CN115309227A - 一种全饱和mosfet带隙基准源 - Google Patents

一种全饱和mosfet带隙基准源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全饱和MOSFET带隙基准源，包括：启动电路、电流产生电路、温度补偿产生电路和基准源输出电路；其中，电流产生电路用于产生与温度变化呈第一相关性的温度系数电流；温度补偿产生电路用于产生与温度变化呈第二相关性的温度系数电压；基准源输出电路用于利用温度系数电流和温度系数电压产生基准电压，并将基准电压输出至启动电路；启动电路用于保证全饱和MOSFET带隙基准源在启动过程中脱离非理想工作点并进入正常工作点。本发明采用全MOS结构、MOS管均偏置在饱和区工作，大大降低了对工艺要求，并且能够适应不同半导体材料的MOS管温度特性，具有普适性，同时，电路结构复杂度低，可广泛应用于各种电路中来产生参考电压。

Description

一种全饱和MOSFET带隙基准源
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种全饱和MOSFET带隙基准源。
背景技术
基准电压源是集成电路中不可或缺的基本构成模块，被广泛的应用在功率转换电路、高压驱动电路、模拟与数字转换器中，它的作用是为电路中的其它模块提供一个对温度、电源电压和工艺等因素弱相关的基准电压。
然而，受限于某些工艺条件如SiC MOSFET工艺，无法像Si基一样采用经典带隙基准结构，并且由于全MOS带隙基准电路结构大都利用亚阈区MOS管实现温度补偿，受到建模方面的限制，也无法实现精准仿真。此外，针对一些新材料器件如SiC MOSFET，迁移率随温度变化的情况与传统Si基不同，P管、N管的迁移率都在随着温度的升高变大，因此无法通过直接叠加来进行正负补偿。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种全饱和MOSFET带隙基准源。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供一种全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，包括：启动电路、电流产生电路、温度补偿产生电路和基准源输出电路；其中，
所述电流产生电路，用于产生与温度变化呈第一相关性的温度系数电流；
所述温度补偿产生电路，用于产生与温度变化呈第二相关性的温度系数电压；
所述基准源输出电路，用于利用所述温度系数电流和所述温度系数电压产生基准电压，并将所述基准电压输出至启动电路；
所述启动电路，用于保证所述全饱和MOSFET带隙基准源在启动过程中脱离非理想工作点并进入正常工作点。
在本发明的一个实施例中，包括输入电源端；所述电流产生电路包括：第一电阻R1、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和高增益运算放大器；其中，
R1的第一端和M2的源端连接至所述输入电源端，M3的源端和M4的源端接地，R1的第二端与M1的源端连接，M1的栅端、漏端以及M3的漏端均连接高增益运算放大器的同相端，M2的栅端、漏端以及M4的漏端均连接高增益运算放大器的反相端，M3的栅端和M4的栅端均连接高增益运算放大器的输出端。
在本发明的一个实施例中，所述温度补偿产生电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8；其中，
M5的源端和M7的源端连接至所述输入电源端，M6的源端、M8的栅端和漏端接地，M5的栅端和漏端以及M6的漏端均与M7的栅端连接，M6的栅端连接高增益运算放大器的输出端。
在本发明的一个实施例中，还包括输出端；所述基准源输出电路包括：第二电阻R2、第九MOS管M9和第十MOS管M10；其中，
M8的源端和M7的漏端连接至M9的栅端，M9的源端与R2的第一端连接，R2的第二端与M10的漏端连接至输出端，M9的漏端与所述输入电源端连接，M10的源端接地、栅端与高增益运算放大器的输出端连接。
在本发明的一个实施例中，所述启动电路包括第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14和第十五MOS管M15；其中，
M11的源端、M13的源端和M15的源端均与所述输入电源端连接，M11的栅端和M12的栅端与所述输出端连接，M11的漏端、M12的漏端及M13的栅端均连接至M14的栅端，M13的漏端和M14的漏端均连接至M15的栅端，M15的漏端连接高增益运算放大器的输出端。
在本发明的一个实施例中，M1～M15为SiMOSFET或SiCMOSFET。
在本发明的一个实施例中，当M1～M15为SiCMOSFET时，所述电流产生电路用于产生与温度变化呈负相关的负温度系数电流，所述温度补偿产生电路用于产生与温度变化呈正相关的正温度系数电压。
