一種低功耗cmos基準(zhǔn)源電路的制作方法
【專利摘要】一種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路，屬于模擬電路技術(shù)領(lǐng)域。包括第一耗盡型MOS管M1A、第二耗盡型MOS管M1B、第一增強型MOS管M2A、第二增強型MOS管、第一電阻R3、第一電容C1、第二電容C2和由第三增強型MOS管M3、第一負(fù)載電阻R1與第二負(fù)載電阻R2構(gòu)成作為基準(zhǔn)電壓輸出級的源極跟隨器；M1A源極接M1B漏極，M2A源極接M2B漏極，M2B源極接地；M1B源極接M2A漏極，其連接點接M1A、M1B和M3的柵極，同時通過R3和C1的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與地相連；M3源極通過R1和R2的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地，M2A和M2B的柵極互連后連接R1和R2的串聯(lián)點；M3源極輸出基準(zhǔn)電壓VREF，C2并聯(lián)在基準(zhǔn)電壓輸出端和地之間；M1A和M3的漏極接VDD。本發(fā)明不需要二極管或BJT晶體管，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、基準(zhǔn)電壓與溫度無關(guān)和低功耗的特點。
【專利說明】
-種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于模擬電路技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 在模擬集成電路或混合信號集成電路設(shè)計領(lǐng)域，基準(zhǔn)電壓源是非常重要且常用的 模塊，常應(yīng)用在ADC轉(zhuǎn)換器、DC-DC轉(zhuǎn)換器W及功率放大器等電路系統(tǒng)中，它的作用是為系統(tǒng) 提供一個不隨溫度及供電電壓變化的電壓基準(zhǔn)。
[0003] 自帶隙基準(zhǔn)電壓源架構(gòu)由Widlar提出W來，W其優(yōu)越的性能，被廣泛應(yīng)用于各種 集成電路系統(tǒng)之中。之后，出現(xiàn)了很多針對該種架構(gòu)的改進(jìn)方案。但隨著忍片系統(tǒng)集成度的 進(jìn)一步增加，低電壓與低功耗變得越來越重要。因為帶隙基準(zhǔn)電壓源需要使用二極管或者 S極管來產(chǎn)生PTAT電壓，運需要消耗很大的忍片。同時二極管或者S極管的使用，會限制整 個基準(zhǔn)電路的供電電壓的最小值，而且消耗大量的電流。運使得該種帶隙基準(zhǔn)源架構(gòu)在忍 片面積和功耗上都處于劣勢。
[0004] 為解決該問題，出現(xiàn)了很多CMOS基準(zhǔn)源電路。大部分的CMOS基準(zhǔn)源是利用工作在 亞闊區(qū)的MOS管的漏極電流和柵-源電壓的關(guān)系來產(chǎn)生類似于S極管結(jié)構(gòu)的PTAT電流。但運 需要復(fù)雜的電路和很大尺寸來保證MOS管工作在亞闊區(qū)。并且該架構(gòu)沒有完全消除電路中 的非線性參數(shù)，造成輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種用于不需要二極管或者BJT晶體 管，無復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)電壓與溫度無關(guān)，利用工作在飽和區(qū)的MOS晶體管漏極電流和 柵-源電壓的關(guān)系實現(xiàn)的低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0007] -種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路，包括:第一耗盡型NMOS管Mia、第二耗盡型NMOS管Mib、 第一增強型醒OS管M2A、第二增強型醒OS管M2B、第一電阻R3、第一電容Cl、第二電容C2和由第 S增強型醒OS管M3、第一負(fù)載電阻Ri和第二負(fù)載電阻R2構(gòu)成作為基準(zhǔn)電壓輸出級的源極跟 隨器；
