提供稳定电压，并平衡所述电压检测电路单元02的温度系数。
本发明实施例中，通过加入一条具有温度系数的低功耗电压参考电路为所述第二场效应管MP2的栅极提供偏置，并通过合理设计各个场效应管的宽长，抵消电压检测电路的内核温度系数，实现零温度系数的电压检测电路。
请参考图1，本发明实施例中，可选的，所述第一电压参考电路单元01，包括：第三场效应管MN1、第四场效应管MN2和第五场效应管MN3；
所述第三场效应管MN1的源极和衬底接地，漏极与所述第四场效应管MN2的源极和所述第五场效应管MN3的栅极相连，栅极与所述第五场效应管MN3的栅极相连；所述第三场效应管MN1的漏极电压相对稳定，控制所述第五场效应管MN3的栅极，形成共栅结构；其中，所述共栅结构隔离所述第五场效应管MN3的漏极电压波动对所述第四场效应管MN2的漏极电压的影响，从而进一步减弱输入信号对所述第三场效应管MN1的漏极电压的影响；
所述第四场效应管MN2的源极与所述第三场效应管MN1的漏极相连，漏极与所述第五场效应管MN3的源极相连，栅极和衬底接地；
所述第五场效应管MN3的源极与所述第四场效应管MN2的漏极相连；漏极与所述第一电压参考电路单元的输入端相连，衬底与所述第三场效应管MN1的衬底和所述第四场效应管MN2的衬底相连并接地；
其中，所述第三场效应管MN1的漏极、所述第四场效应管MN2的源极和所述第五场效应管MN3的栅极分别与所述第一电压参考电路单元的输出端相连。
本发明实施例中，所述第三场效应管MN1包括两个或两个以上的场效应管阵列，通过变换所述场效应管阵列改变所述场效应管的尺寸，实现不同工艺角下，依旧具有良好的温度特性。
请参考图2，本发明实施例中，可选的，还包括：
第二电压参考电路单元03，包括：第六场效应管MN4、第七场效应管MN5和第八场效应管MN6；
所述第六场效应管MN4的源极与所述第七场效应管MN5的栅极和所述第一电压参考电路单元的输出端相连，漏极与所述第七场效应管MN5的源极和所述第八场效应管MN6的栅极相连，栅极与所述第八场效应管MN6的栅极相连，衬底接地；栅极与所述第八场效应管MN6的栅极和第七场效应管MN5的源极相连，其产生的输出电压信号与所述第二场效应管MP2的栅极相连，为所述第二场效应管MP2提供偏置电压，由于所述第六场效应管MN4的漏极电压相对稳定，通过控制所述第八场效应管MN6的栅极，构成共栅结构；所述共栅结构隔离所述第八场效应管MN6的漏极电压对第七场效应管MN5的漏极电压的影响，因此额外的所述第五场效应管MN3和所述第八场效应管MN6提供电源抑制比和改善线性灵敏度。
所述第七场效应管MN5的源极与所述第六场效应管MN4的漏极相连，漏极与所述第八场效应管MN6的源极相连，栅极与和所述第一电压参考电路单元的输出端相连，衬底接地；
所述第八场效应管MN6的源极与所述第七场效应管MN5的漏极相连；漏极与总输入信号相连，衬底与所述第六场效应管MN4的衬底和所述第七场效应管MN5的衬底相连并接地；
其中，所述第六场效应管MN4的漏极、所述第七场效应管MN5的源极和所述第八场效应管MN6的栅极分别与所述第二电压参考电路单元的输出端与所述电压检测电路单元中所述第二场效应管MP2的栅极相连。
本发明实施例中，所述第六场效应管MN4包括两个或两个以上的场效应管阵列，通过变换所述场效应管阵列改变所述场效应管的尺寸，实现不同工艺角下，依旧具有良好的温度特性。
本发明实施例中，所述第一场效应管MP1为低阈值的P沟道场效应管；所述第二场效应管MP2为常规阈值的P沟道场效应管；所述第三场效应管MN1为常规阈值的N沟道场效应管；所述第六场效应管MN4为常规阈值的N沟道场效应管；所述第四场效应管MN2、所述第五场效应管MN3、所述第七场效应管MN5和所述第八场效应管MN6为耗尽型场效应管；其中，低阈值场效应管的阈值电压低于常规阈值场效应管的阈值电压；所述电压检测电路单元中的场效应管均为N沟道场效应管；所述第一电压参考电路单元中的场效应管均为P沟道场效应管，使得对工艺失配和波动具有强的鲁棒性。
本发明实施例中，可选的，所述电压检测电路包括多个第二电压参考电路单元，其中，第一个第二电压参考电路单元的输入端与所述第一电压参考电路单元的输出端相连，输出端与下一个第二电压参考电路单元的输入端相连；
最后一个第二电压参考电路单元的输入端与前一个第二电压参考电路单元的输出端相连，输出端与所述第二场效应管MP2的栅极相连。
本发明实施例中，所述第一电压参考电路和多个第二电压参考电路，采用堆叠的方式，避免并联支路产生额外的电流消耗。
本发明实施例中，可选的，所述电压检测电路中的所有场效应管的温度系数总和为零。
本发明实施例中，当输入信号
Figure 149975DEST_PATH_IMAGE001
低于输出翻转阈值电压
Figure 630897DEST_PATH_IMAGE002
时，输出为低电平；当输入信号
Figure 145055DEST_PATH_IMAGE001
高于输出翻转阈值电压
Figure 337002DEST_PATH_IMAGE002
时，输出为
Figure 744850DEST_PATH_IMAGE001
，所述电压检测电路的核心是比较第一场效应管MP1和第二场效应管MP2的电流，实现电压检测。
当所述第二场效应管MP2的栅极电压
Figure 36154DEST_PATH_IMAGE003
