CN203825520U - 一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路。包括一启动单元，所述启动单元经负温度系数电压产生单元和正温度系数电压产生单元连接至求和单元；所述启动单元、负温度系数电压产生单元、正温度系数电压产生单元和求和单元的一端连接VDD，所述启动单元、负温度系数电压产生单元、正温度系数电压产生单元和求和单元的另一端连接GND；所述负温度系数电压产生单元还连接至求和单元；所述求和单元还连接有基准电压输出端。本实用新型设计上无需带隙，无需三极管，无需运放，无需电阻，电路实现简单、面积小且功耗低；减小了基准电压的温度系数；本实用新型的正温度系数电压产生单元，其电路具有负反馈，提高了输出电压电源抑制比。

Description

一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路
技术领域
本实用新型涉及一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路。
背景技术
基准电压源作为IC设计中重要的电路单元之一，它已经广泛应用于各种模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路，如A/D、D/A转换器、LDO稳压器和锁相环（PLL）等系统。随着半导体产业的迅速发展，现今对基准电压源有更高的要求，要求它具有功耗低、温度系数小、电源抑制比高、输出噪声小、面积小等特点。
传统的基准电压源一般是采用“带隙”的技术，就是利用双极管的基极-发射极电压具有负温度特性，而两个双极晶体管工作在不同的电流密度下，其基极-发射极电压差具有正温度特性，对两者进行相互补偿，从而实现零温度系数。然而这种方法存在以下问题：
1．需要引入运放，这就引入运放稳定性对电路带来的问题，而且为了使得电路能正常工作，供电电压一般较大，也带来功耗较高的问题；
2．电路需要三极管，因此一般需要较大的面积；
3．电路需要电阻，电阻的阻值易受温度的影响，因此电阻的引入不仅带来功耗和面积的折中关系，而且会导致输出基准电压产生偏差；
4．有时为了达到更好的性能，电路不得不引入高阶补偿技术，一方面使电路设计更加复杂，另一方面也增大电路的功耗和面积。
近年也提出了很多非“带隙”技术，这种技术一般不需要引入运放，也无需采用三极管，很多是采用阈值电压Vth和热电压VT相互补偿的技术，但是采用这一技术的很多电路依然需要引入电阻，同时电路设计也较为复杂，最终无法达到低功耗和小面积等性能；也有采用NMOSFET的栅源电压VGS与热电压VT相互补偿的技术，但采用这一技术也往往很难达到低温度系数等性能。
因此，这些因素就限制了基准电压源的性能，有待改进。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种解决上述基准电压电路存在问题的新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，包括一启动单元，所述启动单元经负温度系数电压产生单元和正温度系数电压产生单元连接至求和单元；所述启动单元、负温度系数电压产生单元、正温度系数电压产生单元和求和单元的一端连接VDD，所述启动单元、负温度系数电压产生单元、正温度系数电压产生单元和求和单元的另一端连接GND；所述负温度系数电压产生单元还连接至求和单元；所述求和单元还连接有基准电压输出端。
在本实用新型实施例中，所述负温度系数电压产生单元包括第一MOS管至第十四MOS管；所述第一MOS管的漏极、第五MOS管的源极、第六MOS管的源极和第十三MOS管的源极均连接至VDD；所述第一MOS管的源极连接至第二MOS管的漏极，所述第一MOS管的源极还经第一电容连接至GND；所述第二MOS管的源极与第七MOS管的源极相连接；所述第七MOS管的漏极和栅极相连接至第十MOS管的漏极、第八MOS管的栅极和第十四MOS管的栅极；所述第五MOS管的栅极和漏极相连接至第八MOS管的源极；所述第八MOS管的漏极和第九MOS管的栅极与第十一MOS管的漏极相连接；所述第六MOS管的栅极和漏极相连接至第九MOS管的源极；所述第九MOS管的漏极与第十二MOS管的漏极、第十二MOS管的栅极、第十一MOS管的栅极和第十MOS管的栅极相连接至启动单元；所述第十MOS管的源极和第十一MOS管的源极均连接至GND；所述第十三MOS管的栅极和漏极相连接至第十四MOS管的源极；所述第十四MOS管的漏极与第三MOS管的漏极相连接至求和单元；所述第三MOS管的源极连接第四MOS管的漏极，并经第二电容接至GND；所述第四MOS管的源极接GND。
