具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的制作方法
【專利摘要】具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，涉及參考電壓源【技術(shù)領(lǐng)域】。本實用新型包括依次連接的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路和類LDO電路。所述正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路由單級或多級單元電路組成，每級單元電路包括采用MOS管的偏置電流源P和兩個NMOS管。各級單元電路順序級聯(lián)，每級單元電路中的NMOS管A的柵極與NMOS管B的柵極相連接后分別接至NMOS管A的漏極與偏置電流源P的漏極，NMOS管A的源極與NMOS管B的漏極相連接作為輸出節(jié)點。偏置電流源P產(chǎn)生的電流經(jīng)過該級NMOS管A與NMOS管B后由NMOS管B的源極連接至下一級單元電路中NMOS管A的源極和NMOS管B的漏極。所述類LDO電路包括運算放大器和輸出單元。本實用新型在不顯著增加面積的情況下，有效降低系統(tǒng)功耗，且具有溫度補償功能。
【專利說明】具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及參考電壓源【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。
【背景技術(shù)】
[0002]電壓參考源是諸多電路系統(tǒng)中不可或缺的組成單元之一，常用于為高性能的模擬電路或數(shù)字電路模塊提供一個低溫度系數(shù)的參考電壓，以提高電路的性能。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，集成電路領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電壓參考源電路通常使用由經(jīng)典雙極型晶體管構(gòu)成的帶隙基準(zhǔn)電路，其基本原理是由于雙極型晶體的基極-發(fā)射極結(jié)具有負(fù)溫度特性；另一方面，當(dāng)雙極型晶體管的集電極電流不同時，其基極-發(fā)射極結(jié)的溫度曲線存在差另O，當(dāng)不同的電流流過兩個不同的雙極型晶體管時，兩個晶體管上的基極-發(fā)射極結(jié)兩端電壓的差值卻具有正的溫度系數(shù)。通過將這個具有正溫度系數(shù)的電壓放大適大的比例同具有負(fù)溫度系數(shù)的結(jié)電壓相加，就可以獲得一個溫度系數(shù)得到一定抑制的電壓參考源。
[0004]然而，傳統(tǒng)的雙極型晶體管構(gòu)成的帶隙基準(zhǔn)電路并不適用于低功耗設(shè)計。原因如下:首先，傳統(tǒng)的雙極型晶體管的電流放大倍數(shù)BETA值并非恒定，當(dāng)集電極電流小于某個閾值時，BETA值會隨著電流的不同而單調(diào)明顯變化，這使得當(dāng)偏置電流很小時，采用不同大小電流進行偏置的兩個雙極型晶體管的BETA值可能存在著顯著不同，使得匹配性變得很差；其次，傳統(tǒng)的雙極型晶體管構(gòu)成的帶隙基準(zhǔn)電路通常使用運算放大器將結(jié)電壓的差值Λ VBE取出，并置于采樣電阻兩端，而流經(jīng)采樣電阻的電流亦構(gòu)成了帶隙基準(zhǔn)電路中的靜態(tài)電流，故在低功耗設(shè)計中，要獲取極小的靜態(tài)電流，必須采用極大的采樣電阻值以及更為巨大的放大電阻的阻值，占用了巨大的面積同時造成了采工藝梯度與應(yīng)力的影響加大；其三，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路只能產(chǎn)生1.25V左右的電壓，并不滿足實際使用的需要。
[0005]出于以上原因，在現(xiàn)有的低功耗設(shè)計中不得不放棄傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路的使用，甚至有時不得不采用無溫度補償?shù)碾妷簠⒖荚?，這對后級的電路的性能造成了影響，增加了后級電路的設(shè)計難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型的目的是提供一種具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。它在不顯著增加面積的情況下，有效降低系統(tǒng)功耗，且具有溫度補償功能。
[0007]為了達到上述發(fā)明目的，本實用新型的技術(shù)方案以如下方式實現(xiàn):
