專利名稱：一種采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试吹闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明屬于電源溫度補償電路范圍，特別涉及廣泛應用于低功耗設計中的一種采
用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试矗绕渖婕耙环N采用電阻阻值的正溫度系數(shù)補償電路及溫度 補償基準電壓源，主要用于低功耗模擬、數(shù)模混合電路需要產(chǎn)生低溫度系數(shù)的基準電壓源 電路中。
背景技術：
基準電壓源的功能是向電路中的其它功能模塊提供基準電壓，作為最基本的電路 模塊，在運算放大器、ADC、DAC等模擬和混合電路中有著廣泛的應用?；鶞孰妷涸吹姆€(wěn)定性 直接決定了電路性能的優(yōu)劣。衡量基準電壓源穩(wěn)定性的指標主要有電源電壓抑制比、溫度 系數(shù)、功耗等。為了滿足電路在惡劣的外界溫度環(huán)境下正常工作的要求，基準電壓源必須具 有非常小的溫度系數(shù)，同時為了滿足低功耗設計的需求，基準電壓源所消耗的功率要足夠 的低。 —般常用的基準電壓源是帶隙基準源，采用BJT管實現(xiàn)，輸出電壓值基本恒定在 1. 25V左右；工作原理是使BJT管的A Vbe的正溫度系數(shù)和Vbe的負溫度系數(shù)所產(chǎn)生的漂移 相互抵消。但是，由于帶隙基準源在CMOS工藝中的實現(xiàn)存在很多問題，因此其發(fā)展受到很 多因素的限制，存在如下問題由于BJT管在CMOS工藝中的兼容性不好，會產(chǎn)生放大器的失 調(diào)問題，因此，CMOS工藝線上實現(xiàn)的帶隙基準源會存在BJT管能否準確實現(xiàn)以及如何減小 放大器失調(diào)問題。比較常用的基準電壓源主要采用基于Vth的自偏置結構，但是這種基準電 壓源又存在著溫度系數(shù)較差的缺點。 另外，隨著電源電壓的不斷降低，電路中所需要的基準電壓也在不斷的降低，一般 的帶隙基準電壓源又很難在室溫下產(chǎn)生低于O. 6V的基準電壓。并且，為了滿足低功耗應用 的需求，將電路中的MOS管偏置在亞閾區(qū)已成為低功耗設計的重要方法。由于以上兩種因 素，無BJT管的亞閾基準源越來越受設計者的青睞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试?，其特征在于，所述采用電阻?度補償?shù)膩嗛摶鶞试从煞逯惦娏麋R電路、負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路、基準電壓輸出電路組 成，通過峰值電流鏡電路1、負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路2產(chǎn)生兩路負溫度系數(shù)電流，并將這 兩路負溫度系數(shù)電流進行疊加，流過基準電壓輸出電路3的阻值為正溫度系數(shù)的電阻R3， 最后輸出與溫度近似無關的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试措妷骸?所述的峰值電流鏡電路，包括M0S管M1、M2、M3、M4，電阻R1 ;M0S管Ml的源極連接 到VDD，柵極連接到節(jié)點B，漏極連接到節(jié)點A， M0S管M2的源極連接到VDD，柵極和漏極都 連接到節(jié)點B，電阻Rl連接在節(jié)點A和節(jié)點C之間，MOS管M3的源極連接到GND，柵極連接 到節(jié)點A，漏極連接到節(jié)點C， MOS管M4的源極連接到GND，柵極連接到節(jié)點C，漏極連接到 節(jié)點B。
3
所述的負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路，包括M0S管M5、 M6、 M7、 M8、 M9，電阻R2 ;MOS管 M5源極連接到VDD，柵極連接到所述的峰值電流鏡電路的節(jié)點B，漏極連接到節(jié)點C，MOS管 M6的源極連接到GND，柵極連接到節(jié)點E，漏極鏈接到節(jié)點C， MOS管M7的源極連接到VDD， 柵極與源極連接到節(jié)點D，晶體管M8的源極連接到節(jié)點E，柵極連接到節(jié)點C，漏極連接到節(jié) 點D，MOS管M9的源極連接到VDD，柵極連接到所述的峰值電流鏡電路的節(jié)點B，漏極連接到 節(jié)點E，電阻R2連接在節(jié)點E與GND之間。 