[000引第一耗盡型醒OS管MiA與第二耗盡型NMOS管MiB串聯(lián)，第一增強型醒OS管M2A與第二 增強型NMOS管M2B串聯(lián)，第一耗盡型NMOS管MiA的源極接第二耗盡型NMOS管MiB的漏極，第一增 強型NMOS管M2A的源極接第二增強型NMOS管M2B的漏極，第二增強型NMOS管M2B的源極接地;第 二耗盡型醒OS管MiB的源極接第一增強型醒OS管M2A的漏極，其連接點接第一耗盡型醒OS管 化A的柵極、第二耗盡型NMOS管MiB的柵極和第立增強型NMOS管M3的柵極，同時通過第一電阻 R3和第一電容Cl的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與地GND相連;第S增強型醒OS管M3的源極通過第一負(fù)載電阻Ri 和第二負(fù)載電阻化的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地，第一增強型NMOS管啦A和第二增強型NMOS管M2B的柵極 互連后連接第一負(fù)載電阻Ri和第二負(fù)載電阻R2的串聯(lián)點；第S增強型醒OS管M3的源極作為 基準(zhǔn)電壓輸出端輸出基準(zhǔn)電壓Vref,第二電容C2接在基準(zhǔn)電壓輸出端和地之間；第一耗盡型 NMOS管MiA和第S增強型NMOS管M3的漏極接電源電壓VDD。
[0009] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明中提出的一種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路不需要二極管或 者BJT晶體管，無復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，不需要額外的啟動電路;利用工作在飽和區(qū)的MOS管的漏 極電流和柵-源電壓特性實現(xiàn)基準(zhǔn)電壓源電路，具有低功耗的特點;輸出基準(zhǔn)電壓與溫度無 關(guān);該電路具有很好的電源抑制能力。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明提供的一種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路原理圖。
[OOW 圖2為本發(fā)明提供的一種低功耗CMOS基準(zhǔn)源實際電路圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0013] 本發(fā)明中提出的一種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路的原理圖如圖1所示，包含一個耗盡 型醒OS管Ml和一個增強型醒OS管M2,其中耗盡型NMOS管Ml的柵極和源極短接，增強型醒OS 管M2的柵極與漏極短接。兩個MOS管均工作在飽和區(qū)，那么流過耗盡型NMOS管Ml和增強型 NMOS管M2的電流Idi和Id2分別為：
[0014] Idi = kni (Vgsi-Vthi) ^
[0015] lD2 = kn2(Vgs2-Vth2)2
[0016] 其中 y為MOS管的遷移率，Cox為單位面積的柵氧層電容，W/L為MOS ! 管的寬長之比，耗盡型NMOS管Ml的柵源電壓Vgsi = O,所W增強型NMOS管M2的柵源電壓Vgs2可 W表示為：
[0017：
[0018；
[0019] MO椎的闊值電壓Vth(T)可W表示成溫度的線性函數(shù)：
[0020] Vth(T)=Vth(To)-Qvx(T-To)
[0021] 其中Vth(To)是在溫度T = To時的闊值電壓的數(shù)值，avT是闊值電壓的一階溫度系數(shù)。 可W看出闊值電壓呈現(xiàn)出一階負(fù)溫特性。
[00剖那么增強型醒OS管M2的柵-源電壓Vgs泡含負(fù)溫電壓Vth沸正溫電壓-Vthi。通過調(diào) 整耗盡型NMOS管m和增強型NMOS管M2的尺寸比例，使得正溫電壓和負(fù)溫電壓相抵消，Vgs2的 電壓值與溫度無關(guān)。Vgs2的電壓值與系數(shù)k相乘得到的值為最終的基準(zhǔn)電壓Vref,最終的基準(zhǔn) 電壓值與溫度無關(guān)。
