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一种低 温度系数CMOS基准 电压源

阅读：1002发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种低温度系数CMOS基准电压源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种低温度系数的CMOS基准电压源，包括启动电路 A、基于VBE的基准电压产生电路B、输出电路C、基于VGS的基准电压产生电路D。其中，启动电路与基准源电流镜电路连接，用于电源上电时提供启动电流，使基准电压源脱离简并点；基于VBE的基准电压产生电路产生基于三极管基级-发射极电压的一阶基准电压；基于VGS的基准电压产生电路产生基于晶体管栅源电压的一阶基准电压。本发明通过双基准电压的加权互补，有效抵消了非线性温度项，降低了温度系数，提高了基准源的稳定性。，下面是一种低温度系数CMOS基准电压源专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低温度系数的CMOS基准电压源，其特征在于：包括启动电路、基于VBE的基准电压产生电路、输出电路、基于VGS的基准电压产生电路依次连接；其中，启动电路与基准源电流镜电路连接，用于电源上电时提供启动电流，使基准电压源脱离简并点；基于VBE的基准电压产生电路产生基于三极管基级-发射极电压的一阶基准电压；基于VGS的基准电压产生电路产生基于晶体管栅源电压的一阶基准电压；输出电路将双基准电压加权互补，并最终输出基准电压。
2.根据权利要求1所述的一种低温度系数的CMOS基准电压源，其特征在于：启动电路由MOS管M21-MOS管M24组成；M21的源极与电源VDD连接，栅极与M24的漏极连接，并作为启动电路的输出端与基于VGS的基准源电路的输入端连接；M22的源极与M23的漏极连接，M22的栅极和漏极共接后与M24的栅极和M23的漏极连接；M23和M24的源极与地GND连接，M24的栅极与输出基准电压VREF连接。
3.根据权利要求1所述的一种低温度系数的CMOS基准电压源，其特征在于：基于VBE的基准电压产生电路由MOS管M1-M6、三极管Q1-Q3、运放OP、电阻R1和电阻R2组成；M2、M4、M6的源极与电源VDD连接，M2、M4、M6的栅极与运放OP的输出端连接，Q1、Q2、Q3的基级和集电极与地连接；M2的漏极与M1的源极连接，M4的漏极与M3的源极连接，M6的漏极与M5的源极连接；M1、M3、M5的栅极与M1的漏极、OP的正向输入端、电阻R1的上端连接；M3的漏极与OP的反向输入端和三极管Q2的发射极连接；M5的漏极与电阻R2的上端连接；电阻R1的下端与三极管Q1的发射极连接；M5的漏极与电阻R2的上端连接，并作为基于VBE的基准源电路的输出端与输出电路的输入端连接；电阻R2的下端与三极管Q3的发射极连接。
4.根据权利要求1所述的一种低温度系数的CMOS基准电压源，其特征在于：输出电路由电阻R5和电阻R6组成；电阻R5的左端作为输出电路的输入端与VBE的基准源电路的输出端；
电阻R6的右端作为输出电路的输入端与VGS的基准源电路的输出端连接；电阻R5的右端和电阻R6左端连接，并作为整个基准源的输出端口。
5.根据权利要求1所述的一种低温度系数的CMOS基准电压源，其特征在于：基于VGS的基准电压产生电路由MOS管M7-M20、电阻R3以及电阻R4组成；M9、M13、M14、M20的源极与电源VDD连接，M7、M10、M17、M18的源极与地连接；M9、M13、M14的栅极与M13的漏极和M12的源极连接，M20的栅极与漏极共接，并与M19的源极连接；M9的漏极与M8的源极连接，M14的漏极与M15的源极连接；M8、M12、M15的栅极与M12的漏极和M11的源极连接，M19的栅极与漏极共接；
M8的漏极与电阻R3的上端连接，并作为基于VGS的基准源电路的输出端口与输出电路的输入端连接；M15的漏极、M16的漏极和栅极以及M11的栅极连接；M11的源极与电阻R4的的上端连接，M16的源极与M17的漏极连接；电阻R3的下端与M7的漏端连接，电阻R4的下端与M10的漏端连接；M7、M10、M17、M18的栅极、M18的漏极和M19的漏极连接。

