CN103399609A - 纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳瓦（nW）量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其包括并接于电源与地之间的启动模块、高稳定电流源产生模块、取样模块和PTAT电压加权模块；启动模块的输出端与高稳定电流源产生模块相连接，高稳定电流源产生模块的输出端与取样模块和PTAT电压加权模块相连接，取样模块的输出端与PTAT电压加权模块相连接，PTAT电压加权模块的输出端为纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源的输出端；高稳定电流源产生模块包括电压产生电路、电压偏置电路、与电压产生电路相连接的电流源电路。本发明实现了一种nW量级极低功耗的带隙基准电压源，电路中不含电阻，且带隙电压和偏置电流均与MOS管的阈值电压无关，在节省了芯片面积的同时，具有较高的工艺稳定性。

Description

纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源

技术领域

本发明涉及一种带隙基准电压源。

背景技术

集成电路发展到***芯片时代，遇到了低功耗技术瓶颈。同时，各种便携式技术产品，对极低功耗***芯片设计提出要求。带隙基准源可提供高精度、高稳定性的基准电压或电流，被广泛应用于大规模集成电路中，如数模转换器、无线传感器网络、电源控制管理***和各种高精度测量仪表中。其性能好坏直接影响到电路中各模块的性能，具有非常重要的作用。纳瓦（nW）量级的集成电路要求nW量级的带隙基准源。

为实现nW量级的极低功耗要求，MOS管需工作于亚阈值状态以实现带隙基准nA量级的工作电流。但目前关键制约因素之一是电阻的使用，通常的带隙基准需要电阻来调节带隙电压的温度特性。对于nA量级的电流，则需要数百兆阻值的电阻，占用了较大的芯片面积，同时，标准集成电路工艺中的电阻通常有8%～20%的阻值变化，精度不高。

文献“A sub-1-V,10ppm/C,nanopower voltage reference generator,”G.D.Vita and G.Iannaccone,和文献“A300nW，15ppm/℃，20ppm/V CMOS VoltageReference Circuit Consisting of Subthreshold MOSFETs,”K.Ueno,T.Hirose,T.Asai,and Y.Amemiya，均报道了无电阻的nW量级的带隙基准电压源的设计与实现，但上述带隙输出电压均与MOS管阈值有关，因此，带隙基准电压受工艺影响较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种无电阻且带隙电压和偏置电流均与MOS管的阈值电压无关的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其包括并接于电源与地之间的启动模块、高稳定电流源产生模块、取样模块和PTAT电压加权模块；所述的启动模块的输出端与所述的高稳定电流源产生模块相连接并驱动所述的高稳定电流源产生模块工作，所述的高稳定电流源产生模块的输出端与所述的取样模块和所述的PTAT电压加权模块相连接并提供偏置电流，所述的取样模块的输出端与所述的PTAT电压加权模块相连接，所述的PTAT电压加权模块的输出端为所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源的输出端；

所述的高稳定电流源产生模块包括电压产生电路、与所述的电压产生电路相连接的电压偏置电路、与所述的电压产生电路相连接的电流源电路；所述的电压产生电路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管和第七场效应管；所述的第六场效应管的源极和所述的第七场效应管的源极分别与所述的电源相连接，所述的第六场效应管的漏极与所述的第四场效应管的源极相连接，所述的第四场效应管的漏极与所述的第一场效应管的漏极相连接，所述的第七场效应管的漏极与所述的第五场效应管的源极相连接，所述的第五场效应管的漏极与所述的第二场效应管的漏极相连接，所述的第一场效应管的源极和所述的第二场效应管的源极分别与所述的第三场效应管的漏极相连接，所述的第三场效应管的源极与所述的地相连接，所述的第二场效应管的栅极与所述的电压偏置电路相连接；所述的电流源电路包括倒比管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管、第十三场效应管、第十四场效应管、第十五场效应管；所述的第十四场效应管的源极和所述的第十五场效应管的源极分别与所述的电源相连接，所述的第十五场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第十四场效应管的栅极相连接而构成所述的高稳定电流源产生模块的第一端口，所述的第六场效应管的栅极和所述的第七场效应管的栅极均与所述的第一端口相连接；所述的第十二场效应管的源极与所述的第十四场效应管的漏极相连接，所述的第十三场效应管的源极与所述的第十五场效应管的漏极相连接，所述的第十三场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第十二场效应管的栅极相连接而构成所述的高稳定电流源产生模块的第二端口，所述的第四场效应管的栅极和所述的第五场效应管的栅极均与所述的第二端口相连接；所述的第十场效应管的漏极与所述的第十二场效应管的漏极相连接，所述的第十一场效应管的漏极与所述的第十三场效应管的漏极相连接，所述的第十场效应管的漏极和栅极共接并与所述的第十一场效应管的栅极相连接；所述的第八场效应管的漏极与所述的第十场效应管的源极相连接，所述的第九场效应管的漏极与所述的第十一场效应管的源极相连接，所述的第八场效应管的漏极和栅极共接并与所述的第九场效应管的栅极相连接而构成所述的高稳定电流源产生模块的第三端口，所述的第三场效应管的栅极与所述的第三端口相连接；所述的第八场效应管的源极与所述的地相连接；所述的倒比管的漏极与所述的第九场效应管的源极相连接，所述的第一场效应管的漏极和栅极共接后与所述的倒比管的栅极相连接，所述的倒比管的源极与所述的地相连接；

