一種具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的制作方法
【專利摘要】一種具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，涉及參考電壓源技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括依次連接的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路和類LDO電路。所述正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路由單級或多級單元電路組成，每級單元電路包括采用MOS管的偏置電流源P和兩個NMOS管。各級單元電路順序級聯(lián)，每級單元電路中的NMOS管A的柵極與NMOS管B的柵極相連接后分別接至NMOS管A的漏極與偏置電流源P的漏極，NMOS管A的源極與NMOS管B的漏極相連接作為輸出節(jié)點。偏置電流源P產(chǎn)生的電流經(jīng)過該級NMOS管A與NMOS管B后由NMOS管B的源極連接至下一級單元電路中NMOS管A的源極和NMOS管B的漏極。所述類LDO電路包括運算放大器和輸出單元。本發(fā)明在不顯著增加面積的情況下，有效降低系統(tǒng)功耗，且具有溫度補償功能。
【專利說明】
一種具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及參考電壓源技術(shù)領(lǐng)域，特別是具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電 路。
【背景技術(shù)】
[0002] 電壓參考源是諸多電路系統(tǒng)中不可或缺的組成單元之一，常用于為高性能的模擬 電路或數(shù)字電路模塊提供一個低溫度系數(shù)的參考電壓，以提高電路的性能。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，集成電路領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電壓參考源電路通常使用由經(jīng)典雙極型晶體 管構(gòu)成的帶隙基準(zhǔn)電路，其基本原理是由于雙極型晶體的基極-發(fā)射極結(jié)具有負(fù)溫度特 性；另一方面，當(dāng)雙極型晶體管的集電極電流不同時，其基極-發(fā)射極結(jié)的溫度曲線存在差 另IJ，當(dāng)不同的電流流過兩個不同的雙極型晶體管時，兩個晶體管上的基極-發(fā)射極結(jié)兩端 電壓的差值卻具有正的溫度系數(shù)。通過將這個具有正溫度系數(shù)的電壓放大適大的比例同具 有負(fù)溫度系數(shù)的結(jié)電壓相加，就可以獲得一個溫度系數(shù)得到一定抑制的電壓參考源。
[0004] 然而，傳統(tǒng)的雙極型晶體管構(gòu)成的帶隙基準(zhǔn)電路并不適用于低功耗設(shè)計。原因如 下：首先，傳統(tǒng)的雙極型晶體管的電流放大倍數(shù)BETA值并非恒定，當(dāng)集電極電流小于某個 閾值時，BETA值會隨著電流的不同而單調(diào)明顯變化，這使得當(dāng)偏置電流很小時，采用不同大 小電流進(jìn)行偏置的兩個雙極型晶體管的BETA值可能存在著顯著不同，使得匹配性變得很 差；其次，傳統(tǒng)的雙極型晶體管構(gòu)成的帶隙基準(zhǔn)電路通常使用運算放大器將結(jié)電壓的差值 A VBE取出，并置于采樣電阻兩端，而流經(jīng)采樣電阻的電流亦構(gòu)成了帶隙基準(zhǔn)電路中的靜態(tài) 電流，故在低功耗設(shè)計中，要獲取極小的靜態(tài)電流，必須采用極大的采樣電阻值以及更為巨 大的放大電阻的阻值，占用了巨大的面積同時造成了采工藝梯度與應(yīng)力的影響加大；其三， 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路只能產(chǎn)生1. 25V左右的電壓，并不滿足實際使用的需要。
[0005] 出于以上原因，在現(xiàn)有的低功耗設(shè)計中不得不放棄傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路的使用，甚 至有時不得不采用無溫度補償?shù)碾妷簠⒖荚?，這對后級的電路的性能造成了影響，增加了 后級電路的設(shè)計難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有溫度補償功能的 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。它在不顯著增加面積的情況下，有效降低系統(tǒng)功耗，且具有溫度補償功 能。
