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一种低功耗的基准电压

申请号 CN201710755026.0 申请日 2017-08-29 公开(公告)号 CN107368143A 公开(公告)日 2017-11-21
申请人 电子科技大学; 发明人 刘洋; 黄歆羡; 张才志; 安坤;
摘要 本 发明 属于集成 电路 技术领域,具体涉及一种低功耗的基准 电压 源。本发明采用无 电阻 设计,通过电压- 电流 和电压-电流转换电路以消除MOS管的 温度 影响;在进行 正温度系数 补偿的同时达到高阶温度补偿的效果,避免设计其他电路来进行高阶温度补偿,节省了版图面积和功耗;同时,尽管电路采用了共源共栅结构提高电源抑制比,但其 电源电压 依然可以达到0.9V,这进一步地减小了功耗,可以达到纳瓦级别。综上所述,本发明实现了低功耗,版图面积小,且具有高阶温度补偿的基准电压源。
权利要求

1.一种低功耗的基准电压源,包括偏置电路、PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路、高温调整电路、电流求和以及电流-电压转换电路,其特征在于:
偏置电路产生偏置电压为PTAT电流产生电路提供偏置;
PTAT电流产生电路通过加权热电势VT用来产生与温度正相关的线性电流,该电流通过共栅共源电流镜镜像到电流求和电路;
所述CTAT电流产生电路包括7个PMOS管、2个NMOS管和1个PNP型三极管;CTAT电流产生电路通过调整不同类型MOS管的宽长比的比值,在三极管基极-发射极电压VBE的基础叠加一个非线性电压进而产生一个与温度负相关的线性电流,该电流通过共栅共源电流镜镜像到电流求和电路;
PMOS管:MP17、MP18、MP19、MP20、MP21、MP22、MP23;NMOS管:MN11、MN12;PNP型三极管Q1;
其中MP17、MP18、MP19、MP20组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP17的栅极接MP17的漏极、MP18的栅极和MN11的漏极,MP17的源极接MP19的漏极、MP19的栅极和MP20的栅极,MP18的漏极接MN12的栅极、MN12的漏极和MN11的栅极,MP18的源极接MP20的漏极,MP19和MP20的源极都接电源电压VDD,MP21、MP22、MP23的衬底都接各自的源极,MP21、MP22、MP23的栅极都接地电位,MP21的漏极接MP22的源极,MP21的源极接MN11的源极,MP22的漏极接MP23的源极,MP23的漏极接地电位;PNP型三极管Q1的基极和集电极接地电位,发射极接MN12的源极,两个NMOS管的衬底都接地电位;
MN11、MN12管工作在亚阈值区,MN11、MN12管的宽长比的比值为K:1,K为正整数,且两个管子的类型不同,流过两个管子的电流相等;
由CTAT电流产生电路的连接方式可知CTAT电流的表达式为:
其中,VEB代表PNP三极管的发射极-基极电压, 代表MOS管的宽长比的比值η代表亚阈值斜率因子,VT代表热电势,μn代表NMOS管的迁移率,Coxn代表NMOS管的单位面积栅化层电容,Vthn代表NMOS管的阈值电压,VGSp代表PMOS管的栅源电压,Vthp代表PMOS管的阈值电压,R1代表PMOS管工作在线性区等效的电阻值;
高温调整电路在温度≥60℃时会产生纳安级别的电流,对60℃以上的电流求和电路产生的电流进行补偿;
电流求和电路用来将上述PTAT电流产生电路和CTAT电流产生电路求和,并输出近零温度系数的电流至电流-电压转换电路;
电流-电压转换电路将电流求和电路输出的电流转换成电压;
MOS管工作在亚阈值区,为防止MOS管工作在亚阈值区和饱和区的边界,MOS管的栅源电压应小于阈值电压,且漏源电压至少大于0.1V。
2.如权利要求1所述低功耗的基准电压源,其特征在于:
