一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路，通過利用了工作在亞閾值狀態(tài)的MOS管特性，根據(jù)MOS管的不同寬長比和電流比，構(gòu)建類差分單元對，實現(xiàn)對熱電勢VT的無電阻加權(quán)，并在支路電路中引入發(fā)射區(qū)面積成比例的三極管結(jié)構(gòu)，復(fù)用支路電流，進而引入新的熱電勢VT的加權(quán)，能夠產(chǎn)生多重正溫度系數(shù)的電壓量。本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)簡單，僅由亞閾值狀態(tài)的MOS管和三極管構(gòu)成。無電阻結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對負溫度系數(shù)的補償，電路面積和噪聲得到很大的改善。一個結(jié)構(gòu)單元具有多重正溫度系數(shù)產(chǎn)生機理，補償效果明顯，串聯(lián)結(jié)構(gòu)單元數(shù)減少。三極管復(fù)用了支路電流，提高了電流利用率，降低了功耗，減少了電路的面積，節(jié)約了成本。
【專利說明】一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路。
【背景技術(shù)】
[0002]帶隙基準電路被廣泛應(yīng)用于各種模擬或者數(shù)?；旌舷到y(tǒng)中，例如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓器等，為它們提供不隨溫度、工藝以及電源電壓變化的參考電壓源。隨著便攜式電子設(shè)備的日益普及，為了提高電池的續(xù)航能力，讓它們工作在低功耗下顯得尤為重要。尤其對于近些年比較熱門的植入式生物醫(yī)療芯片電路而言，需要整體電路工作在甚低功耗下，這對帶隙基準電路提出了能夠工作在納瓦級功耗下的要求。
[0003]零溫度系數(shù)的基準電壓通常由正、負溫度系數(shù)的電壓相加而來。負溫度系數(shù)的電
壓通常由雙極晶體管的基極-發(fā)射基的結(jié)電壓Vbe產(chǎn)生，在室溫下5 mV/°C。正溫度系數(shù)的電壓通常由熱電勢Vt產(chǎn)生，在室溫下#τ/57^+0.087 mV/°C。因此，零溫度
系數(shù)的基準可以由電壓^^和\這兩個參數(shù)加權(quán)疊加而來，如圖1所示。參考基準電壓可以表示為Vkef = VBE+M*VT，系數(shù)M為正負溫度系數(shù)的比值，約等于17.2，由此可以得到理論意義上的零溫度系數(shù) 的參考電壓?？梢钥闯?，由于正溫度系數(shù)的電壓Vt具有較小的溫度系數(shù)，因此需要較大的加權(quán)系數(shù)，這對于產(chǎn)生該系數(shù)的電路提出了一定的要求。
[0004]傳統(tǒng)帶隙基準結(jié)構(gòu)通常使用兩個工作在不同電流密度下的雙極晶體管的基極-發(fā)射基電壓的差值來得到正溫度系數(shù)Vt的相關(guān)量，再通過電阻比值來實現(xiàn)對該量的加權(quán)，使之可以抵消負溫度系數(shù)Vbe，傳統(tǒng)帶隙基準原理圖如圖2所示。該圖中，放大器仏以電壓\和\為輸入，驅(qū)動電阻R1和R2 (R1 = R2)的上端，使得X點和Y點穩(wěn)定在近似相等的電壓。由該電阻型結(jié)構(gòu)得到的正溫度系數(shù)的電壓為Vt(1+R2/R3) Inn(系數(shù)η為三極管Q1和Q2發(fā)射區(qū)有效面積的比值)，通過合理的設(shè)計系數(shù)η、電阻R2以及R3的值可以補償?shù)玫絍t的正溫度系數(shù)，進而得到所需的帶隙基準電壓。低功耗帶隙基準的設(shè)計中，不僅要降低放大器A1的功耗，而且需要降低兩條支路的電流。值得注意的是，電路支路電流I1可以表示為VTlnn/R3, I1的大小反比于電阻R3，小的支路電流必然引入大的電阻值R3。電阻民和&是成倍數(shù)關(guān)系的。因此，要降低帶隙基準的功耗，必然引入大阻值的RpR2和R3，這不僅會增加整體芯片的面積，而且會對參考基準電壓引入大的熱噪聲。這些問題在超低功耗帶隙基準電路設(shè)計中顯得尤為突出。因此，設(shè)計出無電阻結(jié)構(gòu)的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路是近階段的研究熱點。
