低功耗基準(zhǔn)電壓源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種低功耗基準(zhǔn)電壓源。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，在所有設(shè)及模擬電路設(shè)計(jì)的方案中，都會(huì)有一個(gè)基準(zhǔn)電壓源電路，為巧 片中的其他模塊提供不隨電源電壓和溫度變化的穩(wěn)定的電壓源。目前普遍采樣基準(zhǔn)電壓源 是帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)，但是功耗往往比較大，約幾十個(gè)uA，很難滿足低功耗設(shè)計(jì)（功耗小 于0.5uA)的要求。如果要減小功耗，必須用到高阻值的電阻和大尺寸的M0S管，勢(shì)必會(huì)增 加巧片面積。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)多采用帶隙電壓作為基準(zhǔn)電壓源，帶隙基準(zhǔn)電壓源電路雖然能在提供一 個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，但是也存在固有的缺陷：
[0004] 1.帶隙基準(zhǔn)電壓源中包含有運(yùn)算放大器，該種結(jié)構(gòu)功耗一般約幾十uA，無法實(shí)現(xiàn) 低功耗；
[0005] 2.帶隙基準(zhǔn)電壓源中的運(yùn)算放大器W及S極管和高阻值電阻會(huì)占用很大的面積， 不利于高度集成的低成本解決方案；

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種低功耗基準(zhǔn)電壓源。它能在提供不隨電源電壓和溫度 變化的基準(zhǔn)電壓的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了低于0. 5uA的超低功耗。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供技術(shù)方案如下：
[0008] 低功耗基準(zhǔn)電壓源包括：由增強(qiáng)型M0S管與耗盡型NM0S管組成的S級(jí)放大器電路 W及啟動(dòng)電路；
[0009] 所述第一級(jí)放大器是第一增強(qiáng)型NM0S共源極放大器電路，柵漏短接的第一PM0S 管和第=PM0S管串聯(lián)并作為放大器負(fù)載，第一PM0S漏極做為輸出端；
[0010] 所述第二級(jí)放大器電路是由第二PM0S管和第四PM0S管組成的共源共柵放大器電 路，第二PM0S管的柵極做輸入并接第一級(jí)放大器的輸出，柵源短接的第一耗盡型NM0S管作 為放大器負(fù)載，第四PM0S漏極為輸出端；
[0011] 所述第=級(jí)放大器電路是由第五PM0S管和第六PM0S管組成的共源共柵放大器電 路，第五PM0S管柵極做輸入并接第二級(jí)放大器的輸出，柵源短接的第二耗盡型NM0S管作 為放大器負(fù)載，第二耗盡型NM0S漏極為電路輸出端VREF并且接到第一級(jí)放大器的輸入端， 輸出端VREF連接對(duì)GND的補(bǔ)償和濾波第一電容。
[0012] 啟動(dòng)電路為^級(jí)放大器提供啟動(dòng)電流，由第^;：PM0S管和第八PM0S管^及第^耗 盡型NM0S管組成；第走PM0S管柵極為輸入端，它接到第一級(jí)放大器輸出端，柵源短接的第 =耗盡型NM0S管作為第^;：PM0S管的負(fù)載，第八PM0S管柵極連接到第^;：PM0S管的漏極，第 八PM0S管源極接V孤，漏極連接到第一級(jí)放大器輸入端，為第一級(jí)放大器提供一個(gè)上拉的 啟動(dòng)電流。
[0013] 本發(fā)明由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下的優(yōu)點(diǎn)和積 極效果：
[0014] 1.本發(fā)明由于采用耗盡型M0S管代替高阻值電阻，而柵源短接的耗盡型M0S管的 導(dǎo)通電阻極大，實(shí)現(xiàn)電路極低功耗；
[0015] 2.本發(fā)明由于采用增強(qiáng)型M0S管和耗盡型M0S管，其闊值具有相反的溫度特性，可 得到低溫漂的基準(zhǔn)電壓值；
[0016] 3.本發(fā)明由于未用到高阻值電阻及運(yùn)算放大器，版圖面積很小，有利于實(shí)現(xiàn)電路 的高集成度。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明所述低功耗基準(zhǔn)電壓源的一種【具體實(shí)施方式】電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明所述低功耗基準(zhǔn)電壓源包括；增強(qiáng)型NM0S管N1、增強(qiáng)型PM0S 管P1~P7,耗盡型NM0S管D1~D2W及補(bǔ)償電容C1，第一PM0S管P1、第二PM0S管P2、第 五PM0S管P5、第^;：PM0S管P7的源端接電源VDD，P1的柵端和漏端短接并連接P2、P7的柵 端和第SPM0S管P3的源端，P2的漏端接第四PM0S管P4的源端，P3的柵端和漏端短接并 連接P4和P6的柵端和N1的漏端，第一增強(qiáng)型NM0S管N1的源端接地，P4的漏端接第一耗 盡型NM0S管D1的漏端和P5的柵端，第一耗盡型NM0S管D1和第二耗盡型NM0S管D2的柵 端和源端短接并連接到地端GND，P5漏端接第六PM0S管P6的源端，P6的漏端接N1的柵端 和D2、補(bǔ)償電容C1正端和輸出端VREF，C1的負(fù)端接GND。