在本实用新型实施例中，还包括一时序信号发生器；所述时序信号发生器包括输出第一时序信号的第一时序信号输出端和输出第二时序信号的第二时序信号输出端；所述第一时序信号与第二时序信号的时序互不重叠。
在本实用新型实施例中，所述第一MOS管的栅极和第三MOS管的栅极均连接至第一时序信号输出端；所述第二MOS管的栅极和第三MOS管的栅极均连接至第二时序信号输出端。
在本实用新型实施例中，所述正温度系数电压产生单元包括第十五MOS管至第十七MOS管；所述第十五MOS管的源极连接至VDD，所述第十五MOS管的栅极连接至所述第十三MOS管的栅极，所述第十五MOS管的漏极与第十六MOS管的漏极、第十六MOS管的栅极和第十七MOS管的栅极相连接；所述第十六MOS管的源极与第十七MOS管的漏极相连接至求和单元；所述第十七MOS管的源极接GND。
在本实用新型实施例中，所述求和单元包括第十八MOS管至第二十一MOS管；所述第十八MOS管的栅极和第二十一MOS管的栅极均连接至第二时序信号输出端；所述第十九MOS管的栅极和第二十MOS管的栅极均连接至第一时序信号输出端；所述第十八MOS管的源极连接至所述第十六MOS管的源极；所述第十八MOS管的漏极与第十九MOS管的源极经第三电容连接至GND；所述第十九MOS管的漏极与第二十MOS管的漏极相连接至基准电压输出端；所述第二十MOS管的源极与第二十一MOS管的源极经第四电容连接至GND；所述第二十一MOS管的源极连接第十四MOS管的漏极。
在本实用新型实施例中，所述启动单元包括第二十二MOS管至第二十四MOS管；所述第二十二MOS管的源极和第二十三MOS管的源极均连接至VDD；所述第二十二MOS管的栅极和第二十四MOS管的栅极均连接至GND；所述第二十二MOS管的漏极与第二十三MOS管的栅极相连接至第二十四MOS管的漏极和源极；所述第二十三MOS管的漏极接至第十MOS管的栅极。
相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
1. 该实用新型无需带隙，无需三极管，无需运放，无需电阻，面积小且功耗低；
2. 该实用新型中采用的负温度系数电压产生单元，其电路具有负反馈，提高了输出电压电源抑制比，同时该单元还为正温度系数电压产生单元提供偏置电流；
3. 该实用新型中采用的正温度系数电压产生单元，其实现方式简单，功耗低且面积小；
4. 该实用新型的求和单元采用了开关电容电路，不消耗直流功耗，同时相对于采用电阻所设计的求和单元，该实用新型采用的电容比电阻又具有更好的匹配性，减小了基准电压的温度系数；
5. 该实用新型中的启动电路，采用MOS电容代替了传统分立电容，其实现方式简单，面积小，而且正常工作后不消耗功耗；
6. 该实用新型中的负温度系数电压产生单元采用了开关电容等效电阻的方式，其电容越小，等效电阻越大，因此有效的减小了电阻所带来的大面积问题，具有面积小和功耗低的特性；
7. 该实用新型的负温度系数电压产生单元与求和单元共用时序，避免了更多时序设计所带来的复杂性。
附图说明
图1为本实用新型的组成框图。
图2为本实用新型一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路图。
图中：Ms1-第一MOS管，Ms2-第二MOS管，Ms3-第三MOS管，Ms4-第四MOS管，M1-第五MOS管，M2-第六MOS管，M3-第七MOS管，M4-第八MOS管，M5-第九MOS管，M6-第十MOS管，M7-第十一MOS管，M8-第十二MOS管，M9-第十三MOS管，M10-第十四MOS管，M11-第十五MOS管，M12-第十六MOS管，M13-第十七MOS管，M14-第十八MOS管，M15-第十九MOS管，M16-第二十MOS管，M17-第二十一MOS管，M18-第二十二MOS管，M19-第二十三MOS管，M20-第二十四MOS管，C1-第一电容，C2-第二电容，C3-第三电容，C4-第四电容，VREF-基准电压输出端，φ 1 -第一时序信号，φ 2 -第二时序信号。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。
本实用新型的一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，包括一启动单元，所述启动单元经负温度系数电压产生单元和正温度系数电压产生单元连接至求和单元；所述启动单元、负温度系数电压产生单元、正温度系数电压产生单元和求和单元的一端连接VDD，所述启动单元、负温度系数电压产生单元、正温度系数电压产生单元和求和单元的另一端连接GND；所述负温度系数电压产生单元还连接至求和单元；所述求和单元还连接有基准电压输出端。
