具有双晶体管设计的参考电压发生器制造技术

本发明专利技术提供了一种改进的电压参考发生器。所述电压参考发生器包括：第一晶体管，其具有被偏置成使所述第一晶体管处于弱反模式的栅极；以及第二晶体管，其与所述第一晶体管串联连接并具有被偏置成使所述第二晶体管处于弱反模式的栅极，其中，所述第一晶体管的阈值电压小于所述第二晶体管的阈值电压，所述第二晶体管的栅极电耦接至所述第二晶体管的漏极和所述第一晶体管的源极以形成用于参考电压的输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及一种改进的参考电压发生器，其改进了设计的功耗、大小以及容易度， 并具有与现有设计可比较的温度、电源电压以及工艺不敏感性。
技术介绍
由于对环境和生物医学传感器应用的强烈兴趣，取得了超低功耗(ULP)电路设计的最新进展。这些系统通常包括诸如线性调节器、A/D转换器的模拟和混合信号模块，以及用于独立功能的射频通信模块。电压参考(VR)是这些模块的关键构建模块。特别地，线性调节器需要电压参考， 来向整个系统供应恒定的电压电平。此外，A/D转换器中的放大器使用若干偏置电压。因此，系统中通常需要包括多个电压参考电路。在具有严格功率预算的无线感测系统中通常集成有电压参考，该功率预算因能源很有限而通常小于几百纳瓦。因此，电压参考消耗极少的功率是至关重要的。另一方面，由于一些电源(例如能量净化单元)提供低输出电压，因而电压参考应该能够在宽的Vdd范围内工作，特别是IV附近或低于IV的范围。这部分提供了涉及本公开的
技术介绍
信息，但这些信息不必然是现有技术。
技术实现思路
提供了一种改进的电压参考发生器。该电压参考发生器包括第一晶体管，其具有被偏置成使得所述第一晶体管处于弱反模式(weak inversionmode)的栅极；以及与第一晶体管串联连接的第二晶体管，所述第二晶体管具有被偏置成使得所述第二晶体管处于弱反模式的栅极，其中，所述第一晶体管的阈值电压小于所述第二晶体管的阈值电压，所述第二晶体管的栅极电耦接至所述第二晶体管的漏极和所述第一晶体管的源极以形成用于参考电压的输出。该部分提供了本公开的概括的概要，而不是本公开的所有保护范围或全部特征的综合公开。通过本文提供的描述，其它的适用性领域将变得清楚。该概要中的描述和具体示例仅是为了说明的目的而不意在限制本公开的保护范围。附图说明图IA和图IB分别为使用η型晶体管和ρ型晶体管实现的改进的电压参考发生器的示意图；图2Α 2C是根据各种实施例的、使用η型晶体管实现的参考电压发生器的示意图；图3Α 3C是根据各种实施例的、使用ρ型晶体管实现的参考电压发生器的示意图；图4Α是与电压降元件串联连接的参考电压发生器的示意图；图4Β是与另一参考电压发生器级联的参考电压发生器的示意图；图4C是被配置成产生低电压的参考电压发生器的示意图；图5是具有数字修调(digital trimming)能力的电压参考发生器的示意图；图6A和图6B分别为示出电压参考发生器的输出电压的测量结果和温度系数分布的图表；以及图7A和图7B为示出可修调电压参考的不同设置下的温度系数和输出电压设计空间的图表。本文中所描述的附图只是出于说明所选择的实施例的目的，而并非说明所有的可能的实施方式，并且不意在限制本公开的保护范围。贯穿附图的若干视图，相应的附图标记表示相应的部分。具体实施例方式现在将参照附图来更加充分地描述示例性的实施例。提供示例性的实施例以使得本公开更加彻底并向本领域的普通技术人员充分告知保护范围。阐述了诸如具体的元件、 装置和方法的示例的各种具体细节，以提供对本公开的实施例的通透的理解。本领域的普通技术人员显然知道无需采用这些具体的细节；可以以多种不同的形式来实施示例性的实施例，而且这些不应当被理解为限制本公开的保护范围。图IA和图IB示出根据本公开的原理的、改进的电压参考发生器10的基本电路结构。电压参考发生器10包括串联连接在电源电压(Vdd)和地电压(Vss)之间的两个晶体管 Ml和M2。Vdd和Vss均可以是传统的电源电压(例如，从供电电源或电池获取的)或可以是在其它处(例如，任何类型的参考电压发生器，包括文中所提出的技术)生成的参考电压。由于仅具有两个晶体管，所以与现有设计相比，该电压参考发生器既小又简单。