[0007] 為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案以如下方式實現(xiàn)： 一種具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，其結(jié)構(gòu)特點是，它包括依次連接的正溫 度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路和類LD0電路。正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路輸出的具有正溫度系數(shù)的電 壓通過類LD0電路與具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行疊加后，在類LD0電路的輸出端輸出低溫 度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓。所述正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路由單級或多級單元電路組成，每級 單元電路包括采用M0S管的偏置電流源P和兩個NM0S管。各級單元電路順序級聯(lián)，每級單 兀電路中的NMOS管A的柵極與NMOS管B的柵極相連接后分別接至NMOS管A的漏極與偏 置電流源P的漏極，NM0S管A的源極與NM0S管B的漏極相連接作為輸出節(jié)點。偏置電流 源P產(chǎn)生的電流經(jīng)過該級NMOS管A與NMOS管B后由NMOS管B的源極連接至下一級單元 電路中NMOS管A的源極和NMOS管B的漏極。最后一級單元電路中NMOS管B的源極接地， 第一級單元電路中NMOS管A源極與NMOS管B漏極的連接點作為輸出節(jié)點。所述類LD0電 路包括運算放大器和輸出單元。運算放大器包括晶體管零、晶體管一、晶體管二、晶體管三 和晶體管四，輸出單兀包括功率管五、功率管六和功率管七。其中晶體管零的柵極與正溫度 系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的輸出節(jié)點相連接，晶體管零的源極與晶體管一的源極相連并接至晶體 管四的漏極。晶體管二的柵極與晶體管三的柵極相連并接至晶體管三的漏極，晶體管二與 晶體管三構(gòu)成自偏置電流鏡。晶體管零的漏極與晶體管二的漏極相連并接至輸出單元的功 率管六的柵極，晶體管一的柵極分別與輸出單兀功率管五的漏極和柵極相連接，功率管五 的源極與功率管六的漏極相連且以該節(jié)點作為所需基準(zhǔn)參考電壓點。功率管七的柵極連接 到晶體管四的柵極，功率管七的的漏極接功率管五的的漏極，功率管七的源極接地。所述多 級的單元電路通過在除最后一級之外的其它單元電路中將NMOS管B的源極經(jīng)開關(guān)接地來 控制整個電路的級數(shù)及對電路輸出進(jìn)行調(diào)整。
[0008] 在上述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中，所述每級單元電路中的NM0S管A和NM0S管B均工 作在亞閾值區(qū)。
[0009] 本發(fā)明由于采用了上述結(jié)構(gòu)，由于每級單元電路中的NM0S管A與NM0S管B均工 作在亞閾值區(qū)，故經(jīng)過每一級偏置電流源P的電流都非常小。而每級的NM0S管A與NM0S 管B均串聯(lián)聯(lián)接，有利于優(yōu)化亞閾值情況下的匹配性，非常適合低功耗電路的使用。正溫度 系數(shù)電壓產(chǎn)生電路輸出的具有正溫度系數(shù)的電壓通過類LD0電路與具有負(fù)溫度系數(shù)的電 壓進(jìn)行疊加后，在類LD0電路的輸出端輸出低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓Vref。本發(fā)明同現(xiàn) 有技術(shù)相比，能有效降低系統(tǒng)功耗，且具有溫度補償功能。
[0010] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例中正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的單級結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例中輸出電壓特性示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 本發(fā)明具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括依次連接的正溫度系數(shù)電壓 產(chǎn)生電路11和類LD0電路22。正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11輸出的具有正溫度系數(shù)的電 壓通過類LD0電路22與具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行疊加后，在類LD0電路22的輸出端輸 出低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓Vref。正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11由單級或多級單元電路 組成，每級單元電路包括采用M0S管的偏置電流源P和兩個NM0S管。各級單元電路順序級 聯(lián)，每級單元電路中的NM0S管A的柵極與NM0S管B的柵極相連接后分別接至NM0S管A的 漏極與偏置電流源P的漏極，NM0S管A的源極與NM0S管B的漏極相連接，偏置電流源P產(chǎn) 生的電流經(jīng)過該級NM0S管A與NM0S管B后由NM0S管B的源極連接至下一級單元電路中 NMOS管A的源極和NMOS管B的漏極。最后一級單元電路中NMOS管B的源極接地，第一級 單元電路中NM0S管A源極與NM0S管B漏極的連接點作為輸出節(jié)點。類LD0電路22包括 運算放大器和輸出單元，運算放大器包括晶體管零M。