以下为本实用新型的实施例。
本实用新型的基准电压产生电路的组成框图如图1所示，其中包括正温度系数电压产生单元、负温度系数电压产生单元、求和单元和启动单元；本实用新型的基准电压产生电路如图2所示（①是启动单元，②是负温度系数电压产生单元，③是正温度系数电压产生单元，④是求和单元）；其中正温度系数电压产生单元输出正温度系数电压至求和单元，负温度系数电压产生单元输出负温度系数电压至求和单元，求和单元对正温度系数电压及负温度系数电压进行求和，最终输出基准电压；同时负温度系数电压产生单元为正温度系数电压产生单元提供偏置电流；启动单元为整个电路提供开启功能。
基准电压产生电路还包括一时序信号发生器；时序信号发生器包括输出φ 1 的第一时序信号输出端和输出φ 2 的第二时序信号输出端；φ 1 与φ 2 的时序互不重叠。
如图2所示，负温度系数电压产生单元②包括Ms1至Ms2以及M1至M10；Ms1的漏极、M1的源极、M2的源极和M9的源极均连接至VDD；Ms1的源极连接至Ms2的漏极，Ms1的源极还经C1连接至GND；Ms2的源极与M3的源极相连接；M3的漏极和栅极相连接至M6的漏极、M4的栅极和M10的栅极；M1的栅极和漏极相连接至M4的源极；M4的漏极与M5的栅极和M7的漏极相连接；M2的栅极和漏极相连接至M5的源极；M5的漏极与M8的漏极、M8的栅极、M7的栅极和M6的栅极相连接至启动单元①，所述M6的源极和M7的源极均连接至GND；M9的栅极和漏极相连接至M10的源极；M10的漏极与Ms3的漏极相连接至求和单元；Ms3的源极连接Ms4的漏极，并经C2接至GND；Ms4的源极接GND。
Ms1的栅极和Ms3的栅极均连接至第一时序信号输出端；Ms2的栅极和Ms3的栅极均连接至第二时序信号输出端。
其中，M1~M10工作在饱和区，M1和M2采用二极管连接方式；M3、M4和M10构成电流镜形式，M6、M7和M8也构成电流镜形式，确保支路电流能精确复制；Ms1、Ms2和C1构成基本的开关电容单元，可以等效为电阻，设定φ 1 时序的周期为T，φ 1 与φ 2 是两个互不相重叠的时序；根据开关电容的特性可以推出节点D和节点E两端的等效电阻：
                                                            （1）
同理Ms3、Ms4和C2也构成基本的开关电容单元，可以知道节点F和节点G两端的等效电阻：
                                                            （2）
用开关电容等效电阻的优点就是在集成电路中可以用很小的面积得到很高的电阻值，一般情况下，若用扩散电阻或多晶硅电阻在集成电路中制作大阻值的电阻，需要占很大的芯片面积，而采用开关电容进行等效时，芯片上只需由两个MOS管实现的两个模拟开关和一个小电容。
从式(1)和式(2)可见，等效电阻值越大，所需C值越小，占用芯片的面积也越小，因此可以通过调整周期T和电容C1、C2来得到所需的电阻值R1和R2。
因此采用该实用新型中的等效电阻形式可以解决面积与功耗的折中关系，以得到较小的面积和较小的功耗。
设定管子的宽长比，可以使得电流I3=4I4=4I5，根据饱和区I-V特性可得：
                                                （3）
其中Vth是MOSFET的阈值电压，μ是沟道中载流子的迁移率，Cox是单位面积的栅氧化层电容。
根据图2所示可以得出；由式(3)可以推出：
                                                             （4）
设定M10和M3的宽长比为，因此最终可以得出负温度系数电压：
                                                      （5）
由式(1)和式(2)可简化式(5)得到：
                                                      （6）
对于该实用新型的负温度系数电压产生单元，M3、M4、M5、M8、M7和M6构成了负反馈环路，M5、M8和M7也构成了负反馈环路；这两个负反馈环路确保了电流能够精确复制，同时大大提高了电路的电源抑制比；当电源电压发生变化时，假设节点B电位上升，通过M6使得节点C的电位就会下降，再通过M4会使得节点A的电位上升，最后通过M5会使得节点B电压下降，通过反馈环路稳定了节点A、B和C的电位。