所述偏置电路包括,PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4和NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5;其中,4个PMOS管组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP1的栅极接MP2的漏极、MP2的栅极和MN2的漏极,MP1的漏极接MN1的漏极、MN1的栅极和MN2的栅极,MP1的源极接MP3的漏极,MP2的源极接MP4的漏极、MP4的栅极和MP3的栅极,MP3、MP4的源极接电源电压VDD;5个NMOS管衬底和MN1管的源极接地电位,MN2的源极接MN3的漏极,MN3、MN4、MN5的栅极都接输出参考电压VREF,MN3的源极接MN4的漏极,MN4的源极接MN5的漏极,MN5的源极接地电位。
3.如权利要求1所述低功耗的基准电压源,其特征在于:
所述PTAT电流产生电路包括,PMOS管MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10、MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16,NMOS管MN6、MN7、MN8、MN9、MN10和运算放大器OPA;其中,MP5、MP6、MP7、MP8管组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP5的栅极接MP1的栅极和MP6的栅极,MP5的漏极接MN6的漏极、MN6的栅极和MN7的栅极,MP5的源极接MP7的漏极,MP6的漏极接MN8的漏极、MN8的栅极和MN9的栅极,MP6的源极接MP8的漏极,MP7的栅极接MP3的栅极和MP8的栅极,MP7和MP8的源极都接电源电压VDD,MP9、MP10、MP11、MP12管组成另一个共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP9的栅极接MP9的漏极、MP10的栅极和MN10的漏极,MP9的源极接MP11的漏极、MP11的栅极和MP12的栅极,MP10的漏极接MP16的源极,MP10的源极接MP12的漏极,MP11和MP12的源极都接电源电压VDD,MP13、MP14、MP15、MP16的衬底都接各自的源极,MP13、MP14、MP15、MP16的栅极、MP13的漏极和MP14的漏极都接地电位,MP13的源极接MP15的漏极,MP14的源极接MP16的漏极,MP15的源极接MN10的源极和运算放大器OPA的反向输入端,形成负反馈;5个NMOS管的衬底都接到地电位,MN6的源极接MN7的漏极和MN9的源极,MN7的源极接地电位,MN8的源极接MN9的漏极和运算放大器OPA的同向输入端,MN10的栅极接运算放大器OPA的输出端。
MN7和MN6管的宽长比的比值为1:N,MN9和MN8管的宽长比的比值为1:M,其中N和M都是正整数,这两个比值通过电路功耗确定,流过MN6、MN7、MN8、MN9管的电流都相等,都等于偏置电路产生的PTAT电流;
MN7和MN6管的宽长比的比值为1:N,MN9和MN8管的宽长比的比值为1:M,其中N和M都是正整数,这两个比值通过电路功耗确定,流过MN6、MN7、MN8、MN9管的电流都相等,都等于偏置电路产生的PTAT电流;
由PTAT电流产生电路的连接方式可知PTAT电流的表达式为:
其中,R2是PMOS管工作在线性区的等效的电阻值,,μp代表PMOS管的迁移率,Coxp代表PMOS管的单位面积栅氧化层电容。
4.如权利要求1所述低功耗的基准电压源,其特征在于:
所述电流求和电路包括,PMOS管MP24、MP25、MP26、MP27、MP28、MP29和开关SW1、SW2;其中,6个PMOS管的衬底都接到各自的源极,MP24的栅极接MP9的栅极,MP24的漏极接输出参考电压VREF,MP24的源极接MP25的漏极,MP25的栅极接MP11的栅极,MP26的栅极和MP27的栅极接MP17的栅极,MP26的漏极接开关SW1的一端,MP26的源极接MP28的漏极,MP27的漏极接开关SW2的一端,MP27的源极接MP29的漏极,M28的栅极和MP29的栅极接MP19的栅极,MP25、MP28、MP29的源极都接电源电压VDD;开关SW1和SW2的另一端接输出参考电压VREF。
5.如权利要求1所述低功耗的基准电压源,其特征在于:
所述高温调整电路包括,PMOS管MP30、MP31,NMOS管MN13、MN14和开关SW3、SW4、SW5、SW6;2个PMOS管的衬底都接电源电压VDD,MP30的栅极接MP30的源极和电源电压VDD,MP30的漏极接开关SW3的一端,MP31的栅极接MP31的源极和电源电压VDD,MP31的漏极接开关SW4的一端;开关SW3和SW4的另一端接输出参考电压VREF;MN13的栅极接MN13的源极和开关SW5的一端,MN14的栅极接MN14的源极和开关SW6的一端,MN13和MN14的漏极接输出参考电压VREF;开关SW5和SW6的另一端接地电位;
高温调整电路后,输出基准电压源的表达式为:
VREF=(A·IPTAT+B·ICTAT+IHT)·R3   (5)
其中,R3也代表PMOS管工作在线性区的等效电阻值,IHT代表高温时的补偿电流,A、B是电流比例常数。

说明书全文

一种低功耗的基准电压

技术领域

[0001] 本发明属于集成电路技术领域,具体为集成电路中的基准电路,特别涉及一种低功耗的基准电压源。

背景技术

[0002] 基准电压源作为集成电路中必不可少的一个模,它可以为其它模拟、数字模块提供不随温度电源电压、工艺改变的精准的输出信号,在数据转换器、线性稳压器、开关电源和数字存储器中都有着广泛的应用。随着社会日新月异的发展,便携式设备为了具有更好的市场竞争,需要更低的功耗和更长的寿命,且在不同的温度环境下,具有稳定的电源电压,因此设计出一种低功耗、近零温度系数的基准电压源成为必然。
[0003] 在传统的电流模形式基准电路设计中,采用的是三极管基极-发射极电压VBE的负温度系数特性产生负温度系数的电流,两个不同面积的三极管基极-发射极电压之差产生与温度正相关的电压,通过电阻转换成与温度正相关的电流,将正、负温度相关的电流相加得到近零温度系数的电流。但是由于三极管基极-发射极电压VBE的温度系数近似为-2mV/℃,热电势VT的温度系数近似为0.087mV/℃,电阻之比乘于三极管面积之比大约为23,这不可避免的增大了版图的面积,且电阻之间的失配影响输出电压精度,另外该设计方法只进行了一阶温度补偿,在不同的温度范围下,输出基准电压随温度的变化比较大。因此设计出一种低功耗高阶温度补偿的基准电路成为热领域。
[0004] 为达到低功耗性能,需要将MOS管工作在亚阈值区,为防止MOS管工作在亚阈值区和饱和区的边界,MOS管的栅源电压应小于阈值电压,且漏源电压至少大于0.1V;为达到高阶补偿效果,过去的研究大多数都是增加额外的电路,这不仅增大了电路功耗也增加了版图面积,这对研究人员提出了一个新的挑战。

发明内容

[0005] 针对上述存在问题或不足,为实现低功耗,版图面积小,具有高阶温度补偿的基准电压源,本发明提供了一种低功耗的基准电压源。
[0006] 该低功耗的基准电压源,包括偏置电路、PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路、高温调整电路、电流求和以及电流-电压转换电路。
[0007] 偏置电路产生偏置电压为PTAT电流产生电路提供偏置。
[0008] PTAT电流产生电路通过加权热电势VT用来产生与温度正相关的线性电流,该电流通过共栅共源电流镜镜像到电流求和电路。
[0009] 所述CTAT电流产生电路包括7个PMOS管、2个NMOS管和1个PNP型三极管;CTAT电流产生电路通过调整不同类型MOS管的宽长比的比值,在三极管基极-发射极电压VBE的基础叠加一个非线性电压进而产生一个与温度负相关的线性电流,该电流通过共栅共源电流镜镜像到电流求和电路。
[0010] PMOS管:MP17、MP18、MP19、MP20、MP21、MP22、MP23;NMOS管:MN11、MN12;PNP型三极管Q1;其中MP17、MP18、MP19、MP20组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP17的栅极接MP17的漏极、MP18的栅极和MN11的漏极,MP17的源极接MP19的漏极、MP19的栅极和MP20的栅极,MP18的漏极接MN12的栅极、MN12的漏极和MN11的栅极,MP18的源极接MP20的漏极,MP19和MP20的源极都接电源电压VDD,MP21、MP22、MP23的衬底都接各自的源极,MP21、MP22、MP23的栅极都接地电位,MP21的漏极接MP22的源极,MP21的源极接MN11的源极,MP22的漏极接MP23的源极,MP23的漏极接地电位;PNP型三极管Q1的基极和集电极接地电位,发射极接MN12的源极,两个NMOS管的衬底都接地电位。