、晶體管一 Mi、晶體管二M2、晶體管三M3 和晶體管四M4，輸出單兀包括功率管五M5、功率管六M6和功率管七M(jìn) 7。其中晶體管零M。的 柵極與正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11的輸出節(jié)點相連接，晶體管零M。的源極與晶體管一 Mi 的源極相連并接至晶體管四M4的漏極，晶體管二M2的柵極與晶體管三M3的柵極相連并接 至晶體管三M 3的漏極，晶體管二M2與晶體管三M3構(gòu)成自偏置電流鏡。晶體管零的漏極 與晶體管二M 2的漏極相連并接至輸出單元的功率管六M6的柵極，晶體管一 Mi的柵極分別 與功率管五M5的漏極和柵極相連接。功率管五M5的源極與功率管六M 6的漏極相連且以該 節(jié)點作為所需基準(zhǔn)參考電壓點，功率管七M(jìn)7的柵極連接到晶體管四M 4的柵極，功率管七M(jìn)7 的的漏極接功率管五M5的的漏極，功率管七M(jìn)7的源極接地。多級的單元電路通過在除最后 一級之外的其它單元電路中將NMOS管B的源極經(jīng)開關(guān)接地來控制整個電路的級數(shù)及對電 路輸出進(jìn)行調(diào)整。每級單元電路中的NMOS管A和NMOS管B均工作在亞閾值區(qū)。
[0013] 參照圖1，正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11由M0S管Mro、M0S管MP1、M0S管M P2、M0S管 MP3、M0S 管 MP4 以及工作在亞閾值區(qū)的 NM0S 管 MA(]、NM0S 管 MA1、NM0S 管 MA2、NM0S 管 MA3、NM0S 管MA4、NMOS管Mb。、NMOS管M b1、NMOS管MB2、NMOS管MB3和NMOS管MB4組成。各單元電路順 序級聯(lián)，NMOS管M A。的柵極與NMOS管MB。的柵極相連接后分別接至NMOS管MA。的漏極與MOS 管M P。的漏極，NMOS管MA。的源極與NMOS管MB。的漏極相連接，偏置電流源M0S管M P。產(chǎn)生的 電流由該級NM0S管MB。的源極連接至下一級單元電路中NM0S管MA1的源極和NM0S管M B1的 漏極。NM0S管MA1的柵極與NM0S管MB1的柵極相連接后分別接至NM0S管M A1的漏極與M0S 管MP1的漏極，偏置電流源M0S管MP1產(chǎn)生的電流由該級NM0S管M B1的源極連接至下一級單 元電路中NM0S管MA2的源極和NM0S管MB2的漏極。NM0S管M A2的柵極與NM0S管MB2的柵極 相連接后分別接至NM0S管MA2的漏極與M0S管M P2的漏極，偏置電流源M0S管MP2產(chǎn)生的電 流由該級NM0S管MB2的源極連接至下一級單元電路中NM0S管M A3的源極和NM0S管MB3的 漏極。NM0S管MA3的柵極與NM0S管M B3的柵極相連接后分別接至NM0S管MA3的漏極與M0S 管MP3的漏極，偏置電流源M0S管M P3產(chǎn)生的電流由該級NM0S管MB3的源極連接至下一級單 元電路中NM0S管MA4的源極和NM0S管M B4的漏極。NM0S管MA4的柵極與NM0S管MB4的柵極 相連接后分別接至NM0S管M A4的漏極與M0S管MP4的漏極，偏置電流源M0S管MP4產(chǎn)生的電 流由該級NM0S管M B4的源極接地。
[0014] 輸出單元中的功率管五仏提供了一個具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓，晶體管一 Mi柵極的 值被固定在V21左右，功率管七M(jìn)7提供了一個用于功率管五M5偏置的尾電流源。晶體管一 Mi的柵極與輸出單元二極管連接的M0S管M5的柵漏相連，功率管五M5的柵極、漏極電壓也 被鉗位在電壓V 21值。由于功率管五仏上源極、漏極間的電流僅與尾電流源有關(guān)，所以可以 認(rèn)為功率管五M5上源極、漏極電壓是一個與負(fù)載無關(guān)的電壓V es5，該電壓是一個具有負(fù)溫度 系數(shù)的電壓，又由于功率管五M5源極電壓為具有正溫度系數(shù)電壓V 21，通過合理的設(shè)置，可 以令與V21的溫度系數(shù)的絕對值近似相等。而輸出參考電壓VREF的值為與V 21的 和，故可以認(rèn)為，我們得到了一個與溫度無關(guān)的參考電壓VREF。
[0015] 下面具體闡述本發(fā)明電路的工作原理。
[0016] 考慮圖1中正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11的工作情況。
[0017] 參看圖2所示，單級電路的輸出V。情況。NM0S管A0Ma。與NM0S管B0M b。均工作在 亞閾值區(qū)。定義M0S管P0MP。產(chǎn)生的偏置電流為I。，則流過NM0S管A0M a。與NM0S管B0Mb。 的電流IDSA與IDSB相等。定義NM0S管B0M b。的柵源電壓為VSSB，NM0S管A0Ma。的柵源電壓為 V SSA，NM0S管A0Ma。的寬長比為SA。，NM0S管B0Mb。的寬長比為S B。，由亞閾值區(qū)的電流公式可 得，
其中，t指絕對溫度，n、k與工藝相關(guān)，所以V0是與溫度成正比的。
[0018] 考慮五級級聯(lián)時的情況。設(shè)此時開關(guān)均關(guān)斷，且此時各級的電流源大小相同，則每 一級的下層的NM0S管均比前級下層NM0S管流經(jīng)的電流大I。，而流經(jīng)上層NM0S管的電流恒 為I。。各級上下NM0S管的寬長比分別為S A與SB，定義nkT/q為VT，易得，
