亚阈值ＭＯＳＦＥＴ带隙基准源制造技术

本发明专利技术公开了一种抗工艺涨落的亚阈值ＭＯＳＦＥＴ带隙基准源，它由负温度系数电流产生电路和启动电路、正温度系数电流产生电路、基准电压产生电路组成，其中本发明专利技术的负温度系数电流产生电路采用了体电位调制技术，将其中亚阈值ＮＭＯＳＦＥＴ（用于产生负温度系数电压）的体端从衬底独立出来，与本发明专利技术的调制电压发生器的输出端相连。根据实际工艺涨落情况，通过调整调制电压发生器中的变阻器，产生合适的调制电压来补偿由于工艺涨落导致的亚阈值ＮＭＯＳＦＥＴ阈值电压的变化，进而大大降低工艺涨落对亚阈值ＭＯＳＦＥＴ带隙基准源的输出基准电压的不利影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及 一种亚阈值MOSFET带隙基准源，属于集成电路

技术介绍
在带隙基准电压源方面，需要解决的问题包括1、随着CMOS工艺尺寸不断缩小， 传统带隙基准源中的双极晶体管的性能退化和兼容性问题日趋严重；2、当电源电压低于带 隙电压值(1.26V)时，传统电压模式的带隙基准源电路难以适用。鉴于上述问题，一种亚阈 值MOSFET带隙基准源结构被人们提出并得到了广泛研究。例如，Xia Xiaojuan, Xie Liang and Sun ffeifeng, "A CMOS Voltage Reference Based on Vgs and Δ Vgs in the Weak InversionRegion,，，Chinese Journal of Semiconductors, vol. 29(8), pp.1523-1528, 2008.由于MOSFET在亚阈值区的传输特性与双极晶体管类似，上述结构采用亚阈值MOSFET 代替了双极晶体管，大大降低了电路复杂度和功耗。同时，亚阈值MOSFET带隙基准源可以 采用电流模式，实现任意低的基准输出电压，而不受带隙电压的限制。另外，与传统的带隙 基准源一样，亚阈值MOSFET带隙基准源的输出电压能够实现良好的温度系数。但是，由于亚阈值MOSFET结构中MOSFET的阈值电压等参数受工艺涨落影响较大， 所以在不同工艺角下基准输出电压值存在较大偏差(最大偏差达到士 13. 1%)，难以适用 于很多对电路精度要求较高的场合。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提出一种抗工艺涨落的亚阈值MOSFET带隙基准源， 以克服现有技术的亚阈值MOSFET带隙基准源的输出电压受工艺偏差影响较大，难以适用 于很多对电路精度要求较高的场合的不足。本专利技术的亚阈值MOSFET带隙基准源采取以下技术方案，它由本专利技术的负温度系 数电流产生电路和现有技术的启动电路、正温度系数电流产生电路、基准电压产生电路组 成。启动电路保证上电后整个基准电压源时刻处于导通工作状态，正温度系数电流产生电 路用于产生一个与绝对温度成正比的电流支路，负温度系数电流产生电路用于产生一个与 绝对温度成反比的电流支路，上述两条支路电流在基准电压产生电路中汇合并相互抵消 温度的影响(即电流模式)，最终通过电阻产生一个零温度系数的基准电压。其中本专利技术 的负温度系数电流产生电路采用了体电位调制技术，它包括现有技术的一个用于监视的 NM0SFET、一个偏置电阻、二个电流镜和一个极点调节电容，其特征在于它还包括一个体电位可调的NM0SFET，工作在亚阈值区，用于产生负温度系数电压；一个调制电压发生器，用于产生调制电压。所述的用于产生负温度系数电压的NM0SFET的体端从衬底独立出来，与所述的调 制电压发生器的输出端相连。所述的调制电压发生器由一个变阻器、一个运算放大器和二个滤波电容组成，其 中变阻器用于改变调制电压发生器的输出电压，运算放大器用于电压缓冲，而二个滤波电容用于滤除电路引入的噪声和其他干扰。将调制电压发生器输出的调制电压接入亚阈值NM0SFET (用于产生负温度系数电压)的体端，能够改变该NM0SFET的阈值电压等参数，进而改变其产生的负温度系数电压及 其所在模块产生的负温度系数电流值，最终达到改变带隙基准源的输出基准电压的目的。 实际应用中，可根据由于工艺涨落导致的输出基准电压偏差情况，针对性地调整调制电压 发生器中的变阻器，产生合适的调制电压，大大降低工艺涨落对亚阈值MOSFET带隙基准源 的输出基准电压的不利影响。