在本发明的一个实施例中，当M1～M15为SiMOSFET时，所述电流产生电路用于产生与温度变化呈正相关的正温度系数电流，所述温度补偿产生电路用于产生与温度变化呈负相关的负温度系数电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种全饱和MOSFET带隙基准源，包括：启动电路、电流产生电路、温度补偿产生电路和基准源输出电路；其中，电流产生电路可利用运放钳位产生与M1、M2的MOS管载流子迁移率温度系数成反比或正比的电流，例如当M1、M2的MOS管载流子迁移率温度系数为正时，则电流产生电路可产生CTAT(Complementary To Absolute Temperature，与绝对温度成反比)电流即负温度系数电流，进而温度补偿产生电路将负温度系数电流利用共源极反向，产生正温度系数电压，从而由基准源输出电路将正负温度系数物理量结合相抵消。本发明提供的全饱和MOSFET带隙基准源能够适应不同半导体材料的MOS管温度特性，具有普适性，并且电路结构复杂度低，可用于在各种电路中产生参考电压。
此外，本发明提供的带隙基准源采用全MOS结构，且MOS管均偏置在饱和区工作，大大降低了对工艺要求。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的全饱和MOSFET带隙基准源的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的全饱和MOSFET带隙基准源的电路示意图；
图3是本发明实施例提供的全饱和MOSFET带隙基准源输出电压的温度特性曲线；
图4是本发明实施例提供的全饱和MOSFET带隙基准源线性调整率的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
图1是本发明实施例提供的全饱和MOSFET带隙基准源的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供一种全饱和MOSFET带隙基准源，包括：启动电路、电流产生电路、温度补偿产生电路和基准源输出电路；其中，
电流产生电路，用于产生与温度变化呈第一相关性的温度系数电流；
温度补偿产生电路，用于产生与温度变化呈第二相关性的温度系数电压；
基准源输出电路，用于利用温度系数电流和温度系数电压产生基准电压，并将基准电压输出至启动电路；
启动电路，用于保证全饱和MOSFET带隙基准源在启动过程中脱离非理想工作点并进入正常工作点。
图2是本发明实施例提供的全饱和MOSFET带隙基准源的电路示意图。可选地，如图2所示，全饱和MOSFET带隙基准源包括输入电源端VDD；电流产生电路包括：第一电阻R1、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和高增益运算放大器；其中，
R1的第一端和M2的源端连接至输入电源端VDD，M3的源端和M4的源端接地，R1的第二端与M1的源端连接，M1的栅端、漏端以及M3的漏端均连接高增益运算放大器的同相端，M2的栅端、漏端以及M4的漏端均连接高增益运算放大器的反相端，M3的栅端和M4的栅端均连接高增益运算放大器的输出端Vref。
需要说明的是，在本发明提供的全饱和MOSFET带隙基准源中，电流产生电路可利用运放钳位产生与M1、M2的MOS管载流子迁移率温度系数成反比或正比的电流。示例性地，当M1、M2的MOS管载流子迁移率温度系数为正时，则电流产生电路可产生CTAT电流即负温度系数电流，进而温度补偿产生电路将负温度系数电流利用共源极反向，产生正温度系数电压，从而由基准源输出电路将正负温度系数物理量结合相抵消；反之，当M1、M2的MOS管载流子迁移率温度系数为负时，电流产生电路产生PTAT(Proportional To Absolute Temperature，与绝对温度成正比)电流即正温度系数电流、温度补偿产生电路将正温度系数电流利用共源极反向，产生负温度系数电压，以达到将正负温度系数物理量结合相抵消的目的。
请继续参见图2，本实施例中温度补偿产生电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8；其中，
M5的源端和M7的源端连接至输入电源端VDD，M6的源端、M8的栅端和漏端接地，M5的栅端和漏端以及M6的漏端均与M7的栅端连接，M6的栅端连接高增益运算放大器的输出端。
可选地，全饱和MOSFET带隙基准源还包括输出端；基准源输出电路包括：第二电阻R2、第九MOS管M9和第十MOS管M10；其中，
M8的源端和M7的漏端连接至M9的栅端，M9的源端与R2的第一端连接，R2的第二端与M10的漏端连接至输出端，M9的漏端与输入电源端VDD连接，M10的源端接地、栅端与高增益运算放大器的输出端连接。
可选地，启动电路包括第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14和第十五MOS管M15；其中，
M11的源端、M13的源端和M15的源端均与输入电源端VDD连接，M11的栅端和M12的栅端与输出端连接，M11的漏端、M12的漏端及M13的栅端均连接至M14的栅端，M13的漏端和M14的漏端均连接至M15的栅端，M15的漏端连接高增益运算放大器的输出端Vref。