所述的基準電壓輸出電路，包括M0S管M10、M11，電阻R3 ;MOS管MIO的源極連接到 VDD，柵極連接到所述的峰值電流鏡電路的節(jié)點B，漏極連接到節(jié)點Vref，MOS管Mil的源極 連接到VDD，柵極連接到所述的負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路的節(jié)點D，漏極連接到節(jié)點Vref， 電阻R3連接在節(jié)點Vref與GND之間。 本發(fā)明所提供的一種采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试矗哂休^低的溫度系數(shù)和功 耗，可以應用在低功耗的模擬、數(shù)模混合的集成電路中。該基準源采用CMOS工藝實現(xiàn)，結構 簡單，具有良好的溫度穩(wěn)定性、電源電壓穩(wěn)定、功耗、PSRR等特性。


圖1為本發(fā)明所述的一種采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试吹碾娐吩韴D。 圖2為圖1所示的亞閾基準源電路中的M0S管M10和M11漏極電流的溫度特性曲線。 圖3為圖1所示的亞閾基準源電路中的電阻RJ勺阻值的溫度特性曲線。 圖4為圖1所示的亞閾基準源電路的輸出基準電壓的溫度特性曲線。 圖5為圖1所示的亞閾基準源電路的輸出基準電壓與電源電壓的變化關系曲線。 圖6為圖1所示的亞閾基準源電路的輸出基準電壓的電源電壓抑制比PSRR。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试?，該基準源采用CMOS工藝實現(xiàn)， 結構簡單，具有良好的溫度穩(wěn)定性、電源電壓穩(wěn)定、功耗、PSRR等特性。 所述的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试?，原理圖如圖1所示，包括峰值電流鏡電 路1、負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路2和基準電壓輸出電路3。該基準源的工作原理是通過所 述的峰值電流鏡電路、負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生兩路負溫度系數(shù)電流lA和Ie(如圖2 所示)，并將這兩路負溫度系數(shù)電流進行疊加，流過阻值為正溫度系數(shù)的電阻R3 (如圖3所 示)，最后輸出與溫度近似無關的基準電壓。 為了對本發(fā)明提出的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试从懈M一步的了解，下面將 結合附圖從原理、電路結構和具體實施方式
等方面做詳細的說明。 所述的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试?，原理圖如圖1所示，包括峰值電流鏡電 路、負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路、基準電壓輸出電路，其中峰值電流鏡電路和負溫度系數(shù)電流 產(chǎn)生電路產(chǎn)生的電壓輸出分別控制基準電壓輸出電路的兩路電流，并且圖中所有的MOSFET 均工作在亞閾區(qū)。 MOSFET的亞閾區(qū)是指當晶體管的柵_源電壓Ves低于閾值電壓Vt，但又足夠大以 使得在硅表面產(chǎn)生一個耗盡區(qū)時的工作區(qū)域。當工作在亞閾區(qū)的晶體管的漏-源兩端加上電壓后，少子就會發(fā)生擴散運動，產(chǎn)生漏極電流，也就是亞閾值電流，艮卩
/M,=/i./^V-(1) 其中VT = kT/q為熱電壓當量，n二 1+Cd+C。x為亞閾值斜率因子 (Sub-ThresholdSlope Facfor) ， Cd為耗盡層電容，VDS為漏-源電壓。Is。為VGS = Vt時的 亞閾值電流，其表達式為
『 、 K7("《 (2)
由式(1)可知，當VDS > 4kT/q(在300K時約lOOmV)時，IDS將飽和，即式(1)可以 修改為


所以
K寺]化 (4)
如果MOS管的漏極電流保持不變的話，Ves是隨溫度增大而減小的。
電阻的阻值是隨溫度變化而變化的，其表達式用溫度T表示為
R(T) = R*X [1+TC1X (T-25)+TC2X (T-25)2] (5)
其中，R*為T = 25t:時的電阻值，TCI為電阻的一階溫度系數(shù)，TC2為電阻的二階


溫度系數(shù)。 所述的峰值電流鏡電路由MOS管Ml M4以及電阻&組成。Ml和M2組成一 電流 鏡，而M3、 M4和電阻&組成MOS峰值電流鏡，這種組合方式可以使得M3和M4的襯底和源 極短接，消除背柵效應，使得兩晶體管的閾值電壓保持相等。將上下兩部分合起來就為獨立 與電源電壓的恒流源電路。假設晶體管Ml和M2完全相同，則Ml、M2兩支路的電流相等，令 其為L。因此，電阻Ri兩端的電壓為 VK1 = VGS3_VGS4 = (6)