M2的引入起到分压的作用，而M9的引入不仅起到分压的作用，同时M9还为下一级正温度系数电压产生单元提供了偏置电流。
如图2所示，本实用新型的正温度系数电压产生单元③，包括M11至M13；M11的源极连接至VDD，M11的栅极连接至M9的栅极，M11的漏极与M12的漏极、M12的栅极和M13的栅极相连接；M12的源极与第十七MOS管的漏极相连接至求和单元④；M13的源极接GND。
其中，M12和M13工作在亚阈值区，根据亚阈值区I-V特性可得：
                                   （7）
其中I0是MOSFET的特定电流；ζ为亚阈值斜率因子，其典型值在1~3之间；VT=kT/q（k为玻尔兹曼常数，q为电子电量），常温下为26mV。
如果VDS>>4VT，则(7)式可简化为：
                                                （8）                                       
根据M12和M13工作在亚阈值区，可以推导出：
                                        （9） 
                                        （10）         
其中Vth12，Vth13和I012，I013分别是M12、M13的阈值电压和特定电流；根据图2可以得出：
                                                     （11）                                              
由式（9）~（11）可以推导出：
                                  （12）
(12)式中只要M=取值合适，因此最终可以近似得出：
                                                      （13）
因为V T具有正温度特性，V PTAT也具有正温度特性。本实用新型所得到的正温度系数电压产生电路，电路实现简单，功耗很小。
如图2所示，本实用新型的求和单元④，包括M14至M17；M14的栅极和M17的栅极均连接至第二时序信号输出端；M15的栅极和M16的栅极均连接至第一时序信号输出端；M14的源极连接至M12的源极；M14的漏极与M15的源极经C3连接至GND；M15的漏极与M16的漏极相连接至基准电压输出端；M16的源极与M17的源极经C4连接至GND；M17的源极连接M10的漏极。
其中，M14、M15、M16和M17是开关MOS管，充当开关作用，M15和M16由φ 1 时序控制，M14和M17由φ 2 时序控制；基本原理是当φ 2 高电平时，φ 1 处于低电平处，此时M14和M17开启，M15和M16关闭，输入的V PTAT和输入的V CTAT分别给电容C3和C4充电，电路的电荷Q3=V PTATC3，Q4=V CTATC4；当φ 1 高电平，而φ 2 处于低电平时，此时M15和M16开启，M14和M17关闭，可以得到：
                                          （14）
因此可以推导出：
                                        （15）
通过调整C3和C4值，可以输出基准电压。该求和电路无需采用大电阻，减小了芯片的面积，同时该基准电压不消耗直流电流，具有功耗低的特性。在CMOS工艺中，电容又具有优越于电阻的良好匹配特性。综上，该求和电路具有较好性能。
正温度系数电压产生单元与求和单元共用φ 1 和φ 2 时序，减小了时序设计的复杂性。
根据式（6）、（13）和（15）可以得到：
                            （16）
通过调整式（16）系数值，可以得出低温度系数的基准电压；对于式（16）其系数均是电容值，对于CMOS工艺，电容具有优越于电阻的良好匹配特性，因此该实用新型所产生的基准电压能实现很低的温度系数。
如图2所示，本实用新型的启动单元①，包括M18至M20；M18的源极和M19的源极均连接至VDD；M18的栅极和M20的栅极均连接至GND；M18的漏极与M19的栅极相连接至M20的漏极和源极；M19的漏极接至M6的栅极。
启动单元由M18、M19和M20组成，其中M20充当电容；当电源上电时，M18和M19导通，由于电流注入到M8，故M8开始导通，随之电路开始工作，同时M18的电流将对电容M20进行充电，使得M20的源栅电压会逐渐增大到VDD，此后M18、M19管截止，因此当电路正常工作时，启动电路几乎不会消耗功耗；同时，该启动电路无需采用传统的分立电容，这就减小了启动电路的面积。
