本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全共柵共源基準(zhǔn)電壓源。

背景技術(shù)：

基準(zhǔn)電壓源是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)、開關(guān)穩(wěn)壓器(spsm、ldo、dc-dc轉(zhuǎn)換器等)、振蕩器、pll、溫度傳感器、充電電池保護(hù)芯片和網(wǎng)絡(luò)通信電路等模擬集成電路和數(shù)模混合集成電路中不可缺少的部分。用于產(chǎn)生具有高精度、高穩(wěn)定性，不隨環(huán)境溫度、電源電壓、制作工藝、噪聲和其它因素變化而變化的電壓，為其他電路模塊提供一個(gè)參考電壓，因此，基準(zhǔn)電壓源在模擬集成電路中占有很重要的地位，它直接影響電路系統(tǒng)的性能和精度。

隨著集成電路系統(tǒng)集成度的不斷增大，提高基準(zhǔn)源的性能和集成度一直是該領(lǐng)域的研究的熱點(diǎn)。應(yīng)市場(chǎng)上電子產(chǎn)品的低功耗需求，電壓基準(zhǔn)源作為一個(gè)基本的單元電路，其低功耗設(shè)計(jì)成為必然趨勢(shì)，然而，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源由于需要大的電流而造成功耗較大，要實(shí)現(xiàn)低功耗，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要使用雙極性晶體管，占用芯片面積較大并且與標(biāo)準(zhǔn)的cmos工藝不兼容。后來(lái)提出的cmos基準(zhǔn)電壓源電路由于使用工作在飽和區(qū)的cmos，使得功耗過(guò)大。近來(lái)所提出的基于亞閾值區(qū)的基準(zhǔn)電壓源，雖然溫漂和電源抑制比較好，但電源電壓調(diào)整率較差，芯片面積過(guò)大，功耗過(guò)大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的是傳統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源電路的電源電壓調(diào)整率較差、芯片面積過(guò)大和功耗過(guò)大的問(wèn)題，提供一種全共柵共源基準(zhǔn)電壓源。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的：

一種全共柵共源基準(zhǔn)電壓源，包括并接于電源vdd與地之間的啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電流源電路和溫度補(bǔ)償電路；啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電流源電路和溫度補(bǔ)償電路依次連接；啟動(dòng)電路輸出端與基準(zhǔn)電流源電路連接，用于電源上電時(shí)提供啟動(dòng)電流，使基準(zhǔn)電壓源擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)；基準(zhǔn)電流源電路的輸出端與溫度補(bǔ)償電路連接，利用共源共柵電流鏡提高電源電壓抑制比和電壓調(diào)整率，用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電流；溫度補(bǔ)償電路，用于產(chǎn)生低溫漂的基準(zhǔn)電壓，采用共源共柵電流鏡，從基準(zhǔn)電流源電路中復(fù)制電流，溫度補(bǔ)償電路輸出電壓即為該基準(zhǔn)電壓源輸出電壓vref。

上述方案中，啟動(dòng)電路由mos管m1-mos管m11組成；mos管m1、mos管m5、mos管m8和mos管m11的源極與電源vdd連接；mos管m4、mos管m7和mos管m10的源極和漏極，以及mos管m6和mos管m9的源極與地gnd連接；mos管m1的柵極與漏極共接后與mos管m2的源極連接；mos管m2的柵極與漏極共接后與mos管m3的源極連接；mos管m3的柵極與漏極共接后，與mos管m4的柵極連接；mos管m5的柵極和mos管m6的柵極共接后，與mos管m3的柵極連接；mos管m5的漏極與mos管m6的漏極共接后，與mos管m7的柵極連接；mos管m8的柵極和mos管m9的柵極共接后，與mos管m7的柵極連接；mos管m8的漏極與mos管m9的漏極共接后，與mos管m10的柵極連接；mos管m11的柵極與連接mos管m10的柵極連接；mos管m11的漏極作為啟動(dòng)電路的輸出端，與基準(zhǔn)電流源電路的輸入端連接。