由于VT是一個具有正溫度系數(shù)的電壓，故V21是一個具有正溫度系數(shù)的電壓?？梢院?容易得由公式（5)推廣到更一般的情況，即當(dāng)正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11有n級時，輸出 電壓 (6) 由公式（6)可以很容易地通過改變接入正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11的級數(shù)來對輸出 電壓進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)。
[0019] 參看圖1，由于仏，4構(gòu)成了運算放大器電路的作用，功率管五M5的漏極被固定在 V21的電壓值上，故得到VREF的電壓為，
其中， V(；S5_VTHp+V〇v ( 8 ) 在低功耗狀態(tài)下，￥("很小，而VTHP典型地具有負(fù)的溫度系數(shù)。通過合適的調(diào)整，使V21 的正溫度系數(shù)與￥^的負(fù)溫度系數(shù)相抵消，可得到一個低溫度系數(shù)的參考電壓VREF，一個實 例結(jié)果見圖3。最大溫度系數(shù)在46個PPM左右，滿足通常的要求。
[0020] 上述方法可以推廣到更多級的實現(xiàn)。
[0021] 由上述方法實現(xiàn)的基準(zhǔn)電壓源由于不用對雙極型晶體管進(jìn)行偏置，回避了采用雙 極型晶體管時所出現(xiàn)的低電流狀態(tài)下的增益不匹配問題。另一方面，由于該電路完全采用 M0S管實現(xiàn)，避免了無源器件的使用，使得在低功耗狀態(tài)下的面積不至于太大。綜上，該發(fā)明 很適合于低功耗系統(tǒng)的使用，且在面積上相對傳統(tǒng)設(shè)計更具有優(yōu)勢，具有很好的性能與經(jīng) 濟(jì)效應(yīng)。
【主權(quán)項】
1. 一種具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，它包括依次連接的正溫 度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路（11)和類LDO電路（22)，正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路（11)輸出的具有 正溫度系數(shù)的電壓通過類LDO電路（22)與具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行疊加后，在類LDO電 路（22)的輸出端輸出低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓（Vref);所述正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路 (11)由單級或多級單元電路組成，每級單元電路包括采用MOS管的偏置電流源P和兩個 NMOS管，各級單元電路順序級聯(lián)，每級單元電路中的NMOS管A的柵極與NMOS管B的柵極 相連接后分別接至NMOS管A的漏極與偏置電流源P的漏極，NMOS管A的源極與NMOS管B 的漏極相連接，偏置電流源P產(chǎn)生的電流經(jīng)過該級NMOS管A與NMOS管B后由NMOS管B的 源極連接至下一級單元電路中NMOS管A的源極和NMOS管B的漏極，最后一級單元電路中 NMOS管B的源極接地，第一級單元電路中NMOS管A源極與NMOS管B漏極的連接點作為輸 出節(jié)點；所述類LDO電路（22)包括運算放大器和輸出單元，運算放大器包括晶體管零（M。）、 晶體管一（M 1X晶體管二（M2)、晶體管三（M3)和晶體管四（M4),輸出單元包括功率管五（M 5)、 功率管六(M6)和功率管七(M7),其中晶體管零（Μ。）的柵極與正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路（11) 的輸出節(jié)點相連接，晶體管零(Μ。）的源極與晶體管一（M 1)的源極相連并接至晶體管四（M4) 的漏極，晶體管二（M2)的柵極與晶體管三（M 3)的柵極相連并接至晶體管三（M3)的漏極，晶 體管二（M2)與晶體管三(M 3)構(gòu)成自偏置電流鏡，晶體管零(Μ。）的漏極與晶體管二（M2)的漏 極相連并接至輸出單元的功率管六(M 6)的柵極，晶體管一（M1)的柵極分別與功率管五（M5) 的漏極和柵極相連接，功率管五（M 5)的源極與功率管六(M6)的漏極相連且以該節(jié)點作為所 需基準(zhǔn)參考電壓點，功率管七(M 7)的柵極連接到晶體管四（M4)的柵極，功率管七(M7)的的 漏極接功率管五（M 5)的的漏極，功率管七(M7)的源極接地，所述多級的單元電路通過在除 最后一級之外的其它單元電路中將NMOS管B的源極經(jīng)開關(guān)接地來控制整個電路的級數(shù)及 對電路輸出進(jìn)行調(diào)整。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述 每級單元電路中的NMOS管A和NMOS管B均工作在亞閾值區(qū)。
【文檔編號】G05F1/567GK105892548SQ201410188122
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年5月7日
【發(fā)明人】呂航, 王斌, 田冀楠, 盛敬剛, 李妥, 王曉暉, 代云龍, 陳艷梅
【申請人】北京同方微電子有限公司