本發(fā)明用于集成電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種低功耗高精度非帶隙基準(zhǔn)電壓源。

背景技術(shù)：

近年來，隨著各種便攜式電子產(chǎn)品廣泛發(fā)展和應(yīng)用，如手機、數(shù)碼相機、移動音/視頻設(shè)備等，如何降低功耗、延長電池的使用時間已成為產(chǎn)品設(shè)計首要考慮的問題之一。因此，基準(zhǔn)電壓源作為模擬集成電路中的關(guān)鍵模塊之一，對其低壓、低功耗、精確性和穩(wěn)定性的要求越來越高。

帶隙基準(zhǔn)因其較高的精確性而為業(yè)內(nèi)所廣泛采用，它的工作原理是利用pn結(jié)正向電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，而工作在不同電流密度下的兩個雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓差具有正溫度系數(shù)，二者相互補償，實現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，輸出電壓一般恒定在1.25v左右。然而，隨著集成電路深亞微米工藝的快速發(fā)展，許多應(yīng)用系統(tǒng)對基準(zhǔn)電壓值的要求已低于1v，這不僅需要通過增加電壓轉(zhuǎn)換電路來降低輸出基準(zhǔn)電壓值從而加大了電路的設(shè)計難度，雙極型晶體管在cmos工藝中的使用還會帶來功耗較高、面積較大等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題在于：針對常規(guī)的帶隙基準(zhǔn)電壓源在深亞微米cmos工藝應(yīng)用中存在的上述弊端，提出了一種低功耗高精度非帶隙基準(zhǔn)電壓源，本發(fā)明的主要特征在于：

所述的電路結(jié)構(gòu)包括啟動電路，偏置電流產(chǎn)生電路，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。啟動電路，偏置電流產(chǎn)生電路，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路分別接電源電壓vdd，啟動電路用于電路在上電過程中可能出現(xiàn)的電路死鎖問題，其輸出端接偏置電流產(chǎn)生電路的輸入端，偏置電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生一個不隨電源電壓變化的基準(zhǔn)電流，偏置電流產(chǎn)生電路的輸出端成比例鏡像到基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸入端，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸出端接vref，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路還受到基準(zhǔn)電壓校正控制碼a1、a2……ax，b1、b2……bx的控制，用于校正基準(zhǔn)電壓vref，具體連接關(guān)系如下：

pmos管p1的柵極接地，pmos管p1的源極接電源vdd，pmos管p1的漏極接pmos管p2的柵極，同時接第一電容c1的正端，第一電容c1的負(fù)端接地，pmos管p2的源級接電源vdd，pmos管p2的漏極作為啟動電路的輸出端與nmos管n1的柵極與漏極相接，并與pmos管p3的漏極相接，nmos管n1的源極接地，pmos管p3的源極接電源vdd，pmos管p3的柵極接pmos管p4的柵極和漏極，并與nmos管n2的漏極相接作為偏置電流產(chǎn)生電路的輸出端，pmos管p4的源極接電源vdd，nmos管n2的柵極接nmos管n1的柵極，nmos管n2的源極接第一電阻r1的正端，第一電阻r1的負(fù)端接地，pmos管p5的柵極接偏置電流產(chǎn)生電路的輸出端，pmos管p5的源極接電源vdd，pmos管p5的漏極接負(fù)閾值nmos管la0、la1、la2……lax的柵極，同時還接到高閾值nmos管h0的漏極和柵極以及高閾值nmos管hb0、hb1、hb2……h(huán)bx的柵極，負(fù)閾值nmos管la0、la1、la2……lax的源極相接并接到輸出端口vref，高閾值nmos管hb0、hb1、hb2……h(huán)bx的漏極相接并接到輸出端口vref，負(fù)閾值nmos管la0的漏極接電源vdd，高閾值nmos管hb0的源極接地，高閾值nmos管la1、la2……lax的漏極依次與pmos管pa1、pa2……pax的漏極相接，pmos管pa1、pa2……pax的柵極依次接輸入端口a1、a2……ax，pmos管pa1、pa2……pax的源極接電源vdd，高閾值nmos管hb1、hb2……h(huán)bx的源極依次與nmos管nb1、nb2……nbx的漏極相接，nmos管nb1、nb2……nbx的柵極依次接輸入端口b1、b2……bx，nmos管nb1、nb2……nbx的源極接地。

本發(fā)明的主要特點在于：

1.結(jié)構(gòu)簡單：本發(fā)明采用cmos工藝且不包含雙極晶體管，沒有使用運放，不需要使用補償電容，這不僅大大降低了版圖面積開銷而且功耗可以控制的極低；

2.性能優(yōu)良：完善的校正控制碼的引入，可以通過控制鏡像的偏置電流的大小，靈活有效的校正基準(zhǔn)電壓的輸出，其性能完全可以達(dá)到同工藝下帶隙基準(zhǔn)電路的性能；