[0019] 所述第走PM0S管的源極和柵極分別連接電源端和地，啟動(dòng)電阻連接在第走PM0S 管的漏極和地之間，所述第走PM0S管的漏極連接第一增強(qiáng)型NM0S管的柵極
[0020] 本電路可W分為兩部分；第一部分是由P1~P6W及N1、D1、D2和C1組成的基準(zhǔn) 電壓源主電路；第二部分是由P7和啟動(dòng)電阻R組成的啟動(dòng)電路。本發(fā)明的工作原理是：
[0021] 第一部分電路：實(shí)現(xiàn)了在輸出端V服F得到基準(zhǔn)電壓源的輸出，由=級(jí)放大器組 成：第一級(jí)由P1、P3和N1組成的NM0S共源極放大器；第二級(jí)由P2、P4和D1組成的PM0S 共源共柵放大器；第=級(jí)由P5、P6和D2組成的PM0S共源共柵放大器。第=極的輸出VREF 信號(hào)又連接到第一級(jí)的輸入，形成了一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，可W增強(qiáng)輸出基準(zhǔn)電壓VREF的穩(wěn)定 性。每一級(jí)采用了雙PM0S管的共源共柵結(jié)構(gòu)，提高了環(huán)路電壓放大倍數(shù)和電源抑制比。電 容C1的作用是提高環(huán)路的穩(wěn)定性。VREF的電壓計(jì)算過程為：
[0022] 由圖1可知，輸出端VREF的電壓等于N1管的柵源電壓，即
[0023] VREF=Vgsnl(式 3)
[0024] 由于P1和P2組成了電流源電路，因此第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器的電流相同， 即
[002引Ini=Idi(式 4)
[002引 由于N1和D1都工作在飽和區(qū)，因此
[0027]
(式W
[0028]
(式 6)
[0029] 其中，u表示載流子遷移率，Cox表示柵氧化層電容，將式5、式6代入式4得到
[0030]
(式 7)
[0031] 將式7代入式3得到
[0032]
(式 8)
[003引從式8中可W看出，輸出基準(zhǔn)電壓VREF只與N1和D1的闊值電壓及寬長(zhǎng)比（W/L) 有關(guān)，與電源電壓無關(guān)。要使VREF不隨溫度改變，式8對(duì)溫度求導(dǎo)的結(jié)果應(yīng)為0,可得
[0034]
(式 9)
[0035] 由于CMOS工藝所限定，式9中的耗盡管D1的闊值電壓IVthdll是正溫度系數(shù)值， 增強(qiáng)型管N1的闊值電壓Vthnl是負(fù)溫度系數(shù)值，因此IVthd I |ZCT是正常數(shù)、vthnIZCT 是負(fù)常數(shù)，由式9可得，
[0036]
(式 10)
[0037] 因此，只要D1和N1的（W/L)比值滿足式10要求，就可W使VREF的電壓值不隨溫 度變化，實(shí)現(xiàn)精確的基準(zhǔn)電壓輸出。
[003引 由于本基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生電路是一個(gè)自偏置的電壓源，它有兩個(gè)工作平衡點(diǎn)，一個(gè) 是零點(diǎn)，另一個(gè)是非零點(diǎn)，即電路環(huán)路可W穩(wěn)定在零電壓值或者一個(gè)非零的電壓值。為了使 電路正常工作時(shí)工作平衡點(diǎn)是非零點(diǎn)，必須加啟動(dòng)電路為電路注入電流，因此就需要本電 路中的第二部分電路，即啟動(dòng)電路。
[0039] 啟動(dòng)電路的工作原理是：當(dāng)VDD上電后，P7的柵極接地導(dǎo)通，通過啟動(dòng)電阻R為N1 柵極充電，當(dāng)N1柵極電壓上升到NM0S管的開啟電壓時(shí)，N1導(dǎo)通，電路開始正常工作。
[0040] 整個(gè)電流的功耗由S級(jí)放大器和啟動(dòng)電路的工作電流組成。而每級(jí)的工作電流由 柵源短接的耗盡管決定，其中第一級(jí)和第二級(jí)放大器工作電流由D1的寬長(zhǎng)比決定，第=級(jí) 放大器工作電流由D2的寬長(zhǎng)比決定，啟動(dòng)電路的工作電流由啟動(dòng)電阻R3的阻值決定。只 要選擇小的寬長(zhǎng)比，就可W得到極小的工作電流。本設(shè)計(jì)把每一級(jí)的電流限制在0.luA，因 此電路的整體功耗小于0. 5uA。