所述的PTAT电压加权模块包括若干个并接的电压产生电路；每个所述的电压产生电路包括第十六场效应管、第十七场效应管、第十八场效应管、第十九场效应管、第二十场效应管、第二十一场效应管、第二十二场效应管；所述的第十六场效应管的源极和所述的第十七场效应管的源极分别与所述的电源相连接，所述的第十六场效应管的栅极和所述的第十七场效应管的栅极共同与所述的高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，所述的第十八场效应管的栅极和第十九场效应管的栅极共同与所述的高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，所述的第十八场效应管的源极与所述的第十六场效应管的漏极相连接，所述的第十九场效应管的源极与所述的第十七场效应管的漏极相连接，所述的第二十场效应管的漏极与所述的第十八场效应管的漏极相连接，所述的第二十一场效应管的漏极与栅极共接并与所述的第十九场效应管的漏极相连接，所述的第二十场效应管的源极和所述的第二十一场效应管的源极分别与所述的第二十二场效应管的漏极相连接，所述的第二十二场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第三端口相连接，所述的第二十二场效应管的源极与所述的地相连接，第一个所述的电压产生电路中的所述的第二十场效应管的栅极与所述的取样模块相连接，除第一个所述的电压产生电路以外的各所述的电压产生电路中的所述的第二十场效应管的栅极与前一个所述的电压产生电路中的第二十一场效应管的栅极相连接，最后一个所述的电压产生电路中的所述的第二十一场效应管的栅极为所述的PTAT电压加权模块的输出端。

优选的，所述的电压偏置电路包括第二十三场效应管、第二十四场效应管、第二十五场效应管，所述的第二十三场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第二十三场效应管的栅极与所述的第六场效应管的栅极和所述的第七场效应管的栅极相连接，所述的第二十三场效应管的漏极与所述的第二十四场效应管的源极相连接，所述的第二十四场效应管的栅极与所述的第四场效应管的栅极和所述的第五场效应管的栅极相连接，所述的第二十四场效应管的漏极与所述的第二十五场效应管的漏极相连接，所述的第二十五场效应管的漏极与栅极共接并与所述的第二场效应管的栅极相连接，所述的第二十五场效应管的源极与所述的地相连接。

优选的，所述的启动电路包括第二十六场效应管、第二十七场效应管、第二十八场效应管、第二十九场效应管、第三十场效应管、第三十一场效应管、第三十二场效应管、第三十三场效应管、第三十四场效应管，所述的第二十六场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第二十六场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第二十七场效应管的源极相连接，所述的第二十七场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第二十八场效应管的源极相连接，所述的第二十八场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第二十九场效应管的源极相连接，所述的第二十九场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第三十场效应管的源极相连接，所述的第三十场效应管的栅极和漏极均与所述的地相连接，所述的第三十一场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第三十一场效应管的栅极与所述的第二十六场效应管的栅极相连接，所述的第三十一场效应管的漏极与所述的第三十二场效应管的源极相连接，所述的第三十三场效应管的漏极与所述的第十四场效应管的栅极和所述的第十五场效应管的栅极相连接，所述的第三十三场效应管的源极与所述的地相连接，所述的第三十三场效应管的栅极分别与所述的第三十二场效应管的漏极和所述的第三十四场效应管的漏极相连接，所述的第三十二场效应管的栅极和所述的第三十三场效应管的栅极共同与所述的倒比管的栅极相连接，所述的第三十四场效应管的源极与所述的地相连接。