上述方案中，基準(zhǔn)電流源電路由mos管m12-mos管m19和電阻r1組成；mos管m12和mos管m13的源極與電源vdd連接；mos管m18的源極與地gnd連接；mos管m12的漏極與mos管m14的源極連接；mos管m13的柵極與漏極共接后，與mos管m12的柵極連接；mos管m13的漏極形成基準(zhǔn)電流源電路的第一電流支路輸出端，并與溫度補(bǔ)償電路的第一電流支路輸入端連接；mos管m13的漏極與mos管m15的源極連接；mos管m15的柵極與漏極共接后，與mos管m14的柵極連接，mos管m15的漏極形成基準(zhǔn)電流源電路的第二電流支路輸出端，并與溫度補(bǔ)償電路的第二電流支路輸入端連接；mos管m17的漏極與mos管m15的漏極連接；mos管m17的源極與mos管m19的漏極連接；mos管m19的源極經(jīng)電阻r1與地gnd連接；mos管m16的柵極與漏極共接后，與mos管m17的柵極連接；mos管m16的漏極與mos管m14的漏極連接；mos管m18的柵極與漏極共接后，與mos管m19的柵極連接；mos管m18的漏極與mos管m16的源極連接。

上述方案中，溫度補(bǔ)償電路由mos管m20-mos管m28、電阻r2和電容c1組成；mos管m20和mos管m21的源極與電源vdd連接；mos管m26的源極與地gnd連接；mos管m20的柵極和mos管m21的柵極形成溫度補(bǔ)償電路的第一電流支路的輸入端，與基準(zhǔn)電流源電路的第一電流支路輸出端連接；mos管m20的漏極與mos管m22的源極連接；mos管m22的柵極和mos管m23的柵極形成溫度補(bǔ)償電路的第二電流支路的輸入端，與基準(zhǔn)電流源電路的第二電流支路輸出端連接；mos管m24的柵極與漏極共接后，與mos管m25的柵極連接；mos管m24的漏極與mos管m22的漏極連接；mos管m26的柵極與漏極共接后，與mos管m27的柵極連接；mos管m26的漏極與mos管m24的源極連接；mos管m21的漏極與mos管m23的源極連接；mos管m23的漏極與mos管m25的漏極連接；mos管m25的源極與mos管m27的漏極連接；mos管m28的源極經(jīng)電阻r2與地gnd連接；電容c1的一端接地gnd，電容c1的另一端、mos管m28的柵極與漏極、以及mos管m27的源極連接后，形成溫度補(bǔ)償電路的輸出端，該輸出端即為整個(gè)基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓vref的輸出端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、超低功耗全cascode基準(zhǔn)電壓源，更好的抑制電源噪聲；

2、啟動(dòng)電路未使用電容，降低版圖面積；使用兩個(gè)反向器，上電時(shí)間緩慢，更好的擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)。

3、使用cascode型溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)，不僅能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，還能增強(qiáng)電源抑制比。

附圖說(shuō)明

圖1為一種全共柵共源基準(zhǔn)電壓源的原理圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種全共柵共源基準(zhǔn)電壓源，其具體電路架構(gòu)如圖1所示，包括并接于電源vdd與地gnd之間的啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電流源電路和溫度補(bǔ)償電路。啟動(dòng)電路輸出端與基準(zhǔn)電流源電路連接，用于電源上電時(shí)提供啟動(dòng)電流，使基準(zhǔn)電壓源擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)?；鶞?zhǔn)電流源電路的輸出端與溫度補(bǔ)償電路連接，利用共源共柵電流鏡提高電源電壓抑制比和電壓調(diào)整率，用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。溫度補(bǔ)償電路，用于產(chǎn)生低溫漂的基準(zhǔn)電壓，采用共源共柵電流鏡，從基準(zhǔn)電流源電路中復(fù)制電流，溫度補(bǔ)償電路輸出電壓即為該基準(zhǔn)電壓源輸出電壓vref。