3.應(yīng)用廣泛：本發(fā)明突破了帶隙基準(zhǔn)電路只能輸出1.25v單一的參考電壓的束縛，一方面低于1v的參考電壓更加滿足模擬集成電路設(shè)計的發(fā)展需求，另一方面本發(fā)明也可以在犧牲一定的精度的情況下，實現(xiàn)vref輸出可調(diào)，使用更加靈活。

附圖說明

圖1本發(fā)明提出的一種低功耗高精度非帶隙基準(zhǔn)電壓源電路結(jié)構(gòu)框圖；

圖2本發(fā)明提出的一種低功耗高精度非帶隙基準(zhǔn)電壓源電路圖；

圖3基準(zhǔn)電壓輸出vref隨溫度變化曲線圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明提出的一種低功耗高精度非帶隙基準(zhǔn)電壓源其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括啟動電路，偏置電流產(chǎn)生電路，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。啟動電路，偏置電流產(chǎn)生電路，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路分別接電源電壓vdd，啟動電路用于電路在上電過程中可能出現(xiàn)的電路死鎖問題，其輸出端接偏置電流產(chǎn)生電路的輸入端，偏置電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生一個不隨電源電壓變化的基準(zhǔn)電流，偏置電流產(chǎn)生電路的輸出端成比例鏡像到基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的輸入端，其鏡像電流的大小受基準(zhǔn)電壓校正控制端口a1、a2……ax，b1、b2……bx的控制，用于校正高閾值管閾值電壓與負(fù)閾值管閾值電壓做差后的溫度偏差，從而產(chǎn)生一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓vref。

其具體實施實例如圖2所示，pmos管p1的柵極接地，pmos管p1的源極接電源vdd，pmos管p1的漏極接pmos管p2的柵極，同時接第一電容c1的正端，第一電容c1的負(fù)端接地，pmos管p2的源極接電源vdd，pmos管p2的漏極作為啟動電路的輸出端與nmos管n1的柵極與漏極相接，并與pmos管p3的漏極相接，nmos管n1的源極接地，pmos管p3的源極接電源vdd，pmos管p3的柵極接pmos管p4的柵極和漏極，并與nmos管n2的漏極相接作為偏置電流產(chǎn)生電路的輸出端，pmos管p4的源極接電源vdd，nmos管n2的柵極接nmos管n1的柵極，nmos管n2的源極接第一電阻r1的正端，第一電阻r1的負(fù)端接地，pmos管p5的柵極接偏置電流產(chǎn)生電路的輸出端，pmos管p5的源極接電源vdd，pmos管p5的漏極接負(fù)閾值nmos管la0、la1、la2……lax的柵極，同時還接到高閾值nmos管h0的漏極和柵極以及高閾值nmos管hb0、hb1、hb2……h(huán)bx的柵極，負(fù)閾值nmos管la0、la1、la2……lax的源極相接并接到輸出端口vref，高閾值nmos管hb0、hb1、hb2……h(huán)bx的漏極相接并接到輸出端口vref，負(fù)閾值nmos管la0的漏極接電源vdd，高閾值nmos管hb0的源極接地，高閾值nmos管la1、la2……lax的漏極依次與pmos管pa1、pa2……pax的漏極相接，pmos管pa1、pa2……pax的柵極依次接輸入端口a1、a2……ax，pmos管pa1、pa2……pax的源極接電源vdd，高閾值nmos管hb1、hb2……h(huán)bx的源極依次與nmos管nb1、nb2……nbx的漏極相接，nmos管nb1、nb2……nbx的柵極依次接輸入端口b1、b2……bx，nmos管nb1、nb2……nbx的源極接地。

其中，pmos管p1、p2以及第一電容c1組成啟動電路。當(dāng)電源vdd開啟時，由于pmos管p2的柵極電壓較低，pmos管p2會向偏置電流產(chǎn)生電路注入電流，使其不進(jìn)入“簡并”狀態(tài)。隨著pmos管p1不斷給第一電容c1充電，pmos管p2的柵極電壓逐漸提高最終將pmos管p2關(guān)閉，啟動電路工作結(jié)束，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

pmos管p3、p4，nmos管n1、n2以及第一電阻r1構(gòu)成偏置電流產(chǎn)生電路，產(chǎn)生一個不隨電源電壓變化的基準(zhǔn)電流并成比例鏡像到基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路用于校正基準(zhǔn)電壓vref。

基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的主體結(jié)構(gòu)由pmos管p5，高閾值nmos管h0、hb0以及低閾值nmos管la0組成，vref主要由這幾個管子產(chǎn)生，控制端口a1、a2……ax，b1、b2……bx所在的通路則主要是用來校正vref輸出，這里的角標(biāo)“x”表示端口的數(shù)量，沒有給出具體值，可根據(jù)實際電路的需要靈活選擇，在精度與開銷之間進(jìn)行折中。

