一種低功耗cmos基準源電路的制作方法
【專利摘要】一種低功耗CMOS基準源電路，屬于模擬電路技術領域。包括第一耗盡型MOS管M1A、第二耗盡型MOS管M1B、第一增強型MOS管M2A、第二增強型MOS管、第一電阻R3、第一電容C1、第二電容C2和由第三增強型MOS管M3、第一負載電阻R1與第二負載電阻R2構成作為基準電壓輸出級的源極跟隨器；M1A源極接M1B漏極，M2A源極接M2B漏極，M2B源極接地；M1B源極接M2A漏極，其連接點接M1A、M1B和M3的柵極，同時通過R3和C1的串聯結構與地相連；M3源極通過R1和R2的串聯結構后接地，M2A和M2B的柵極互連后連接R1和R2的串聯點；M3源極輸出基準電壓VREF，C2并聯在基準電壓輸出端和地之間；M1A和M3的漏極接VDD。本發明不需要二極管或BJT晶體管，具有電路結構簡單、基準電壓與溫度無關和低功耗的特點。
【專利說明】
-種低功耗CMOS基準源電路
技術領域
[0001] 本發明屬于模擬電路技術領域，具體設及一種低功耗CMOS基準源電路。
【背景技術】
[0002] 在模擬集成電路或混合信號集成電路設計領域，基準電壓源是非常重要且常用的 模塊，常應用在ADC轉換器、DC-DC轉換器W及功率放大器等電路系統中，它的作用是為系統 提供一個不隨溫度及供電電壓變化的電壓基準。
[0003] 自帶隙基準電壓源架構由Widlar提出W來，W其優越的性能，被廣泛應用于各種 集成電路系統之中。之后，出現了很多針對該種架構的改進方案。但隨著忍片系統集成度的 進一步增加，低電壓與低功耗變得越來越重要。因為帶隙基準電壓源需要使用二極管或者 S極管來產生PTAT電壓，運需要消耗很大的忍片。同時二極管或者S極管的使用，會限制整 個基準電路的供電電壓的最小值，而且消耗大量的電流。運使得該種帶隙基準源架構在忍 片面積和功耗上都處于劣勢。
[0004] 為解決該問題，出現了很多CMOS基準源電路。大部分的CMOS基準源是利用工作在 亞闊區的MOS管的漏極電流和柵-源電壓的關系來產生類似于S極管結構的PTAT電流。但運 需要復雜的電路和很大尺寸來保證MOS管工作在亞闊區。并且該架構沒有完全消除電路中 的非線性參數，造成輸出基準電壓的溫度系數較大。

【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種用于不需要二極管或者BJT晶體 管，無復雜的電路結構，基準電壓與溫度無關，利用工作在飽和區的MOS晶體管漏極電流和 柵-源電壓的關系實現的低功耗CMOS基準源電路。
[0006] 本發明的技術方案：
[0007] -種低功耗CMOS基準源電路，包括:第一耗盡型NMOS管Mia、第二耗盡型NMOS管Mib、 第一增強型醒OS管M2A、第二增強型醒OS管M2B、第一電阻R3、第一電容Cl、第二電容C2和由第 S增強型醒OS管M3、第一負載電阻Ri和第二負載電阻R2構成作為基準電壓輸出級的源極跟 隨器；
[000引第一耗盡型醒OS管MiA與第二耗盡型NMOS管MiB串聯，第一增強型醒OS管M2A與第二 增強型NMOS管M2B串聯，第一耗盡型NMOS管MiA的源極接第二耗盡型NMOS管MiB的漏極，第一增 強型NMOS管M2A的源極接第二增強型NMOS管M2B的漏極，第二增強型NMOS管M2B的源極接地;第 二耗盡型醒OS管MiB的源極接第一增強型醒OS管M2A的漏極，其連接點接第一耗盡型醒OS管 化A的柵極、第二耗盡型NMOS管MiB的柵極和第立增強型NMOS管M3的柵極，同時通過第一電阻 R3和第一電容Cl的串聯結構與地GND相連;第S增強型醒OS管M3的源極通過第一負載電阻Ri 和第二負載電阻化的串聯結構后接地，第一增強型NMOS管啦A和第二增強型NMOS管M2B的柵極 互連后連接第一負載電阻Ri和第二負載電阻R2的串聯點；第S增強型醒OS管M3的源極作為 基準電壓輸出端輸出基準電壓Vref,第二電容C2接在基準電壓輸出端和地之間；第一耗盡型 NMOS管MiA和第S增強型NMOS管M3的漏極接電源電壓VDD。
[0009] 本發明的有益效果:本發明中提出的一種低功耗CMOS基準源電路不需要二極管或 者BJT晶體管，無復雜的電路結構，不需要額外的啟動電路;利用工作在飽和區的MOS管的漏 極電流和柵-源電壓特性實現基準電壓源電路，具有低功耗的特點;輸出基準電壓與溫度無 關;該電路具有很好的電源抑制能力。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明提供的一種低功耗CMOS基準源電路原理圖。