本专利技术的优点和积极效果通过调制电压发生器输出电压对亚阈值NM0SFET(用 于产生负温度系数电压)的体电位调制作用，最终使得亚阈值MOSFET带隙基准源的输出基 准电压在不同工艺角情况下较为一致，从而避免了工艺偏差的不利影响，在不明显增加电 路复杂度的情况极大地提高电路的稳定性和鲁棒性。附图说明图1为现有技术的亚阈值MOSFET带隙基准源电路图；图2为现有技术带隙基准源在不同工艺角下的基准电压随温度变化曲线图；图3为本专利技术的亚阈值MOSFET带隙基准源(未包含调制电压发生器)电路图；图4为本专利技术的调制电压发生器电路图；图5为本专利技术的带隙基准源在不同工艺角下的基准电压随温度变化曲线图。具体实施例方式具体实施例方式现有技术的亚阈值MOSFET带隙基准源电路图如图1所示，它由启动电路11、正温 度系数电流产生电路12、负温度系数电流产生电路13和基准电压产生电路14组成。启动电路11由PMOSFET MPUMP2和NMOSFET MNl组成，用于保证上电后整个带隙 基准源时刻处于导通工作状态。若电路进入零电流状态，MPU MP2和MNl的栅端均处于高 电平，此时MPl和丽1组成的反相器将MPl漏端(MP2栅端)强行下拉至低电平，MP2导通并 将电流注入正温度系数电流产生电路12，整个带隙基准源随即重新开启。开启后，MP3栅端 电位下降，MPl导通，MP2截止，这样带隙基准源正常工作时可以忽略启动电路11的影响。正温度系数电流产生电路12由PMOSFET MP3.MP4, NMOSFET MN2、MN3和电阻Rl组 成，其中MP3、MP4构成电流镜结构，而丽2、丽3工作在亚阈值区，其传输特性(I11-Ves)与双 极型晶体管类似，因此能够替代传统带隙基准源中的双极型晶体管，其传输特性(I11-Ves)满 足关系式⑴<formula>formula see original document page 4</formula>其中Vgs，Vth和S分别是MOSFET的栅源电压、阈值电压和宽长比，Vt = kT/q为热 电压，η为斜率因子，Im为Ves = Vth, S = 1时的漏电流。根据式(1)可推导出Rl上电流 Iki (即正温度系数电流产生电路12的输出电流Iptat)为<formula>formula see original document page 4</formula>其中VesN2，VesN3分别为丽2、丽3的栅源电压，SP3、SP4、Sffi和Sm分别是MP3、MP4、丽2 和丽3的宽长比。由式⑵可知，正温度系数电流产生电路12的输出电流Iptat与温度成正 比。负温度系数电流产生电路13由PMOSFET MP5、MP6、MP7，NM0SFETMN4、MN5，偏置电 阻R2和极点调节电容Cl组成。其中MP5与正温度系数电流产生电路12中MP3、MP4构成 一组电流镜结构，MP6、MP7构成另一组电流镜结构，丽5用于监视(下详)，而MN4工作在亚 阈值区，它的传输特性(I11-Ves)满足式⑴，由此可推导出MN4的栅源电压VesN4为VGSNA = Vth+nkT/qin(ID/IDoSN4)(—)(3)其中VesN4为MN4的栅源电压，Sn4为MN4的宽长比。由于MOSFET在亚阈值区时Id 肯定小于IMSN4，所以MN4的栅源电压VesN4随温度增加而减小，负温度系数电流产生电路13 的输出电流I·与温度成反比，见式⑷Ictat=VGSN4SP7/R2.SP6(4)其中SP6、Sp7分别是MP6和MP7的宽长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚阈值ＭＯＳＦＥＴ带隙基准源，它包括启动电路（３１），保证上电后整个基准源时刻处于导通工作状态；正温度系数电流产生电路（３２），用于产生一个与绝对温度成正比的电流支路；负温度系数电流产生电路（３３），用于产生一个与绝对温度成反比的电流支路；基准电压产生电路（３４），将上述两条支路电流汇合并相互抵消温度的影响，最终产生一个零温度系数的基准电压；其特征在于：所述的负温度系数电流产生电路（３３）采用了体电位调制技术，用于抗工艺涨落。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：虞春英，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]