[0011] MN11、MN12管工作在亚阈值区,MN11、MN12管的宽长比的比值为K:1,K为正整数,且两个管子的类型不同,流过两个管子的电流相等。
[0012] 由CTAT电流产生电路的连接方式可知CTAT电流的表达式为:
[0013]
[0014]
[0015] 其中,VEB代表PNP三极管的发射极-基极电压, 代表MOS管的宽长比的比值,η代表亚阈值斜率因子,VT代表热电势,μn代表NMOS管的迁移率,Coxn代表NMOS管的单位面积栅化层电容,Vthn代表NMOS管的阈值电压,VGSp代表PMOS管的栅源电压,Vthp代表PMOS管的阈值电压。R1代表PMOS管工作在线性区等效的电阻值。
[0016] 高温调整电路在温度≥60℃时会产生纳安级别的电流,对60℃以上的电流求和电路产生的电流进行补偿。
[0017] 电流求和电路用来将上述PTAT电流产生电路和CTAT电流产生电路求和,并输出近零温度系数的电流至电流-电压转换电路。
[0018] 电流-电压转换电路将电流求和电路输出的电流转换成电压。
[0019] MOS管工作在亚阈值区,为防止MOS管工作在亚阈值区和饱和区的边界,MOS管的栅源电压应小于阈值电压,且漏源电压至少大于0.1V。
[0020] 进一步地,偏置电路包括,PMOS管:MP1、MP2、MP3、MP4,NMOS管:MN1、MN2、MN3、MN4、MN5;其中,4个PMOS管组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP1的栅极接MP2的漏极、MP2的栅极和MN2的漏极,MP1的漏极接MN1的漏极、MN1的栅极和MN2的栅极,MP1的源极接MP3的漏极,MP2的源极接MP4的漏极、MP4的栅极和MP3的栅极,MP3、MP4的源极接电源电压VDD;为了达到隔离的效果,5个NMOS管衬底和MN1管的源极接地电位,MN2的源极接MN3的漏极,MN3、MN4、MN5的栅极都接输出参考电压VREF,MN3的源极接MN4的漏极,MN4的源极接MN5的漏极,MN5的源极接地电位。
[0021] 进一步地,PTAT电流产生电路包括,PMOS管:MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10、MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16,NMOS管:MN6、MN7、MN8、MN9、MN10,运算放大器:OPA;其中,MP5、MP6、MP7、MP8管组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP5的栅极接MP1的栅极和MP6的栅极,MP5的漏极接MN6的漏极、MN6的栅极和MN7的栅极,MP5的源极接MP7的漏极,MP6的漏极接MN8的漏极、MN8的栅极和MN9的栅极,MP6的源极接MP8的漏极,MP7的栅极接MP3的栅极和MP8的栅极,MP7和MP8的源极都接电源电压VDD,MP9、MP10、MP11、MP12管组成另一个共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP9的栅极接MP9的漏极、MP10的栅极和MN10的漏极,MP9的源极接MP11的漏极、MP11的栅极和MP12的栅极,MP10的漏极接MP16的源极,MP10的源极接MP12的漏极,MP11和MP12的源极都接电源电压VDD,MP13、MP14、MP15、MP16的衬底都接各自的源极,MP13、MP14、MP15、MP16的栅极、MP13的漏极和MP14的漏极都接地电位,MP13的源极接MP15的漏极,MP14的源极接MP16的漏极,MP15的源极接MN10的源极和运算放大器OPA的反向输入端,形成负反馈;5个NMOS管的衬底都接到地电位,MN6的源极接MN7的漏极和MN9的源极,MN7的源极接地电位,MN8的源极接MN9的漏极和运算放大器OPA的同向输入端,MN10的栅极接运算放大器OPA的输出端。
[0022] 进一步地,MN7和MN6管的宽长比的比值为1:N,MN9和MN8管的宽长比的比值为1:M,其中N和M都是正整数,这两个比值通过电路功耗确定,流过MN6、MN7、MN8、MN9管的电流都相等,都等于偏置电路产生的PTAT电流。