上述啟動(dòng)電路包括mos管m1-mos管m11。其中，mos管m1、mos管m5、mos管m8和mos管m11的源極與電源vdd連接。mos管m4、mos管m7和mos管m10的源極和漏極，以及mos管m6、mos管m9的源極與地gnd連接。mos管m1的柵極與漏極共接后與mos管m2的源極連接。mos管m2的柵極與漏極共接后與mos管m3的源極連接。mos管m3的柵極與漏極共接后，與mos管m4的柵極連接。mos管m5的柵極和mos管m6的柵極共接后，與mos管m3的柵極連接。mos管m5的漏極與mos管m6的漏極共接后，與mos管m7的柵極連接。mos管m8的柵極和mos管m9的柵極共接后，與mos管m7的柵極連接。mos管m8的漏極與mos管m9的漏極共接后，與mos管m10的柵極連接。mos管m11的柵極與連接mos管m10的柵極連接。mos管m11的漏極作為輸出與基準(zhǔn)電流源電路連接。

啟動(dòng)電路，由mos管m1、mos管m2、mos管m3構(gòu)成有源電阻，mos管m4、mos管m7和mos管m10構(gòu)成電容，mos管m5、mos管m6、mos管m8和mos管m9構(gòu)成兩個(gè)反向器，經(jīng)mos管m11的漏極輸出電流，用于在電源上電時(shí)使基準(zhǔn)源擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)。此啟動(dòng)電路不需要大電容、大電阻，正常工作無(wú)直流電流，減小面積降低功耗。

上述基準(zhǔn)電流源電路包括mos管m12-mos管m19和電阻r1。其中，mos管m12和mos管m13的源極與電源vdd連接。mos管m18的源極與地gnd連接。mos管m12的漏極與mos管m14的源極連接。mos管m13的柵極與漏極共接后，與mos管m12的柵極連接。mos管m13的漏極輸出第一電流支路，并與溫度補(bǔ)償電路連接。mos管m13的漏極與mos管m15的源極連接。mos管m15的柵極與漏極共接后，與mos管m14的柵極連接，mos管m15的漏極輸出第二電流支路，并與溫度補(bǔ)償電路連接。mos管m17的漏極與mos管m15的漏極連接。mos管m17的源極與mos管m19的漏極連接。mos管m19的源極經(jīng)電阻r1與地gnd連接。mos管m16的柵極與漏極共接后，與mos管m17的柵極連接。mos管m16的漏極與mos管m14的漏極連接。mos管m18的柵極與漏極共接后，與mos管m19的柵極連接。mos管m18的漏極與mos管m16的源極連接。

基準(zhǔn)電流源電路，利用工作在亞閾值區(qū)的mos管m18、mos管m19柵源電壓差產(chǎn)生偏置電壓，再通過(guò)電阻r1將偏置電壓轉(zhuǎn)化為偏置電流，再通過(guò)共源共柵電流鏡將偏置電流復(fù)制到溫度補(bǔ)償電路中。采用共源共柵電流鏡起到抑制電源噪聲作用。

上述溫度補(bǔ)償電路包括mos管m20-mos管m28、電阻r2和電容c1。其中，mos管m20和mos管m21的源極與電源vdd連接。mos管m26的源極與地gnd連接。所述電容c1，并接于基準(zhǔn)電壓vref的輸出端與地gnd之間。mos管m20的柵極和mos管m21的柵極與基準(zhǔn)電流源電路的第一電流支路連接。mos管m20的漏極與mos管m22的源極連接。mos管m22的柵極和mos管m23的柵極與基準(zhǔn)電流源電路的第二電流支路連接。mos管m24的柵極與漏極共接后，與mos管m25的柵極連接。mos管m24的漏極與mos管m22的漏極連接。mos管m26的柵極與漏極共接后，與mos管m27的柵極連接。mos管m26的漏極與mos管m24的源極連接。mos管m21的漏極與mos管m23的源極連接。mos管m23的漏極與mos管m25的漏極連接。mos管m25的源極與mos管m27的漏極連接。mos管m28的柵極與漏極共接后，與mos管m27的源極連接，mos管m28的漏極與基準(zhǔn)電壓vref的輸出端連接。mos管m28的源極經(jīng)電阻r2與地gnd連接。