说明书全文

一种低温度系数CMOS基准 电压源

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种低温度系数的CMOS基准电压源。

背景技术

[0002] 基准电压源作为模拟集成电路的一个基本模块被广泛应用多种电路和系统中，例如模数转换器、数模转换器、开关电源和线性稳压器等，其功耗和稳定性直接决定整个系统的稳定性和使用寿命。

[0003] 随着集成电路的发展，人们对基准电压源的稳定性的要求越来越高。传统一阶带隙基准电路通常是由具有正温度系数的基极-发射极电压之差(△VBE)和具有负温度系数的基极-发射极电压(VBE)按一定比例相加，抵消二者的温度系数得到零温度的带隙基准电压源。然而VBE中包含线性温度项和高阶温度项，△VBE仅能补偿线性温度项，使得温度系数只能达到10ppm以上。为了进一步降低温度系数，需要采用新的高阶补偿办法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种低温度系数的CMOS基准电压源电路，包括启动电路、基于VBE的基准电压产生电路、基于VGS的基准电压产生电路、输出电路。

[0005] 其中，启动电路与基准源电流镜电路连接，用于电源上电时提供启动电流，使基准电压源脱离简并点；基于VBE的基准电压产生电路产生基于三极管基级-发射极电压的的一阶基准电压；基于VGS的基准电压产生电路产生基于晶体管栅源电压的的一阶基准电压；输出电路将双基准电压加权互补，并最终输出基准电压。

[0006] 本发明基于半导体器件的特性，在CMOS工艺中，利用基于PNP晶体管的一阶基准电路在整个温度范围内产生开口向下的基准输出温度曲线，利用基于亚阈值区MOS管的一阶基准电路在整个温度范围内产生开口向上的基准输出温度曲线，通过输出电路实现开口方向相反的基准电压的线性相加，以达到抵消高阶温度项的目的，得到极低的温度系数。附图说明

[0007] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0008] 图1本发明电路连接示意图

[0009] 图2一阶基准输出温度曲线叠加原理图

具体实施方式

[0010] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

[0011] 参照图1，所述基准电压源电路包括启动电路、基于VBE的基准电压产生电路、基于VGS的基准电压产生电路、输出电路。

[0012] 其中，所述启动电路用于电源上电时提供启动电流，使基准电压源脱离简并点。启动电路由MOS管M21-MOS管M24组成；M21的源极与电源VDD连接，栅极与M24的漏极连接，并作为启动电路的输出端与基于VGS的基准源电路的输入端连接；M22的源极与M23的漏极连接，M22的栅极和漏极共接后与M24的栅极和M23的漏极连接；M23和M24的源极与地GND连接，M24的栅极与输出基准电压VREF连接。

[0013] 其中，基于VBE的基准电压产生电路由MOS管M1-M6、三极管Q1-Q3、运放OP、电阻R1和电阻R2组成。M2、M4、M6的源极与电源VDD连接，M2、M4、M6的栅极与运放OP的输出端连接，Q1、Q2、Q3的基级和集电极与地连接；M2的漏极与M1的源极连接，M4的漏极与M3的源极连接，M6的漏极与M5的源极连接；M1、M3、M5的栅极与M1的漏极、OP的正向输入端、电阻R1的上端连接；M3的漏极与OP的反向输入端和三极管Q2的发射极连接；M5的漏极与电阻R2的上端连接；电阻R1的下端与三极管Q1的发射极连接；M5的漏极与电阻R2的上端连接，并作为基于VBE的基准源电路的输出端与输出电路的输入端连接；电阻R2的下端与三极管Q3的发射极连接。

