CN115185331B - 一种基于衬底二极管电流的宽温度范围的cmos电压基准源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成电路设计技术领域，公开了一种基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源，其包括启动电路、具有对称双支路结构的电流源以及利用了衬底二极管电流的输出电路组成，其中，具有对称双支路结构的电流源能够产生一个与热电压成正比的偏置电流，该偏置电流灌入到利用了衬底二极管电流的输出电路中，从而得到宽温度范围内的基准电压。本发明通过设置偏置电流灌入，利用衬底二极管电流的输出电路，与温度成正比的热电压和与温度成反比的阈值电压相叠加，以实现第一次温度补偿，同时在高温时利用衬底二极管电流随温度极速增大的特性可以实现电路的第二次温度补偿，能够在低功耗的条件下能够得到一个宽温度范围的基准电压。

Description

一种基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源。
背景技术
在集成电路迅速发展的今天，对集成电路芯片的需求急速上升。而电压基准源在集成电路芯片，特别是电源管理系统中起着极为重要的作用。电压基准源通常分为带隙基准源以及CMOS基准源。带隙基准源往往需要利用到三极管以及电阻，使得电路通常具有面积大，功耗高的特点。而对于物联网的广泛应用，大多数的设备为了提高电池寿命，大部分时间都会工作在休眠模式下。在此模式下，电路的功耗性能就成为了重中之重，需要认真权衡。此种情况下，电压基准源的功耗对整体的电路功耗性能产生了非常大的影响。同时，随着各类设备应用场景的多样化，如各类传感器的应用，使得各种电子设备所面临的工作环境也愈发多变，因此电路工作的温度范围也有了更高的要求。在此背景下，电压基准源的温度范围对整体电路的性能就显得尤为重要。同时在当前物联网的布局下，大多数终端设备往往不具备充电功能，而其自身依靠能量采集电路所获得的能量难以支持过高的功耗，故温度特性不俗的带隙基准难以满足如今集成电路芯片小面积，低功耗的要求。而CMOS基准原则可以在不利用电阻及三极管的情况下，得到一个基准电压。这一技术特点使得CMOS具有了低功耗，小面积的特点，弥补了带隙基准的不足，但是由于MOS管复杂的温度特性，CMOS基准源的温度补偿难以匹敌带隙基准，使得CMOS基准源的温度范围和温度系数都有所牺牲，具备优良的温度特性的CMOS基准源成为了人们追求的目标。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源，具备在占用较小面积以及满足低功耗需求的情况下，通过利用亚阈值区域以及衬底二极管电流调制技术，获得了一个宽温度范围的基准电压等优点，用于解决现有技术中由于MOS管复杂的温度特性，CMOS基准源的温度补偿难以匹敌带隙基准，使得CMOS基准源的温度范围和温度系数都有所牺牲的问题。
(二)技术方案
本发明提供如下技术方案：一种基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源，所述基准源包括启动电路、具有对称双支路结构的电流源以及利用了衬底二极管电流的输出电路组成，其中，具有对称双支路结构的电流源能够产生一个与热电压成正比的偏置电流，该偏置电流灌入到利用了衬底二极管电流的输出电路中，从而得到宽温度范围内的基准电压；
所述电流源双支路结构包括NMOS管：M5,M6,M7,M8,M12,M13,M14以及M15；其中，M5,M7的栅极，漏极连接在一起，M5的源极与M6的栅极，漏极以及M8的栅极连接在一起，M7的源极与M8的漏极连接，M6,M8的源极连接到地，M12,M14的栅极，漏极连接在一起，M12的源极与M13的栅极，漏极以及M15的栅极连接在一起，M12的源极与M13的漏极连接，M6,M8的源极连接到地；
所述启动电路主要由MOS管M1,M2,M3以及M4组成，其主要作用为确保电路上电后能够处于正常的工作状态；
所述对称双支路电流源主要由M5～M15以及M19～M22组成，在此电路中，由M9～M11以及M19,M20组成的运放起到了钳位的作用，同时由M5～M8以及M12～M15组成的对称双支路使得电路满足：
Figure GDA0004235841350000021
同时，设对称双支路的电流比例为：
m：n：a：b# (2)
在M5,M7，M12,M14偏置在亚阈值区域情况下，式(1)可化简为：
Figure GDA0004235841350000031
其中，而M6,M15偏置在饱和区，可以得出的最终的电流表达式为：
Figure GDA0004235841350000032
所述输出电路主要由M23,M24以及M16～M18组成，在此电路中，M16～M18之间满足：