[0023] 由PTAT电流产生电路的连接方式可知PTAT电流的表达式为:
[0024]
[0025]
[0026] 其中,R2是PMOS管工作在线性区的等效的电阻值μp代表PMOS管的迁移率,Coxp代表PMOS管的单位面积栅氧化层电容。
[0027] 进一步地,电流求和电路包括,PMOS管:MP24、MP25、MP26、MP27、MP28、MP29,开关:SW1、SW2;其中,6个PMOS管的衬底都接到各自的源极,MP24的栅极接MP9的栅极,MP24的漏极接输出参考电压VREF,MP24的源极接MP25的漏极,MP25的栅极接MP11的栅极,MP26的栅极和MP27的栅极接MP17的栅极,MP26的漏极接开关SW1的一端,MP26的源极接MP28的漏极,MP27的漏极接开关SW2的一端,MP27的源极接MP29的漏极,M28的栅极和MP29的栅极接MP19的栅极,MP25、MP28、MP29的源极都接电源电压VDD;开关SW1和SW2的另一端接输出参考电压VREF。
[0028] 进一步地,电流-电压转换电路包括,PMOS管:MP32、MP33、MP34;3个PMOS管的栅极都接”地”电位,衬底都接各自的源极,MP32的漏极接MP33的源极,MP32的源极接输出参考电压VREF,MP33的漏极接MP34的源极,MP34的漏极接地电位。
[0029] 进一步地,高温调整电路包括,PMOS管:MP30、MP31,NMOS管:MN13、MN14,开关:SW3、SW4、SW5、SW6;2个PMOS管的衬底都接电源电压VDD,MP30的栅极接MP30的源极和电源电压VDD,MP30的漏极接开关SW3的一端,MP31的栅极接MP31的源极和电源电压VDD,MP31的漏极接开关SW4的一端;开关SW3和SW4的另一端接输出参考电压VREF;MN13的栅极接MN13的源极和开关SW5的一端,MN14的栅极接MN14的源极和开关SW6的一端,MN13和MN14的漏极接输出参考电压VREF;开关SW5和SW6的另一端接地电位。
[0030] 进一步地,考虑高温调整电路后,输出基准电压源的表达式为:
[0031] VREF=(A·IPTAT+B·ICTAT+IHT)·R3  (5)
[0032]
[0033] 其中,R3也代表PMOS管工作在线性区的等效电阻值,IHT代表高温时的补偿电流,A、B是电流比例常数。由此可知,只要构成R1、R2、R3的MOS管类型一样,则它们的温度系数可以相互抵消,对输出基准电压源的温度系数无影响。
[0034] 本发明采用无电阻设计,先确定PTAT电流的温度系数,再确定CTAT电流的温度系数同时达到高阶温度补偿的效果,用工作在深线性区的MOS管代替电阻;其次,在对正温度系数进行温度补偿的同时消除了高阶温度系数;最后,针对温度较高时的温度系数进行了温度高阶调整以达到整个温度范围内温度系数更小。与传统做法不同,在无阻情况下温度系数很低。通过电压-电流和电压-电流转换电路以消除MOS管的温度影响;在进行正温度系数补偿的同时达到高阶温度补偿的效果,避免设计其他电路来进行高阶温度补偿,节省了版图面积和功耗;同时,尽管电路采用了共源共栅结构提高电源抑制比,但其电源电压依然可以达到0.9V,这进一步地减小了功耗,可以达到纳瓦级别。
[0035] 综上所述,本发明实现了低功耗,版图面积小,且具有高阶温度补偿的基准电压源。附图说明
[0036] 图1是本发明的结构框图
[0037] 图2是实施例的电路图;
[0038] 图3是实施例CTAT电流产生电路的详细电路图;
[0039] 图4是实施例的温度特性示意图。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图和实施例,详细描述本发明:
[0041] 具体电路构架如图2所示,包括偏置电路、PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路、高温调整电路、电流求和以及电流-电压转换电路。