將式(4)代入式(6)，化簡可得電流IA為(7) 如果不考慮溫度對電阻的影B向，由(7)式可得電流IA為正溫度系數(shù)電流。但由式 (5)可知實際上電阻阻值是受溫度影響的，因此lA并不總是正溫度系數(shù)電流。將式(5)代 入式(7)可得: ^ =~-^~ln[^-^"] (8)
」禍[i+rcix(r-25)+rc2x(r-25)2] ,/丄)3」 、' 式中R,為T = 25 °C時電阻&的阻值。將IA對溫度T微分^4m[^] i-2體— r+25) (9) dr 禍 ，/丄)3 [i + rcix(r-25)+rc2x(r-25)2]2 、' 因此，要使IA為正溫度系數(shù)電流必須滿足式 l-25TCl-TC2(T-25)(T+25) (10) 大于0。而一般CMOS工藝中的電阻會使得式(10)小于0，因此lA為通常為負溫
度系數(shù)電流:
所述的負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路由MOS管M5 M9以及電阻R2組成。MOS管M5 的漏極電流ID5以及Ic均為電流IA的鏡像。因此M6管的柵-源電壓Ves6在電阻R2產(chǎn)生的
電流為
GO
即 ,丑=
-7C
(12)
的電流為負溫度系數(shù)電流。 流。
隨溫度增大而減小，而電阻R2又是隨溫度增大而增大，因此流過電阻R2
并且通常Ic的溫度系數(shù)要比IK2小，所以Ie仍為負溫度系數(shù)電 所述的基準電壓輸出電路由MOS管M10、M11和電阻R3組成，其作用主要是提供正 溫度系數(shù)的電阻值，以產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓輸出。由圖1可知，M10的漏極電流ID1。和Mil的漏 極電流I。 ^
分別為電流Ia和Ib的鏡像，均為負溫度系數(shù)電流。因此，總的基準電壓輸出為
A (13)


，/i)2^ ，")7
將式(7)和(12)代入式(13)可得:
(14)
射
(15) 觀察式(14)，如果電阻&、&和R3為同一種材料，則溫度系數(shù)相同，因此同時作為 分子分母的電阻的溫度系數(shù)可直接消去，即式(14)可以表示為




其中，R,、R/和R 『(
豐化,","、〖,
(16)
分別為T = 25"時電阻Rp R2和R2的阻值。令
(17)
P 一 t(『")s (『/ i) J《X
(18)
要使輸出基準電壓Vref在某一溫度T。下的溫度系數(shù)為0，即 只需要fe足
(19)
(20) 其中Ke為柵極電壓的溫度系數(shù)。 下面討論本發(fā)明對MOS管溝道長度調(diào)制效應的補償作用。眾所周知，當MOS管處 于飽和區(qū)時，漏-源電壓的變化會引起漏極電流的變化，這也就是MOSFET的溝道長度調(diào)制
效應。而所述的負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路可以對此效應在一定程度上進行抑制，從而當電
6源電壓變化時，輸出基準電壓可以保持相對穩(wěn)定。把式(15)代入式(12)，則 A

-碼
因此，式(13)化為「，
<formula>formula see original document page 7</formula>
由式(4)，將(VGS6/R2)對VDD進行微分，可得到表達式 5(FCT6/J 2)"Kr 3/加_ "「,/丄)
(22)
卿Z) 卿D /^(ff/￡)2卿"
因此，將等式(22)對VDD進行微分，并且由式(23)可得
<formula>formula see original document page 7</formula>
觀察式(24)可以得出減去的[NIA(W/L)U/(W/L)7]有助于減小由于溝道調(diào)制效應 影響IA而導致影響的Vref的變化。雖然參數(shù)N可以用來補償溝道長度調(diào)制效應，但是它 也并不能太大，否則M0S管M7和M8就不能有合適的漏極電流。
權利要求
