CN210666511U - 一种超低功耗电压基准电路 - Google Patents

一种超低功耗电压基准电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型实施例提供一种超低功耗电压基准电路，其特征在于，包括：启动电路模块、电流产生电路模块和输出电压基准电路模块；所述启动电路模块，用于向所述电流产生电路模块注入电压启动信号；所述电流产生电路模块，用于根据所述电压启动信号产生正温度系数电流，并将所述正温度系数电流复制到所述输出电压基准电路模块；其中，所述正温度系数电流为与电源无关的偏置电流；所述输出电压基准电路模块，用于对所述正温度系数电流进行温度补偿，输出基准电压。本实用新型实施例具有超低功耗、低温度系数、低线性度，高电源抑制比、较低的工作电压等优点，可为集成电路提供不受温度影响的基准电压，提高集成芯片的性能。

Description

一种超低功耗电压基准电路
技术领域
本实用新型涉及集成电路领域，尤其涉及一种超低功耗电压基准电路。
背景技术
电压基准是现代模拟集成电路的重要组成部分，它与温度、电源电压和工艺无关，广泛应用于电压变换器、可穿戴电子产品和物联网等领域。
温度系数，电压线性度，电源抑制比，功耗是电压基准的几大性能指标。在设计中，研究者希望电路在超低功耗下工作，并且具有低温度系数，低电压线性度和高电源抑制比。
在早期的基准源设计中，通常是利用双极型晶体管的基极-发射极电压VBE具有负温度系数，不同发射结电流密度下的两个基发射结电压之差ΔVBE具有正温度系数，将两者线性叠加，进而在理论上能得到零温度系数的基准电压。但这些电路具有功耗高，最低工作电压高等缺点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种超低功耗电压基准电路，具有超低功耗、低温度系数、低线性度、高电源抑制比、较低的工作电压。
为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种超低功耗电压基准电路，包括：启动电路模块、电流产生电路模块和输出电压基准电路模块；
所述启动电路模块与所述电流产生电路模块连接，所述电流产生电路模块与所述输出电压基准电路模块连接；
所述启动电路模块，用于向所述电流产生电路模块注入电压启动信号；
所述电流产生电路模块，用于根据所述电压启动信号产生正温度系数电流，并将所述正温度系数电流复制到所述输出电压基准电路模块；其中，所述正温度系数电流为与电源无关的偏置电流；具体的，
所述电流产生电路模块包括三条电流支路和一个运放OP，所述三条电流支路由NMOS管M1、M2、M3、M4和M5，以及PMOS管PM1、PM2和PM3组成；所述PM1、PM2和PM3以电流镜结构连接，即PM1、PM2和PM3的栅极连接并引出产生电流输出端，并连接到运放OP的输出端，所述PM1、PM2和PM3的源极接电源；所述M1和所述M3分别接成二极管形式，即M1和M3各自的栅极和漏极相连，所述M2和所述M4的源极接地，所述M1的源极和所述M2的漏极连接，并接入运放OP的反相输入端，所述M1的漏极和所述PM1的漏极连接，所述M1的栅极和漏极均与所述M2的栅极连接，所述M3的漏极和栅极均与所述PM2的漏极连接，所述M4的漏极与所述M3的源极连接，并接入所述运放OP的同相输入端；所述M5的栅极接到漏极，连接成二极管形式，所述M5的源极接地，所述M5的栅极和漏极均与M4的栅极连接，同时与所述PM3的漏极相连；
所述输出电压基准电路模块，用于对所述正温度系数电流进行温度补偿，输出基准电压。
进一步地，所述电流产生电路模块的NMOS管M5工作在饱和区，所述电流产生电路模块的NMOS管M4工作在深性线性区，所述电流产生电路模块的其余MOS管均工作在亚阈值区。
进一步地，所述输出电压基准电路模块包括PMOS管PM4、PM5和NMOS管M6、M7、M8；所述PM4、PM5的栅极相连，作为所述输出电压基准电路模块的输入端，并与所述电流产生电路模块的产生电流输出端连接，所述PM4、PM5的源极接电源，所述M6的漏极和栅极以及所述M7的栅极与所述PM4的漏极连接，所述M7的漏极与所述M6的源极连接，所述M7的源极接地，所述M8的源极与所述M7的漏极连接，所述M8的漏极和栅极与所述PM5的漏极连接作为基准输出端Vref。
进一步地，所述输出电压基准电路模块中所有MOS管均工作在亚阈值区。