大于0，源极电压随输入电压变化，当输入电压从低逐渐升高时，第二场效应管MP2工作在亚阈值区，第一场效应管MP1的栅源短接，推导输出翻转阈值电压如下：
Figure 365504DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 128186DEST_PATH_IMAGE005
；
令第一场效应管MP1的电流
Figure 656119DEST_PATH_IMAGE006
等于第二场效应管MP2的电流
Figure 118324DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 669391DEST_PATH_IMAGE008
可解得Vin，此时Vin即为输出翻转阈值电压
Figure 265458DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 257685DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure 985731DEST_PATH_IMAGE010
为晶体管的迁移率；
Figure 820832DEST_PATH_IMAGE011
为每单位面积的氧化物电容；m为亚阈值斜率因子；W为场效应管管的宽；L为场效应管的长；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；q为基本电荷；
Figure 830377DEST_PATH_IMAGE012
为场效应管管的阈值电压。
由第三场效应管MN1、第四场效应管MN2和第五场效应管MN3构成的第一电压参考电路给第六场效应管MN4的源极和第七场效应管MN5的栅极提供偏置电压，再由第六场效应管MN4、第七场效应管MN5和第八场效应管MN6构成的第二电压参考电路给所述第二场效应管MP2的栅极提供偏置电压
Figure 67323DEST_PATH_IMAGE003
；其中，第一电压参考电路的输出的参考电压
Figure 871331DEST_PATH_IMAGE013
推导，由支路电流相等推导，具体如下：
第三场效应管MN1的电流：
Figure 396990DEST_PATH_IMAGE014
；
第四场效应管MN2的电流：
Figure 848043DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 814862DEST_PATH_IMAGE016
，可得
Figure 179984DEST_PATH_IMAGE017
：
Figure 599464DEST_PATH_IMAGE018
；
同样第二电压参考电路的输出参考电压给所述第二场效应管MP2的栅极提供偏置电压
Figure 278707DEST_PATH_IMAGE003
，可由支路电流相等可推，具体如下：
第六场效应管MN4的电流：
Figure 490246DEST_PATH_IMAGE019
；
第七场效应管MN5的电流：
Figure 730996DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 637772DEST_PATH_IMAGE016
，可得
Figure 917444DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 858855DEST_PATH_IMAGE021
；
代入
Figure 769042DEST_PATH_IMAGE017
，可得：
Figure 287748DEST_PATH_IMAGE022
；
再将
Figure 75838DEST_PATH_IMAGE003
代入到
Figure 606177DEST_PATH_IMAGE002
的表达式，得到：
Figure 749582DEST_PATH_IMAGE023
；
假设
Figure 958846DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 455687DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 699586DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 249779DEST_PATH_IMAGE027
；
则
Figure 415181DEST_PATH_IMAGE002
可变为：
Figure 574767DEST_PATH_IMAGE028
；
通过设计场效应管的宽长比，使
Figure 938752DEST_PATH_IMAGE029
，则
Figure 768168DEST_PATH_IMAGE002
可化简为：
Figure 515806DEST_PATH_IMAGE030
；
Figure 354449DEST_PATH_IMAGE002
对温度T求偏导，得到
Figure 41782DEST_PATH_IMAGE002
的温度系数：
Figure 432312DEST_PATH_IMAGE031
；