优选的，所述的PTAT电压加权模块中包括四个所述的电压产生电路。

优选的，所述的取样电路包括第一取样部分，所述的第一取样部分包括第三十五场效应管、第三十六场效应管，第一三极管，所述的第三十五场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第三十五场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，所述的第三十五场效应管的漏极与所述的第三十六场效应管的源极相连接，所述的第三十六场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，所述的第三十六场效应管的漏极与所述的第一三极管的发射极共接并与所述的PTAT电压加权模块中的第一个所述的电压产生电路中的第二十场效应管的栅极相连接，所述的第一三极管的基极和集电极共同与所述的地相连接。

优选的，所述的取样模块还包括与所述的第一取样部分相连接的加权部分，所述的加权部分包括连接于所述的电源和所述的地之间的分压电路，所述的分压电路具有分压输出端与所述的PTAT电压加权模块中第一个所述的电压产生电路的第二十场效应管的栅极相连接。

优选的，所述的分压电路包括串连于所述的电源与所述的地之间的若干个串联场效应管，第一个所述的串联场效应管的漏极与所述的电源相连接，除第一个所述的串联场效应管以外的各个所述的串联场效应管的栅极与其漏极共接并与其前一个所述的串联场效应管的源极和屏蔽级相连接，最后一个所述的串联场效应管的源极和屏蔽级共同与所述的地相连接，所述的分压电路中的一个所述的串联场效应管的源极与所述的PTAT电压加权模块相连接。

优选的，所述的第一取样部分和所述的加权部分之间通过第二取样部分相连接，所述的第二取样部分包括第三十七场效应管、第三十八场效应管、第二三极管，所述的第三十七场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第三十七场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，所述的第三十七场效应管的漏极与所述的第三十八场效应管的源极相连接，所述的第三十八场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，所述的第三十八场效应管的漏极与所述的第二三极管的发射极相连接，所述的第三十六场效应管的漏极与所述的第一三极管的发射极相连接的共同端与所述的第二三极管的基极相连接，所述的第二三极管的集电极与所述的地相连接，所述的第三十八场效应管的漏极与所述的第二三极管的发射极相连接的共同端与所述的加权部分相连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明实现了一种nW量级极低功耗的带隙基准电压源，电路中不含有电阻，且带隙电压和偏置电流均与MOS管的阈值电压无关，因此在节省了芯片面积的同时，具有较高的工艺稳定性。

附图说明

附图1为本发明的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源的原理图。

附图2为本发明的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源的电路图。

附图3为本发明的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源在多带隙基准电压输出时的电路图。

附图4为本发明的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源的不同带隙输出电压随工艺角的变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图1所示。一种纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其包括并接于电源与地之间的启动模块、高稳定电流源产生模块、取样模块和PTAT（与绝对温度成正比）电压加权模块。启动模块的输出端与高稳定电流源产生模块相连接并驱动高稳定电流源产生模块工作，高稳定电流源产生模块的输出端与取样模块和PTAT电压加权模块相连接并提供偏置电流，取样模块的输出端与PTAT电压加权模块相连接，PTAT电压加权模块的输出端为纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源的输出端。

具体的，参见附图2所示。

启动电路包括第二十六场效应管M19、第二十七场效应管M20、第二十八场效应管M21、第二十九场效应管M22、第三十场效应管M23、第三十一场效应管M24、第三十二场效应管M25、第三十三场效应管M27、第三十四场效应管M26。第二十六场效应管M19的源极与电源相连接，第二十六场效应管M19的栅极和漏极共接并与第二十七场效应管M20的源极相连接，第二十七场效应管M20的栅极和漏极共接并与第二十八场效应管M21的源极相连接，第二十八场效应管M21的栅极和漏极共接并与第二十九场效应管M22的源极相连接，第二十九场效应管M22的栅极和漏极共接并与第三十场效应管M23的源极相连接，第三十场效应管M23的栅极和漏极均与地相连接，第三十一场效应管M24的源极与电源相连接，第三十一场效应管M24的栅极与第二十六场效应管M19的栅极相连接，第三十一场效应管M24的漏极与第三十二场效应管M25的源极相连接，第三十三场效应管M27的漏极与第十四场效应管M14的栅极和第十五场效应管M15的栅极相连接，第三十三场效应管M27的源极与地相连接，第三十三场效应管M27的栅极分别与第三十二场效应管M25的漏极和第三十四场效应管M26的漏极相连接，第三十二场效应管M25的栅极和第三十三场效应管M27的栅极共接，第三十四场效应管M26的源极与地相连接。