[0023]本發(fā)明提出的一種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路的具體電路圖如圖2所示，包括:第一耗 盡型NMOS管Mia、第二耗盡型NMOS管MiB、第一增強型NMOS管M2A、第二增強型NMOS管M2B、第一電 阻R3、第一電容Cl、第二電容C2和由第S增強型NMOS管M3、第一負(fù)載電阻Ri和第二負(fù)載電阻R2 構(gòu)成作為基準(zhǔn)電壓輸出級的源極跟隨器；
[0024] 第一耗盡型醒OS管MiA與第二耗盡型NMOS管MiB串聯(lián)，第一增強型醒OS管M2A與第二 增強型NMOS管M2B串聯(lián)，第一耗盡型NMOS管MiA的源極接第二耗盡型NMOS管MiB的漏極，第一增 強型NMOS管M2A的源極接第二增強型NMOS管M2B的漏極，第二增強型NMOS管M2B的源極接地;第 二耗盡型醒OS管MiB的源極接第一增強型醒OS管M2A的漏極，其連接點接第一耗盡型醒OS管 化A的柵極、第二耗盡型NMOS管MiB的柵極和第立增強型NMOS管M3的柵極，同時通過第一電阻 R3和第一電容Cl的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與地GND相連;第S增強型醒OS管M3的源極通過第一負(fù)載電阻Ri 和第二負(fù)載電阻化的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地，第一增強型NMOS管啦A和第二增強型NMOS管M2B的柵極 互連后連接第一負(fù)載電阻Ri和第二負(fù)載電阻R2的串聯(lián)點；第S增強型醒OS管M3的源極作為 基準(zhǔn)電壓輸出端輸出基準(zhǔn)電壓Vref,第二電容C2接在基準(zhǔn)電壓輸出端和地之間；第一耗盡型 NMOS管MiA和第S增強型NMOS管M3的漏極接電源電壓VDD。
[00巧]第一耗盡型醒OS管MiA與第二耗盡型NMOS管MiB串聯(lián)，第一增強型醒OS管M2A與第二 增強型NMOS管M2B串聯(lián)，第一耗盡型NMOS管MiA和第一增強型醒OS管M2A工作在飽和區(qū)，第二耗 盡型NMOS管MiB和第二增強型醒OS管M2B工作在線性區(qū)。該種串聯(lián)電路可W等效為一個工作 在飽和區(qū)的MOS管，同時等效出來的MOS管擁有更長的溝道長度L。減小Mia、Mib、M2A和M2B的寬 長比可W降低該條支路的靜態(tài)電流。
[0026] 第S增強型NMOS管M3與其第一負(fù)載電阻Ri和第二負(fù)載電阻R2構(gòu)成源極跟隨器，作 為基準(zhǔn)電壓的輸出級，為輸出提供電流驅(qū)動能力；同時也提供一條反饋路徑，該反饋路徑用 于穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓。調(diào)節(jié)第一負(fù)載電阻Ri和第二負(fù)載電阻R2的比例關(guān)系可W控制最終基準(zhǔn)輸 出電壓的絕對值。該電路最終輸出基準(zhǔn)電壓為：
[0027]
[002引 A V th2 /y巧一巧邸塵1、MU。.巨.M2A/pW巧^增強型匪0 S管M2 B的等效MO S管的闊值電 壓，呈負(fù)溫特性;-V化功第一耗盡型醒OS管MiA與第二耗盡型醒OS管MiB的等效MOS管的闊值 電壓的絕對值，呈正溫特性。（W/L)ni為第一耗盡型醒OS管MiA和第二耗盡型醒OSMiB的等效 MOS管的寬長之比，（W/L)n2為第一增強型醒OS管M2A和第二增強型醒OS管M2B的等效MOS管的 寬長之比，通過調(diào)整(W/L)ni和(W/L)n2的比例系數(shù)，使得最終輸出基準(zhǔn)電壓Vref與溫度無關(guān)。
[0029] 該電壓基準(zhǔn)的主極點位于輸出點，由第二電容C2和該節(jié)點的等效阻抗決定。電路 中加入第一電阻R3和第一電容Cl用于產(chǎn)生一對零點和極點，穩(wěn)定反饋環(huán)路。