进一步地，所述启动电路模块包括：NMOS管MS1、MS2和MS3，以及PMOS管MC；所述MC的漏极和所述MC的源极均与电源连接，所述MC的栅极与所述MS2的栅极、所述MS3的栅极相连，所述MS2和所述MS3分别构成两个启动回路，所述MS2组成的第一启动回路通过所述电流产生模块的运放OP的反相输入端给PMOS电流镜注入启动信号，所述MS3组成的第二启动回路通过所述电流产生模块的运放OP的同相输入端给PMOS电流镜注入启动信号；所述MS1的漏极与所述MS2的栅极、所述MS3的栅极连接，所述MS1的源极接地，所述MS1的栅极连接到电压基准输出端Vref。
本实用新型实施例所述电流产生电路模块在正常启动之后，能够产生与电源无关的偏置电流，此电流具有正温度系数且非常小，从而实现电路的超低功耗。所述运算放大器OP具有很大的增益，确保了A和B两点电压相等，减小了沟道长度调制引起的不匹配，从而使得产生的电流几乎不随电源电压变化，提高了基准源电源抑制比，降低了电路的电压线性度。所述输出电压基准电路模对所述正温度系数电流进行温度补偿，从而能够输出一个与电源、温度无关的基准电压。本实用新型可为集成电路提供不受温度影响的基准电压，提高集成芯片的性能。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的电路图。
图2是本实用新型实施例提供的电流产生电路模块的简化电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
参考图1-2，本实用新型实施例提供一种超低功耗电压基准电路，包括：启动电路模块、电流产生电路模块和输出电压基准电路模块；
所述启动电路模块与所述电流产生电路模块连接，所述电流产生电路模块与所述输出电压基准电路模块连接；
所述启动电路模块，用于向所述电流产生电路模块注入电压启动信号；
所述电流产生电路模块，用于根据所述电压启动信号产生正温度系数电流，并将所述正温度系数电流复制到所述输出电压基准电路模块；其中，所述正温度系数电流为与电源无关的偏置电流；
所述输出电压基准电路模块，用于对所述正温度系数电流进行温度补偿，输出基准电压。
其中，所述启动电路模块包括：NMOS管MS1、MS2和MS3，以及PMOS管MC；所述MC的漏极和所述MC的源极均与电源连接，所述MC的栅极与所述MS2的栅极、所述MS3的栅极相连；所述MS2和所述MS3分别构成两个启动回路，所述MS2组成的第一启动回路通过所述电流产生模块的运放OP的反相输入端给PMOS电流镜注入启动信号，所述MS3组成的第二启动回路通过所述电流产生模块的运放OP的同相输入端给PMOS电流镜注入启动信号；即，所述MS2的源级与所述运放OP的反相输入端连接，所述MS3的源极与所述运放OP的同相输入端连接；所述MS2的漏极与所述MS3的漏极连接，作为所述启动电路模块的输出端，并与所述运放OP的输出端连接。所述MS1的漏极与所述MS2的栅极、所述MS3的栅极连接，所述MS1的源极接地，所述MS1的栅极连接到电压基准输出端Vref。其中，需要说明的是，所述运放OP指的是运算放大器。
CMOS的阈值电压随温度变化而改变，具有负温度系数，其表达式为
VTH＝VTH(T0)-κ(T-T0) (1)
其中VTH(T0)表示不随温度变化的阈值电压，κ是阈值电压的温度系数，T是电路工作温度。
若CMOS的源衬电压VSB不为零，考虑体效应影响，阈值电压表达式为
Figure BDA0002244942280000041
其中
Figure BDA0002244942280000042
为考虑体效应之后的阈值电压，η为亚阈值斜率因子。
工作在饱和区和亚阈值区的CMOS管的电流电压特性分别如式(3)(4)所示：
Figure BDA0002244942280000043
Figure BDA0002244942280000044
其中ID，VGS分别为CMOS管的漏电流和栅源电压，μ为电子迁移率，Cox为单位面积的栅氧化层电容，K为CMOS管的宽长比,VT为热电压(VT＝kB/T)，具有正温度系数。
工作在深性线性区的CMOS管的电阻Ron等效如式(5)所示:
Figure BDA0002244942280000045
在本实施例中，超低功耗电压基准电路中MOS管的电源电压均为1.8V。