溫度補(bǔ)償電路，利用1.8v與3.3v的mos管柵源電壓差產(chǎn)生具有低溫漂的基準(zhǔn)電壓，并起到抑制電源噪聲作用，再由3.3v的mos管m26及1.8v的mos管m27柵源電壓差產(chǎn)生具有低溫漂的基準(zhǔn)電壓vref。

本發(fā)明的工作原理為：

啟動(dòng)電路中，mos管m1、mos管m2、mos管m3柵漏相接起電阻作用，mos管m4、mos管m7和mos管m10源漏接于地等效為電容，mos管m5、mos管m6組成第一反相器，mos管m8、mos管m9組成第二反相器，mos管m5、mos管m8、mos管m11的源極電壓為vdd，電源電壓vdd從零開始上升到vth后，mos管m1、mos管m2、mos管m3逐漸導(dǎo)通，為作為電容的mos管m4充電，mos管m4上極板為低電平，mos管m5導(dǎo)通，mos管m6截止，為mos管m7充電，當(dāng)mos管m4充電完成，mos管m4上極板為高電平，mos管m5截止，mos管m6導(dǎo)通，mos管m7上極板為低電平，mos管m8導(dǎo)通，mos管m9截止，為mos管m10充電，當(dāng)mos管m7充電完成，mos管m7上極板為高電平，mos管m8截止，mos管m9導(dǎo)通，當(dāng)mos管m10上極板電位為低電平，使mos管m11導(dǎo)通，將電流通過(guò)十一mos管注入到基準(zhǔn)電流源電路中擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，當(dāng)mos管m10充電完成，上極板電位為高電平，使mos管m11截止，啟動(dòng)電路與基準(zhǔn)源核心電路脫離，完成啟動(dòng)后mos管m1、mos管m2、mos管m3處于截止?fàn)顟B(tài)，沒有靜態(tài)電流，不消耗功率。

本發(fā)明的核心電路包括基準(zhǔn)電流源電路及溫度補(bǔ)償電路。

基準(zhǔn)電流源電路中mos管均工作在亞閾值區(qū)，mos管工作在亞閾值區(qū)的i-v特性可以表示為(1)式：

當(dāng)vds大于4倍vt時(shí)，可以忽略vds的影響，工作在亞閾值區(qū)的i-v特性可以表示為(2)式：

進(jìn)而可以得到mos管的柵源電壓如(3)式：

電阻r1兩端的電壓等于工作在亞閾值區(qū)的mos管m18的柵源電壓與mos管m19的柵源電壓差，可以得到基準(zhǔn)電流源電路電流id如(4)式：

其中，

μ＝μ0(t0/t)^m(6)

vt＝kbt/q(7)

通過(guò)調(diào)整k18和k19的比值從而調(diào)節(jié)id與溫度t關(guān)系，可得

上述式中，id是mos管的漏端電流，k＝w/l是mos管的寬長(zhǎng)比；w是mos管的寬；l是mos管的長(zhǎng)；i0為特征電流；μ是mos管的電子遷移率；μ0是參考溫度t0下電子遷移率；t0是參考溫度；t是絕對(duì)溫度；m是溫度指數(shù)；vgs是mos管的柵源電壓；vds是mos管的漏源電壓；vth是mos管的閾值電壓；η是亞閾值區(qū)斜率因子，取決于柵氧化層和損耗層電容，定為常數(shù)；vt是熱電壓；kb是玻爾茲曼常數(shù)；q是電子電荷。

溫度補(bǔ)償電路中，利用1.8vmos管和3.3vmos管的柵源電壓差，得到一個(gè)低溫漂的參考電壓。由電路連接關(guān)系可以得出輸出基準(zhǔn)電壓vref，如(8)式：

vref＝vgsm26-vgsm27(8)

利用工作mos管在亞閾值區(qū)的i-v特性，可以進(jìn)一步得到輸出電壓vref，如(9)式：

閾值電壓的表達(dá)式為(10)式：

vth＝vth0-κt(10)

vt具有正溫度系數(shù)，△vth具有負(fù)溫度系數(shù)，利用具有正溫度系數(shù)的vt和具有負(fù)溫度系數(shù)的△vth相互調(diào)節(jié)，因此可以得到與溫度無(wú)關(guān)的輸出基準(zhǔn)電壓vref；閾值電壓進(jìn)一步可以表示為(11)式：