[0008]具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，其結(jié)構(gòu)特點是，它包括依次連接的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路和類LDO電路。正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路輸出的具有正溫度系數(shù)的電壓通過類LDO電路與具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓進行疊加后，在類LDO電路的輸出端輸出低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓。所述正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路由單級或多級單元電路組成，每級單元電路包括采用MOS管的偏置電流源P和兩個NMOS管。各級單元電路順序級聯(lián)，每級單元電路中的NMOS管A的柵極與NMOS管B的柵極相連接后分別接至NMOS管A的漏極與偏置電流源P的漏極，NMOS管A的源極與NMOS管B的漏極相連接作為輸出節(jié)點。偏置電流源P產(chǎn)生的電流經(jīng)過該級NMOS管A與NMOS管B后由NMOS管B的源極連接至下一級單元電路中NMOS管A的源極和NMOS管B的漏極。最后一級單元電路中NMOS管B的源極接地，第一級單元電路中NMOS管A源極與NMOS管B漏極的連接點作為輸出節(jié)點。所述類LDO電路包括運算放大器和輸出單元。運算放大器包括晶體管零、晶體管一、晶體管二、晶體管三和晶體管四，輸出單兀包括功率管五、功率管六和功率管七。其中晶體管零的柵極與正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的輸出節(jié)點相連接，晶體管零的源極與晶體管一的源極相連并接至晶體管四的漏極。晶體管二的柵極與晶體管三的柵極相連并接至晶體管三的漏極，晶體管二與晶體管三構(gòu)成自偏置電流鏡。晶體管零的漏極與晶體管二的漏極相連并接至輸出單元的功率管六的柵極，晶體管一的柵極分別與輸出單兀功率管五的漏極和柵極相連接，功率管五的源極與功率管六的漏極相連且以該節(jié)點作為所需基準(zhǔn)參考電壓點。功率管七的柵極連接到晶體管四的柵極，功率管七的的漏極接功率管五的的漏極，功率管七的源極接地。所述多級的單元電路通過在除最后一級之外的其它單元電路中將NMOS管B的源極經(jīng)開關(guān)接地來控制整個電路的級數(shù)及對電路輸出進行調(diào)整。
[0009]在上述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中，所述每級單元電路中的NMOS管A和NMOS管B均工作在亞閾值區(qū)。
[0010]本實用新型由于采用了上述結(jié)構(gòu)，由于每級單元電路中的NMOS管A與NMOS管B均工作在亞閾值區(qū)，故經(jīng)過每一級偏置電流源P的電流都非常小。而每級的NMOS管A與NMOS管B均串聯(lián)聯(lián)接，有利于優(yōu)化亞閾值情況下的匹配性，非常適合低功耗電路的使用。正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路輸出的具有正溫度系數(shù)的電壓通過類LDO電路與具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓進行疊加后，在類LDO電路的輸出端輸出低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓Vref。本實用新型同現(xiàn)有技術(shù)相比，能有效降低系統(tǒng)功耗，且具有溫度補償功能。
[0011]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本實用新型實施例中正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的單級結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3為本實用新型實施例中輸出電壓特性示意圖。
【具體實施方式】