[0041] 上述實(shí)施例僅說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和特點(diǎn)，其目的是在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人 ±能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)W實(shí)施，并不能W此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明 精神實(shí)質(zhì)所做的等效變化或修飾，如把=級(jí)放大器變?yōu)閮杉?jí)、或者把共源共柵放大器變?yōu)?普通的共源放大器，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范疇之內(nèi)。
[0042] 綜上所述，本發(fā)明低功耗基準(zhǔn)電壓源電路，輸出端VREF的電壓與電源電壓V孤無 關(guān)，利用增強(qiáng)型管與耗盡型管的闊值具有相反的溫度特性，使VREF的電壓不隨溫度而變 化，利用柵源短接的耗盡型NMOS管的導(dǎo)通電阻極大的特點(diǎn)，使電路具有極低的靜態(tài)功耗。 整個(gè)電路面積很小，有利于電路的高度集成。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 低功耗基準(zhǔn)電壓源，包括：由增強(qiáng)型MOS管與耗盡型NMOS管組成的三級(jí)放大器電路 以及啟動(dòng)電路；所述三級(jí)放大器電路包括：第一級(jí)放大器電路、第二級(jí)放大器電路和第三 級(jí)放大器電路； 所述第一級(jí)放大器是第一增強(qiáng)型NMOS共源極放大器電路，柵漏短接的第一 PMOS管和 第三PMOS管串聯(lián)并作為放大器負(fù)載，第一 PMOS漏極做為輸出端；第一增強(qiáng)型NMOS管連接 第三PMOS管漏極，所述啟動(dòng)電路用于開啟第一增強(qiáng)型NMOS管； 所述第二級(jí)放大器電路是由第二PMOS管和第四PMOS管組成的共源共柵放大器電路， 第二PMOS管的柵極做輸入并接第一級(jí)放大器的輸出，柵源短接的第一耗盡型NMOS管作為 放大器負(fù)載，第四PMOS漏極為輸出端； 所述第三級(jí)放大器電路是由第五PMOS管和第六PMOS管組成的共源共柵放大器電路， 第五PMOS管柵極做輸入并接第二級(jí)放大器的輸出端，柵源短接的第二耗盡型NMOS管作為 放大器負(fù)載，第二耗盡型NMOS漏極為電路輸出端，并且接到第一級(jí)放大器的輸入端。2. 如權(quán)利要求1所述低功耗基準(zhǔn)電壓源，其特征在于，所述啟動(dòng)電路由第七PMOS管和 啟動(dòng)電阻組成，所述第七PMOS管的源極和柵極分別連接電源端和地，啟動(dòng)電阻連接在第七 PMOS管的漏極和地之間，所述第七PMOS管的漏極連接第一增強(qiáng)型NMOS管的柵極。3. 如權(quán)利要求1所述低功耗基準(zhǔn)電壓源，其特征在于：所述第一耗盡型NMOS管與第一 增強(qiáng)型NMOS管的寬長(zhǎng)比滿足式1的要求，式1中，為第一耗盡型NMOS管的寬長(zhǎng)比，為第一增強(qiáng)型NMOS管的寬長(zhǎng)比，Vthdl是耗 盡型NMOS管的閾值電壓，Vthnl是增強(qiáng)型NMOS管的閾值電壓，T表示溫度。4. 如權(quán)利要求1所述低功耗基準(zhǔn)電壓源，其特征在于，所述第二耗盡型NMOS漏極還連 接有到地的補(bǔ)償電容。
【專利摘要】本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低功耗基準(zhǔn)電壓源，包括由增強(qiáng)型MOS管與耗盡型NMOS管組成的三級(jí)放大器電路以及啟動(dòng)電路；所述三級(jí)放大器電路包括：第一級(jí)放大器電路、第二級(jí)放大器電路和第三級(jí)放大器電路。其特點(diǎn)是：輸出端VREF的電壓與電源電壓VDD無關(guān)，不隨VDD的變化而改變；利用增強(qiáng)型管與耗盡型管的閾值具有相反的溫度特性，使VREF的電壓不隨溫度而變化；利用柵源短接的耗盡型NMOS管的導(dǎo)通電阻極大的特點(diǎn)，使電路的工作電流非常小，具有極低的靜態(tài)功耗。由此本發(fā)明采用耗盡型MOS管和強(qiáng)型管MOS管組合的方式，產(chǎn)生了不隨電源電壓和溫度變化的高精度低功耗的基準(zhǔn)電壓源電路。
【IPC分類】G05F1/56
【公開號(hào)】CN104881071
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510183931
【發(fā)明人】陳雪松, 易坤, 高繼, 趙方麟
【申請(qǐng)人】成都岷創(chuàng)科技有限公司
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年4月20日