專(zhuān)利名稱(chēng)：一種cmos分段高階溫度補(bǔ)償?shù)膩嗛撝祷鶞?zhǔn)電壓源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及基準(zhǔn)電壓源，尤其涉及一種CMOS分段高階溫度補(bǔ)償?shù)膩嗛撝祷鶞?zhǔn)電壓源，屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步復(fù)雜化，對(duì)模擬電路基本模塊，如A/D，D/A轉(zhuǎn)化器、濾波器以及鎖相環(huán)等電路提出了更高的精度和速度要求，這就意味著系統(tǒng)對(duì)其中的基準(zhǔn)電壓源模塊提出了更高的要求。另外，基準(zhǔn)電壓源是電壓穩(wěn)壓器中的一個(gè)關(guān)鍵電路單元，它也是 DC/DC轉(zhuǎn)化器中不可缺少的組成部分?；鶞?zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性直接決定了電路性能的優(yōu)劣。 一般常用的基準(zhǔn)電壓源是1971年Widlar首次提出的采用BJT的帶隙基準(zhǔn)源，它是利用BJT 的基極-發(fā)射極的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)和不同發(fā)射結(jié)面積的兩個(gè)發(fā)射結(jié)電壓之差具有正溫度系數(shù)，將兩者加權(quán)相加，得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。但是，由于BJT管與CMOS工藝的兼容性不好，其發(fā)展受到了限制。2001年Filanovsky等指出在低于某一偏置工作點(diǎn)一下， 偏置于固定漏電流的MOSFET的柵源電壓與溫度的關(guān)系是準(zhǔn)指數(shù)關(guān)系，基于這一研究成果， 可以用MOSFET的柵源電壓取代BJT的基極-發(fā)射極電壓來(lái)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)參考源，實(shí)現(xiàn)純CMOS 器件基準(zhǔn)參考源的設(shè)計(jì)。溫漂系數(shù)是衡量基準(zhǔn)參考源精度和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。對(duì)于一階溫度補(bǔ)償?shù)募僀MOS帶隙基準(zhǔn)源，溫度系數(shù)通?？梢赃_(dá)到200ppm/°C。為了進(jìn)一步降低基準(zhǔn)參考源的溫度系數(shù)就必須進(jìn)行高階溫度曲率補(bǔ)償，目前比較常用的CMOS參考源的高階溫度曲率補(bǔ)償方法主要包括二階曲率補(bǔ)償技術(shù)、基于集成電阻溫度系數(shù)的曲率補(bǔ)償技術(shù)、基于柵源電壓差加權(quán)補(bǔ)償技術(shù)、基于ZTC補(bǔ)償技術(shù)等。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種CMOS分段高階溫度補(bǔ)償?shù)膩嗛撝祷鶞?zhǔn)電壓源，它是一種基于亞閾值工作，并利用數(shù)字溫度檢測(cè)電路和分段高階溫度補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)高精度控制的高階溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓源。采取如下技術(shù)方案一種CMOS分段高階溫度補(bǔ)償?shù)膩嗛撝祷鶞?zhǔn)電壓源，其特征在于設(shè)有啟動(dòng)電路、 