[0015]本實用新型具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路包括依次連接的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11和類LDO電路22。正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11輸出的具有正溫度系數(shù)的電壓通過類LDO電路22與具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓進行疊加后，在類LDO電路22的輸出端輸出低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓Vref。正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11由單級或多級單元電路組成，每級單元電路包括采用MOS管的偏置電流源P和兩個NMOS管。各級單元電路順序級聯(lián)，每級單元電路中的NMOS管A的柵極與NMOS管B的柵極相連接后分別接至NMOS管A的漏極與偏置電流源P的漏極，NMOS管A的源極與NMOS管B的漏極相連接，偏置電流源P產(chǎn)生的電流經(jīng)過該級NMOS管A與NMOS管B后由NMOS管B的源極連接至下一級單元電路中NMOS管A的源極和NMOS管B的漏極。最后一級單元電路中NMOS管B的源極接地，第一級單元電路中NMOS管A源極與NMOS管B漏極的連接點作為輸出節(jié)點。類LDO電路22包括運算放大器和輸出單元，運算放大器包括晶體管零M0'晶體管一 Mp晶體管二 M2'晶體管三M3和晶體管四M4，輸出單元包括功率管五M5、功率管六M6和功率管七M7。其中晶體管零M0的柵極與正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11的輸出節(jié)點相連接，晶體管零M0的源極與晶體管一 M1的源極相連并接至晶體管四M4的漏極，晶體管二 M2的柵極與晶體管三M3的柵極相連并接至晶體管三M3的漏極，晶體管二 M2與晶體管三M3構(gòu)成自偏置電流鏡。晶體管零M0的漏極與晶體管二 M2的漏極相連并接至輸出單元的功率管六M6的柵極，晶體管一 M1的柵極分別與功率管五M5的漏極和柵極相連接。功率管五M5的源極與功率管六M6的漏極相連且以該節(jié)點作為所需基準(zhǔn)參考電壓點，功率管七M7的柵極連接到晶體管四M4的柵極，功率管七M7的的漏極接功率管五M5的的漏極，功率管七M7的源極接地。多級的單元電路通過在除最后一級之外的其它單元電路中將NMOS管B的源極經(jīng)開關(guān)接地來控制整個電路的級數(shù)及對電路輸出進行調(diào)整。每級單元電路中的NMOS管A和NMOS管B均工作在亞閾值區(qū)。
[0016]參照圖1，正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11由MOS管Mptl、MOS管Mp1、MOS管Mp2、MOS管Mp3>MOS 管 Mp4 以及工作在亞閾值區(qū)的 NMOS 管 MA(l、NM0S 管 MA1、NM0S 管 MA2、NM0S 管 MA3、NM0S管MA4、NMOS管MB(1、NMOS管MB1、NMOS管MB2、NMOS管Mb3和NMOS管Mb4組成。各單元電路順序級聯(lián)，NMOS管Maci的柵極與NMOS管Mbci的柵極相連接后分別接至NMOS管Maci的漏極與MOS管Mpo的漏極，NMOS管Mao的源極與NMOS管Mbci的漏極相連接，偏置電流源MOS管Mro產(chǎn)生的電流由該級NMOS管Mbci的源極連接至下一級單元電路中NMOS管Mai的源極和NMOS管Mbi的漏極。NMOS管Mai的柵極與NMOS管Mbi的柵極相連接后分別接至NMOS管Mai的漏極與MOS管Mpi的漏極,偏置電流源MOS管Mpi產(chǎn)生的電流由該級NMOS管Mbi的源極連接至下一級單元電路中NMOS管Ma2的源極和NMOS管Mb2的漏極。NMOS管Ma2的柵極與NMOS管Mb2的柵極相連接后分別接至NMO S管Ma2的漏極與MOS管Mp2的漏極，偏置電流源MOS管Mp2產(chǎn)生的電流由該級NMOS管Mb2的源極連接至下一級單元電路中NMOS管Ma3的源極和NMOS管Mb3的漏極。NMOS管Ma3的柵極與NMOS管Mb3的柵極相連接后分別接至NMOS管Ma3的漏極與MOS管Mp3的漏極,偏置電流源MOS管Mp3產(chǎn)生的電流由該級NMOS管Mb3的源極連接至下一級單元電路中NMOS管Ma4的源極和NMOS管Mb4的漏極。NMOS管Ma4的柵極與NMOS管Mb4的柵極相連接后分別接至NMOS管Ma4的漏極與MOS管Mp4的漏極，偏置電流源MOS管Mp4產(chǎn)生的電流由該級NMOS管Mb4的源極接地。
[0017]輸出單元中的功率管五仏提供了一個具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓，晶體管一 M1柵極的值被固定在V21左右，功率管七M7提供了一個用于功率管五M5偏置的尾電流源。晶體管一M1的柵極與輸出單元二極管連接的MOS管M5的柵漏相連，功率管五M5的柵極、漏極電壓也被鉗位在電壓V21值。由于功率管五M5上源極、漏極間的電流僅與尾電流源有關(guān)，所以可以認(rèn)為功率管五M5上源極、漏極電壓是一個與負(fù)載無關(guān)的電壓Ves5，該電壓是一個具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓，又由于功率管五M5源極電壓為具有正溫度系數(shù)電壓V21，通過合理的設(shè)置，可以令Ves5與V21的溫度系數(shù)的絕對值近似相等。而輸出參考電壓VREF的值為Vgs5與V21的和，故可以認(rèn)為，我們得到了一個與溫度無關(guān)的參考電壓VKEF。