请参考图2和图3，本发明实施例中，因为场效应管的阈值电压随温度增加而减小，具有负温度特性，并且不同的场效应管的阈值电压的负温度系数不同，通过合理设计使所述场效应管之间的阈值电压之差具有正温度系数，使得上式的温度系数为0，达到图2中在三个工艺角下的输入输出特性曲线，所述电压检测单元的输出电压与输入电压特性对工艺角的变化不敏感，变化范围很小；以及达到图3中，所述电压检测电路的输出翻转阈值电压的温度曲线具有较好的温度特性；通过设计第三场效应管MN1、第四场效应管MN2、第六场效应管MN4和第七场效应管MN5的宽长比，最终抵消阈值电压之差的正温度系数，实现零温度系数的电压检测电路；其中，额外的第五场效应管MN3和第八场效应管MN6用于提供电源抑制比以及改善线性灵敏度。
在本发明实施例中，通过加入一条具有温度系数的低功耗电压参考电路，并通过合理设计各个场效应管的宽长，抵消电压检测电路的内核温度系数，实现零温度系数的电压检测电路。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种电压检测电路，其特征在于，包括：
第一电压参考电路单元和电压检测电路单元；
所述电压检测电路单元，包括：第一场效应管和第二场效应管；用于对输入信号进行电压检测；
所述第一场效应管的源极、栅极和衬底与总输出信号端相连，漏极接地；
所述第二场效应管的源极和衬底与总输入信号端相连，漏极与总输出信号端相连，栅极与所述第一电压参考电路单元相连；
所述第一电压参考电路单元，包括多个相连的场效应管，所述第一电压参考电路单元的输入端与总输入信号端相连；所述第一电压参考电路单元的输出端与所述第二场效应管的栅极相连；所述第一电压参考电路单元用于向所述第二场效应管的栅极提供稳定电压，并平衡所述电压检测电路单元的温度系数；
所述第一电压参考电路单元，包括：第三场效应管、第四场效应管和第五场效应管；
所述第三场效应管的源极和衬底接地，漏极与所述第四场效应管的源极和所述第五场效应管的栅极相连，栅极与所述第五场效应管的栅极相连；
所述第四场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极相连，漏极与所述第五场效应管的源极相连，栅极和衬底接地；
所述第五场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极相连；漏极与所述第一电压参考电路单元的输入端相连，衬底与所述第三场效应管的衬底和所述第四场效应管的衬底相连并接地；
其中，所述第三场效应管的漏极、所述第四场效应管的源极和所述第五场效应管的栅极分别与所述第一电压参考电路单元的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，还包括：
第二电压参考电路单元，包括：第六场效应管、第七场效应管和第八场效应管；
所述第六场效应管的源极与所述第七场效应管的栅极和所述第一电压参考电路单元的输出端相连，漏极与所述第七场效应管的源极和所述第八场效应管的栅极相连，栅极与所述第八场效应管的栅极相连，衬底接地；
所述第七场效应管的源极与所述第六场效应管的漏极相连，漏极与所述第八场效应管的源极相连，栅极与和所述第一电压参考电路单元的输出端相连，衬底接地；
所述第八场效应管的源极与所述第七场效应管的漏极相连；漏极与总输入信号相连，衬底与所述第六场效应管的衬底和所述第七场效应管的衬底相连并接地；
其中，所述第六场效应管的漏极、所述第七场效应管的源极和所述第八场效应管的栅极分别与所述第二电压参考电路单元的输出端与所述电压检测电路单元中所述第二场效应管的栅极相连。
3.根据权利要求2所述的电压检测电路，其特征在于，
所述电压检测电路包括多个第二电压参考电路单元，其中，第一个第二电压参考电路单元的输入端与所述第一电压参考电路单元的输出端相连，输出端与下一个第二电压参考电路单元的输入端相连；
最后一个第二电压参考电路单元的输入端与前一个第二电压参考电路单元的输出端相连，输出端与所述第二场效应管的栅极相连。
4.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，
所述第一场效应管和第二场效应管为N沟道场效应管。
5.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，
所述第一电压参考电路单元中的场效应管为P沟道场效应管。
6.根据权利要求2所述的电压检测电路，其特征在于，
所述第二电压参考电路单元中的场效应管为P沟道场效应管。
7.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，
所述第三场效应管包括两个或两个以上的场效应管阵列，通过变换所述场效应管阵列改变所述场效应管的尺寸。
8.根据权利要求2所述的电压检测电路，其特征在于，
所述第六场效应管包括两个或两个以上的场效应管阵列，通过变换所述场效应管阵列改变所述场效应管的尺寸。
9.根据权利要求2所述的电压检测电路，其特征在于，
所述电压检测电路中的所有场效应管的温度系数总和为零。
10.根据权利要求2所述的电压检测电路，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六场效应管为增强型场效应管；
所述第四场效应管、所述第五场效应管、所述第七场效应管和所述第八场效应管为耗尽型场效应管。
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