CN106527572A - 一种低功耗低温漂cmos亚阈值基准电路 - Google Patents

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Abstract

一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，属于电源管理技术领域。包括启动电路、自偏置VPTAT产生电路、平方律电流产生电路和基准电压输出电路；启动电路在电源建立的时候防止整个电路停留在零状态，启动完成之后退出；自偏置VPTAT产生电路产生正温系数电压VPTAT；平方律电流产生电路通过VPTAT产生一股正比于μT2的电流，即平方律电流；最后将平方律电流引入基准电压输出电路得到最后的基准电压VREF。本发明得到的基准电压VREF在‑40℃～100℃温度范围内能达到近似零温的特性；在传统亚阈值基准基础上改进了载流子迁移率的温度非线性带来的温度特性变差问题；将功耗进一步从μW量级压入nW量级，实现低功耗。

Description

一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种基于亚阈值MOSFET的超低功耗基准产生电路的设计。
背景技术
在模拟集成电路或混合信号设计领域，基准电压源是非常重要且常用的模块，应用在模拟与数字转换器、功率转换器、功率放大器等电路中，它的作用是为***提供一个不随温度及供电电压变化的电压基准。电源电压的持续下降，低压低功耗、低温度系数、高电源抑制比的基准源设计变得十分关键。目前采用低电压供电，并具有较低功耗的电压基准电路有着特殊而重要的意义。移动电子设备的逐渐增多，要求模拟集成电路的电源电压能够降至1V左右，功耗在uW量级上。低温度系数、低功耗的基准源(Reference)设计是十分关键的，是未来的发展方向。
与带隙基准一样，产生最终的输出基准电压需要两部分电压，具有正温系数的电压以及具有负温系数的电压，进行一定的比例叠加之后产生近似零温的输出基准电压，与带隙不同的是正温由ΔVBE变为了ΔVGS，而负温电压通常利用NMOS管的阈值电压VTHN产生。基于亚阈值CMOS的基准源电路实现框图如图1所示，通常由5部分组成，偏置电路部分为整个电路提供电流，通常为亚阈值电流；启动电路解决电路零状态问题；ΔVGS产生电路利用亚阈值MOSFET的漏源电流特性产生正温系数电压；VCTAT产生电路，产生负温系数电压；最后将上述的正负温系数电压以一定的比例叠加得到最后的基准电压。
ΔVGS产生电路的原理为如下：
亚阈值MOSFET的漏源电流具有如下形式：
其中μ是迁移率，Cox是单位面积栅氧化电容，m是栅极和沟道表面耦合因数的倒数，VT为热电压，W和L分别是MOSFET的宽和长，VTH为MOSFET的阈值电压。当MOSFET漏源之间的电压VDS大于0.1V时可以将最后一部分近似成为1，则此时亚阈值区MOSFET的漏源电流表达式为指数关系，如下:
通过上式可以推断，漏源电流成比例关系的两个亚阈值区MOSFET的栅源电压VGS之差就能得到与热电压VT相关的线性表达式，即PTAT电压。
但是传统意义上认为两个漏源电流成比例的亚阈值MOSFET的ΔVGS为线性的正温系数电压，该电压的表达式如下：
ΔVGS＝mVT lnN (3)
N为两个亚阈值MOSFET的电流值比，VT为热电压，m为栅极和沟道表面耦合因数的倒数。实际上m在温度变化的过程中并不是维持恒定的，m在高温下呈现正温特性，特别是在85℃以上的温度范围。传统意义的亚阈值基准电路忽略m的变化，导致其温度特性并没有得到优化，或者换言之传统意义上的亚阈值基准源的应用温度范围较窄。另一方面现阶段亚阈值基准源的功耗一般在μW量级，相对于nW甚至是pW量级还存在较大的优化空间。
发明内容
为了解决现有的基于亚阈值MOSFET产生的低功耗基准源的在温度特性以及μW量级功耗方面的不足之处，本发明提出了一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，实现了-40℃～100℃温度范围内达到近似零温的特性以及功耗实现nW量级的自偏置超低功耗亚阈值基准源。
本发明的技术方案是：
一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，包括：启动电路、自偏置VPTAT产生电路、平方律电流产生电路和基准电压输出电路，所述启动电路的输出端连接所述自偏置VPTAT产生电路的输入端，其特征在于：所述平方律电流产生电路接在自偏置VPTAT产生电路和基准电压输出电路之间，利用自偏置VPTAT产生电路产生的正温系数电压即PTAT电压VPTAT产生平方律电流，再将平方律电流引入基准电压输出电路得到基准电压VREF。