Figure GDA0004235841350000033
M16,M17,M18均工作在亚阈值区，式(5)可化简为：
Figure GDA0004235841350000034
代入式(6)，最终可得：
Figure GDA0004235841350000035
在一种可能的实施方式中，对称双支路电流源中的M5,M7，M12,M14均工作在亚阈值区。
在一种可能的实施方式中，所述输出电路的输出与M24的漏极连接在了一起。
与现有技术相比，本发明提供的基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源，具备以下有益效果：
1、本发明通过合理的设计电路的尺寸，可以很好的利用这一特性，使得基准电压在高温处形成第二个极值点，从而拓宽基准源的温度范围。
2、本发明通过具有对称双支路结构的电流源以及利用了衬底二极管电流的输出电路构成一个低功耗宽温度范围的电压基准源以及启动电路。
3、本发明设置偏置电流灌入到利用了衬底二极管电流的输出电路，与温度成正比的热电压和与温度成反比的阈值电压相叠加，可以实现第一次温度补偿，同时在高温时利用衬底二极管电流随温度极速增大的特性可以实现电路的第二次温度补偿，从而能够在低功耗的条件下能够得到一个宽温度范围的基准电压。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1为本发明实施例基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源的整体电路原理示意图；
图2为本发明实施例基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源的输出电路的衬底二极管电流调制原理示意图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例
如图1-2所示，本发明实施例提供的基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源，基准源包括启动电路、具有对称双支路结构的电流源以及利用了衬底二极管电流的输出电路组成，其中，具有对称双支路结构的电流源能够产生一个与热电压成正比的偏置电流，该偏置电流灌入到利用了衬底二极管电流的输出电路中，与温度成正比的热电压和与温度成反比的阈值电压相叠加，可以实现第一次温度补偿，同时在高温时利用衬底二极管电流随温度极速增大的特性可以实现电路的第二次温度补偿，从而能够在低功耗的条件下能够得到一个宽温度范围的基准电压；
本发明通过对称双支路电流源，产生一个与热电压成正比的偏置电流，该电流灌入输出电路，从而得到了宽温度范围的基准电压，电流源双支路结构包括NMOS管：M5,M6,M7,M8,M12,M13,M14以及M15；其中，M5,M7的栅极，漏极连接在一起，M5的源极与M6的栅极，漏极以及M8的栅极连接在一起，M7的源极与M8的漏极连接，M6,M8的源极连接到地，M12,M14的栅极，漏极连接在一起，M12的源极与M13的栅极，漏极以及M15的栅极连接在一起，M12的源极与M13的漏极连接，M6,M8的源极连接到地；
启动电路主要由MOS管M1,M2,M3以及M4组成，其主要作用为确保电路上电后能够处于正常的工作状态。其中M1充当了电容的角色，在电路上电后，M1的栅极电压会升高，使得M3,M4导通，从而使得电流镜的栅极电压下降，此时电路成功上电，脱离无电流状态而进入预定的工作状态。而当电路进入正常的工作状态时，M2会导通，因此M3,M4的栅极电压下降，从而使得M3,M4截止，从而避免了在启动之后该电路依然消耗电流，降低了电路的整体功耗。
对称双支路电流源主要由M5～M15以及M19～M22组成，其主要的功能为产生一个与热电势的平方成正比的电流，为电路中最重要的一部分。在此电路中，由M9～M11以及M19,M20组成的运放起到了钳位的作用，同时由M5～M8以及M12～M15组成的对称双支路使得电路满足：
Figure GDA0004235841350000061
同时，设对称双支路的电流比例为：
m：n：a：b# (2)
在M5,M7，M12,M14偏置在亚阈值区域情况下，式(1)可化简为：
Figure GDA0004235841350000062
其中，而M6,M15偏置在饱和区，可以得出的最终的电流表达式为：
Figure GDA0004235841350000063
输出电路主要由M23,M24以及M16～M18组成，电流源产生的电流通过电流镜的复制注入至由M16～M18组成的输出电路当中，能够实现温度补偿，产生一个与温度近乎无关的基准电压。在此电路中，M16～M18之间满足：
Figure GDA0004235841350000064
M16,M17,M18均工作在亚阈值区，式(5)可化简为：