基準(zhǔn)核心電路、數(shù)字式溫度檢測(cè)電路和分段高階溫度補(bǔ)償電路，啟動(dòng)電路輸出至基準(zhǔn)核心電路，利用一階溫度補(bǔ)償產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，然后通過(guò)數(shù)字式溫度檢測(cè)電路使用不同開(kāi)關(guān)閾值的反相器檢測(cè)電路工作的溫度范圍，最后利用分段高階溫度補(bǔ)償電路中MOS管堆疊，在不同溫度范圍分別進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償，耦合到最終的輸出基準(zhǔn)電壓中；啟動(dòng)電路包括四個(gè)MOS管ΡΜ0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，ΡΜ0、PM5的源極和襯底以及PM4的襯底都連接到VDD，PM4的柵極和PMO的柵極均連接到地，PMO的漏極連接到PM4 的源極，PM4的漏極與PM5的柵極以及NMO的柵極連接在一起，NMO的源極及漏極和襯底都連接到地；基準(zhǔn)核心電路包括11 個(gè) MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、匪1、匪2、匪3、匪4及匪5及四個(gè)電阻禮、&、民及R4,其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源極和襯底都連接到VDD，PM7的柵極、NM4的漏極和PM8的柵極連接電阻札的一端，PM7的漏極和PM6的柵極接到電阻隊(duì)的另一端，PMl、PM2、PM3的柵極和匪1的漏極均連接到PMl的漏極，PM6、匪3 的漏極以及匪1的柵極、匪2的柵極連接在一起并與啟動(dòng)電路PM5的漏極連接，PM2的漏極、 匪3及NM4的柵極連接到電阻&的一端，電阻&的另一端連接到電阻R3及R4的一端，R3的另一端連接到匪5的柵極和PM3、PM8的漏極，電阻R4的另一端與匪1、匪3、NM4的源極和襯底、匪2、匪5的源極、漏極和襯底都連接在一起并接地；數(shù)字式溫度檢測(cè)電路包括MOS管NM6、14個(gè)反相器invl、inv2、inv3、inv4、inv5、 inv6、inv7、inv8、inv9、invlO、invll、invl2、invl3、invl4、2 個(gè)兩輸入與非門(mén) nandl、 nand2、一個(gè)四輸入與非門(mén)nand3及兩個(gè)電阻，其中，電阻&的一端連接到VDD，電阻& 的另一端連接電阻&的一端，電阻&的另一端連接NM6的漏極并與反相器invl、inv5、inv8 及invll的輸入端連接在一起，NM6的源極和襯底連接到地，invl的輸出端連接到inv2的輸入端，irw2的輸出端連接到irw3的輸入端，irw3的輸出端連接到irw4的輸入端，irw4 的輸出端連接到與非門(mén)nandl的一個(gè)輸入端及與非門(mén)nand3的一個(gè)輸入端；inv5的輸出端連接到inv6的輸入端，inv6的輸出端連接到irw7的輸入端，inv7的輸出端連接到反向器 nand2的一個(gè)輸入端及與非門(mén)nand3的第二個(gè)輸入端；irw8的輸出端連接到irw9的輸入端，inv9的輸出端連接到invlO的輸入端，invlO的輸出端連接到與非門(mén)nandl的另一個(gè)輸出端，與非門(mén)nandl的輸出端連接到與非門(mén)nand3的第三個(gè)輸入端；invll的輸出端連接到 invl2的輸入端，invl2的輸出端連接到invl3的輸入端，invl3的輸出端連接到invl4的輸入端，invl4的輸出端連接到與非門(mén)nand2的另一個(gè)輸入端，與非門(mén)nand2的輸出端連接到與非門(mén)nand3的第四個(gè)輸入端，數(shù)字式溫度檢測(cè)電路的輸入端為NM6的柵極，與基準(zhǔn)核心電路NM4的柵極連接；分段高階溫度補(bǔ)償電路包括14 個(gè)MOS 管PM9、PM10、PM11、PM12、PM13、PM14、PM15、 PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、PM22，其中，PM14、PM18、PM20、PM22 的柵極與基準(zhǔn)核心電路中PM1、PM2、PM3的柵極連接在一起，PMl5, PM16、PMl7, PM19、PM21的柵極與基準(zhǔn)核心電路中 PM7、PM8 的柵極連接在一起，PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、 