可选地，全饱和MOSFET带隙基准源中，M1～M15为SiMOSFET或SiCMOSFET。
可选地，当M1～M15为SiCMOSFET时，电流产生电路用于产生与温度变化呈负相关的负温度系数电流，温度补偿产生电路用于产生与温度变化呈正相关的正温度系数电压。
可选地，当M1～M15为SiMOSFET时，电流产生电路用于产生与温度变化呈正相关的正温度系数电流，所述温度补偿产生电路用于产生与温度变化呈负相关的负温度系数电压。
下面对本发明提供的全饱和MOSFET带隙基准源的原理进行说明：
上述带隙基准源中，MOS管全部偏置在饱和区，电流产生电路内M3和M4宽长比相同，所在的两条支路电流相等且均为I1，由高增益运算放大器的钳位功能可得：
I1R1+|VGS1|＝|VGS2|#(1)
且有
Figure BDA0003782258360000061
Figure BDA0003782258360000062
联立(1)、(2)、(3)式可得
Figure BDA0003782258360000063
令公式(4)中
Figure BDA0003782258360000064
故
Figure BDA0003782258360000065
进一步地，温度补偿产生电路中M5和M6所在支路电流为I2，则有：
Figure BDA0003782258360000066
那么M4和M6的尺寸比即为电流I1和I2之比，令：
Figure BDA0003782258360000071
可得：
Figure BDA0003782258360000072
联立(7)、(9)式可得：
Figure BDA0003782258360000073
令公式(10)中
Figure BDA0003782258360000074
可得：
Figure BDA0003782258360000075
由图2可以看出
|VGS5|＝|VGS7|#(13)
进一步地，M7和M8所在支路电流为I3，则：
Figure BDA0003782258360000076
联立(12)、(13)、(14)式可得：
Figure BDA0003782258360000077
令公式(15)中：
Figure BDA0003782258360000078
为简化公式，令：
Figure BDA0003782258360000079
Figure BDA0003782258360000081
则
Figure BDA0003782258360000082
图2中A点电压为VA，则
|VGS8|＝VA#(20)
且有
Figure BDA0003782258360000083
联立(12)、(13)、(14)式可得
Figure BDA0003782258360000084
令公式(22)中
Figure BDA0003782258360000085
可得
Figure BDA0003782258360000086
在基准源输出电路部分，M10所在支路的电流为I4，则
Figure BDA0003782258360000087
M4和M10的尺寸比即为电流I1和I2之比，令：
Figure BDA0003782258360000088
可得：
Figure BDA0003782258360000089
联立(25)、(27)式可得
Figure BDA0003782258360000091
令公式(28)中
Figure BDA0003782258360000092
可得：
Figure BDA0003782258360000093
输出电压为Vref，则
Vref＝VA-VGS9-N3I1R2#(31)
联立(6)、(24)、(30)、(31)式可得：
Figure BDA0003782258360000094
令公式(31)中
Figure BDA0003782258360000095
可得：
Figure BDA0003782258360000096
应当理解，MOSFET的阈值电压和迁移率均为与温度相关的物理量，不同半导体材料下，与温度的相关变化函数可能并不明确，根据式(33)，可以认为
Figure BDA0003782258360000097
Figure BDA0003782258360000098
Figure BDA0003782258360000099
Figure BDA0003782258360000101
通过调整系数K5、K6，即可得到一定温度范围内，随温度弱相关的输出电压Vref。
进一步地，M11、M12、M13、M14和M15组成启动电路，初始输出参考电压未建立时M11、M12、M13、M14构成的两级反相器将M15栅端电压拉低，打开M15，向M3、M4、M6和M10的栅端注入电荷，抬高其栅端电平，使M3，M4，M6和M10中产生电流，输出参考电压建立后两级反相器将M15栅压抬高，关断M15，启动电路断开，不会对带隙基准源正常工作造成影响。
图3是本发明实施例提供的全饱和MOSFET带隙基准源输出电压的温度特性曲线。请参见图3，在条件为VDD＝5V、温度变化范围为-20℃-180℃时，温度特性曲线呈抛物线形，计算可得温度漂移系数仅为18ppm/℃，因此温度漂移系数得到较好地控制。