[0005]工作在亞閾值狀態(tài)的MOS特性，為我們實現(xiàn)無電阻結(jié)構(gòu)的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路提供了新的思路。研究表明，工作在亞閾值狀態(tài)的MOS器件是跟管子的寬長比、柵源電壓以及漏源電壓等因素相關(guān)的，當漏源電壓大于0.1V時，亞閾值狀態(tài)的MOS管的柵源電壓Ves可以
表示為:
[0006]
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于:包括兩個三極管和與每個三極管的集電極依次連接的兩個MOS管； 當所述的三極管為NPN型時，電路包括:兩個并聯(lián)設(shè)置的S極均連接至VDD的第一N-MOS 管(M14)和第二 N-MOS 管(M24)，第一 N-MOS 管(M14)和第二 N-MOS 管(M24)的 G 極相互連通，且第一 N-MOS管(M14)的G極還與其D極相連通，第一 N-MOS管(M14)和第二N-MOS管(M24)的D極分別連接第一 P-MOS管(M34)和第二 P-MOS管(M44)的D極，且第二 P-MOS管(M44)的G極與D極相連通；第一 P-MOS管(M34)和第二 P-MOS管(M44)的S極分別連接第一 NPN型三極管(Q14)和第二 NPN型三極管(Q24)的集電極，第一 NPN型三極管(Q14)和第二 NPN型三極管(Q24)的基極均與其集電極相連接，發(fā)射極均連接至第一電流源(Ib4)的一端，第一電流源(Ib4)的另一端連接管線GND ;且第一 P-MOS管(M34)的G極連接第一電壓輸入端(V14),第二 P-MOS管(M44)的G極連接至第一電壓輸出端(Vtj4)； 當所述的三極管為PNP型時，電路包括:一端連接VDD的第二電流源(Ib6)，第二電流源(Ib6)的另一端連接并聯(lián)設(shè)置的第一 PNP型三極管(Q16)和第二 PNP型三極管(Q26)的發(fā)射極，且兩個三極管的基極均與各自的集電極相連接，第一 PNP型三極管(Q16)和第二 PNP型三極管(Q26)的集電極分別連接第三N-MOS管(M16)和第四N-MOS管(M26)的S極，且第四N-MOS管(M26)的G極和D極相連通，第三N-MOS管(M16)和第四N-MOS管(M26)的D極分別連接第三P-MOS管(M36)和第四P-MOS管(M46)的D極，第三P-MOS管(M36)和第四P-MOS管(M46)的S極分別連接至GND ;且第三P-MOS管(M36)的G極與其D極相連通；且第三N-MOS管(M16)的G極連接第二電壓輸入端(V16)，第四N-MOS管(M26)的G極連接第二電壓輸出端(Vtw)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于:所述的第一N-MOS管(M14)、第二N-MOS管(M24)、第一P-MOS管(M34)和第二P-MOS管(M44)均為亞閾值狀態(tài)MOS管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于:所述的第一 N-MOS管(M14)和第二 N-MOS管(M24)構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于:所述的第三N-MOS管(M16)、第四N-MOS管(M26)、第三P-MOS管(M36)和第四P-MOS管(M46)均為亞閾值狀態(tài)MOS管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于超低功耗帶隙基準的正溫度系數(shù)產(chǎn)生電路，其特征在于:所述的第三N-MOS管(M16)和第四N-MOS管(M26)構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G05F1/567GK103995555SQ201410222049
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】張鴻, 李冬, 王青, 張 杰, 張瑞智, 程軍 申請人:西安交通大學