下面描述本發(fā)明的推導(dǎo)過程：

首先，來描述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路主體結(jié)構(gòu)的四個mos管，分別是pmos管p5，高閾值nmos管h0、hb0以及低閾值nmos管la0，假設(shè)vgsh0表示高閾值nmos管h0的柵源電壓，vgsla0表示低閾值nmos管la0的柵源電壓，vref表示基準(zhǔn)電壓輸出，vthh0表示高閾值nmos管h0的閾值電壓，vthla0表示負(fù)閾值nmos管la0的閾值電壓，wh0/lh0表示高閾值nmos管h0的寬長比，wla0/lla0表示負(fù)閾值nmos管la0的寬長比，為了使推導(dǎo)更加直觀，再假設(shè)偏置電流產(chǎn)生電路的電流用i表示，且等比例鏡像到pmos管p5所在電流通路，而高閾值nmos管h0又將電流i等比例鏡像到高閾值nmos管hb0所在通路，具體表達(dá)式如下：

vgsla0＝vgsh0-vref(3)

由式(1)、(2)、(3)可得，

因為之前已經(jīng)假設(shè)高閾值nmos管h0將電流i等比例鏡像到高閾值nmos管hb0所在通路，因此，表達(dá)式(4)還可以表示為，

因為高閾值nmos管閾值電壓vthh0與溫度成反比，負(fù)閾值nmos管閾值電壓vthla0也與溫度成反比，但-vthla0與溫度成正比，高閾值nmos管的閾值電壓與負(fù)閾值nmos管的閾值電壓做差相當(dāng)于一個具有負(fù)溫度系數(shù)的vthh0與一個具有正溫度系數(shù)的-vthla0求和，一定程度上實現(xiàn)了溫度系數(shù)的互補，但在cmos工藝中，幾乎不會出現(xiàn)具有相等溫度系數(shù)的vthh0和vthla0，因此，從表達(dá)式(5)可以看出，可以通過調(diào)節(jié)電流i溫度系數(shù)以及高閾值nmos管hb0和負(fù)閾值nmos管la0的寬長比來調(diào)整vthh0與vthla0做差后的溫度偏差，假設(shè)vthh0-vthla0具有負(fù)的溫度系數(shù)，那么，可以使偏置電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個與溫度成正比的電流，且適當(dāng)調(diào)整高閾值nmos管hb0和負(fù)閾值nmos管la0的寬長比使得這樣就保證了具有正的溫度系數(shù)來抵消vthh0-vthla0的負(fù)溫度系數(shù)，從而得到一個與溫度無關(guān)的vref輸出；即便是偏置電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生了一個與溫度成反比的電流，也可以適當(dāng)調(diào)整高閾值nmos管hb0和負(fù)閾值nmos管la0的寬長比使得這樣也可以保證具有正的溫度系數(shù)來抵消vthh0-vthla0的負(fù)溫度系數(shù)，也可以得到一個與溫度無關(guān)的vref輸出。

然而，由于工藝的偏差，mos管的失配等因素的影響，實際芯片并不會像模型仿真那么精確，鏡像電流的大小，mos管的尺寸都會存在偏差，因此，引入了校正控制端口a1、a2……ax，b1、b2……bx，這些校正通路的引入實際上就是在校正的大小。首先，負(fù)閾值管la0、la1、la2……lax的溝道長度均相等，且高閾值管hb0、hb1、hb2……h(huán)bx的溝道長度也相等，假設(shè)控制碼a1為低，那么，pmos管pa1導(dǎo)通，負(fù)閾值管la1相當(dāng)于與負(fù)閾值管la0并聯(lián)；假設(shè)控制碼b1為高，那么，nmos管nb1導(dǎo)通，高閾值管hb1相當(dāng)于與高閾值管hb0并聯(lián)；如果控制端口a1、a2……ax均為低，同時控制端口b1、b2……bx均為高，那么，表達(dá)式(5)可以表示為：

從表達(dá)式(6)可以看出，校正控制端口a1、a2……ax，b1、b2……bx的引入使得該電路的校正方式非常靈活，一方面是控制端口數(shù)量以及開啟方式可以靈活選擇，另一方面是負(fù)閾值管la0、la1、la2……lax和高閾值管hb0、hb1、hb2……h(huán)bx溝道寬也可以靈活設(shè)置，目的只有一個，得到一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓vref。當(dāng)然，在實際應(yīng)用允許的情況下，還可以通過調(diào)節(jié)這些校正控制碼在犧牲一定精度的情況下實現(xiàn)vref輸出可調(diào)。

本實施實例在cmos工藝下獲得的vref溫度特性曲線如圖3所示，常溫下，基準(zhǔn)電壓vref輸出為715.08mv，在-40℃～85℃的溫度范圍內(nèi)，電壓變化僅為0.76mv，即輸出電壓的溫度系數(shù)為8.5ppm/℃。