一种低功耗电压基准电路制造技术

本实用新型专利技术提出了一种低功耗电压基准电路，是一种无环路、无须启动电路、无须运放、无须电阻的低功耗电压基准电路，该电路可以产生一个与温度几乎无关的基准电压，相对于传统带隙基准电路而言，本实用新型专利技术未使用到电阻，版图面积大大减小，无环路不存在稳定性的问题，无需启动电路使得电路结构得到简化，未使用运算放大器使得电路的功耗变得更低。本实用新型专利技术提出的电压基准电路适合用于低功耗芯片之内。提出的电压基准电路适合用于低功耗芯片之内。提出的电压基准电路适合用于低功耗芯片之内。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗电压基准电路


[0001]本技术涉及集成电路设计领域，更具体地，涉及一种低功耗电压基准电路。

技术介绍

[0002]为了保证芯片在规定的温度范围内仍然能保持正常的工作状态，几乎所有的集成电路中都需要使用到一个与温度无关的基准电压。常用的方法是采用带隙基准源来实现，其原理是运用两个温度系数相反的电压相加得到一个近似为零温的带隙基准电压，但是，在低功耗芯片当中，传统的带隙基准源结构存在众多的缺点，需要提出新的适合应用于低功耗环境的电压基准源。
[0003]传统结构的带隙基准电路如图1所示，PMOS管P1、P2、P3作为电流镜使用且尺寸一致，AMP为运算放大器，用于钳位同相端与反相端的电压值，电阻R1A与电阻R1B的阻值相等阻值为R1，三极管Q1的发射极面积是三极管Q2发射极面积的K倍。
[0004]运算放大器AMP工作在深度负反馈的状态，使得电压VA＝VB，使得流过电阻R0的电流为一个与温度呈正相关的电流，通过调节电阻R0、R1A和R1B、R2的阻值R0、R1、R2，可以输出一个与温度无关的基准电压。因此，基准电压Vref的表达式如式(S1)所示：
[0005][0006]在低功耗的应用环境中，带隙基准源存在众多缺点：运算放大器需要单独提供偏置电流，且同相端与反相端之间存在失调电压，会使得在理论的计算时产生一定偏差，其次，低功耗时各个支路上的电流都非常小，只有纳安级，因此使用到的电阻的阻值必然会很大，使得版图面积增大，电阻失配也更加明显再者，电路中存在环路，有不稳定的风险，最后，该电路存在简并点，需要增加额外的启动电路。因此，该传统的带隙基准结构已经不再适用于低功耗的应用环境，需要提出新的电路结构，来解决以上存在的问题。

