一种低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源制造技术

本发明专利技术公开了一种低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源电路，属于模拟集成电路领域，包括自偏置电流源电路、正温度系数电压产生电路和启动电路。自偏置电流源电路采用两个工作于亚阈值区的不同阈值电压的NMOS管构成堆叠结构，产生纳安量级的偏置电流和负温度系数电压。正温度系数电压产生电路采用PMOS差分对结构产生正温度系数电压，对负温度系数电压进行一阶曲率补偿；利用工作于截止区的NMOS管产生随温度近似成指数变化的漏电流，进行高阶曲率补偿，提高基准电压源的精度。启动电路在上电的瞬间消除零状态简并点，使电路进入正常工作的状态。本发明专利技术在无电阻和无BJT管的情况下，获得了低功耗、低电源电压和高精度的性能。低电源电压和高精度的性能。低电源电压和高精度的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源


[0001]本专利技术属于模拟集成电路
，尤其涉及一种低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源。

技术介绍

[0002]基准电压源能够为模数转换器、锁相环、比较器、线性稳压器等数模混合集成电路模块提供不随工艺、电源电压和温度(PVT)变化的基准电压，在无线传感器网络、植入式生物传感器、移动便携式设备等电子系统中得到广泛的应用。
[0003]传统的基准电压源采用双极型晶体管(BJT)的基极射级电压作为负温度系数(CTAT)电压，两个不同电流密度的BJT管的基极射级电压之差作为正温度系数(PTAT)电压，将两个电压进行加权相加，产生基本与温度无关的零温度系数的带隙电压。但是，由于BJT管的导通电压较大且工作电流较高，传统结构的基准电压源的电源电压和功耗较大。此外，传统的带隙基准电压源一般只进行温度的一阶补偿，其温度系数较大，基准电压的精度较差。并且传统的基准电压源一般采用电阻进行电压和电流的相互转换，为了得到纳安量级的电流，需要用到阻值为兆欧量级的电阻，会大幅增加芯片的面积。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005](1)传统结构的基准电压源的电源电压和功耗较大；
[0006](2)传统的带隙基准电压源一般只进行温度的一阶补偿，这使得其温度系数较大，因此基准电压的精度较差。
[0007](3)由于传统的基准电压源通常采用电阻进行电压和电流的相互转换，为了得到纳安量级的电流，需要用到阻值为兆欧量级的电阻，这会大幅增加芯片的面积。
[0008](4)由于基准电压源的稳定性和精度对许多电子系统至关重要，因此，传统基准电压源存在的以上问题可能会严重影响这些电子系统的可靠性和性能。