[0018]下面具體闡述本實用新型電路的工作原理。
[0019]考慮圖1中正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路11的工作情況。[0020]參看圖2所示，單級電路的輸出V。情況。NMOS管AOMaq與NMOS管BOMbq均工作在亞閾值區(qū)。定義MOS管POMro產(chǎn)生的偏置電流為Itl,則流過NMOS管AOMaci與NMOS管BOMbq的電流Idsa與Idsb相等。定義NMOS管BOMbci的柵源電壓為VesB，NMOS管AOMaci的柵源電壓為Vgsa, NMOS管AOMaq的寬長比為SAQ，NMOS管BOMbq的寬長比為SB(I，由亞閾值區(qū)的電流公式可得，
【權(quán)利要求】
1.具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，它包括依次連接的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路(11)和類LDO電路(22 )，正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路(11)輸出的具有正溫度系數(shù)的電壓通過類LDO電路(22)與具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓進行疊加后，在類LDO電路(22)的輸出端輸出低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓(Vref);所述正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路(11)由單級或多級單元電路組成，每級單元電路包括采用MOS管的偏置電流源P和兩個NMOS管，各級單元電路順序級聯(lián)，每級單元電路中的NMOS管A的柵極與NMOS管B的柵極相連接后分別接至NMOS管A的漏極與偏置電流源P的漏極，NMOS管A的源極與NMOS管B的漏極相連接，偏置電流源P產(chǎn)生的電流經(jīng)過該級NMOS管A與NMOS管B后由NMOS管B的源極連接至下一級單元電路中NMOS管A的源極和NMOS管B的漏極，最后一級單元電路中NMOS管B的源極接地，第一級單元電路中NMOS管A源極與WOS管B漏極的連接點作為輸出節(jié)點；所述類LDO電路(22)包括運算放大器和輸出單元，運算放大器包括晶體管零(Md、晶體管一(M1X晶體管二(M2)、晶體管三(M3)和晶體管四(M4),輸出單元包括功率管五(M5)、功率管六(M6)和功率管七(M7),其中晶體管零(Mtl)的柵極與正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路(11)的輸出節(jié)點相連接，晶體管零(Mtl)的源極與晶體管一(M1)的源極相連并接至晶體管四(M4)的漏極，晶體管二(M2)的柵極與晶體管三(M3)的柵極相連并接至晶體管三(M3)的漏極，晶體管二(M2)與晶體管三(M3)構(gòu)成自偏置電流鏡，晶體管零(Mtl)的漏極與晶體管二(M2)的漏極相連并接至輸出單元的功率管六(M6)的柵極，晶體管一(M1)的柵極分別與功率管五(M5)的漏極和柵極相連接，功率管五(M5)的源極與功率管六(M6)的漏極相連且以該節(jié)點作為所需基準(zhǔn)參考電壓點，功率管七(M7)的柵極連接到晶體管四(M4)的柵極，功率管七(M7)的的漏極接功率管五(M5)的的漏極，功率管七(M7)的源極接地，所述多級的單元電路通過在除最后一級之外的其它單元電路中將NMOS管B的源極經(jīng)開關(guān)接地來控制整個電路的級數(shù)及對電路輸出進行調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有溫度補償功能的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述每級單元電路中的NMOS管A和NMOS管B均工作在亞閾值區(qū)。
【文檔編號】G05F1/567GK203825522SQ201420228571
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】呂航, 王斌, 田冀楠, 盛敬剛, 李妥, 王曉暉, 代云龍, 陳艷梅 申請人:北京同方微電子有限公司