以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，其特征在于：包括一启动单元，所述启动单元经负温度系数电压产生单元和正温度系数电压产生单元连接至求和单元；所述启动单元、负温度系数电压产生单元、正温度系数电压产生单元和求和单元的一端连接VDD，所述启动单元、负温度系数电压产生单元、正温度系数电压产生单元和求和单元的另一端连接GND；所述负温度系数电压产生单元还连接至求和单元；所述求和单元还连接有基准电压输出端。
2.根据权利要求1所述的一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，其特征在于：所述负温度系数电压产生单元包括第一MOS管至第十四MOS管；所述第一MOS管的漏极、第五MOS管的源极、第六MOS管的源极和第十三MOS管的源极均连接至VDD；所述第一MOS管的源极连接至第二MOS管的漏极，所述第一MOS管的源极还经第一电容连接至GND；所述第二MOS管的源极与第七MOS管的源极相连接；所述第七MOS管的漏极和栅极相连接至第十MOS管的漏极、第八MOS管的栅极和第十四MOS管的栅极；所述第五MOS管的栅极和漏极相连接至第八MOS管的源极；所述第八MOS管的漏极和第九MOS管的栅极与第十一MOS管的漏极相连接；所述第六MOS管的栅极和漏极相连接至第九MOS管的源极；所述第九MOS管的漏极与第十二MOS管的漏极、第十二MOS管的栅极、第十一MOS管的栅极和第十MOS管的栅极相连接至启动单元；所述第十MOS管的源极和第十一MOS管的源极均连接至GND；所述第十三MOS管的栅极和漏极相连接至第十四MOS管的源极；所述第十四MOS管的漏极与第三MOS管的漏极相连接至求和单元；所述第三MOS管的源极连接第四MOS管的漏极，并经第二电容接至GND；所述第四MOS管的源极接GND。
3.根据权利要求2所述的一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，其特征在于：还包括一时序信号发生器；所述时序信号发生器包括输出第一时序信号的第一时序信号输出端和输出第二时序信号的第二时序信号输出端；所述第一时序信号与第二时序信号的时序互不重叠。
4.根据权利要求3所述的一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，其特征在于：所述第一MOS管的栅极和第三MOS管的栅极均连接至第一时序信号输出端；所述第二MOS管的栅极和第三MOS管的栅极均连接至第二时序信号输出端。
5.根据权利要求4所述的一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，其特征在于：所述正温度系数电压产生单元包括第十五MOS管至第十七MOS管；所述第十五MOS管的源极连接至VDD，所述第十五MOS管的栅极连接至所述第十三MOS管的栅极，所述第十五MOS管的漏极与第十六MOS管的漏极、第十六MOS管的栅极和第十七MOS管的栅极相连接；所述第十六MOS管的源极与第十七MOS管的漏极相连接至求和单元；所述第十七MOS管的源极接GND。
6.根据权利要求5所述的一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，其特征在于：所述求和单元包括第十八MOS管至第二十一MOS管；所述第十八MOS管的栅极和第二十一MOS管的栅极均连接至第二时序信号输出端；所述第十九MOS管的栅极和第二十MOS管的栅极均连接至第一时序信号输出端；所述第十八MOS管的源极连接至所述第十六MOS管的源极；所述第十八MOS管的漏极与第十九MOS管的源极经第三电容连接至GND；所述第十九MOS管的漏极与第二十MOS管的漏极相连接至基准电压输出端；所述第二十MOS管的源极与第二十一MOS管的源极经第四电容连接至GND；所述第二十一MOS管的源极连接第十四MOS管的漏极。
7.根据权利要求6所述的一种新型的低功耗无电阻型基准电压产生电路，其特征在于：所述启动单元包括第二十二MOS管至第二十四MOS管；所述第二十二MOS管的源极和第二十三MOS管的源极均连接至VDD；所述第二十二MOS管的栅极和第二十四MOS管的栅极均连接至GND；所述第二十二MOS管的漏极与第二十三MOS管的栅极相连接至第二十四MOS管的漏极和源极；所述第二十三MOS管的漏极接至第十MOS管的栅极。
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