所述电流产生电路模块包括三条电流支路和一个运放OP，所述三条电流支路由NMOS管M1、M2、M3、M4和M5，以及PMOS管PM1、PM2和PM3组成；所述PM1、PM2和PM3以电流镜结构连接，即PM1、PM2和PM3的栅极连接并引出产生电流输出端，并连接到运放OP的输出端，所述PM1、PM2和PM3的源极接电源；所述M1和所述M3分别接成二极管形式，即M1和M3各自的栅极和漏极相连，所述M2和所述M4的源极接地，所述M1的源极和所述M2的漏极连接，并接入运放OP的反相输入端，所述M1的漏极和所述PM1的漏极连接，所述M1的栅极和漏极均与所述M2的栅极连接，所述M3的漏极和栅极均与所述PM2的漏极连接，所述M4的漏极与所述M3的源极连接，并接入所述运放OP的同相输入端；所述M5的栅极接到漏极，连接成二极管形式，所述M5的源极接地，所述M5的栅极和漏极均与M4的栅极连接，同时与所述PM3的漏极相连。其中，所述M5工作在饱和区，所述M4工作在深性线性区等效于电阻，其余MOS管均工作在亚阈值区。M5处于饱和微导通状态，能够降低电路静态电流。
在本实用新型实施例中，所述用于根据所述电压启动信号产生正温度系数电流，并将所述正温度系数电流复制到所述输出电压基准电路模块；所述正温度系数电流为与电源无关的偏置电流，其中，
所述偏置电流的表达式可通过以下方式推导出：
根据M1、M2、M4的连接关系，可以得到
VGS2-VGS1＝VDS4 (6)
根据欧姆定律，可得到
VDS4＝I×Ron4 (7)
其中VDS4为M4的漏源电压。
把式(5)代入式(7)，再把式(4)(7)代入式(6)，且由M4和M5的连接关系，可得到
Figure BDA0002244942280000051
把式(3)代入式(8)并化简，得到所述偏置电流表达式
Figure BDA0002244942280000052
所述输出电压基准电路模块包括PMOS管PM4、PM5和NMOS管M6、M7、M8；所述PM4、PM5的栅极相连，作为所述输出电压基准电路模块的输入端，并与所述电流产生电路模块的产生电流输出端连接，所述PM4、PM5的源极接电源，所述M6的漏极和栅极以及所述M7的栅极与所述PM4的漏极连接，所述M7的漏极与所述M6的源极连接，所述M7的源极接地，所述M8的源极与所述M7的漏极连接，所述M8的漏极和栅极与所述PM5的漏极连接作为基准输出端Vref。所述输出电压基准电路模块中所有MOS管均工作在亚阈值区。
在本实用新型实施例中，所述零温度系数的输出条件可通过以下方式推导得出：
根据M6、M7和M8的连接关系，可以得到
Figure BDA0002244942280000053
由于M6和M8的源衬电压VSB相等，所以VTH8＝VTH6，把式(1)(9)代入式(10)，化简得
Figure BDA0002244942280000054
令
Figure BDA0002244942280000055
得到零温度系数输出的条件为
Figure BDA0002244942280000056
即，通过调整相关MOS管的尺寸使得等式成立，便可以实现零温度系数的基准电压输出。
利用小信号分析方法，可以得到电流产生模块产生的电流随电源电压的变化表达式为
Figure BDA0002244942280000061
其中，g，r分别表示对应MOS管的跨导和漏源电阻，根据小信号模型分析，根据式(13)可以大大提高了基准源输出的电源抑制比，降低基准输出电压的电压线性度。
在本实用新型实施例中，根据M1、M2、M3、M4和M5连接点的电压电流关系可得到偏置电流的表达式，通过调节其宽长比可以就得到所需的输出电流。此外，所述运算放大器OP具有很大的增益，确保了A和B两点电压相等(参见附图1)，减小了沟道长度调制引起的不匹配，从而使得产生的电流几乎不随电源电压变化，提高了基准源电源抑制比，降低了电路的电压线性度。
本实用新型实施例具有如下有益效果：
1)所述启动电路模块最先工作，起辅助作用。其中，所述启动电路模块用于摆脱简并点，避免电压基准源电路工作在零状态区导致电路无法工作，即，在电源电压上升后，启动电路模块通过MOS电容充电使得其中的NMOS管导通，最后向电流产生电路模块PMOS电流镜栅极注入电压启动信号，使得电路正常启动，同时，当电路正常工作后启动电路模块将自动断开，从而能够减少功耗。
2)本实用新型实施例整个低功耗基准电路只使用了MOS管并未使用电容和电阻，从而减小了电路的面积，且大都数MOS均工作在亚阈值区域，从而减少了功耗。
3)所述电流产生电路模块在正常启动之后，能够产生与电源无关且与温度正相关的非常小的偏置电流，从而能够实现电路的超低功耗；
4)所述运算放大器OP具有很大的增益，确保了A和B两点电压相等，减小了沟道长度调制引起的不匹配，从而使得产生的电流几乎不随电源电压变化，提高了基准源电源抑制比，降低了电路的电压线性度。
