一种低功耗亚阈值全MOS管的基准电压源的设计制造技术

本发明专利技术属于模拟集成电路领域，涉及一种低功耗基准电压源电路。本电路包含基准核心电路以及启动电路。通过对工作在亚阈值区、线性区和饱和区的MOS晶体管不同电流特性的分析设计了一种低功耗全MOS基准电压源电路。通过使用工作在线性区的MOS晶体管代替普通常规电阻使整个电路实现全MOS基准源的特性，同时可以有效减小电路芯片面积；启动电路用于在电源刚上电时给整个电路提供一个启动电流，以消除简并点。与传统的基准电压源电路相比，本发明专利技术的电路不仅能达到非常低的功耗，而且具有较低的温度系数。

Design of a low power subthreshold all MOS tube reference voltage source

The invention belongs to the field of analog integrated circuit, and relates to a low power reference voltage source circuit. The circuit consists of a reference core circuit and a starting circuit. A low power full MOS reference voltage source circuit is designed by analyzing the current characteristics of MOS transistors in sub threshold region, linear region and saturation region. The characteristics of MOS transistor operating in the linear region to replace the ordinary routine resistance of the entire circuit to achieve full MOS reference source, and can effectively reduce the circuit area; starting circuit for power supply in power up to just the whole circuit provides a starting current, to eliminate the degeneracy point. Compared with the traditional reference voltage source circuit, the present invention can not only achieve very low power consumption, but also have low temperature coefficient.

