CN101598954B - 一种增强型mos管基准电压源电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增强型MOS管基准电压源电路，电路结构中只包含NMOS管、PMOS管和电阻三种元器件，而不包含耗尽型NMOS管和纵向PNP管，主要利用NMOS和PMOS管阈值电压不同线性温度系数的特性进行温度的补偿，获得较小温度系数的基准电压源。由启动电路，基准电流源电路和基准电压产生电路所组成，其中，启动电路，连接于基准电流源电路，以启动基准电流源电路；基准电流源电路，连接于启动电路与基准电压产生电路之间，被启动电路所启动，为基准电压产生电路提供偏置电流；基准电压产生电路，和基准电流源电路相连接，由基准电流源电路通过镜像电路为其提供偏置电流，此电路产生输出基准电压。

Description

一种增强型MOS管基准电压源电路

所属技术领域

本发明是一种基准电压源电路，在标准的CMOS工艺中使用增强型MOS管实现，此基准电压具有较高的PSRR和较小温度系数，可用于现今流行的1.8V电源电压***。

背景技术

目前，基准电压源主要有两种，一种是采用耗尽型MOS管的基准电压源，另一种是采用和MOS工艺兼容的纵向PNP管带隙基准电压源。第一种基准电压源虽然实现简单，功耗小，但是在很多标准的CMOS工艺中不兼容耗尽型MOS管。第二种基准电压源由于电路复杂，功耗大，占用的版图面积较大不经济，且很难用于现今流行的低电源电压***。

发明内容

本发明提供了一种增强型MOS管基准电压源电路，电路结构中只包含NMOS管、PMOS管和电阻三种元器件，而不包含耗尽型NMOS管和纵向PNP管，主要利用NMOS和PMOS管阈值电压不同线性温度系数的特性进行温度的补偿，获得较小温度系数的基准电压源。

本发明一种增强型MOS管基准电压源电路由启动电路，基准电流源电路和基准电压产生电路所组成，其中，

启动电路，连接于基准电流源电路，以启动基准电流源电路；

基准电流源电路，连接于启动电路与基准电压产生电路之间，被启动电路所启动，为基准电压产生电路提供偏置电流；

基准电压产生电路，和基准电流源电路相连接，由基准电流源电路通过镜像电路为其提供偏置电流，此电路产生输出基准电压。

启动电路有两个NMOS管(M0，M2)和一个PMOS管(M1)组成。

启动电路的PMOS管(M1)为二极管连接，源端接电源电压，一个NMOS管(M0)的漏端接PMOS管(M1)的漏端和栅端，源端接地，另一个NMOS管(M2)的栅端接PMOS管(M1)的漏端和栅端。

基准电流源电路为K倍增基准电流源电路。

基准电流源电路为带反馈的K倍增基准电流源电路，反馈用以提高MOS管的输出电阻，改善基准电流对电源电压的灵敏度。

基准电压产生电路包括一镜像PMOS管(M14)，源端接电源电压，栅端接启动电路和基准电流源电路，用来镜像基准电流源电路所产生的基准电流，以为基准电压产生电路提供偏置电流。

基准电压产生电路还包括：

第一电阻器(R2)，一端接地，另一端接输出NMOS(M16)管以及

第二电阻器(R1)，另一端接PMOS(M15)管的源端；

输出PMOS管(M15)，栅端和漏端相连，接于输出基准电压；

输出NMOS管(M16)，漏端接输出基准电压，源端接地。

附图说明

图1是本发明增强MOS管基准电压源电路的电路结构框图

图2是本发明增强MOS管基准电压源电路的电路图

主要元器件说明

M0-M16：增强型MOS管

R1-R3：电阻器

具体实施方式

图1给出了所发明的增强型MOS管基准电压源电路的结构原理框图。图2所示电路，是图1原理的具体实现方式。本发明的目的是这样实现的：启动电路用来启动K倍增基准电流电路，使其在电源上电时摆脱简并偏置点；K倍增基准电流电路产生一个PTAT电流源，通过镜像为基准电压电路提供偏置电流；基准电压电路产生温度系数较小的基准电压。

当接通供电电源VDD后，M1是二极管连接，其漏(和栅)电位介于VDD和VDD-Vthp之间，NMOS开关管M2此时导通，于是M6/M7摆脱栅电位为VDD的状态，M4/M5摆脱栅电位为GND的状态，基准电流电路得以启动，此后M2截止。由M8，M9，M10和M11组成的差分放大器用改来善型基准电流的PSRR，用M12和M13作频率补偿电容，稳定K倍增基准电流电路的输出。M14镜像稳定K倍增基准电流源的电流，给M15和M16构成的压差电路提供偏置，电阻R1与R2的比值构成压差修正因子，通过调整比值可以调整输出基准电压的温度系数和电压值。

增强型MOS管基准电压源电路利用增强型NMOS管和增强型PMOS管的迁移率和阈值电压具有不同的温度系数，产生两个电压，分别与增强型NMOS管和增强型PMOS管的迁移率和阈值电压相关，进行温度补偿后形成稳定的电压源输出。下面我们叙述该电路结构的工作原理。

一般的，MOS管阈值电压的温度特性可表示为：

$V_{\mathrm{thn}}\left(T\right)=V_{\mathrm{thn}}\left(T_0\right)+K_{\mathrm{TN}}(\frac{T}{T_0}-1)---\left(1\right)$

