CN203825522U - 具有温度补偿功能的基准电压产生电路 - Google Patents

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王斌
田冀楠
盛敬刚
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具有温度补偿功能的基准电压产生电路，涉及参考电压源技术领域。本实用新型包括依次连接的正温度系数电压产生电路和类LDO电路。所述正温度系数电压产生电路由单级或多级单元电路组成，每级单元电路包括采用MOS管的偏置电流源P和两个NMOS管。各级单元电路顺序级联，每级单元电路中的NMOS管A的栅极与NMOS管B的栅极相连接后分别接至NMOS管A的漏极与偏置电流源P的漏极，NMOS管A的源极与NMOS管B的漏极相连接作为输出节点。偏置电流源P产生的电流经过该级NMOS管A与NMOS管B后由NMOS管B的源极连接至下一级单元电路中NMOS管A的源极和NMOS管B的漏极。所述类LDO电路包括运算放大器和输出单元。本实用新型在不显著增加面积的情况下，有效降低系统功耗，且具有温度补偿功能。

Description

具有温度补偿功能的基准电压产生电路
技术领域
 本实用新型涉及参考电压源技术领域，特别是具有温度补偿功能的基准电压产生电路。
背景技术
电压参考源是诸多电路系统中不可或缺的组成单元之一，常用于为高性能的模拟电路或数字电路模块提供一个低温度系数的参考电压，以提高电路的性能。
现有技术中，集成电路领域，传统的电压参考源电路通常使用由经典双极型晶体管构成的带隙基准电路，其基本原理是由于双极型晶体的基极-发射极结具有负温度特性；另一方面，当双极型晶体管的集电极电流不同时，其基极-发射极结的温度曲线存在差别，当不同的电流流过两个不同的双极型晶体管时，两个晶体管上的基极-发射极结两端电压的差值却具有正的温度系数。通过将这个具有正温度系数的电压放大适大的比例同具有负温度系数的结电压相加，就可以获得一个温度系数得到一定抑制的电压参考源。
然而，传统的双极型晶体管构成的带隙基准电路并不适用于低功耗设计。原因如下：首先，传统的双极型晶体管的电流放大倍数BETA值并非恒定，当集电极电流小于某个阈值时，BETA值会随着电流的不同而单调明显变化，这使得当偏置电流很小时，采用不同大小电流进行偏置的两个双极型晶体管的BETA值可能存在着显著不同，使得匹配性变得很差；其次，传统的双极型晶体管构成的带隙基准电路通常使用运算放大器将结电压的差值ΔVBE取出，并置于采样电阻两端，而流经采样电阻的电流亦构成了带隙基准电路中的静态电流，故在低功耗设计中，要获取极小的静态电流，必须采用极大的采样电阻值以及更为巨大的放大电阻的阻值，占用了巨大的面积同时造成了采工艺梯度与应力的影响加大；其三，传统带隙基准电路只能产生1.25V左右的电压，并不满足实际使用的需要。
出于以上原因，在现有的低功耗设计中不得不放弃传统带隙基准电路的使用，甚至有时不得不采用无温度补偿的电压参考源，这对后级的电路的性能造成了影响，增加了后级电路的设计难度。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种具有温度补偿功能的基准电压产生电路。它在不显著增加面积的情况下，有效降低系统功耗，且具有温度补偿功能。
为了达到上述发明目的，本实用新型的技术方案以如下方式实现：