具体的，所述启动电路包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，第一NMOS管MN1作为启动电容使用，其源极和漏极接地，其栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第一PMOS管MP1作为启动开关管，其栅极接地，其源极接电源电压VCC；第二NMOS管MN2和第二PMOS管MP2为基本反相器形式连接，第二NMOS管MN2和第二PMOS管MP2的栅极短接并连接第一PMOS管MP1的漏极，第二NMOS管MN2和第二PMOS管MP2的漏极短接并连接第三NMOS管MN3的栅极，第二NMOS管MN2的源极接地，第二PMOS管MP2的源极接电源电压VCC；第三NMOS管MN3的源极接地，其漏极作为启动支路的输出端。
具体的，所述自偏置VPTAT产生电路包括第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6，启动支路的输出端接第三PMOS管MP3的栅极和漏极，第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4形成基本电流镜连接关系，第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4栅极相连，其源极都接电源电压VCC；第四NMOS管MN4的漏极接第三PMOS管MP3的漏极，其栅极接第五NMOS管MN5的栅极、第六NMOS管MN6的栅极和漏极以及第四PMOS管MP4的漏极，第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的源极接地，第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的衬底短接并接地；第五NMOS管MN5漏极和第六NMOS管MN6的源极相连，其连接点作为自偏置VPTAT产生电路的输出端。
具体的，所述平方律电流产生电路包括第五PMOS管MP5和第七NMOS管MN7，第五PMOS管MP5和第七NMOS管MN7的漏极相连并接自偏置VPTAT产生电路的输出端连接所述自偏置VPTAT产生电路的输出端，第五PMOS管MP5的源极接电源电压VCC，第七NMOS管MN7的源极接地。
具体的，所述基准电压输出电路包括第六PMOS管MP6和第八NMOS管MN8，第六PMOS管MP6的栅极与所述平方律电流产生电路中的第五PMOS管MP5的栅极相连并连接所述自偏置VPTAT产生电路中第四PMOS管MP4的栅极，第八NMOS管MN8的栅极和漏极短接并连接所述平方律电流产生电路中第七NMOS管MN7的栅极，第六PMOS管MP6的源极接电源电压VCC，第八NMOS管MN8的源极接地，第六PMOS管MP6和第八NMOS管MN8的漏极相连，其连接节点作为基准电压输出电路的输出端输出基准电压VREF。
具体的，所述平方律电流正比于μT2，μ为载流子迁移率，T为温度。
本发明增益效果：基准电压VREF在-40℃～100℃温度范围内能达到近似零温的特性；在传统亚阈值基准基础上改进了载流子迁移率的温度非线性带来的温度特性变差问题；将功耗进一步从μW量级压入nW量级，实现低功耗。
附图说明
图1为现有技术中基于亚阈值CMOS基准源的基本结构图。
图2为本发明提出的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路拓扑结构图。
图3为本发明提出的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路的电路全图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明提出的高精度自启动供电电路的***拓扑结构图如图2所示，由4部分组成，启动电路、自偏置VPTAT产生电路、平方律电流产生电路、基准电压输出电路；启动支路在电路初始化阶段将第三PMOS管MP3的栅端拉低，使电路脱离零状态，正常工作后，启动支路将退出工作；自偏置VPTAT产生电路，利用工作在亚阈值区的第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的VGS之差，产生正温系数电压；平方律电流产生电路将正温电压转化为正比于μT2的电流；基准电压输出电路使正比于μT2的电流通过第八NMOS管MN8的转换，输出基准电压。
以下通过电路的工作过程结合实际线路图进行详细分析。
如图3所示为本发明提出的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路的电路示意图，启动电路包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，第一NMOS管MN1作为启动电容使用，其源极和漏极接地，其栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第一PMOS管MP1作为启动开关管，其栅极接地，其源极接电源电压VCC；第二NMOS管MN2和第二PMOS管MP2为基本反相器形式连接，第二NMOS管MN2和第二PMOS管MP2的栅极短接并连接第一PMOS管MP1的漏极，第二NMOS管MN2和第二PMOS管MP2的漏极短接并连接第三NMOS管MN3的栅极，第二NMOS管MN2的源极接地，第二PMOS管MP2的源极接电源电压VCC；第三NMOS管MN3的源极接地，其漏极作为启动支路的输出端。