Figure GDA0004235841350000065
代入式(6)，最终可得：
Figure GDA0004235841350000066
所述对称双支路电流源中的M5,M7，M12,M14均工作在亚阈值区，使得电路的整体电流大大降低，从而明显地降低了整体电路的功耗。
所述输出电路的输出与M24的漏极连接在了一起，利用了PMOS管的衬底二极管电流调制技术，使得高温时电路的输出能够产生第二个极值点，实现二次补偿，从而拓宽了电路的温度范围。
输出电路的衬底二极管电流调制原理如图2所示。
在现代工艺中通常会在P型衬底中制作出一个N阱来形成PMOS管。这也使得PMOS管中存在着两个天然的寄生二极管。其中N-well与P-sub间的寄生二极管的电流在实际电路中通常流至地，对电路的影响微乎其微，不必考虑。衬底与漏极间的寄生二极管的电流满足：
Figure GDA0004235841350000071
值得注意的是，在温度不断升高时，随着温度的增大而急速上升，使得电流急速增大，其中：
Figure GDA0004235841350000072
在温度为300K时，与的值通常为以及。故当温度为373K时，根据式(9)，可知：
Figure GDA0004235841350000073
Figure GDA0004235841350000074
而当温度为400K时，可知：
Figure GDA0004235841350000075
Figure GDA0004235841350000076
由式(10)及(11)可知，在温度较高时，当环境温度仅相差27K时，就相差了3个数量级。而根据式(1)可知，寄生二极管的电流与成正比，故在高温条件下，M24衬底与漏极间的寄生二极管的电流能够迅速上升，因此通过合理的设计电路的尺寸，可以很好的利用这一特性，使得基准电压在高温处形成第二个极值点，从而拓宽基准源的温度范围。
本发明上述实施例通过设置偏置电流灌入，利用衬底二极管电流的输出电路，与温度成正比的热电压和与温度成反比的阈值电压相叠加，以实现第一次温度补偿，同时在高温时利用衬底二极管电流随温度极速增大的特性可以实现电路的第二次温度补偿，能够在低功耗的条件下能够得到一个宽温度范围的基准电压。
尽管已经示出和描述了本发明实施的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

Claims (3)

1.一种基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源，其特征在于，其包括启动电路、具有对称双支路结构的电流源以及利用了衬底二极管电流的输出电路组成，其中，具有对称双支路结构的电流源能够产生一个与热电压成正比的偏置电流，该偏置电流灌入到利用了衬底二极管电流的输出电路中，从而得到宽温度范围内的基准电压；
所述启动电路主要由MOS管M1,M2,M3以及M4组成，其主要作用为确保电路上电后能够处于正常的工作状态；所述具有对称双支路结构的电流源包括NMOS管：M5～M15；PMOS管：M19～M22，其中，M5的栅极与M5漏极、M7的栅极与漏极、M21的漏极连接；M6的栅极与漏极连接，并与M5的源极以及M8的栅极连接；M7的源极、M8的漏极以及M9的栅极连接；M6,M8的源极连接到地；M12的栅极与漏极、M14的栅极与漏极、M22的漏极连接；M15的栅极与漏极连接，并与M14的源极以及M13的栅极连接；M12的源极、M13的漏极以及M10的栅极连接；M13,M15的源极连接到地；M19，M20的源极连接至电源，同时M20的栅极与M20的漏极与M19的栅极连接；M9的漏极与M19的漏极连接；M10的漏极与M20的漏极连接；M9，M10的源极共同连接至M11的漏极，M11的源极连接至地，M21，M22的栅极与启动电路中的M4的漏极连接；M21，M22的源极与电源连接，由M9～M11以及M19,M20组成的运放起到了钳位的作用；
所述输出电路主要由NMOS管M16～M18以及PMOS管M23，M24组成，其中，M17的栅极与M16的栅极，漏极以及M23的漏极连接；M17的漏极与M18的源极连接；M18的漏极和M18的栅极连接，并与M24的漏极连接；M23和M24的源极连接到电源；M23和M24的栅极连接启动电路中M4的漏极，M17的源极连接到地。
2.根据权利要求1所述的基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源，其特征在于，M5,M7，M12,M14均工作在亚阈值区。
3.根据权利要求1所述的基于衬底二极管电流的宽温度范围的CMOS电压基准源，其特征在于，所述输出电路的输出与M24的漏极连接在一起。
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