技术实现思路

[0007]本技术提出了一种无环路、无须启动电路、无须运放、无须电阻的低功耗电压基准电路，该电路可以产生一个与温度几乎无关的基准电压，相对于传统带隙基准电路而言，本技术未使用到电阻，版图面积大大减小，无环路不存在稳定性的问题，无需启动电路使得电路结构得到简化，未使用运算放大器使得电路的功耗变得更低。本技术提出的电压基准电路适合用于低功耗芯片之内。
[0008]一种低功耗电压基准电路，包括：电流基准源、第一电流镜、第二电流镜和输出电压基准电路模块，所述电流基准源连接第一电流镜，所述第一电流镜连接第二电流镜和输出电压基准电路模块，所述第二电流镜连接输出电压基准电路模块，其特征在于：所述电流基准源由NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4串联组成，电流基准源为第一电流镜、第二电流镜和输出电压基准电路模块提供偏置电流，第一电流镜由PMOS管PM1、PM2、PM3并联组成，第二电流镜由NMOS管NM5、NM7、NM9并联组成，输出电压基准电路模块由NMOS管NM6、NM8和电压基准输出端Vref组成，NM1、NM2、NM3、NM4各自的栅极连接的同时NM1的栅极接地，NM1、NM2、NM3、NM4各
自相邻的源极和漏极连接的同时NM4的漏极连接PM1的源极，PM1、PM2、PM3的栅极相连接，PM1、PM2、PM3的源极接电源，PM2的漏极连接NM5的漏极，NM5的源极接地，PM3的漏极连接三极管Q1的发射极，三极管Q1接成二极管的结构，即三极管Q1的基极和三极管Q1的集电极相连并接地，三极管Q1的发射极还连接有NM6的栅极，NM6的源极连接NM7的漏极和NM8的栅极，NM7的源极接地，NM8的源极连接电压基准输出端Vref和NM9的漏极，NM9的源极接地，NM6的漏极和NM8的漏极接电源。
[0009]进一步的，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM6、NM8为耗尽型MOS管，其他MOS管NM5、NM7、NM9均为增强型MOS管。
[0010]进一步的，所有的MOS管均工作在亚阈值区。
[0011]进一步的，由MOS管的电流公式可以得出一个工作在亚阈值区的耗尽型MOS管的栅极与源极之间的电压VGS的表达式(S2)为：
[0012][0013]其中，Vth为耗尽型NMOS管的阈值电压且为负值，n为亚阈值斜率修正因子，VT为热电压，ID为此时流过此耗尽型NMOS管NM1的电流，W为耗尽型NMOS管的导电沟道宽度，L为耗尽型NMOS管的导电沟道长度，μ
n
为电子迁移率，C
OX
为单位面积栅氧电容。
[0014]进一步的，PMOS管PM1、PM2、PM3的宽长比之比为1：K：1，NMOS管NM5、NM7、NM9的宽长比之比为1：N：M
[0015]进一步的，由于NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM6、NM8耗尽型的NMOS管阈值电压为负值，耗尽管的栅源接在电源地同样使得MOS管导通，产生偏置电流。
[0016]进一步的，NM6的栅极电压即为三极管Q1的发射极
‑
基极之间的电压VBE，故电压基准输出端Vref的值的公式表示为VBE
‑
VGS6
‑
VGS8,VGS6为NMOS管NM6栅极与源极之间的电压，VGS8为NMOS管NM8栅极与源极之间的电压，假设NM1、NM2、NM3、NM4所产生的偏置电流为I，则根据各个电流镜之间的比例，最终可以求出Vref的表达式如(S3)所示：
[0017][0018]由式(S3)可以看到，第一项VBE与温度呈负相关，第二项和第三项
[0019]|Vth6|、|Vth8|与温度呈正相关，最后一项是与温度呈高阶项关系，因此通过调节N、M、K的值和NMOS管NM6、NM8的宽长比，可以使得最后一项给VBE的温度系数做了高阶补偿，从而得到了一个近似与温度无关的基准电压。
[0020]进一步的，电流基准源的NMOS管串联的数量越多产生的偏置电流越小。
[0021]本技术的有益效果为：一种低功耗电压基准电路，通过NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4串联为其他支路提供偏置电流，PMOS管PM1、PM2、PM3作为电流镜使用，PM2把PM1的电流复制后将电流输入至NM5，NM7、NM9把NM5的电流复制后输入至耗尽管NM6、NM8提供电流，PM3将PM1的电流复制后流入三极管Q1，三极管Q1接成二极管的结构，三极管Q1与耗尽管NM6、
NM8共同作用，在NMOS管NM8的源极产生了一个几乎与温度无关的基准电压，电路结构简单，未使用到电阻，使得该电路的版图面积得到很大程度的缩减，无需启动电路，电路中不存在环路，功耗极低，适合应用于低功耗芯片当中。
附图说明
[0022]图1为现有技术的一种芯片的低功耗电压基准电路。
[0023]图2为本申请的低功耗电压基准电路。
具体实施方式
[0024]描述以下实施例以辅助对本技术的理解。不意在且不应当以任何方式将实施例解释成为限制本技术的保护范围。
[0025]在以下描述中，本领域的技术人员将认识到，在本论述的全文中，组件可描述为单独的功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低功耗电压基准电路，包括：电流基准源、第一电流镜、第二电流镜和输出电压基准电路模块，所述电流基准源连接第一电流镜，所述第一电流镜连接第二电流镜和输出电压基准电路模块，所述第二电流镜连接输出电压基准电路模块，其特征在于：所述电流基准源由NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4串联组成，电流基准源为第一电流镜、第二电流镜和输出电压基准电路模块提供偏置电流，第一电流镜由PMOS管PM1、PM2、PM3并联组成，第二电流镜由NMOS管NM5、NM7、NM9并联组成，输出电压基准电路模块由NMOS管NM6、NM8和电压基准输出端Vref组成，NM1、NM2、NM3、NM4各自的栅极连接的同时NM1的栅极接地，NM1、NM2、NM3、NM4各自相邻的源极和漏极连接的同时NM4的漏极连接PM1的源极，PM1、PM2、PM3的栅极相连接，PM1、PM2、PM3的源极接电源，PM2的漏极连接NM5的漏极，NM5的源极接地，PM3的漏极连接三极管Q1的发射极，三极管Q1接成二极管的结构，即三极管Q1的基极和三极管Q1的集电极相连并接地，三极管Q1的发射极还连接有NM6的栅极，NM6的源极连接NM7的漏极和NM8的栅极，NM7的源极接地，NM8的源极连接电压基准输出端Vref和NM9的漏极，NM9的源极接地，NM6的漏极和NM8的漏极接电源。2.如权利要求1所述的低功耗电压基准电路，其特征在于：NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM6、NM8为耗尽型MOS管，其他MOS管NM5、NM7、NM9均为增强型MOS管。3.如权利要求1所述的低功耗电压基准电路，其特征在于：所有的MOS管均工作在亚阈值区。4.如权利要求1所述的低功耗电压基准电路，其特征在于：由MOS管的电流公式可以得出一个工作在亚阈值区的耗尽型MOS管的栅极与源极之间的电压VGS的表达式(S2)为：其中，Vt...

【专利技术属性】
技术研发人员：李富华，黄祥林，宋爱武，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：