[0042] 偏置电路包括,PMOS管:MP1、MP2、MP3、MP4,NMOS管:MN1、MN2、MN3、MN4、MN5;其中,4个PMOS管组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP1的栅极接MP2的漏极、MP2的栅极和MN2的漏极,MP1的漏极接MN1的漏极、MN1的栅极和MN2的栅极,MP1的源极接MP3的漏极,MP2的源极接MP4的漏极、MP4的栅极和MP3的栅极,MP3、MP4的源极接电源电压VDD;为了达到隔离的效果,5个NMOS管衬底和MN1管的源极接地电位,MN2的源极接MN3的漏极,MN3、MN4、MN5的栅极都接输出参考电压VREF,MN3的源极接MN4的漏极,MN4的源极接MN5的漏极,MN5的源极接地电位。
[0043] PTAT电流产生电路包括,PMOS管:MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10、MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16,NMOS管:MN6、MN7、MN8、MN9、MN10,运算放大器:OPA;其中,MP5、MP6、MP7、MP8管组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP5的栅极接MP1的栅极和MP6的栅极,MP5的漏极接MN6的漏极、MN6的栅极和MN7的栅极,MP5的源极接MP7的漏极,MP6的漏极接MN8的漏极、MN8的栅极和MN9的栅极,MP6的源极接MP8的漏极,MP7的栅极接MP3的栅极和MP8的栅极,MP7和MP8的源极都接电源电压VDD,MP9、MP10、MP11、MP12管组成另一个共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP9的栅极接MP9的漏极、MP10的栅极和MN10的漏极,MP9的源极接MP11的漏极、MP11的栅极和MP12的栅极,MP10的漏极接MP16的源极,MP10的源极接MP12的漏极,MP11和MP12的源极都接电源电压VDD,MP13、MP14、MP15、MP16的衬底都接各自的源极,MP13、MP14、MP15、MP16的栅极、MP13的漏极和MP14的漏极都接地电位,MP13的源极接MP15的漏极,MP14的源极接MP16的漏极,MP15的源极接MN10的源极和运算放大器OPA的反向输入端,形成负反馈;5个NMOS管的衬底都接到地电位,MN6的源极接MN7的漏极和MN9的源极,MN7的源极接地电位,MN8的源极接MN9的漏极和运算放大器OPA的同向输入端,MN10的栅极接运算放大器OPA的输出端。
[0044] CTAT电流产生电路包括,PMOS管:MP17、MP18、MP19、MP20、MP21、MP22、MP23,NMOS管:MN11、MN12,PNP型三极管Q1;其中MP17、MP18、MP19、MP20组成共源共栅电流镜且衬底都接各自的源极,MP17的栅极接MP17的漏极、MP18的栅极和MN11的漏极,MP17的源极接MP19的漏极、MP19的栅极和MP20的栅极,MP18的漏极接MN12的栅极、MN12的漏极和MN11的栅极,MP18的源极接MP20的漏极,MP19和MP20的源极都接电源电压VDD,MP21、MP22、MP23的衬底都接各自的源极,MP21、MP22、MP23的栅极都接地电位,MP21的漏极接MP22的源极,MP21的源极接MN11的源极,MP22的漏极接MP23的源极,MP23的漏极接地电位;PNP型三极管Q1的基极和集电极接地电位,发射极接MN12的源极,两个NMOS管的衬底都接地电位。
[0045] 电流求和电路包括,PMOS管:MP24、MP25、MP26、MP27、MP28、MP29,开关:SW1、SW2;其中,6个PMOS管的衬底都接到各自的源极,MP24的栅极接MP9的栅极,MP24的漏极接输出参考电压VREF,MP24的源极接MP25的漏极,MP25的栅极接MP11的栅极,MP26的栅极和MP27的栅极接MP17的栅极,MP26的漏极接开关SW1的一端,MP26的源极接MP28的漏极,MP27的漏极接开关SW2的一端,MP27的源极接MP29的漏极,M28的栅极和MP29的栅极接MP19的栅极,MP25、MP28、MP29的源极都接电源电压VDD;开关SW1和SW2的另一端接输出参考电压VREF。
[0046] 电流-电压转换电路包括,PMOS管:MP32、MP33、MP34;3个PMOS管的栅极都接”地”电位,衬底都接各自的源极,MP32的漏极接MP33的源极,MP32的源极接输出参考电压VREF,MP33的漏极接MP34的源极,MP34的漏极接地电位。