具有温度补偿功能的基准电压产生电路，其结构特点是，它包括依次连接的正温度系数电压产生电路和类LDO电路。正温度系数电压产生电路输出的具有正温度系数的电压通过类LDO电路与具有负温度系数的电压进行叠加后，在类LDO电路的输出端输出低温度系数的基准参考电压。所述正温度系数电压产生电路由单级或多级单元电路组成，每级单元电路包括采用MOS管的偏置电流源P和两个NMOS管。各级单元电路顺序级联，每级单元电路中的NMOS管A的栅极与NMOS管B的栅极相连接后分别接至NMOS管A的漏极与偏置电流源P的漏极，NMOS管A的源极与NMOS管B的漏极相连接作为输出节点。偏置电流源P产生的电流经过该级NMOS管A与NMOS管B后由NMOS管B的源极连接至下一级单元电路中NMOS管A的源极和NMOS管B的漏极。最后一级单元电路中NMOS管B的源极接地，第一级单元电路中NMOS管A源极与NMOS管B漏极的连接点作为输出节点。所述类LDO电路包括运算放大器和输出单元。运算放大器包括晶体管零、晶体管一、晶体管二、晶体管三和晶体管四，输出单元包括功率管五、功率管六和功率管七。其中晶体管零的栅极与正温度系数电压产生电路的输出节点相连接，晶体管零的源极与晶体管一的源极相连并接至晶体管四的漏极。晶体管二的栅极与晶体管三的栅极相连并接至晶体管三的漏极，晶体管二与晶体管三构成自偏置电流镜。晶体管零的漏极与晶体管二的漏极相连并接至输出单元的功率管六的栅极，晶体管一的栅极分别与输出单元功率管五的漏极和栅极相连接，功率管五的源极与功率管六的漏极相连且以该节点作为所需基准参考电压点。功率管七的栅极连接到晶体管四的栅极，功率管七的的漏极接功率管五的的漏极，功率管七的源极接地。所述多级的单元电路通过在除最后一级之外的其它单元电路中将NMOS管B的源极经开关接地来控制整个电路的级数及对电路输出进行调整。
在上述基准电压产生电路中，所述每级单元电路中的NMOS管A和NMOS管B均工作在亚阈值区。
本实用新型由于采用了上述结构，由于每级单元电路中的NMOS管A与NMOS管B均工作在亚阈值区，故经过每一级偏置电流源P的电流都非常小。而每级的NMOS管A与NMOS管B均串联联接，有利于优化亚阈值情况下的匹配性，非常适合低功耗电路的使用。正温度系数电压产生电路输出的具有正温度系数的电压通过类LDO电路与具有负温度系数的电压进行叠加后，在类LDO电路的输出端输出低温度系数的基准参考电压Vref。本实用新型同现有技术相比，能有效降低系统功耗，且具有温度补偿功能。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中正温度系数电压产生电路的单级结构示意图；
图3为本实用新型实施例中输出电压特性示意图。
具体实施方式
本实用新型具有温度补偿功能的基准电压产生电路包括依次连接的正温度系数电压产生电路11和类LDO电路22。正温度系数电压产生电路11输出的具有正温度系数的电压通过类LDO电路22与具有负温度系数的电压进行叠加后，在类LDO电路22的输出端输出低温度系数的基准参考电压Vref。正温度系数电压产生电路11由单级或多级单元电路组成，每级单元电路包括采用MOS管的偏置电流源P和两个NMOS管。各级单元电路顺序级联，每级单元电路中的NMOS管A的栅极与NMOS管B的栅极相连接后分别接至NMOS管A的漏极与偏置电流源P的漏极，NMOS管A的源极与NMOS管B的漏极相连接，偏置电流源P产生的电流经过该级NMOS管A与NMOS管B后由NMOS管B的源极连接至下一级单元电路中NMOS管A的源极和NMOS管B的漏极。最后一级单元电路中NMOS管B的源极接地，第一级单元电路中NMOS管A源极与NMOS管B漏极的连接点作为输出节点。类LDO电路22包括运算放大器和输出单元，运算放大器包括晶体管零M0、晶体管一M1、晶体管二M2、晶体管三M3和晶体管四M4，输出单元包括功率管五M5、功率管六M6和功率管七M7。其中晶体管零M0的栅极与正温度系数电压产生电路11的输出节点相连接，晶体管零M0的源极与晶体管一M1的源极相连并接至晶体管四M4的漏极，晶体管二M2的栅极与晶体管三M3的栅极相连并接至晶体管三M3的漏极，晶体管二M2与晶体管三M3构成自偏置电流镜。晶体管零M0的漏极与晶体管二M2的漏极相连并接至输出单元的功率管六M6的栅极，晶体管一M1的栅极分别与功率管五M5的漏极和栅极相连接。功率管五M5的源极与功率管六M6的漏极相连且以该节点作为所需基准参考电压点，功率管七M7的栅极连接到晶体管四M4的栅极，功率管七M7的的漏极接功率管五M5的的漏极，功率管七M7的源极接地。多级的单元电路通过在除最后一级之外的其它单元电路中将NMOS管B的源极经开关接地来控制整个电路的级数及对电路输出进行调整。每级单元电路中的NMOS管A和NMOS管B均工作在亚阈值区。