图4是本发明实施例提供的全饱和MOSFET带隙基准源线性调整率的示意图。请参见图4，纵轴表示输出电压Vref，在条件为温度T＝300K、输入电压变化范围为3-15V时，在输入电压的变化过程中，输出电压始终约为0.965V，且输入电压在3V-15V变化时，该差值仅变化3.5mV，线性调整率为0.362％。
通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种全饱和MOSFET带隙基准源，包括：启动电路、电流产生电路、温度补偿产生电路和基准源输出电路；其中，电流产生电路可利用运放钳位产生与M1、M2的MOS管载流子迁移率温度系数成反比或正比的电流，例如当M1、M2的MOS管载流子迁移率温度系数为正时，则电流产生电路可产生CTAT电流即负温度系数电流，进而温度补偿产生电路将负温度系数电流利用共源极反向，产生正温度系数电压，从而由基准源输出电路将正负温度系数物理量结合相抵消。本发明提供的全饱和MOSFET带隙基准源能够适应不同半导体材料的MOS管温度特性，具有普适性，并且电路结构复杂度低，可用于在各种电路中产生参考电压。
此外，本发明提供的带隙基准源采用全MOS结构，且MOS管均偏置在饱和区工作，大大降低了对工艺要求。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，包括：启动电路、电流产生电路、温度补偿产生电路和基准源输出电路；其中，
所述电流产生电路，用于产生与温度变化呈第一相关性的温度系数电流；
所述温度补偿产生电路，用于产生与温度变化呈第二相关性的温度系数电压；
所述基准源输出电路，用于利用所述温度系数电流和所述温度系数电压产生基准电压，并将所述基准电压输出至启动电路；
所述启动电路，用于保证所述全饱和MOSFET带隙基准源在启动过程中脱离非理想工作点并进入正常工作点。
2.根据权利要求1所述的全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，包括输入电源端；所述电流产生电路包括：第一电阻R1、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和高增益运算放大器；其中，
R1的第一端和M2的源端连接至所述输入电源端，M3的源端和M4的源端接地，R1的第二端与M1的源端连接，M1的栅端、漏端以及M3的漏端均连接高增益运算放大器的同相端，M2的栅端、漏端以及M4的漏端均连接高增益运算放大器的反相端，M3的栅端和M4的栅端均连接高增益运算放大器的输出端。
3.根据权利要求2所述的全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，所述温度补偿产生电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8；其中，
M5的源端和M7的源端连接至所述输入电源端，M6的源端、M8的栅端和漏端接地，M5的栅端和漏端以及M6的漏端均与M7的栅端连接，M6的栅端连接高增益运算放大器的输出端。
4.根据权利要求3所述的全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，还包括输出端；所述基准源输出电路包括：第二电阻R2、第九MOS管M9和第十MOS管M10；其中，
M8的源端和M7的漏端连接至M9的栅端，M9的源端与R2的第一端连接，R2的第二端与M10的漏端连接至输出端，M9的漏端与所述输入电源端连接，M10的源端接地、栅端与高增益运算放大器的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，所述启动电路包括第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14和第十五MOS管M15；其中，
M11的源端、M13的源端和M15的源端均与所述输入电源端连接，M11的栅端和M12的栅端与所述输出端连接，M11的漏端、M12的漏端及M13的栅端均连接至M14的栅端，M13的漏端和M14的漏端均连接至M15的栅端，M15的漏端连接高增益运算放大器的输出端。
6.根据权利要求5所述的全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，M1～M15为SiMOSFET或SiCMOSFET。
7.根据权利要求6所述的全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，当M1～M15为SiCMOSFET时，所述电流产生电路用于产生与温度变化呈负相关的负温度系数电流，所述温度补偿产生电路用于产生与温度变化呈正相关的正温度系数电压。
8.根据权利要求6所述的全饱和MOSFET带隙基准源，其特征在于，当M1～M15为SiMOSFET时，所述电流产生电路用于产生与温度变化呈正相关的正温度系数电流，所述温度补偿产生电路用于产生与温度变化呈负相关的负温度系数电压。
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