[0047] 高温调整电路包括,PMOS管:MP30、MP31,NMOS管:MN13、MN14,开关:SW3、SW4、SW5、SW6;2个PMOS管的衬底都接电源电压VDD,MP30的栅极接MP30的源极和电源电压VDD,MP30的漏极接开关SW3的一端,MP31的栅极接MP31的源极和电源电压VDD,MP31的漏极接开关SW4的一端;开关SW3和SW4的另一端接输出参考电压VREF;MN13的栅极接MN13的源极和开关SW5的一端,MN14的栅极接MN14的源极和开关SW6的一端,MN13和MN14的漏极接输出参考电压VREF;开关SW5和SW6的另一端接地电位。
[0048] 图4示出了本实施例的温度特性。
[0049] 本发明的工作原理为:
[0050] PTAT电流产生电路中,MN6、MN7、MN8、MN9是核心的MOS管,用来产生与温度正相关的电压,且该电路中除了用来代替电阻的MOS管都工作在亚阈值区,亚阈值区MOS管的电流-电压表达式为
[0051]
[0052] 由于MOS管漏源电压VDS大于0.1V,中括号内的项可以忽略,根据电路功耗选择MN7和MN6管的宽长比的比值为1:N,MN9和MN8管的宽长比的比值为1:M,流过MN6、MN7、MN8和MN9的电流相等且管子类型相同,因此VA处电压为VA=ηVTln(M·N),因为热电势VT具有正温度系数,所以电压VA具有正温度系数,运算放大器的同向、反向输入端电压相等,将VA处的电压钳位到VB,通过电压-电流转换电路将正温度系数的电压转换为正温度系数的电流。
[0053] CTAT电流产生电路中,MN11、MN12管是核心MOS管,Q1是核心三极管,用来产生与温度负相关的电压同时进行高阶温度补偿。该电路中除了用来代替电阻的MOS管都工作在亚阈值区,MN11、MN12管的宽长比的比值为K:1,且两个管子的类型不同,因此它们有不同的迁移率、单位栅氧化层电容和阈值电压,流过两条支路的电流相等。根据基尔霍夫电压定律知,VC=VGSn12-VGSn11+VEB,其中,
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 就是热电势VT,在室温下约为25.9mV,q=1.6×1019C,是电子电荷量,T是开尔文温度,k=1.38×10-23J/℃,是玻尔兹曼常数,VGSn代表NMOS管的栅源电压,VG0是在开尔文温度为零时的带隙电压,大约为1.206V,ρ是与工艺相关的温度系数,θ是与温度相关的阶数,Tr是参考温度;式(10)中前两项与温度线性相关,后一项与温度非线性相关,联合(8)、(9)、(10)式,得到VC处电压的表达式为:
[0058]
[0059] 阈值电压Vth与温度非线性负相关,可以看出,只要选择合适的MN11、MN12管,由上式第三项产生的非线性温度系数和第五项产生的非线性项可以抵消,只剩下与温度线性相关的项,这同时达到了产生线性负温度项和抵消了非线性温度项的效果。根据零温度系数理论,正温度系数的大小等于负温度系数的大小,
即 系数K由下式确定:
[0060]
[0061] 高温调整电路中,MN13、MN14、MP30、MP31管是核心MOS管,所用的MOS管栅源短接,所以VGS=0,工作在亚阈值区,其电流-电压特性如式(13)所示,串联开关在不同环境下开启或者关断,保证整个电路在不同环境下的温度系数都良好。
[0062]
[0063] 由于栅源短接,MOS管没有开启,在室温时电流非常小,当温度升高时,鉴于的影响,电流会变大,达到高温电流补偿的效果。
[0064] 电流-电压转换电路中,用MOS管代替电阻将加权后的电流信号转换成电压信号,其等效电阻值为:
[0065]
[0066] 输出基准电压表达式为:
[0067] VREF=(A·IPTAT+B·ICTAT+IHT)·R3  (15)
[0068] 显而易见,选取相同类型的PMOS管构成等效电阻,用来进行电压-电流转换和电流-电压转换,则它们的迁移率,单位栅氧化层电容和阈值电压都一样,因此,虽然理论上单个MOS构成的等效电阻与温度有关,但他们的比值与温度无关,从而输出基准电压源得到更好的温度特性。
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