高稳定电流源产生模块包括电压产生电路、与电压产生电路相连接的电压偏置电路、与电压产生电路相连接的电流源电路。

电压产生电路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M11、第五场效应管M12、第六场效应管M16和第七场效应管M17。第六场效应管M16的源极和第七场效应管M17的源极分别与电源相连接，第六场效应管M16的漏极与第四场效应管M11的源极相连接，第四场效应管M11的漏极与第一场效应管M1的漏极相连接，第七场效应管M17的漏极与第五场效应管M12的源极相连接，第五场效应管M12的漏极与第二场效应管M2的漏极相连接，第一场效应管M1的源极和第二场效应管M2的源极分别与第三场效应管M3的漏极相连接，第三场效应管M3的源极与地相连接，第二场效应管M2的栅极与电压偏置电路相连接，第三场效应管M3的栅极与电流源电路相连接。

电压偏置电路包括第二十三场效应管M18、第二十四场效应管M13、第二十五场效应管M4。第二十三场效应管M18的源极与电源相连接，第二十三场效应管M18的栅极与第六场效应管M16的栅极和第七场效应管M17的栅极相连接，第二十三场效应管M18的漏极与第二十四场效应管M13的源极相连接，第二十四场效应管M13的栅极与第四场效应管M11的栅极和第五场效应管M12的栅极相连接，第二十四场效应管M13的漏极与第二十五场效应管M4的漏极相连接，第二十五场效应管M4的漏极与栅极共接并与第二场效应管M2的栅极相连接，第二十五场效应管M4的源极与地相连接。

电流源电路包括倒比管、第八场效应管M5、第九场效应管M6、第十场效应管M7、第十一场效应管M8、第十二场效应管M9、第十三场效应管M10、第十四场效应管M14、第十五场效应管M15。第十四场效应管M14的源极和第十五场效应管M15的源极分别与电源相连接，第十五场效应管M15的栅极和漏极共接并与第十四场效应管M14的栅极相连接而构成高稳定电流源产生模块的第一端口，第六场效应管M16的栅极和第七场效应管M17的栅极均与第一端口相连接；第十二场效应管M9的源极与第十四场效应管M14的漏极相连接，第十三场效应管M10的源极与第十五场效应管M15的漏极相连接，第十三场效应管M10的栅极和漏极共接并与第十二场效应管M9的栅极相连接而构成高稳定电流源产生模块的第二端口，第四场效应管M11的栅极和第五场效应管M12的栅极均与第二端口相连接；第十场效应管M7的漏极与第十二场效应管M9的漏极相连接，第十一场效应管M8的漏极与第十三场效应管M10的漏极相连接，第十场效应管M7的漏极和栅极共接并与第十一场效应管M8的栅极相连接形成第四端口；第八场效应管M5的漏极与第十场效应管M7的源极相连接，第九场效应管M6的漏极与第十一场效应管M8的源极相连接，第八场效应管M5的漏极和栅极共接并与第九场效应管M6的栅极相连接而构成高稳定电流源产生模块的第三端口，第三场效应管M3的栅极与第三端口相连接；第八场效应管M5的源极与地相连接；倒比管的漏极与第九场效应管M6的源极相连接，第一场效应管M1的漏极和栅极共接后与倒比管的栅极相连接并与第三十二场效应管M25的栅极和第三十四场效应管M26的栅极相连接，倒比管的源极与地相连接。

PTAT电压加权模块包括若干个并接的电压产生电路，在本实施例中，PTAT电压加权模块中包括四个电压产生电路。每个电压产生电路包括第十六场效应管、第十七场效应管、第十八场效应管、第十九场效应管、第二十场效应管、第二十一场效应管、第二十二场效应管。第十六场效应管分别对应于附图2中的管M4e、管M3e、管M2e、管M1e，第十七场效应管分别对应于附图2中的管M4f、管M3f、管M2f、管M1f，第十八场效应管分别对应于附图2中的管M4c、管M3c、管M2c、管M1c，第十九场效应管分别对应于附图2中的管M4d、管M3d、管M2d、管M1d，第二十场效应管分别对应于附图2中的管M4a、管M3a、管M2a、管M1a，第二十一场效应管分别对应于附图2中的管M4b、管M3b、管M2b、管M1b，第二十二场效应管分别对应于附图2中的管M4g、管M3g、管M2g、管M1g。第十六场效应管的源极和第十七场效应管的源极分别与电源相连接，第十六场效应管的栅极和第十七场效应管的栅极共同与高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，第十八场效应管的栅极和第十九场效应管的栅极共同与高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，第十八场效应管的源极与第十六场效应管的漏极相连接，第十九场效应管的源极与第十七场效应管的漏极相连接，第二十场效应管的漏极与第十八场效应管的漏极相连接，第二十一场效应管的漏极与栅极共接并与第十九场效应管的漏极相连接，第二十场效应管的源极和第二十一场效应管的源极分别与第二十二场效应管的漏极相连接，第二十二场效应管的栅极与高稳定电流源产生模块的第三端口相连接，第二十二场效应管的源极与地相连接，第一个电压产生电路中的第二十场效应管的栅极与取样模块相连接，除第一个电压产生电路以外的各电压产生电路中的第二十场效应管的栅极与前一个电压产生电路中的第二十一场效应管的栅极相连接，最后一个电压产生电路中的第二十一场效应管的栅极为PTAT电压加权模块的输出端，即纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源的输出端。