其中，

閾值電壓的溫度系數(shù)如(13)式：

工藝對(duì)溫度系數(shù)κ變化幾乎沒有影響，因此參考電壓vref的溫度系數(shù)tc幾乎不依賴工藝變化，進(jìn)而可以得出參考電壓的溫度系數(shù)tc如(14)式：

令參考電壓的溫度系數(shù)為零，則可以確定mos管的寬長(zhǎng)比如(15)式：

從(15)式看出，通過(guò)對(duì)k27/k26仔細(xì)調(diào)整，更好地實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；使用電容c1來(lái)改善帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源電壓抑制比。

上述式中，tox,i表示mos管mi的柵氧化層厚度；vth0表示絕對(duì)溫度為0k時(shí)的閾值電壓值；κ＝dvth/dt為vth的溫度系數(shù)tc；eg為帶隙；ψb為費(fèi)米能級(jí)勢(shì)能與本征能級(jí)勢(shì)能之差；△vth為閾值電壓之差；εsi表示硅襯底的相對(duì)電介質(zhì)常數(shù)；na為襯底摻雜濃度；nc為導(dǎo)帶的有效態(tài)狀態(tài)密度；nv為價(jià)帶的有效態(tài)狀態(tài)密度；ni為本征載流子濃度。

本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種全共柵共源基準(zhǔn)電壓源，主要解決現(xiàn)有技術(shù)電路功耗大、版圖面積大、器件與標(biāo)準(zhǔn)cmos基準(zhǔn)電壓源不匹配，性能有所欠佳的問(wèn)題。主要由三部分構(gòu)成：(1)啟動(dòng)電路，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，上述啟動(dòng)電路包括pmos管mos管m1、mos管m2、mos管m3、mos管m5、mos管m8、mos管m11和nmos管mos管m4、mos管m6、mos管m7、mos管m9、mos管m10；用于電源上電時(shí)提供電流，使基準(zhǔn)電壓源擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，不需要大面積電容、大阻值電阻，正常工作無(wú)直流電流，減小面積降低功耗。(2)基準(zhǔn)電流源電路，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，上述基準(zhǔn)電流源電路包括pmos管mos管m12、mos管m13、mos管m14、mos管m15和nmos管mos管m16、mos管m17、mos管m18、mos管m19及電阻r1；利用共源共柵電流鏡起到抑制電源噪聲作用，利用工作在亞閾值區(qū)mos管的工作特性，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。(3)溫度補(bǔ)償電路，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，上述溫度補(bǔ)償電路包括pmos管mos管m20、mos管m21、mos管m22、mos管m23和nmos管mos管m24、mos管m25、mos管m26、mos管m27、mos管m28及電阻r1、電容c1；采用共源共柵電流鏡，抑制電源噪聲，采用1.8vmos管和3.3vmos管柵源電壓差，通過(guò)相互調(diào)節(jié)，得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。功耗極低僅為納瓦量級(jí)、且未使雙極性晶體管，不僅能消除溫度變化的影響、減小版圖面積，還能與標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝完全兼容，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)具有較高電源電壓抑制比、低電源電壓調(diào)整率、低溫漂系數(shù)等性能好的特點(diǎn)。在smic0.18-umcmos工藝標(biāo)準(zhǔn)下，在cadencespectre仿真器下本基準(zhǔn)電壓源的電源電壓抑制比在低頻時(shí)為-54.9db，在高頻時(shí)為-76db，在-50—120的溫度范圍內(nèi)具有21.3ppm/℃的溫度系數(shù)，在1.3v—3.3v電源電壓范圍內(nèi)具有0.03％的電源電壓調(diào)整率，其功耗為108nw，這些仿真結(jié)果驗(yàn)證了以上措施的有效性。

本發(fā)明的功耗極低僅為納瓦量級(jí)、且未使用雙極性晶體管，不僅能消除溫度變化的影響、減小版圖面積，還能與標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝完全兼容，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)具有較高電源電壓抑制比、極低電源電壓調(diào)整率、低溫漂系數(shù)等性能好的特點(diǎn)。