PM22的源極和襯底以及PM9、PM10、PM11、PM12、PM13的襯底都連接到VDD，PM14、PM15的漏極連接到PM9的源極，PM16的漏極連接到PMlO的源極，PMl7, PM18的漏極連接到PMll的源極，PM19、PM20的漏極連接到PM12的源極，PM21、PM22的漏極連接到PM13的源極，PM9、 PM10、PMlU PMl2, PMl3的柵極分別連接到數(shù)字式溫度檢測(cè)電路中反向器inv7、inv4、與非門(mén)nand3、nand2、nandl的輸出端，PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3的漏極與基準(zhǔn)核心電路中 PM3、PM8的漏極連接在一起，為基準(zhǔn)電壓輸出端。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果(1)本實(shí)用新型利用亞閾值NMOS柵源電壓Ves偏置產(chǎn)生的CTAT電流與亞閾P(yáng)MOS 柵源電壓差產(chǎn)生的PTAT補(bǔ)償電流疊加得到電流?；鶞?zhǔn)電壓，并將該電壓通過(guò)分段高階溫度補(bǔ)償電路耦合到最終的輸出基準(zhǔn)電壓之中，從而得到高階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓；(2)本實(shí)用新型使用不同開(kāi)關(guān)閾值的反相器檢測(cè)電路工作的溫度范圍，然后利用 MOS管堆疊在不同溫度范圍分別進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償，可以達(dá)到非常低的溫度系數(shù)。(3)本實(shí)用新型的基準(zhǔn)核心電路中使用了負(fù)反饋的方法提高了整體電路的電源電壓抑制比。(4)本實(shí)用新型采用工作于亞閾值的峰值電流鏡，使電路可以在低電源電壓下工作，而且具有高的電源電壓抑制比和溫度穩(wěn)定性。

圖1是本實(shí)用新型的電原理圖；圖2是本實(shí)用新型中數(shù)字式溫度檢測(cè)電路的原理圖；圖3是本實(shí)用新型中分段高階溫度補(bǔ)償電路的原理圖；圖4是沒(méi)有使用分段高階溫度補(bǔ)償電路的亞閾值基準(zhǔn)輸出電壓隨溫度變化的仿真結(jié)果圖；圖5是三段高階溫度補(bǔ)償?shù)膩嗛撝祷鶞?zhǔn)輸出電壓隨溫度的變化的仿真結(jié)果圖；圖6是五段高階溫度補(bǔ)償?shù)膩嗛撝祷鶞?zhǔn)輸出電壓隨溫度的變化的仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的原理圖如圖1所示，包括啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)核心電路、數(shù)字式溫度檢測(cè)電路和分段高階溫度補(bǔ)償電路。啟動(dòng)電路包括四個(gè)MOS管ΡΜ0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，PMO、PM5的源極和襯底以及PM4的襯底都連接到VDD，PM4的柵極和PMO的柵極均連接到地，PMO的漏極連接到PM4 的源極，PM4的漏極與PM5的柵極以及NMO的柵極連接在一起，NMO的源極及漏極和襯底都連接到地。啟動(dòng)電路的工作原理為總體電路剛上電啟動(dòng)時(shí)，PMO、PM4、PM5導(dǎo)通，PM5漏極電壓上升，使匪1導(dǎo)通，基準(zhǔn)核心電路正常工作，NMO柵極電壓逐漸上升，最終PM5截止，啟動(dòng)過(guò)程完成?；鶞?zhǔn)核心電路包括11 個(gè) MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、匪1、匪2、匪3、匪4 及匪5及四個(gè)電阻禮、&、民及R4,其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源極和襯底都連接到VDD，PM7的柵極、NM4的漏極和PM8的柵極連接電阻札的一端，PM7的漏極和PM6的柵極接到電阻隊(duì)的另一端，PMl、PM2、PM3的柵極和匪1的漏極均連接到PMl的漏極，PM6、匪3 的漏極以及匪1的柵極、匪2的柵極連接在一起并與啟動(dòng)電路PM5的漏極連接，PM2的漏極、 匪3及NM4的柵極連接到電阻&的一端，電阻&的另一端連接到電阻R3及R4的一端，R3的另一端連接到匪5的柵極和PM3、PM8的漏極，電阻R4的另一端與匪1、匪3、NM4的源極和襯底、匪2、匪5的源極、漏極和襯底都連接在一起并接地?