[OOW 圖2為本發明提供的一種低功耗CMOS基準源實際電路圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案：
[0013] 本發明中提出的一種低功耗CMOS基準源電路的原理圖如圖1所示，包含一個耗盡 型醒OS管Ml和一個增強型醒OS管M2,其中耗盡型NMOS管Ml的柵極和源極短接，增強型醒OS 管M2的柵極與漏極短接。兩個MOS管均工作在飽和區，那么流過耗盡型NMOS管Ml和增強型 NMOS管M2的電流Idi和Id2分別為：
[0014] Idi = kni (Vgsi-Vthi) ^
[0015] lD2 = kn2(Vgs2-Vth2)2
[0016] 其中 y為MOS管的遷移率，Cox為單位面積的柵氧層電容，W/L為MOS ! 管的寬長之比，耗盡型NMOS管Ml的柵源電壓Vgsi = O,所W增強型NMOS管M2的柵源電壓Vgs2可 W表示為：
[0017：
[0018；
[0019] MO椎的闊值電壓Vth(T)可W表示成溫度的線性函數：
[0020] Vth(T)=Vth(To)-Qvx(T-To)
[0021] 其中Vth(To)是在溫度T = To時的闊值電壓的數值，avT是闊值電壓的一階溫度系數。 可W看出闊值電壓呈現出一階負溫特性。
[00剖那么增強型醒OS管M2的柵-源電壓Vgs泡含負溫電壓Vth沸正溫電壓-Vthi。通過調 整耗盡型NMOS管m和增強型NMOS管M2的尺寸比例，使得正溫電壓和負溫電壓相抵消，Vgs2的 電壓值與溫度無關。Vgs2的電壓值與系數k相乘得到的值為最終的基準電壓Vref,最終的基準 電壓值與溫度無關。
[0023]本發明提出的一種低功耗CMOS基準源電路的具體電路圖如圖2所示，包括:第一耗 盡型NMOS管Mia、第二耗盡型NMOS管MiB、第一增強型NMOS管M2A、第二增強型NMOS管M2B、第一電 阻R3、第一電容Cl、第二電容C2和由第S增強型NMOS管M3、第一負載電阻Ri和第二負載電阻R2 構成作為基準電壓輸出級的源極跟隨器；
[0024] 第一耗盡型醒OS管MiA與第二耗盡型NMOS管MiB串聯，第一增強型醒OS管M2A與第二 增強型NMOS管M2B串聯，第一耗盡型NMOS管MiA的源極接第二耗盡型NMOS管MiB的漏極，第一增 強型NMOS管M2A的源極接第二增強型NMOS管M2B的漏極，第二增強型NMOS管M2B的源極接地;第 二耗盡型醒OS管MiB的源極接第一增強型醒OS管M2A的漏極，其連接點接第一耗盡型醒OS管 化A的柵極、第二耗盡型NMOS管MiB的柵極和第立增強型NMOS管M3的柵極，同時通過第一電阻 R3和第一電容Cl的串聯結構與地GND相連;第S增強型醒OS管M3的源極通過第一負載電阻Ri 和第二負載電阻化的串聯結構后接地，第一增強型NMOS管啦A和第二增強型NMOS管M2B的柵極 互連后連接第一負載電阻Ri和第二負載電阻R2的串聯點；第S增強型醒OS管M3的源極作為 基準電壓輸出端輸出基準電壓Vref,第二電容C2接在基準電壓輸出端和地之間；第一耗盡型 NMOS管MiA和第S增強型NMOS管M3的漏極接電源電壓VDD。
[00巧]第一耗盡型醒OS管MiA與第二耗盡型NMOS管MiB串聯，第一增強型醒OS管M2A與第二 增強型NMOS管M2B串聯，第一耗盡型NMOS管MiA和第一增強型醒OS管M2A工作在飽和區，第二耗 盡型NMOS管MiB和第二增強型醒OS管M2B工作在線性區。該種串聯電路可W等效為一個工作 在飽和區的MOS管，同時等效出來的MOS管擁有更長的溝道長度L。減小Mia、Mib、M2A和M2B的寬 長比可W降低該條支路的靜態電流。
[0026] 第S增強型NMOS管M3與其第一負載電阻Ri和第二負載電阻R2構成源極跟隨器，作 為基準電壓的輸出級，為輸出提供電流驅動能力；同時也提供一條反饋路徑，該反饋路徑用 于穩定基準電壓。調節第一負載電阻Ri和第二負載電阻R2的比例關系可W控制最終基準輸 出電壓的絕對值。該電路最終輸出基準電壓為：
[0027]