${-V}_{\mathrm{thp}}\left(T\right)={-V}_{\mathrm{thp}}\left(T_0\right)+K_{\mathrm{TP}}(\frac{T}{T_0}-1)---\left(2\right)$

T₀为参考温度，K_TN为NMOS管阈值电压V_thn的温度系数，K_TP为PMOS管阈值电压V_thp的温度系数。

另外，MOS管迁移率也是个具有温度特性的参数，可以描述为：

${\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)={\mathrm{\μ}}_n\left(T_0\right){\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\μ}}_n}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\μ}}_p\left(T\right)={\mathrm{\μ}}_p\left(T_0\right){\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\μp}}}---\left(4\right)$

式(2)中，

是NMOS管迁移率温度指数，

是PMOS管迁移率温度指数。迁移率具有负温度系数。

M4、M5、M6，M7和R3产生与增强型NMOS阈值电压相关的正温度系数电压，如图3所示，I0可以表示为：

$I_0=\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{S}_5}\frac{1}{{R_3}^2}{(1--\frac{1}{\sqrt{K_1}})}^2---\left(5\right)$

K1是M4与M5尺寸的比值，S₅是M5管的宽长比。

M14镜像M7的电流，当M14的尺寸是M7的K2倍时，I1以表示为：

I₁＝K₂I₀                (6)

因此Vref可以表示为：

$V_{\mathrm{ref}}=(1+\frac{R_1}{R_2})V_{\mathrm{GS}16}-\left|V_{\mathrm{GS}15}\right|---\left(7\right)$

M15和M16都工作在饱和区，且R1和R2的电阻值较大，流过M15和M16的电流都近似等于I1，则有：

$V_{\mathrm{GS}16}=\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{S}_{16}}}+V_{\mathrm{thn}}---\left(8\right)$

$\left|V_{\mathrm{GS}15}\right|=\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\μ}}_p\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{S}_{15}}}+\left|V_{\mathrm{thp}}\right|---\left(9\right)$

结合(7)、(8)和(9)式Vref可以表示为：

$V_{\mathrm{ref}}=(1+\frac{R1}{R2})(\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{S}_{16}}}+V_{\mathrm{thn}})-(\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\μ}}_p\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{S}_{15}}}+|V_{\mathrm{thp}}\left|\right)---\left(10\right)$

$V_{\mathrm{ref}}=[(1+\frac{R1}{R2})\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\μ}}_n\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{S}_{16}}}-\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\μ}}_p\left(T\right)C_{\mathrm{ox}}{S}_{15}}}]+[(1+\frac{R1}{R2})V_{\mathrm{thn}}-|V_{\mathrm{thp}}\left|\right]---\left(11\right)$

是式(11)中第一部分中的两项都具有正温度系数但不相同，只要调整M5，M15和M16的参数，可使这部分在期望的温度系数为零；下第二部分两项都具有负温度系数但不相同，只要调整R1和R2阻值的比例，可使这部分在期望的温度系数为零。且可以通过调整R1和R2阻值的比例来实现Vref输出不同的电压值。

本发明的增强型MOS管基准电压源电路较目前常用的基准电压源电路有如下特点有优点。

(1)电路采用CMOS技术，CMOS本身具有开关速度快、功耗低等特点，而且制备工艺简单。

(2)电路中仅仅使用强型MOS管和电阻，不需要标准CMOS工艺没有的耗尽型MOS管，也不需要纵向PNP管，电路结构简单，易于工艺和电路上的实现，在获得相同性能的情况下，可以大大减少成本。

(3)本发明的增强型MOS管基准电压源电路，通过电路参数的改变设计，可以获得不同的输出电压值，根据***的需要，可以设计所需的输出电压值。

Claims (2)

1.一种增强型MOS管基准电压源电路，设有：

启动电路，连接于基准电流源电路，以启动基准电流源电路；

基准电流源电路，连接于启动电路与基准电压产生电路之间，被启动电路所启动，为基准电压产生电路提供偏置电流；

基准电压产生电路，和基准电流源电路相连接，由基准电流源电路通过镜像电路为其提供偏置电流，此电路产生输出基准电压；其特征是：

启动电路有两个NMOS管(M0和M2)和一个PMOS管(M1)组成，启动电路的PMOS管(M1)为二极管连接，源端接电源电压，一个NMOS管(M0)的漏端接PMOS管(M1)的漏端和栅端，源端接地，另一个NMOS管(M2)的栅端接PMOS管(M1)的漏端和栅端；

基准电流源电路为K倍增基准电流源电路，反馈用以提高MOS管的输出电阻，改善基准电流对电源电压的灵敏度；

基准电压产生电路包括一镜像PMOS管(M14)，源端接电源电压，栅端接启动电路和基准电流源电路，用来镜像基准电流源电路所产生的基准电流，以为基准电压产生电路提供偏置电流。

2.根据权利要求1所述的强型MOS管基准电压源电路，其特征是基准电压产生电路还包括：

第一电阻器(R2)，一端接地，另一端接输出NMOS(M16)管的栅端；

第二电阻器(R1)，一端接输出NMOS(M16)管的栅端，另一端接输出PMOS(M15)管的源端；

输出PMOS管(M15)，栅端和漏端相连，接于输出基准电压；

输出NMOS管(M16)，漏端接输出基准电压，源端接地。

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