；鶞?zhǔn)核心電路的工作原理為電路啟動(dòng)后，PM1、PM2、PM3、匪1工作在飽和區(qū)，PM6、 PM7、PM8、W3、NM4工作在亞閾值區(qū)。亞閾值區(qū)是指當(dāng)Vgs ( Vth時(shí)，但是有足夠大可以使硅表面產(chǎn)生一個(gè)耗盡區(qū)時(shí)的工作區(qū)域，此時(shí)MOSFET的漏源電流不為零，漏源電流稱(chēng)為“亞閾值電流”。亞閾值電流是MOSFET的源/漏端載流子的“濃度差”產(chǎn)生的擴(kuò)散電流，與雙極型晶體管類(lèi)似，跟柵源電壓呈準(zhǔn)指數(shù)變化。工作在亞閾值區(qū)的M0SFET，其溝道處于弱反型態(tài)， 大部分界面態(tài)都沒(méi)有“中和”，與之相關(guān)的電容會(huì)隨溝道的表面勢(shì)變化，表現(xiàn)出充放電的電容效應(yīng)，因此推導(dǎo)I-V特性公式很復(fù)雜。這里直接引用求解泊松方程的結(jié)果得到亞閾值電流的表達(dá)式為
權(quán)利要求1. 一種CMOS分段高階溫度補(bǔ)償?shù)膩嗛撝祷鶞?zhǔn)電壓源，其特征在于設(shè)有啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)核心電路、數(shù)字式溫度檢測(cè)電路和分段高階溫度補(bǔ)償電路，啟動(dòng)電路輸出至基準(zhǔn)核心電路，利用一階溫度補(bǔ)償產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，然后通過(guò)數(shù)字式溫度檢測(cè)電路使用不同開(kāi)關(guān)閾值的反相器檢測(cè)電路工作的溫度范圍，最后利用分段高階溫度補(bǔ)償電路中MOS管堆疊，在不同溫度范圍分別進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償，耦合到最終的輸出基準(zhǔn)電壓中；啟動(dòng)電路包括四個(gè)MOS管PM0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，PM0、PM5的源極和襯底以及PM4 的襯底都連接到VDD，PM4的柵極和PMO的柵極均連接到地，PMO的漏極連接到PM4的源極， PM4的漏極與PM5的柵極以及NMO的柵極連接在一起，NMO的源極及漏極和襯底都連接到地；基準(zhǔn)核心電路包括 11 個(gè) MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、NM1、NM2、NM3、NM4 及匪5及四個(gè)電阻禮、R2> R3及R4,其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源極和襯底都連接到 VDD, PM7的柵極、NM4的漏極和PM8的柵極連接電阻隊(duì)的一端，PM7的漏極和PM6的柵極接到電阻隊(duì)的另一端，PMl、PM2、PM3的柵極和匪1的漏極均連接到PMl的漏極，PM6、匪3的漏極以及匪1的柵極、匪2的柵極連接在一起并與啟動(dòng)電路PM5的漏極連接，PM2的漏極、 匪3及NM4的柵極連接到電阻&的一端，電阻&的另一端連接到電阻R3及R4的一端，R3的另一端連接到匪5的柵極和PM3、PM8的漏極，電阻R4的另一端與匪1、匪3、NM4的源極和襯底、匪2、匪5的源極、漏極和襯底都連接在一起并接地；數(shù)字式溫度檢測(cè)電路包括MOS管NM6、14個(gè)反相器inv 1、inv2、inv3、inv4、inv5、inv6、 inv7、inv8、inv9、invl0、invll、invl2、invl3、invl4、2 個(gè)兩輸入與非門(mén) nandl、nand2、一個(gè)四輸入與非門(mén)nand3及兩個(gè)電阻，其中，電阻&的一端連接到VDD，電阻&的另一端連接電阻&的一端，電阻&的另一端連接NM6的漏極并與反相器invl、inv5、inv8及invll 