5)输出电压基准电路模块将所述具有正温度系数电流注入到三个有特定连接关系的NMOS管中进行温度补偿，从而能够得到一个与电源、温度无关的基准电压。
6)本实用新型可为集成电路提供不受温度影响的基准电压，提高集成芯片的性能。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种超低功耗电压基准电路，其特征在于，包括：启动电路模块、电流产生电路模块和输出电压基准电路模块；
所述启动电路模块与所述电流产生电路模块连接，所述电流产生电路模块与所述输出电压基准电路模块连接；
所述启动电路模块，用于向所述电流产生电路模块注入电压启动信号；
所述电流产生电路模块，用于根据所述电压启动信号产生正温度系数电流，并将所述正温度系数电流复制到所述输出电压基准电路模块；其中，所述正温度系数电流为与电源无关的偏置电流；具体的，
所述电流产生电路模块包括三条电流支路和一个运放OP，所述三条电流支路由NMOS管M1、M2、M3、M4和M5，以及PMOS管PM1、PM2和PM3组成；所述PM1、PM2和PM3以电流镜结构连接，即PM1、PM2和PM3的栅极连接并引出产生电流输出端，并连接到所述运放OP的输出端，所述PM1、PM2和PM3的源极接电源；所述M1和所述M3分别接成二极管形式，即M1和M3各自的栅极和漏极相连，所述M2和所述M4的源极接地，所述M1的源极和所述M2的漏极连接，并接入运放OP的反相输入端，所述M1的漏极和所述PM1的漏极连接，所述M1的栅极和漏极均与所述M2的栅极连接，所述M3的漏极和栅极均与所述PM2的漏极连接，所述M4的漏极与所述M3的源极连接，并接入所述运放OP的同相输入端；所述M5的栅极接到漏极，连接成二极管形式，所述M5的源极接地，所述M5的栅极和漏极均与M4的栅极连接，同时与所述PM3的漏极相连；
所述输出电压基准电路模块，用于对所述正温度系数电流进行温度补偿，输出基准电压。
2.根据权利要求1所述的超低功耗电压基准电路，其特征在于，所述电流产生电路模块的NMOS管M5工作在饱和区，所述电流产生电路模块的NMOS管M4工作在深性线性区，所述电流产生电路模块的其余MOS管均工作在亚阈值区。
3.根据权利要求1或2所述的超低功耗电压基准电路，其特征在于，所述输出电压基准电路模块包括PMOS管PM4、PM5和NMOS管M6、M7、M8；所述PM4、PM5的栅极相连，作为所述输出电压基准电路模块的输入端，并与所述电流产生电路模块的产生电流输出端连接，所述PM4、PM5的源极接电源，所述M6的漏极和栅极以及所述M7的栅极与所述PM4的漏极连接，所述M7的漏极与所述M6的源极连接，所述M7的源极接地，所述M8的源极与所述M7的漏极连接，所述M8的漏极和栅极与所述PM5的漏极连接作为基准输出端Vref。
4.根据权利要求3所述的超低功耗电压基准电路，其特征在于，所述输出电压基准电路模块中所有MOS管均工作在亚阈值区。
5.根据权利要求3所述的超低功耗电压基准电路，其特征在于，所述启动电路模块包括：NMOS管MS1、MS2和MS3，以及PMOS管MC；所述MC的漏极和所述MC的源极均与电源连接，所述MC的栅极与所述MS2的栅极、所述MS3的栅极相连，所述MS2和所述MS3分别构成两个启动回路，所述MS2组成的第一启动回路通过所述电流产生模块的运放OP的反相输入端给PMOS电流镜注入启动信号，所述MS3组成的第二启动回路通过所述电流产生模块的运放OP的同相输入端给PMOS电流镜注入启动信号；所述MS1的漏极与所述MS2的栅极、所述MS3的栅极连接，所述MS1的源极接地，所述MS1的栅极连接到电压基准输出端Vref。
6.根据权利要求4所述的超低功耗电压基准电路，其特征在于，所述启动电路模块包括：NMOS管MS1、MS2和MS3，以及PMOS管MC；所述MC的漏极和所述MC的源极均与电源连接，所述MC的栅极与所述MS2的栅极、所述MS3的栅极相连，所述MS2和所述MS3分别构成两个启动回路，所述MS2组成的第一启动回路通过所述电流产生模块的运放OP的反相输入端给PMOS电流镜注入启动信号，所述MS3组成的第二启动回路通过所述电流产生模块的运放OP的同相输入端给PMOS电流镜注入启动信号；所述MS1的漏极与所述MS2的栅极、所述MS3的栅极连接，所述MS1的源极接地，所述MS1的栅极连接到电压基准输出端Vref。
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