[0030] 該電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要額外的啟動電路。供電電源VDD上電后，電路內(nèi)部節(jié)點的 電壓可W自行建立完成，該結(jié)構(gòu)只有兩條電流支路，V孤只需要提供很小的電流即可保證所 有MOS管處在正常的工作狀態(tài)下。
[0031] 該電路可W在很低的電流和電壓條件下工作，實現(xiàn)低功耗應(yīng)用。
[0032] 該電路結(jié)構(gòu)擁有很好的電源抑制能力。低頻噪聲通過第S增強型NMOS管M3的漏極 傳遞到輸出，第立增強型醒OS管M3輸出電阻。3與第一負(fù)載電阻Ri和第二負(fù)載電阻R2的分壓 關(guān)系決定了噪聲的放大系數(shù)，由于rD>>Ri+R2，VDD的噪聲經(jīng)過很大的衰減系數(shù)后才能傳遞 到輸出；另一條噪聲通路是由第一耗盡型NMOS管化A的漏極傳遞到第=增強型NMOS管M3的柵 極，最后傳到輸出點，第S增強型NMOS管M3的柵極到源極的噪聲放大系數(shù)約等于1，那么從 VDD到第S增強型NMOS管M3的柵極的增益就決定了噪聲的放大系數(shù)，該放大系數(shù)由MiA和MiB 的等效輸出電阻r〇i與M2A和M2b的等效輸出電阻:r〇2的分壓關(guān)系決定，同時roi和:r〇2近似相等， 可知該條噪聲通路的衰減系數(shù)較小。因此該條支路決定了整個電壓基準(zhǔn)的電源抑制能力。
[0033]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，運里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于運樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員可W根據(jù)本發(fā)明公開的運些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各 種具體變形和組合，運些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路，包括：第一耗盡型NMOS管（M1A)、第二耗盡型匪OS管 (M1B)、第一增強型NM0S管(M2A)、第二增強型NM0S管(M2B)、第一電阻(R 3)、第一電容(C〇、第二 電容(C2)和由第三增強型NM0S管(M3)、第一負(fù)載電阻(R〇和第二負(fù)載電阻(R 2)構(gòu)成的作為 基準(zhǔn)電壓輸出級的源極跟隨器； 第一耗盡型匪0S管(Mu)與第二耗盡型匪0S管(M1B)串聯(lián)，第一增強型匪0S管(M2a)與第 二增強型匪0S管(M2B)串聯(lián)，第一耗盡型匪0S管(Mu)的源極接第二耗盡型匪0S管(M1B)的漏 極，第一增強型匪0S管(M 2A)的源極接第二增強型匪0S管(M2B)的漏極，第二增強型匪0S管 (M2B)的源極接地;第二耗盡型NM0S管(M 1B)的源極接第一增強型NM0S管(M2A)的漏極，其連接 點接第一耗盡型匪0S管(Mu)的柵極、第二耗盡型匪0S管(M 1B)的柵極和第三增強型匪0S管 (M3)的柵極，同時通過第一電阻(R3)和第一電容(&)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與地(GND)相連;第三增強 型NM0S管(M 3)的源極通過第一負(fù)載電阻(?)和第二負(fù)載電阻(R2)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地，第一 增強型NM0S管(M 2A)和第二增強型NM0S管(M2B)的柵極互連后連接第一負(fù)載電阻(?)和第二 負(fù)載電阻(R 2)的串聯(lián)點；第三增強型NM0S管(M3)的源極作為基準(zhǔn)電壓輸出端輸出基準(zhǔn)電壓 (V REF)，第二電容(C2)接在基準(zhǔn)電壓輸出端和地之間；第一耗盡型NM0S管(M1A)和第三增強型 NM0S管(M3)的漏極接電源電壓(VDD)。
【文檔編號】G05F1/567GK106020323SQ201610676513
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月17日
【發(fā)明人】明鑫, 馬亞東, 徐俊, 汪饒, 王卓, 張波
【申請人】電子科技大學(xué)