技术实现思路

[0009]针对传统的基准电压源的温度系数较大、功耗较高和芯片面积较大的缺点，本专利技术提供了一种低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源。该基准电压源采用TSMC N12nm CMOS工艺进行设计，电路不采用电阻和BJT管，芯片的面积较小；所有的MOS管可以工作于亚阈值区或截止区，可以大幅度降低功耗和电源电压。采用工作于截止区的NMOS管产生近似为指数形式的漏电流，对基准电压进行高阶曲率补偿，进一步降低基准电压源的温度系数。此外，本专利技术的PTAT电压和CTAT电压均为MOS管的栅源电压差，其工艺稳定性较高，克服了一般亚阈值CMOS基准源工艺稳定性差的问题。
[0010]本专利技术是这样实现的，一种低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源，其特征在于，由依次相连的启动电路、自偏置电流源电路和正温度系数电压产生电路等三个部分构成；
[0011]所述启动电路的功能是使基准电压源电路脱离零状态工作点，进入正常的工作状
态；所述自偏置电流源电路产生纳安量级的电流，为正温度系数电压产生电路提供偏置电流，并且输出负温度系数电压V
CTAT
；所述正温度系数电压产生电路产生正温度系数的电压V
PTAT
，补偿自偏置电流源产生的负温度系数电压，且利用工作于截止区的NMOS管的漏电流进行高阶曲率补偿，输出基本与温度无关的基准电压V
REF
。
[0012]进一步，所述的自偏置电流源电路包括第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5，且第五NMOS管MN5是高阈值的厚栅NMOS管，其他均为低阈值的MOS管；
[0013]所述第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的源极连接至电源电压，且第二PMOS管MP2的栅极和漏极短接并连接至第三PMOS管MP3的栅极和第三NMOS管MN3的漏极；
[0014]所述第四NMOS管MN4的栅极和漏极短接并连接至第三PMOS管MP3的漏极和第五NMOS管MN5的栅极，其源极连接至第五NMOS管MN5的漏极；
[0015]所述第五NMOS管MN5的源极接地，其漏极连接至第三NMOS管MN3的栅极和第四NMOS管MN4的源极，并从第五NMOS管MN5的漏极输出负温度系数电压V
CTAT
。
[0016]进一步，所述负温度系数电压V
CTAT
具体为：
[0017]V
CTAT
＝V
GSN5
‑
V
GSN4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018]其中，V
GSN4
和V
GSN5
分别为第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的栅源电压；
[0019]第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5均工作于亚阈值区，工作于亚阈值区的MOS管的漏极电流I
D
是栅源电压V
GS
和漏源电压V
DS
的指数函数，其表达式为：
[0020][0021]其中，K为MOS管的宽长比；I0＝μC
OX
(η
‑
1)V
T2
，μ为电子迁移率，C
OX
为单位面积的栅氧化层电容，η为MOS管的亚阈值斜率；V
T
＝k
B
T/q为热电压，k
B
为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。
[0022]当漏源电压V
DS
满足V
DS
≥4V
T
时，MOS管的漏极电流I
D
基本与V
DS
无关，其表达式为：
[0023][0024]由式(3)，可以得到MOS管的栅源电压V
GS
为：
[0025][0026]根据式(4)，可以得到第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的栅源电压V
GSN4
和V
GSN5
分别为：
[0027][0028][0029]其中，η1和η2分别为MN4和MN5管的亚阈值斜率，且η1≈η2＝η
N
，满足1＜η
N
＜3；μ
N
为NMOS管的电子迁移率；K
N4
和K
N5
分别为MN4和MN5管的宽长比；I
DN4
为流过MN4和MN5管的漏极电流。
[0030]可以进一步得到负温度系数电压V
CTAT
为：
[0031][0032]其中，V
TH1
为第四NMOS管MN4的阈值电压，V
TH2
为第五NMOS管MN5的阈值电压。NMOS管的阈值电压可以近似为温度的一阶函数，则V
TH1
和V
TH2
可以表示为：
[0033]V
TH1
＝V
TH10
+k
t1
(T
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源，其特征在于，包括依次相连的启动电路、自偏置电流源电路和正温度系数电压产生电路；所述启动电路使基准电压源电路脱离零状态工作点，进入正常的工作状态；所述自偏置电流源电路产生纳安量级的电流，为正温度系数电压产生电路提供偏置电流，并且输出负温度系数电压V
CTAT
；正温度系数电压产生电路产生正温度系数的电压V
PTAT
，补偿自偏置电流源产生的负温度系数电压，且利用工作于截止区的NMOS管的漏电流进行高阶曲率补偿，输出基本与温度无关的基准电压V
REF
。2.如权利要求1所述的低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源，其特征在于，所述的自偏置电流源电路包括第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5，且第五NMOS管MN5是高阈值的厚栅NMOS管，其他均为低阈值的MOS管；所述第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的源极连接至电源电压，且第二PMOS管MP2的栅极和漏极短接并连接至第三PMOS管MP3的栅极和第三NMOS管MN3的漏极；所述第四NMOS管MN4的栅极和漏极短接并连接至第三PMOS管MP3的漏极和第五NMOS管MN5的栅极，其源极连接至第五NMOS管MN5的漏极；所述第五NMOS管MN5的源极接地，其漏极连接至第三NMOS管MN3的栅极和第四NMOS管MN4的源极，并从第五NMOS管MN5的漏极输出负温度系数电压V