上电阶段，作为启动电容的第一NMOS管MN1的初始电压为0，此时第三NMOS管MN3导通，将第三PMOS管MP3的电位拉低，电路进入工作状态，同时另一方面第一PMOS管MP1为第一NMOS管MN1充电，当时第一NMOS管MN1两端的电位高至反相器的反转阈值(接近0.5VCC)时，第三NMOS管MN3关断，启动支路退出，最终第一NMOS管MN1两端电位将会接近VCC。
如图3所示，自偏置VPTAT产生电路包括第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6，启动支路的输出端接第三PMOS管MP3的栅极和漏极，第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4形成基本电流镜连接关系，第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4栅极相连，其源极都接电源电压VCC；第四NMOS管MN4的漏极接第三PMOS管MP3的漏极，其栅极接第五NMOS管MN5的栅极、第六NMOS管MN6的栅极和漏极以及第四PMOS管MP4的漏极，第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的源极接地，第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的衬底短接并接地；第五NMOS管MN5漏极和第六NMOS管MN6的源极相连，其连接点作为自偏置VPTAT产生电路的输出端。
第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6工作于亚阈值区，则有其输出电压VPTAT具有如下表达式：
VPTAT＝VGS,MN5-VGS,MN6
＝VTH,MN5-VTH,MN6+mVTlnN (4)
其中m为栅极和沟道表面耦合因数的倒数，VT为热电压值，VTH之间的差异来自于衬底电压VSB的不同。MOSFET的阈值电压与其衬偏电压VSB具有如下关系：
其中VTH0为无衬偏时的阈值电压，ΦF为衬底费米势，γ为体效应因子，VSB为其衬偏电压。
则(4)式中的阈值电压差可表示为如下：
对上式中括号部分进行一次泰勒近似：
代回(4)式则有：
VPTAT＝N×VT (9)
其中m为与温度相关的因子，N为第六NMOS管MN6与第五NMOS管MN5的尺寸比。m在本发明所提出的结构中被消除，即所得到的正温电压VPTAT与m无关，纯粹地只与VT相关，所得到的正温电压为标准线性的。
如图3电路全图所示，平方律电流产生电路包括第五PMOS管MP5和第七NMOS管MN7，第五PMOS管MP5和第七NMOS管MN7的漏极相连并接自偏置VPTAT产生电路的输出端，第五PMOS管MP5的源极接电源电压VCC，第七NMOS管MN7的源极接地。基准电压输出电路包括第六PMOS管MP6和第八NMOS管MN8，第六PMOS管MP6的栅极与所述平方律电流产生电路中的第五PMOS管MP5的栅极相连并连接所述自偏置VPTAT产生电路中第四PMOS管MP4的栅极，第八NMOS管MN8的栅极和漏极短接并连接所述平方律电流产生电路中第七NMOS管MN7的栅极，第六PMOS管MP6的源极接电源电压VCC，第八NMOS管MN8的源极接地，第六PMOS管MP6和第八NMOS管MN8的漏极相连，其连接节点作为基准电压输出电路的输出节点。
在该部分中特别说明，第七NMOS管MN7工作在线性区，第八NMOS管MN8工作在饱和区，则有：
从结构可以看出第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8具有相同的VGS和VTH，则有上式可重新表达为：
其中n为第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6的镜像比例，通过上式将I解出如下：
其中K为比例系数，表达式如下：
其中N为第六NMOS管MN6与第五NMOS管MN5的尺寸比，N1为第八NMOS管MN8与第七NMOS管MN7的尺寸比。
该电流通过工作在饱和区的第八NMOS管MN8之后所得的VREF为：
通过上式可以看出，最后的基准电压输出为VT的常数倍与VTH0的叠加而得，VTH0具有近似线性的温度特性，合理的设置电路参数能够使得VREF在宽的温度范围内达到近似零温的特性。
在一些实施例中，温度范围能达到-40℃～100℃。
在一些实施例中，功耗能达到100nw左右。