取样电路包括第一取样部分，第一取样部分包括第三十五场效应管M28、第三十六场效应管M29，第一三极管Q1。第三十五场效应管M28的源极与电源相连接，第三十五场效应管M28的栅极与高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，第三十五场效应管M28的漏极与第三十六场效应管M29的源极相连接，第三十六场效应管M29的栅极与高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，第三十六场效应管M29的漏极与第一三极管Q1的发射极共接并与PTAT电压加权模块中的第一个电压产生电路中的第二十场效应管的栅极相连接，第一三极管Q1的基极和集电极共同与地相连接。

当需要产生不同的带隙电压输出时，则取样模块还包括与第一取样部分相连接的加权部分。加权部分包括连接于电源和地之间的分压电路，分压电路具有分压输出端与PTAT电压加权模块中第一个电压产生电路的第二十场效应管的栅极相连接。

参见附图3所示，分压电路包括串连于电源与地之间的若干个串联场效应管，第一个串联场效应管的漏极与电源相连接，除第一个串联场效应管以外的各个串联场效应管的栅极与其漏极共接并与其前一个串联场效应管的源极和屏蔽级相连接，最后一个串联场效应管的源极和屏蔽级共同与地相连接，分压电路中的一个串联场效应管的源极与PTAT电压加权模块相连接。

第一取样部分和加权部分之间通过第二取样部分相连接。第二取样部分包括第三十七场效应管M28a、第三十八场效应管M29a、第二三极管Q2，第三十七场效应管M28a的源极与电源相连接，第三十七场效应管M28a的栅极与高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，第三十七场效应管M28a的漏极与第三十八场效应管M29a的源极相连接，第三十八场效应管M29a的栅极与高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，第三十八场效应管M29a的漏极与第二三极管Q2的发射极相连接，第三十六场效应管M29的漏极与第一三极管Q1的发射极相连接的共同端与第二三极管Q2的基极相连接，第二三极管Q2的集电极与地相连接，第三十八场效应管M29a的漏极与第二三极管Q2的发射极相连接的共同端与加权部分相连接。

上述方案中，启动模块能够帮助高稳定电流源产生模块脱离简并点而正常工作，高稳定电流源产生模块为其它电路模块提供偏置电流。电源开始上电，第三十二场效应管M25的栅压为低，第三十二场效应管M25导通，第三十三场效应管M27的栅压逐渐升高；当第三十三场效应管M27导通后，第一端口被拉低，第二端口变低，第一场效应管M1的栅源电压升高，倒比管导通，第四端口，第三端口升高；电流源电路和电压产生电路开始工作。当第一场效应管M1的栅源电压稳定后，第三十四场效应管M26导通，第三十三场效应管M27关断，第一端口，第二端口，第四端口，第三端口各点电压值由自身工作点决定。

电压产生电路中，由于当MOS管工作在亚阈值区且源漏电压大于0.1V时，其电流表达式为：

$I={\mathrm{KI}}_0\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}}}{\mathrm{\η}{V}_T}\right)---\left(1\right)$

其中，K为晶体管的W/L；

与工艺相关，μ为载流子迁移率，C_OX为栅氧电容，η为亚阈值斜率因子在1.14～1.4之间；V_GS为栅源电压；V_T=K_BT/q为热电压，K_B为波尔兹曼常数，T为绝对温度；V_TH为阈值电压。则

$V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{GS}2}=V_{\mathrm{TH}}+\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{I_1}{K_1{I}_0}\right)-(V_{\mathrm{TH}}+\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{I_2}{K_2{I}_0}\right))=\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{K_2{K}_{16}}{K_1{K}_{17}}\right)---\left(2\right)$