CTAT
。3.如权利要求1所述的低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源，其特征在于，所述负温度系数电压V
CTAT
具体为：V
CTAT
＝V
GSN5
‑
V
GSN4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，V
GSN4
和V
GSN5
分别为第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的栅源电压；第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5均工作于亚阈值区，工作于亚阈值区的MOS管的漏极电流I
D
是栅源电压V
GS
和漏源电压V
DS
的指数函数，其表达式为：其中，K为MOS管的宽长比；I0＝μC
OX
(η
‑
1)V
T2
，μ为电子迁移率，C
OX
为单位面积的栅氧化层电容，η为MOS管的亚阈值斜率；V
T
＝k
B
T/q为热电压，k
B
为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；当漏源电压V
DS
满足V
DS
≥4V
T
时，MOS管的漏极电流I
D
基本与V
DS
无关，其表达式为：由式(3)，可以得到MOS管的栅源电压V
GS
为：根据式(4)，可以得到第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的栅源电压V
GSN4
和V
GSN5
分别为：
其中，η1和η2分别为MN4和MN5管的亚阈值斜率，且η1≈η2＝η
N
，满足1＜η
N
＜3；μ
N
为NMOS管的电子迁移率；K
N4
和K
N5
分别为MN4和MN5管的宽长比；I
DN4
为流过MN4和MN5管的漏极电流；可以进一步得到负温度系数电压V
CTAT
为：其中，V
TH1
为第四NMOS管MN4的阈值电压，V
TH2
为第五NMOS管MN5的阈值电压，NMOS管的阈值电压可以近似为温度的一阶函数，则V
TH1
和V
TH2
可以表示为：V
TH1
＝V
TH10
+k
t1
(T
‑
T0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)V
TH2
＝V
TH20
+k
t2
(T
‑
T0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，T为绝对温度；T0为参考点的绝对温度；V
TH10
和V
TH20
分别为T0温度时MN4管和MN5管的阈值电压；k
t1
和k
t2
分别为V
TH1
和V
TH2
的一阶温度系数；在本发明采用的TSMC N12nm CMOS工艺中，低阈值NMOS管MN4的阈值电压V
TH1
在常温(27℃)下约为326mV，一阶温度系数k
t1
约为
‑
0.224mV/℃；高阈值NMOS管MN5的阈值电压V
TH2
在常温下约为527mV，一阶温度系数k
t2
约为
‑
0.334mV/℃；则可以得到负温度系数电压V
CTAT
的表达式为：在式(10)中，由于(k
t2
‑
k
t1
)＜0，同时选择合适的MN4和MN5管尺寸，使(K
N4
/K
N5
)＜1，则V
CTAT
随温度升高近似成线性降低。4.如权利要求1所述的低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源，其特征在于，所述的启动电路包括第一PMOS管MP1、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2，均采用低阈值MOS管；所述第一PMOS管MP1的漏极和源极均连接至电源电压，其栅极连接至第二NMOS管MN2的漏极和第一NMOS管MN1的栅极；第二NMOS管MN2的栅极连接至第三NMOS管MN3的栅极和第五NMOS管MN5的漏极；第一NMOS管MN1的漏极连接至第二PMOS管MP2的栅极，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的源极均接地。5.如权利要求1所述的低功耗高精度的无电阻型CMOS基准电压源，其特征在于，所述的正温度系数电压产生电路包括第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7和第八NMOS管MN8，均采用低阈值MOS管；所述第四PMOS管MP4的栅极连接至第二PMOS管MP2的栅极，其漏极连接至第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6的源极，其源极连接至电源电压；所述第五PMOS管MP5的源极连接至第六PMOS管MP6的源极和第四PMOS管MP4的漏极，其栅极连接至第五NMOS管MN5的漏极，其漏极连接至第六NMOS管MN6的漏极；所述第六PMOS管MP6的源极连接至第四PMOS管MP4的漏极，其栅极和漏极短接并连接至第七NMOS管MN7的漏极，且第六PMOS管MP6的栅极和漏极短接，并从第六PMOS管MP6的漏极输出基准电压V
REF
；
所述第六NMOS管MN6的栅极和漏极短接，并连接至第五PMOS管MP5的漏极和第七NMOS管MN7的栅极，其源极接地；第七NMOS管MN7的漏极连接至第六PMOS管MP6的漏极，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙帆，黄海波，高刃，卢军，隋纪祥，程诗卿，赵熠，黄晟，
申请(专利权)人：武汉高德红外股份有限公司，
类型：发明
国别省市：