一種采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试矗ǚ逯惦娏麋R電路(1)、負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路(2)、基準電壓輸出電路(3)，其特征在于通過峰值電流鏡電路(1)、負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路(2)產(chǎn)生兩路負溫度系數(shù)電流，并將這兩路負溫度系數(shù)電流進行疊加，流過基準電壓輸出電路(3)的阻值為正溫度系數(shù)的電阻R3，最后輸出與溫度近似無關的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试措妷?。所述的峰值電流鏡電路(1)，包括MOS管M1、M2、M3、M4，電阻R1；MOS管M1的源極連接到VDD，柵極連接到節(jié)點B，漏極連接到節(jié)點A，MOS管M2的源極連接到VDD，柵極和漏極都連接到節(jié)點B，電阻R1連接在節(jié)點A和節(jié)點C之間，MOS管M3的源極連接到GND，柵極連接到節(jié)點A，漏極連接到節(jié)點C，MOS管M4的源極連接到GND，柵極連接到節(jié)點C，漏極連接到節(jié)點B；所述的負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路(2)，包括MOS管M5、M6、M7、M8、M9，電阻R2；MOS管M5源極連接到VDD，柵極連接到所述的峰值電流鏡電路(1)的節(jié)點B，漏極連接到節(jié)點C，MOS管M6的源極連接到GND，柵極連接到節(jié)點E，漏極鏈接到節(jié)點C，MOS管M7的源極連接到VDD，柵極與源極連接到節(jié)點D，晶體管M8的源極連接到節(jié)點E，柵極連接到節(jié)點C，漏極連接到節(jié)點D，MOS管M9的源極連接到VDD，柵極連接到所述的峰值電流鏡電路(1)的節(jié)點B，漏極連接到節(jié)點E，電阻R2連接在節(jié)點E與GND之間；所述的基準電壓輸出電路(3)，包括MOS管M10、M11，電阻R3；MOS管M10的源極連接到VDD，柵極連接到所述的峰值電流鏡電路(1)的節(jié)點B，漏極連接到節(jié)點Vref，MOS管M11的源極連接到VDD，柵極連接到所述的負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路(2)的節(jié)點D，漏極連接到節(jié)點Vref，電阻R3連接在節(jié)點Vref與GND之間；
2. 根據(jù)權利要求1所述的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试?，其特征在于所述的峰?電流鏡電路(1)利用所述的電阻Ri阻值的正溫度系數(shù)特性產(chǎn)生負溫度系數(shù)的電流lA。
3. 根據(jù)權利要求1所述的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试矗涮卣髟谟谒龅呢摐?度系數(shù)電流產(chǎn)生電路(2)利用電阻1 2隨溫度增大而增大，因此流過電阻1 2的電流為負溫度 系數(shù)電流Ic和IB。
4. 根據(jù)權利要求3所述的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试?，其特征在于所述負溫?系數(shù)電流Ic和Ie為L的鏡像。
5. 根據(jù)權利要求1所述的采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试?，其特征在于所述的基準電壓輸出電?3)利用所述的電阻R3阻值的正溫度系數(shù)特性和所述的負溫度系數(shù)電流產(chǎn) 生電路(2)和基準電壓輸出電路(3)產(chǎn)生的電流的負溫度系數(shù)特性來產(chǎn)生具有良好溫度穩(wěn)定性的基準電壓輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于電源溫度補償電路范圍的一種采用電阻溫度補償?shù)膩嗛摶鶞试?，該亞閾基準源采用電阻阻值的正溫度系?shù)補償電路及溫度補償基準電壓源技術，由峰值電流鏡、負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路、基準電壓輸出電路三部分組成。利用電阻阻值的正溫度系數(shù)和電阻上電流的負溫度系數(shù)以產(chǎn)生恒定的基準電壓輸出的亞閾基準電路。該電路能夠在一定程度上克服由溝道長度調(diào)制效應帶來的輸出電壓受電源電壓波動而變化的影響，結構簡單，功耗低，可以應用在低功耗設計的模擬集成電路，廣泛應用于低功耗模擬、數(shù)?；旌想娐沸枰a(chǎn)生低溫度系數(shù)的基準電壓源電路中。
文檔編號G05F3/08GK101697086SQ20091023654
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權日2009年10月26日
發(fā)明者蔡曉偉, 駱莉 申請人:北京交通大學;