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗亚阈值全MOS管的基准电压源的设计
本专利技术属于模拟集成电路领域，涉及到集成电路中基准电压产生技术，更确切的说是一种低功耗亚阈值全MOS基准电压源的设计。
技术介绍
基准电压源是模拟电路中的重要模块，常常被应用于电源管理芯片、数模转换器等电路中，为电路其他模块提供电压参考。在基准电压源的研究中，研究更多的是如何实现低温漂特性，对功耗研究较少，并且很多都是基于带隙基准，然而带隙基准对电源电压要求较高，并且常规电阻的使用导致芯片面积较大，因此，有必要设计一种具有低功耗全MOS管亚阈值特性的基准源电路。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种新型的适用于低电源电压的低功耗亚阈值全MOS管基准电压源电路，电路具有在很宽温度范围内的低温度系数特性，使用工作于线性区的MOS管代替电阻实现全MOS结构并减小电路芯片面积，并且输出基准电压为线性区MOS管提供偏置电压，避免设计额外的偏置电路以进一步降低功耗。本专利技术的技术方案为：一种低功耗亚阈值全MOS基准电压源电路，该电路包括基准核心电路、启动电路。所述基准核心电路由PMOS管M1、M2、M3、M4、M8和NMOS管M5、M6、M7、M9构成；其中，M1的源级接电源VDD，栅极接M2的栅极，漏极接M3的源级；M2的源级接电源VDD，栅极和漏极接到一起，接到M4的源极；M3的栅极接到M4的栅极，漏极接到M5的漏极；M4的栅极与漏极接到一起，接到M6的漏极；M5的栅极接到漏极，源级接到地GND；M6的栅极接到M5的栅极，源级接到M7的漏极；M7的栅极接到M9的栅极，源级接到地GND；M8的源级接电源VDD，栅极接M2的栅极，漏极接M9的漏极；M9的栅极接漏极，源级接地GND。所述启动电路由PMOS管M10、M11、M12构成；M10的源级接电源VDD，栅极接到M12的源级，漏极接M11的栅极；M11的源级和漏极接到一起，接到地GND；M12的栅极接M11的栅极，漏极接地GND。本专利技术的有益效果为降低基准电压源的功耗，不仅能降低供电电源电源和静态电流，而且能降低芯片版图面积，同时在整个温度范围内保持低温漂系数。附图说明图1为亚阈值基准源基本结构。图2为本专利技术中基准电压源的完整原理图。图3为电路温度特性仿真示意图。图4为电路静态电流特性仿真示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细描述。本专利技术的低功耗亚阈值全MOS基准电压源电路，如图2所示，该电路包括基准核心电路、启动电路。所述基准核心电路由PMOS管M1、M2、M3、M4、M8和NMOS管M5、M6、M7、M9构成；其中，M1的源级接电源VDD，栅极接M2的栅极，漏极接M3的源级；M2的源级接电源VDD，栅极和漏极接到一起，接到M4的源极；M3的栅极接到M4的栅极，漏极接到M5的漏极；M4的栅极与漏极接到一起，接到M6的漏极；M5的栅极接到漏极，源级接到地GND；M6的栅极接到M5的栅极，源级接到M7的漏极；M7的栅极接到M9的栅极，源级接到地GND；M8的源级接电源VDD，栅极接M2的栅极，漏极接M9的漏极；M9的栅极接漏极，源级接地GND。所述启动电路由PMOS管M10、M11、M12构成；M10的源级接电源VDD，栅极接到M12的源级，漏极接M11的栅极；M11的源级和漏极接到一起，接到地GND；M12的栅极接M11的栅极，漏极接地GND。本专利技术的工作原理为：利用亚阈值区两个CMOS管栅源电压之差ΔVGS产生PTAT电流I0，从而得到一定温度范围内零温度系数的基准电压电路。如图1所示为亚阈值基准电压源电路结构，I0为电流源，晶体管M0工作在饱和区，饱和区电流为：所以基准电压VREF为：式中第一项阈值电压VTH具有负温度特性，为了得到零温度系数的基准电压，就要求式中第二项要具有正温度系数。基准核心电路如图2所示，其中M1～M4构成共源共栅电流镜，M1和M2的宽长比相同，M3、M4用于抑制沟道长度调制效应对电流镜镜像电流的影响。M5、M6、M7用于产生PTAP电流，其中M5、M6工作在亚阈值区，M7工作在深线性区充当电阻以减小版图面积，M8工作在亚阈值区，用于镜像M1和M2的电流，M9工作在饱和区，M9栅源电压作为输出基准电压，并且为M7的栅端提供偏置电压。由于M7工作在深线性区，M7的漏源电流I7可以简化为：由于M9工作在饱和区，M9的漏源电流I9为：设M8和M2的宽长比为M，即I9＝M·I7，由于M7、M9栅端连接在一起，栅源电压相等，并且宽长比相等，则可得：M5、M6工作在亚阈值区，由亚阈区公式得：因此，M7的漏源端电压VDS7为：将上式代入I9公式得：由式(8)可以得到基准电压VREF为：式中阈值电压VTH具有负温度特性，VT具有正温度特性，因此，只要适当设置M2、M5和M6以及M8的宽长，就可以得到零温度系数的基准电压。启动电路如图2所示，其中M11源端漏端和衬底连接在一起接到低端，因此整个MOS管相当于电容，并且该电容会随着栅电压变化。当电源刚刚开始上电的时候，M11的栅端没有电荷，即电压为零，因此M12的栅源电压等于电源电压，M12处于导通状态，从而将电流镜M1、M2的栅端电压拉低，M1、M2导通，电路进入到正常工作状态；同时，M10的漏电流逐渐增大并给电容M11充电，M11栅端电压也开始逐渐升高。当电路已经启动开始正常工作后，M11栅端电压足够大，M12就会不导通，进入关断状态，这样启动电路就和基准核心电路断开。启动电路在电路正常工作时不消耗静态电流，因此有助于降低功耗。本专利技术分析了工作在亚阈值区、线性区和饱和区的MOS晶体管不同电流特性，设计了一种低功耗亚阈值全MOS管基准电压源电路。使用工作在线性区的MOS晶体管代替普通常规电阻，使整个电路实现全MOS基准源的特性，同时有效减小电路芯片面积，输出基准电压为线性区MOS管提供偏压以进一步降低功耗，并且电路具有在很宽温度范围内的低温度系数特性。如图3所示，是对本电路基准电压源温度特性的仿真图，从仿真结果可以看出在-50～+150℃范围内电压变化4.48mV，温度系数为22.6×10-6/℃。如图4所示，是对本电路静态电流特性的仿真图，从图中可以看出，整个电路静态电流非常低，25℃时静态电流为327.3nA，因此，电路总静态功耗为0.59μW。因此，可以看出本专利技术提供了一个低功耗低温度系数的亚阈值全MOS管基准电压源，该基准电压源可以满足对功耗和芯片面积要求较高的应用场合。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低功耗亚阈值全MOS管基准电压源的设计，其包含基准核心电路以及启动电路，所述基准核心电路，用于产生基准电压，其特征在于：通过对工作在亚阈值区、线性区和饱和区的MOS晶体管不同电流特性的分析设计了一种低功耗全MOS基准电压源电路。

【技术特征摘要】
1.一种低功耗亚阈值全MOS管基准电压源的设计，其包含基准核心电路以及启动电路，所述基准核心电路，用于产生基准电压，其特征在于：通过对工作在亚阈值区、线性区和饱和区的MOS晶体管...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国俊，张涛，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51