[0014] 其中，输出电路由电阻R5和电阻R6组成。电阻R5的左端作为输出电路的输入端与VBE的基准源电路的输出端；电阻R6的右端作为输出电路的输入端与VGS的基准源电路的输出端连接；电阻R5的右端和电阻R6左端连接，并作为整个基准源的输出端口。

[0015] 其中，基于VGS的基准电压产生电路由MOS管M7-M20、电阻R3以及电阻R4组成。M9、M13、M14、M20的源极与电源VDD连接，M7、M10、M17、M18的源极与地连接；M9、M13、M14的栅极与M13的漏极和M12的源极连接，M20的栅极与漏极共接，并与M19的源极连接；M9的漏极与M8的源极连接，M14的漏极与M15的源极连接；M8、M12、M15的栅极与M12的漏极和M11的源极连接，M19的栅极与漏极共接；M8的漏极与电阻R3的上端连接，并作为基于VGS的基准源电路的输出端口与输出电路的输入端连接；M15的漏极、M16的漏极和栅极以及M11的栅极连接；M11的源极与电阻R4的的上端连接，M16的源极与M17的漏极连接；电阻R3的下端与M7的漏端连接，电阻R4的下端与M10的漏端连接；M7、M10、M17、M18的栅极、M18的漏极和M19的漏极连接。

[0016] 下面结合图1来详细阐述本发明的工作原理。

[0017] 参照图1，启动时，电源电压上升，M24将导通，由于M24的漏极连接PMOS偏置的栅极，所以整个电路的电流源启动，电路会进入正常的工作状态，输出电压使得M23导通，则M24截止，启动电路截止。

[0018] 在基于VBE的基准电压产生电路中，放大器OP的输出端通过负反馈使得放大器OP的正、负输入端电压相等，从而得到正温度系数电流IPTAT：

[0019]

[0020] 通过M2、M6构成的电流镜将正温度系数电流复制到负温度系数电压支路，从而得到基于VBE的一阶基准电压：

[0021]

[0022] 其中，

[0023]

[0024] 式中VG＝EG/q为硅的禁带电压，其中EG为能隙带宽，Tr为参考温度，通常取室温300K；变量γ＝4-n，其中n为寄生PNP管发射区中载流子迁移率的指数温度系数与衬底浓度及发射区掺杂浓度有关，掺杂浓度越高n值越低，则γ值越大。

[0025] 经过一阶线性补偿后，基准输出中的线性温度项被抵消掉，与温度有关的项仅残留下非线性温度项，联合式(1)-(3)可得一阶基准输出为：

[0026]

[0027] 式中CG1和CG2分别为VG(T)的一阶与二阶温度系数。对公式(4)相对于温度T求导数，可得一阶线性补偿后基准输出的温度系数

[0028]

[0029] 可见，在参考温度点Tr处温度系数为零，为基准输出的极值，也就是整个温度区间的最大值点，一阶线性补偿基准温度曲线表现为开口向下的抛物线。

[0030] 在基于VGS的基准电压产生电路中，晶体管M10和M17工作在亚阈值区，通过PMOS共源共栅电流镜实现对核心电路中电流的控制，使PTAT电流传输到基准输出支路转化为PTAT电压，并与工作在亚阈值区的晶体管M7叠加获得基准电压。其中，亚阈值区晶体管的VGS的温度模型为

[0031]

[0032] 一阶线性补偿后，PTAT温度项被抵消掉，基准输出中残留下VGS中非线性温度项，得到基于亚阈区MOS晶体管的一阶带隙电压基准为：

[0033]

[0034] 对公式(7)相对于温度T求导数，可得一阶线性补偿后基准输出的温度系数[0035]

[0036] 可见，T>Tr时，表现为正温度系数，T

[0037] 在输出电路中，利用电阻R5和R6对基于VBE的基准电压和基于VGS的基准电压进行线性叠加，抵消高阶温度项，最终输出低温度系数的基准电压。

[0038] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

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