参照图1，正温度系数电压产生电路11由MOS管MP0、MOS管MP1、MOS管MP2、MOS管MP3、MOS管MP4以及工作在亚阈值区的NMOS管MA0、NMOS管MA1、NMOS管MA2、NMOS管MA3、NMOS管MA4、NMOS管MB0、NMOS管MB1、NMOS管MB2、NMOS管MB3和NMOS管MB4组成。各单元电路顺序级联，NMOS管MA0的栅极与NMOS管MB0的栅极相连接后分别接至NMOS管MA0的漏极与MOS管MP0的漏极，NMOS管MA0的源极与NMOS管MB0的漏极相连接，偏置电流源MOS管MP0产生的电流由该级NMOS管MB0的源极连接至下一级单元电路中NMOS管MA1的源极和NMOS管MB1的漏极。NMOS管MA1的栅极与NMOS管MB1的栅极相连接后分别接至NMOS管MA1的漏极与MOS管MP1的漏极，偏置电流源MOS管MP1产生的电流由该级NMOS管MB1的源极连接至下一级单元电路中NMOS管MA2的源极和NMOS管MB2的漏极。NMOS管MA2的栅极与NMOS管MB2的栅极相连接后分别接至NMOS管MA2的漏极与MOS管MP2的漏极，偏置电流源MOS管MP2产生的电流由该级NMOS管MB2的源极连接至下一级单元电路中NMOS管MA3的源极和NMOS管MB3的漏极。NMOS管MA3的栅极与NMOS管MB3的栅极相连接后分别接至NMOS管MA3的漏极与MOS管MP3的漏极，偏置电流源MOS管MP3产生的电流由该级NMOS管MB3的源极连接至下一级单元电路中NMOS管MA4的源极和NMOS管MB4的漏极。NMOS管MA4的栅极与NMOS管MB4的栅极相连接后分别接至NMOS管MA4的漏极与MOS管MP4的漏极，偏置电流源MOS管MP4产生的电流由该级NMOS管MB4的源极接地。
输出单元中的功率管五M5提供了一个具有负温度系数的电压，晶体管一M1栅极的值被固定在V21左右，功率管七M7提供了一个用于功率管五M5偏置的尾电流源。晶体管一M1的栅极与输出单元二极管连接的MOS管M5的栅漏相连，功率管五M5的栅极、漏极电压也被钳位在电压V21值。由于功率管五M5上源极、漏极间的电流仅与尾电流源有关，所以可以认为功率管五M5上源极、漏极电压是一个与负载无关的电压VGS5，该电压是一个具有负温度系数的电压，又由于功率管五M5源极电压为具有正温度系数电压V21，通过合理的设置，可以令VGS5与V21的温度系数的绝对值近似相等。而输出参考电压VREF的值为VGS5与V21的和，故可以认为，我们得到了一个与温度无关的参考电压VREF。
下面具体阐述本实用新型电路的工作原理。
考虑图1中正温度系数电压产生电路11的工作情况。
参看图2所示，单级电路的输出VO情况。NMOS管A0MA0与NMOS管B0MB0均工作在亚阈值区。定义MOS管P0MP0产生的偏置电流为I0，则流过NMOS管A0MA0与NMOS管B0MB0的电流IDSA与IDSB相等。定义NMOS管B0MB0的栅源电压为VGSB，NMOS管A0MA0的栅源电压为VGSA，NMOS管A0MA0的宽长比为SA0，NMOS管B0MB0的宽长比为SB0，由亚阈值区的电流公式可得，
        （1）
        （2）
由于IDSA与IDSB相等，所以
   （3）
又VGSA=VGSB-VO，所以
    （4）
其中，t指绝对温度，n、k与工艺相关，所以VO是与温度成正比的。
考虑五级级联时的情况。设此时开关均关断，且此时各级的电流源大小相同，则每一级的下层的NMOS管均比前级下层NMOS管流经的电流大I0，而流经上层NMOS管的电流恒为I0。各级上下NMOS管的宽长比分别为SA与SB，定义nkT/q为VT，易得，