K₁和K₂分别为差分对第一场效应管M1和第二场效应管M2的W/L；K₁₆和K₁₇分别为第六场效应管M16和第七场效应管M17的W/L。当

时，V_GS2-V_GS1与绝对温度成正比，即V_GS1-V_GS2为PTAT电压且与MOS管的阈值无关。

电流源电路中，倒比管的栅压由第一场效应管M1提供，工作在深线性区，确定电流源的电流。

设倒比管的电流为I_R，栅源电压为V_GSR，源漏电压V_DSR，则有：

I_R=μC_OXK_R(V_GSR-V_TH)V_DSR                （3）

$V_{\mathrm{GSR}}=V_{\mathrm{GS}4}+(V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{GS}2})=V_{\mathrm{GS}4}+\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{K_2{K}_{16}}{K_1{K}_{17}}\right)---\left(4\right)$

$V_{\mathrm{DSR}}=V_{\mathrm{GS}5}-V_{\mathrm{GS}6}=\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{K_6{K}_{14}}{K_5{K}_{15}}\right)---\left(5\right)$

$I_R=\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{K}_R((V_{\mathrm{GS}4}-V_{\mathrm{TH}})+(V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{GS}2}))*\left(\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{K_6{K}_{14}}{K_5{K}_{15}}\right)\right)---\left(6\right)$

$I_R=\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{K}_R(\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{I_R}{K_4{I}_0}\right)+\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{K_2{K}_{16}}{K_1{K}_{17}}\right))*\left(\mathrm{\η}{V}_T\ln \left(\frac{K_6{K}_{14}}{K_5{K}_{15}}\right)\right)---\left(7\right)$

$I_R=\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{K}_R{\mathrm{\η}}^2{V}_T^2\ln \left(\frac{I_R}{K_4{I}_0}\frac{K_2{K}_{16}}{K_1{K}_{17}}\right)*\ln \left(\frac{K_6{K}_{14}}{K_5{K}_{15}}\right)---\left(8\right)$

由于上式（8）中不含V_TH项，可以改善V_TH对I_R的影响。考虑载流子迁移率的温度特性：μ=μ₀(T₀/T)^m，m为常数约1.5。由（1）和（2）知：

I_R=I_R0T^2-m                  （9）

其中，I_R0为与温度无关的常数。

由上式看出，I_R=I_R0T^2-m是与温度成正比，与工艺几乎无关的高稳定的电流。

PTAT电压加权模块中，由式（2）知，

VREF=V3+ηV_Tln(K_X1)其中，

V3=V2+ηV_Tln(K_X2)其中，

V2=V1+ηV_Tln(K_X3)其中，

V1=VBE+ηV_Tln(K_X4)其中，

VREF=VBE+ηV_Tln(K_X1*K_X2*K_X3*K_X4)          （10）

因此，可以选择合适的加权数及K_x1，K_x2，K_x3，K_x4，的值来实现VREF的零温漂，而与MOS管的阈值无关。

当采用具有加权部分的取样模块时，当电源电压VDD＞2VBE时，采用VBE加权电路。设MN1，MN2，…，MNM，…，MN（N-1），MNN均为自衬的NMOS管，它们构成简单的分压电路，则MNM的漏端输出电压VM=2VBE*（M/N），其中M＜N。调节PTAT电压加权模块的加权系数，实现带隙基准电压，此时需要调整N的大小来保证MNN不截止。

$\mathrm{VREF}\left(x\right)=2\mathrm{VBE}\frac{M}{N}+\mathrm{\η}{V}_T\ln (K_{X1}*K_{X2}*K_{X3}*K_{X4}*........K_{\mathrm{Xn}})---\left(11\right)$

当电源电压VBE＜VDD≤2VBE时，第一三极管Q1的发射极直接连接到MNN的栅极，去掉第三十七场效应管M28a，第三十八场效应管M29a和第二三极管Q2支路，则MNM的漏端输出电压VM=VBE*（M/N），其中M＜N。调节PTAT电压加权模块的加权系数，实现带隙基准电压，此时需要调整N的大小来保证MNN不截止。

$\mathrm{VREF}\left(x\right)=\mathrm{VBE}\frac{M}{N}+\mathrm{\η}{V}_T\ln (K_{X1}*K_{X2}*K_{X3}*K_{X4}*........K_{\mathrm{Xn}})---\left(12\right)$