[002引 A V th2 /y巧一巧邸塵1、MU。.巨.M2A/pW巧^增強型匪0 S管M2 B的等效MO S管的闊值電 壓，呈負溫特性;-V化功第一耗盡型醒OS管MiA與第二耗盡型醒OS管MiB的等效MOS管的闊值 電壓的絕對值，呈正溫特性。（W/L)ni為第一耗盡型醒OS管MiA和第二耗盡型醒OSMiB的等效 MOS管的寬長之比，（W/L)n2為第一增強型醒OS管M2A和第二增強型醒OS管M2B的等效MOS管的 寬長之比，通過調整(W/L)ni和(W/L)n2的比例系數，使得最終輸出基準電壓Vref與溫度無關。
[0029] 該電壓基準的主極點位于輸出點，由第二電容C2和該節點的等效阻抗決定。電路 中加入第一電阻R3和第一電容Cl用于產生一對零點和極點，穩定反饋環路。
[0030] 該電路結構簡單，不需要額外的啟動電路。供電電源VDD上電后，電路內部節點的 電壓可W自行建立完成，該結構只有兩條電流支路，V孤只需要提供很小的電流即可保證所 有MOS管處在正常的工作狀態下。
[0031] 該電路可W在很低的電流和電壓條件下工作，實現低功耗應用。
[0032] 該電路結構擁有很好的電源抑制能力。低頻噪聲通過第S增強型NMOS管M3的漏極 傳遞到輸出，第立增強型醒OS管M3輸出電阻。3與第一負載電阻Ri和第二負載電阻R2的分壓 關系決定了噪聲的放大系數，由于rD>>Ri+R2，VDD的噪聲經過很大的衰減系數后才能傳遞 到輸出；另一條噪聲通路是由第一耗盡型NMOS管化A的漏極傳遞到第=增強型NMOS管M3的柵 極，最后傳到輸出點，第S增強型NMOS管M3的柵極到源極的噪聲放大系數約等于1，那么從 VDD到第S增強型NMOS管M3的柵極的增益就決定了噪聲的放大系數，該放大系數由MiA和MiB 的等效輸出電阻r〇i與M2A和M2b的等效輸出電阻:r〇2的分壓關系決定，同時roi和:r〇2近似相等， 可知該條噪聲通路的衰減系數較小。因此該條支路決定了整個電壓基準的電源抑制能力。
[0033]本領域的普通技術人員將會意識到，運里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發 明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于運樣的特別陳述和實施例。本領域的 普通技術人員可W根據本發明公開的運些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各 種具體變形和組合，運些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種低功耗CMOS基準源電路，包括：第一耗盡型NMOS管（M1A)、第二耗盡型匪OS管 (M1B)、第一增強型NM0S管(M2A)、第二增強型NM0S管(M2B)、第一電阻(R 3)、第一電容(C〇、第二 電容(C2)和由第三增強型NM0S管(M3)、第一負載電阻(R〇和第二負載電阻(R 2)構成的作為 基準電壓輸出級的源極跟隨器； 第一耗盡型匪0S管(Mu)與第二耗盡型匪0S管(M1B)串聯，第一增強型匪0S管(M2a)與第 二增強型匪0S管(M2B)串聯，第一耗盡型匪0S管(Mu)的源極接第二耗盡型匪0S管(M1B)的漏 極，第一增強型匪0S管(M 2A)的源極接第二增強型匪0S管(M2B)的漏極，第二增強型匪0S管 (M2B)的源極接地;第二耗盡型NM0S管(M 1B)的源極接第一增強型NM0S管(M2A)的漏極，其連接 點接第一耗盡型匪0S管(Mu)的柵極、第二耗盡型匪0S管(M 1B)的柵極和第三增強型匪0S管 (M3)的柵極，同時通過第一電阻(R3)和第一電容(&)的串聯結構與地(GND)相連;第三增強 型NM0S管(M 3)的源極通過第一負載電阻(?)和第二負載電阻(R2)的串聯結構后接地，第一 增強型NM0S管(M 2A)和第二增強型NM0S管(M2B)的柵極互連后連接第一負載電阻(?)和第二 負載電阻(R 2)的串聯點；第三增強型NM0S管(M3)的源極作為基準電壓輸出端輸出基準電壓 (V REF)，第二電容(C2)接在基準電壓輸出端和地之間；第一耗盡型NM0S管(M1A)和第三增強型 NM0S管(M3)的漏極接電源電壓(VDD)。
【文檔編號】G05F1/567GK106020323SQ201610676513
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月17日
【發明人】明鑫, 馬亞東, 徐俊, 汪饒, 王卓, 張波
【申請人】電子科技大學