    （5）
由于VT是一个具有正温度系数的电压，故V21是一个具有正温度系数的电压。可以很容易得由公式（5）推广到更一般的情况，即当正温度系数电压产生电路11有n级时，输出电压
     （6）
由公式（6）可以很容易地通过改变接入正温度系数电压产生电路11的级数来对输出电压进行大范围的调节。
参看图1，由于M0-M4构成了运算放大器电路的作用，功率管五M5的漏极被固定在V21的电压值上，故得到VREF的电压为，
    （7）
其中，
VGS5=VTHP+VOV   （8）
在低功耗状态下，VOV很小，而VTHP典型地具有负的温度系数。通过合适的调整，使V21的正温度系数与VGS5的负温度系数相抵消，可得到一个低温度系数的参考电压VREF，一个实例结果见图3。最大温度系数在46个PPM左右，满足通常的要求。
上述方法可以推广到更多级的实现。
由上述方法实现的基准电压源由于不用对双极型晶体管进行偏置，回避了采用双极型晶体管时所出现的低电流状态下的增益不匹配问题。另一方面，由于该电路完全采用MOS管实现，避免了无源器件的使用，使得在低功耗状态下的面积不至于太大。综上，该发明很适合于低功耗系统的使用，且在面积上相对传统设计更具有优势，具有很好的性能与经济效应。

Claims (2)

1.具有温度补偿功能的基准电压产生电路，其特征在于，它包括依次连接的正温度系数电压产生电路（11）和类LDO电路（22），正温度系数电压产生电路（11）输出的具有正温度系数的电压通过类LDO电路（22）与具有负温度系数的电压进行叠加后，在类LDO电路（22）的输出端输出低温度系数的基准参考电压（Vref）；所述正温度系数电压产生电路（11）由单级或多级单元电路组成，每级单元电路包括采用MOS管的偏置电流源P和两个NMOS管，各级单元电路顺序级联，每级单元电路中的NMOS管A的栅极与NMOS管B的栅极相连接后分别接至NMOS管A的漏极与偏置电流源P的漏极，NMOS管A的源极与NMOS管B的漏极相连接，偏置电流源P产生的电流经过该级NMOS管A与NMOS管B后由NMOS管B的源极连接至下一级单元电路中NMOS管A的源极和NMOS管B的漏极，最后一级单元电路中NMOS管B的源极接地，第一级单元电路中NMOS管A源极与NMOS管B漏极的连接点作为输出节点；所述类LDO电路（22）包括运算放大器和输出单元，运算放大器包括晶体管零（M0）、晶体管一（M1）、晶体管二（M2）、晶体管三（M3）和晶体管四（M4），输出单元包括功率管五（M5）、功率管六（M6）和功率管七（M7），其中晶体管零（M0）的栅极与正温度系数电压产生电路（11）的输出节点相连接，晶体管零（M0）的源极与晶体管一（M1）的源极相连并接至晶体管四（M4）的漏极，晶体管二（M2）的栅极与晶体管三（M3）的栅极相连并接至晶体管三（M3）的漏极，晶体管二（M2）与晶体管三（M3）构成自偏置电流镜，晶体管零（M0）的漏极与晶体管二（M2）的漏极相连并接至输出单元的功率管六（M6）的栅极，晶体管一（M1）的栅极分别与功率管五（M5）的漏极和栅极相连接，功率管五（M5）的源极与功率管六（M6）的漏极相连且以该节点作为所需基准参考电压点，功率管七（M7）的栅极连接到晶体管四（M4）的栅极，功率管七（M7）的的漏极接功率管五（M5）的的漏极，功率管七（M7）的源极接地，所述多级的单元电路通过在除最后一级之外的其它单元电路中将NMOS管B的源极经开关接地来控制整个电路的级数及对电路输出进行调整。
2.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的基准电压产生电路，其特征在于，所述每级单元电路中的NMOS管A和NMOS管B均工作在亚阈值区。
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