通过VBE加权取样电路及不同的PTAT加权系数实现的各工艺角下（FF，SS，TT）的带隙输出电压如附图4所示。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其特征在于：其包括并接于电源与地之间的启动模块、高稳定电流源产生模块、取样模块和PTAT电压加权模块；所述的启动模块的输出端与所述的高稳定电流源产生模块相连接并驱动所述的高稳定电流源产生模块工作，所述的高稳定电流源产生模块的输出端与所述的取样模块和所述的PTAT电压加权模块相连接并提供偏置电流，所述的取样模块的输出端与所述的PTAT电压加权模块相连接，所述的PTAT电压加权模块的输出端为所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源的输出端；

所述的高稳定电流源产生模块包括电压产生电路、与所述的电压产生电路相连接的电压偏置电路、与所述的电压产生电路相连接的电流源电路；所述的电压产生电路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管和第七场效应管；所述的第六场效应管的源极和所述的第七场效应管的源极分别与所述的电源相连接，所述的第六场效应管的漏极与所述的第四场效应管的源极相连接，所述的第四场效应管的漏极与所述的第一场效应管的漏极相连接，所述的第七场效应管的漏极与所述的第五场效应管的源极相连接，所述的第五场效应管的漏极与所述的第二场效应管的漏极相连接，所述的第一场效应管的源极和所述的第二场效应管的源极分别与所述的第三场效应管的漏极相连接，所述的第三场效应管的源极与所述的地相连接，所述的第二场效应管的栅极与所述的电压偏置电路相连接；所述的电流源电路包括倒比管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管、第十三场效应管、第十四场效应管、第十五场效应管；所述的第十四场效应管的源极和所述的第十五场效应管的源极分别与所述的电源相连接，所述的第十五场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第十四场效应管的栅极相连接而构成所述的高稳定电流源产生模块的第一端口，所述的第六场效应管的栅极和所述的第七场效应管的栅极均与所述的第一端口相连接；所述的第十二场效应管的源极与所述的第十四场效应管的漏极相连接，所述的第十三场效应管的源极与所述的第十五场效应管的漏极相连接，所述的第十三场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第十二场效应管的栅极相连接而构成所述的高稳定电流源产生模块的第二端口，所述的第四场效应管的栅极和所述的第五场效应管的栅极均与所述的第二端口相连接；所述的第十场效应管的漏极与所述的第十二场效应管的漏极相连接，所述的第十一场效应管的漏极与所述的第十三场效应管的漏极相连接，所述的第十场效应管的漏极和栅极共接并与所述的第十一场效应管的栅极相连接；所述的第八场效应管的漏极与所述的第十场效应管的源极相连接，所述的第九场效应管的漏极与所述的第十一场效应管的源极相连接，所述的第八场效应管的漏极和栅极共接并与所述的第九场效应管的栅极相连接而构成所述的高稳定电流源产生模块的第三端口，所述的第三场效应管的栅极与所述的第三端口相连接；所述的第八场效应管的源极与所述的地相连接；所述的倒比管的漏极与所述的第九场效应管的源极相连接，所述的第一场效应管的漏极和栅极共接后与所述的倒比管的栅极相连接，所述的倒比管的源极与所述的地相连接；

所述的PTAT电压加权模块包括若干个并接的电压产生电路；每个所述的电压产生电路包括第十六场效应管、第十七场效应管、第十八场效应管、第十九场效应管、第二十场效应管、第二十一场效应管、第二十二场效应管；所述的第十六场效应管的源极和所述的第十七场效应管的源极分别与所述的电源相连接，所述的第十六场效应管的栅极和所述的第十七场效应管的栅极共同与所述的高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，所述的第十八场效应管的栅极和第十九场效应管的栅极共同与所述的高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，所述的第十八场效应管的源极与所述的第十六场效应管的漏极相连接，所述的第十九场效应管的源极与所述的第十七场效应管的漏极相连接，所述的第二十场效应管的漏极与所述的第十八场效应管的漏极相连接，所述的第二十一场效应管的漏极与栅极共接并与所述的第十九场效应管的漏极相连接，所述的第二十场效应管的源极和所述的第二十一场效应管的源极分别与所述的第二十二场效应管的漏极相连接，所述的第二十二场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第三端口相连接，所述的第二十二场效应管的源极与所述的地相连接，第一个所述的电压产生电路中的所述的第二十场效应管的栅极与所述的取样模块相连接，除第一个所述的电压产生电路以外的各所述的电压产生电路中的所述的第二十场效应管的栅极与前一个所述的电压产生电路中的第二十一场效应管的栅极相连接，最后一个所述的电压产生电路中的所述的第二十一场效应管的栅极为所述的PTAT电压加权模块的输出端。