的輸入端連接在一起，NM6的源極和襯底連接到地，invl的輸出端連接到irw2的輸入端， inv2的輸出端連接到irw3的輸入端，inv3的輸出端連接到irw4的輸入端，irw4的輸出端連接到與非門(mén)nandl的一個(gè)輸入端及與非門(mén)nand3的一個(gè)輸入端；inv5的輸出端連接到 inv6的輸入端，inv6的輸出端連接到inv7的輸入端，inv7的輸出端連接到反向器nand2 的一個(gè)輸入端及與非門(mén)nand3的第二個(gè)輸入端；irw8的輸出端連接到irw9的輸入端，inv9 的輸出端連接到invlO的輸入端，invlO的輸出端連接到與非門(mén)nandl的另一個(gè)輸出端，與非門(mén)nandl的輸出端連接到與非門(mén)nand3的第三個(gè)輸入端；invll的輸出端連接到invl2的輸入端，irwl2的輸出端連接到irwl3的輸入端，irwl3的輸出端連接到irwl4的輸入端， invl4的輸出端連接到與非門(mén)nand2的另一個(gè)輸入端，與非門(mén)nand2的輸出端連接到與非門(mén) nand3的第四個(gè)輸入端，數(shù)字式溫度檢測(cè)電路的輸入端為NM6的柵極，與基準(zhǔn)核心電路NM4 的柵極連接；分段高階溫度補(bǔ)償電路包括14個(gè)MOS管PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3, PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、PM22，其中，PM14、PM18、PM20、PM22 的柵極與基準(zhǔn)核心電路中PM1、PM2、PM3的柵極連接在一起，PMl5, PM16、PMl7, PM19、PM21的柵極與基準(zhǔn)核心電路中 PM7、PM8 的柵極連接在一起，PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、 PM22的源極和襯底以及PM9、PM10、PM11、PM12、PM13的襯底都連接到VDD，PM14、PM15的漏極連接到PM9的源極，PM16的漏極連接到PMlO的源極，PMl7, PM18的漏極連接到PMll的源極，PM19、PM20的漏極連接到PM12的源極，PM21、PM22的漏極連接到PM13的源極，PM9、PM10、PMlU PMl2, PMl3的柵極分別連接到數(shù)字式溫度檢測(cè)電路中反向器inv7、inv4、與非門(mén)nand3、nand2、nandl的輸出端，PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3的漏極與基準(zhǔn)核心電路中 PM3、PM8的漏極連接在一起，為基準(zhǔn)電壓輸出端。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種CMOS分段高階溫度補(bǔ)償?shù)膩嗛撝祷鶞?zhǔn)電壓源，包括啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)核心電路、數(shù)字式溫度檢測(cè)電路和分段高階溫度補(bǔ)償電路，利用亞閾值NMOS柵源電壓VGS偏置產(chǎn)生的CTAT電流與亞閾P(yáng)MOS柵源電壓差產(chǎn)生的PTAT補(bǔ)償電流疊加得到電流?；鶞?zhǔn)電壓，并將該電壓通過(guò)分段高階溫度補(bǔ)償電路耦合到最終的輸出基準(zhǔn)電壓之中，從而得到高階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓。本實(shí)用新型具有較低的溫度系數(shù)和較高的電源電壓抑制比，采用SMIC 65nm標(biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)仿真得到溫度系數(shù)為5.2ppm/℃。
文檔編號(hào)G05F1/56GK202102329SQ20112015084
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者孫偉鋒, 徐申, 時(shí)龍興, 楊淼, 王益峰, 陸生禮, 高慶 申請(qǐng)人:東南大學(xué)