本发明中的关键点在于巧妙地应用衬偏效应得到宽温度范围的线性正温电压，通过设置后续第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8的工作区域将载流子的温度非线性影响消除，得到高温度稳定性的基准输出。
本发明中第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6工作于亚阈值区，相比饱和区而言节省了功耗。通过参数优化使得整个基准实现了nw量级的功耗，具有低功耗的特点。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，包括：启动电路、自偏置VPTAT产生电路、平方律电流产生电路和基准电压输出电路，所述启动电路的输出端连接所述自偏置VPTAT产生电路的输入端，其特征在于：所述平方律电流产生电路接在自偏置VPTAT产生电路和基准电压输出电路之间，利用自偏置VPTAT产生电路产生的正温系数电压即PTAT电压(VPTAT)产生平方律电流，再将平方律电流引入基准电压输出电路得到基准电压(VREF)。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，其特征在于，所述启动电路包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第一PMOS管(MP1)和第二PMOS管(MP2)，第一NMOS管(MN1)作为启动电容使用，其源极和漏极接地，其栅极接第一PMOS管(MP1)的漏极；第一PMOS管(MP1)作为启动开关管，其栅极接地，其源极接电源电压(VCC)；第二NMOS管(MN2)和第二PMOS管(MP2)为基本反相器形式连接，第二NMOS管(MN2)和第二PMOS管(MP2)的栅极短接并连接第一PMOS管(MP1)的漏极，第二NMOS管(MN2)和第二PMOS管(MP2)的漏极短接并连接第三NMOS管(MN3)的栅极，第二NMOS管(MN2)的源极接地，第二PMOS管(MP2)的源极接电源电压(VCC)；第三NMOS管(MN3)的源极接地，其漏极作为启动电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，其特征在于，所述自偏置VPTAT产生电路包括第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)，第三PMOS管(MP3)的栅极和漏极互连作为自偏置VPTAT产生电路的输入端；第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)形成基本电流镜连接关系，第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)栅极相连，其源极都接电源电压(VCC)；第四NMOS管(MN4)的漏极接第三PMOS管(MP3)的漏极，其栅极接第五NMOS管(MN5)的栅极、第六NMOS管(MN6)的栅极和漏极以及第四PMOS管(MP4)的漏极，第四NMOS管(MN4)和第五NMOS管(MN5)的源极接地，第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)的衬底短接并接地；第五NMOS管(MN5)漏极和第六NMOS管(MN6)的源极相连，其连接点作为自偏置VPTAT产生电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，其特征在于，所述平方律电流产生电路包括第五PMOS管(MP5)和第七NMOS管(MN7)，第五PMOS管(MP5)和第七NMOS管(MN7)的漏极相连作为平方律电流产生电路的输入端连接所述自偏置VPTAT产生电路的输出端，第五PMOS管(MP5)的源极接电源电压(VCC)，第七NMOS管(MN7)的源极接地。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，其特征在于，所述基准电压输出电路包括第六PMOS管(MP6)和第八NMOS管(MN8)，第六PMOS管(MP6)的栅极与所述平方律电流产生电路中的第五PMOS管(MP5)的栅极相连并连接所述自偏置VPTAT产生电路中第四PMOS管(MP4)的栅极，第八NMOS管(MN8)的栅极和漏极短接并连接所述平方律电流产生电路中第七NMOS管(MN7)的栅极，第六PMOS管(MP6)的源极接电源电压(VCC)，第八NMOS管(MN8)的源极接地，第六PMOS管(MP6)和第八NMOS管(MN8)的漏极相连，其连接节点作为基准电压输出电路的输出端输出基准电压(VREF)。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗低温漂CMOS亚阈值基准电路，其特征在于，所述平方律电流正比于μT2，μ为载流子迁移率，T为温度。
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