这不仅对最小化电路面积、功率和成本具有价值，而且对最小化设计电压参考发生器所需要的时间也具有价值。值得注意的是，第一晶体管Ml的阈值电压小于第二晶体管M2的阈值电压。为了清楚起见，在附图中以较粗的线条示出具有较大阈值电压的晶体管。本公开设想了用于实现期望的阈值电压的不同方式，这些方式包括但并不限于不同的阈值注入、不同的晶体管栅极尺寸、不同的氧化物厚度以及不同的体偏置(body bias)。在任何情况下，第一阈值电压与第二阈值电压之差通常会大于150毫伏并且优选大于200毫伏，以实现最理想的工作特性。然而，本设计将在较小差值的情况下运行。在操作过程中，第一晶体管Ml和第二晶体管M2的栅-源电压必须被设置成确保两个晶体管均工作在弱反工作模式下(通常也称为亚阈值区(subthreshold region))。通过使晶体管工作在弱反模式(而不是在饱和区)下，与现有设计相比，该发生器的功耗显著降低。此外，工作在弱反模式下确保电压参考发生器能够在远低于IV的电源电压(Vdd)下工作。为了改进性能，Ml和M2上的漏源极电压应当大于大约3VT，其中Vt是热电压。将这些假设与公知的亚阈值电流方程相结合，示出参考电压Vkef的值为权利要求1.一种参考电压发生器，包括第一晶体管，其具有第一阈值电压及被偏置成使所述第一晶体管处于弱反模式的栅极；以及第二晶体管，其与所述第一晶体管串联连接，所述第二晶体管具有第二阈值电压及被偏置成使所述第二晶体管处于弱反模式的栅极，其中，所述第一阈值电压小于所述第二阈值电压，所述第二晶体管的栅极电耦接至所述第二晶体管的漏极以形成用于参考电压的输出ο2.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极尺寸被限定为使得所述参考电压与温度无关。3.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极尺寸被限定为使得所述参考电压与温度正线性相关。4.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极尺寸被限定为使得所述参考电压与温度负线性相关。5.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一阈值电压与所述第二阈值电压之差超过150毫伏。6.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管具有为热电压三倍以上的漏源极电压。7.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管的栅极电耦接至地电压。8.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管的栅极电耦接至所述参考电压。9.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管是 η型晶体管，使得所述第一晶体管的漏极电耦接至电源电压、所述第一晶体管的源极电耦接至所述第二晶体管的漏极且所述第二晶体管的源极电耦接至地电压。10.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管是P型晶体管，使得所述第二晶体管的源极电耦接至电源电压、所述第二晶体管的漏极电耦接至所述第一晶体管的源极且所述第一晶体管的漏极电耦接至地电压。11.根据权利要求1所述的参考电压发生器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管还被限定为金属氧化物半导体场效应晶体管。12.根据权利要求1所述的参考电压发生器，还包括与所述参考电压发生器级联的第二电压参考发生器，以输出比由所述参考电压发生器输出的参考电压高的电压。13.根据权利要求1所述的参考电压发生器，还包括与所述第二晶体管串联连接的第三晶体管，其中所述第三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：石珉玖，丹尼斯·西尔韦斯特，大卫·布洛乌，斯克特·汉森，格里戈里·陈，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：