2.根据权利要求1所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其特征在于：所述的电压偏置电路包括第二十三场效应管、第二十四场效应管、第二十五场效应管，所述的第二十三场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第二十三场效应管的栅极与所述的第六场效应管的栅极和所述的第七场效应管的栅极相连接，所述的第二十三场效应管的漏极与所述的第二十四场效应管的源极相连接，所述的第二十四场效应管的栅极与所述的第四场效应管的栅极和所述的第五场效应管的栅极相连接，所述的第二十四场效应管的漏极与所述的第二十五场效应管的漏极相连接，所述的第二十五场效应管的漏极与栅极共接并与所述的第二场效应管的栅极相连接，所述的第二十五场效应管的源极与所述的地相连接。

3.根据权利要求1所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其特征在于：所述的启动电路包括第二十六场效应管、第二十七场效应管、第二十八场效应管、第二十九场效应管、第三十场效应管、第三十一场效应管、第三十二场效应管、第三十三场效应管、第三十四场效应管，所述的第二十六场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第二十六场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第二十七场效应管的源极相连接，所述的第二十七场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第二十八场效应管的源极相连接，所述的第二十八场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第二十九场效应管的源极相连接，所述的第二十九场效应管的栅极和漏极共接并与所述的第三十场效应管的源极相连接，所述的第三十场效应管的栅极和漏极均与所述的地相连接，所述的第三十一场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第三十一场效应管的栅极与所述的第二十六场效应管的栅极相连接，所述的第三十一场效应管的漏极与所述的第三十二场效应管的源极相连接，所述的第三十三场效应管的漏极与所述的第十四场效应管的栅极和所述的第十五场效应管的栅极相连接，所述的第三十三场效应管的源极与所述的地相连接，所述的第三十三场效应管的栅极分别与所述的第三十二场效应管的漏极和所述的第三十四场效应管的漏极相连接，所述的第三十二场效应管的栅极和所述的第三十三场效应管的栅极共同与所述的倒比管的栅极相连接，所述的第三十四场效应管的源极与所述的地相连接。

4.根据权利要求1所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其特征在于：所述的PTAT电压加权模块中包括四个所述的电压产生电路。

5.根据权利要求1所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其特征在于：所述的取样电路包括第一取样部分，所述的第一取样部分包括第三十五场效应管、第三十六场效应管，第一三极管，所述的第三十五场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第三十五场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，所述的第三十五场效应管的漏极与所述的第三十六场效应管的源极相连接，所述的第三十六场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，所述的第三十六场效应管的漏极与所述的第一三极管的发射极共接并与所述的PTAT电压加权模块中的第一个所述的电压产生电路中的第二十场效应管的栅极相连接，所述的第一三极管的基极和集电极共同与所述的地相连接。

6.根据权利要求5所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其特征在于：所述的取样模块还包括与所述的第一取样部分相连接的加权部分，所述的加权部分包括连接于所述的电源和所述的地之间的分压电路，所述的分压电路具有分压输出端与所述的PTAT电压加权模块中第一个所述的电压产生电路的第二十场效应管的栅极相连接。

7.根据权利要求6所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其特征在于：所述的分压电路包括串连于所述的电源与所述的地之间的若干个串联场效应管，第一个所述的串联场效应管的漏极与所述的电源相连接，除第一个所述的串联场效应管以外的各个所述的串联场效应管的栅极与其漏极共接并与其前一个所述的串联场效应管的源极和屏蔽级相连接，最后一个所述的串联场效应管的源极和屏蔽级共同与所述的地相连接，所述的分压电路中的一个所述的串联场效应管的源极与所述的PTAT电压加权模块相连接。

8.根据权利要求6所述的纳瓦量级低功耗高稳定性带隙基准电压源，其特征在于：所述的第一取样部分和所述的加权部分之间通过第二取样部分相连接，所述的第二取样部分包括第三十七场效应管、第三十八场效应管、第二三极管，所述的第三十七场效应管的源极与所述的电源相连接，所述的第三十七场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第一端口相连接，所述的第三十七场效应管的漏极与所述的第三十八场效应管的源极相连接，所述的第三十八场效应管的栅极与所述的高稳定电流源产生模块的第二端口相连接，所述的第三十八场效应管的漏极与所述的第二三极管的发射极相连接，所述的第三十六场效应管的漏极与所述的第一三极管的发射极相连接的共同端与所述的第二三极管的基极相连接，所述的第二三极管的集电极与所述的地相连接，所述的第三十八场效应管的漏极与所述的第二三极管的发射极相连接的共同端与所述的加权部分相连接。

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