专利名称：具有低温度系数的超微功耗参考源电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于集成电路内部的超微功耗参考源电路，尤其涉及一种 具有低温度系数的超微功耗参考源电路。
背景技术：
集成电路内部通常需要电压参考源和电流参考源，作为内部电路工作的电压 基准或是电流偏置、电流基准，当今各式各样由电压供应电源的便携式系统以及通讯相关的电子产品越来越普及，比如移动电话、PDA、数码照相机等。为了延长系统的工作时间，这些便携 式电子产品要求芯片的功耗越来越低。在微功耗芯片设计中，超微功耗的参考源设 计是关键。图1以简化的原理示出了现有技术的超微功耗电压参考源电路。如图l所示，该电压参考源电路10由一耗尽型PM0S 11以及一增强型丽0S 12组成。其中耗尽型PM0S 11的栅极和源极相连，并连接至电源端VDD。增强型丽0S 12的源极连接至接地端GND，栅极和漏极与耗尽型PMOS 11的漏极相连，连接至电压节点VREF,作为电压参考源的输出端。参考电压V野可以通过耗尽型PMOS的阀值电压和增强型丽0S的阀值电压来表示F,= |4"《 //w￡。其中VTH貼表示增强型觀0S的阀值电压，VTHPD表示耗尽型PMOS的阀值电压，(W/L) NE表示增强型NM0S的尺寸，(W/L)p。表示 耗尽型PMOS的尺寸，K貼表示增强型画0S的工艺常数，U表示耗尽型PMOS的工艺 常数。忽略KNE、 Kp。随温度的变化，参考电压VREF随温度的变化可以表示为N (羊L謂,。,麵呢 参考电压Vref的温度特性取决于増強型NMOS阀值电压VTH冊和耗尽型PMOS阀值电压VTHpd温度特性。增强型NMOS阀值电压VTHNE 随着温度的升高而降低，而耗尽型PMOS阀值电压VTHro随着温度的升高而增加。在 适当的M^k下，可以得到温度系数很小的参考电压源。这种简单的电压参考源存(啡k在的问题是在CMOS工艺中增强型NM0S的阀值电压VTHne和耗尽型PMOS阀值电压 VTHPD往往随着栅氧厚度的偏差而变大或变小。通常半导体芯片会工作在不同的温度环境下，参考源作为内部电路工作的基 准信号，必须要有很低的温度系数。参考源的温度系数表征了参考信号随温度变化 而变化的程度。很低的温度系数即是要求参考源在不同的温度条件下都能提供稳定 一致的参考信号。图2示出了增强型画0S的阀值电压随温度变化的曲线，当增强型丽OS阀值 电压VTHwE随工艺偏差而变大或变小时，增强型NM0S阀值电压VTH化随温度变化的 斜率并没有变化。图3示出了耗尽型PM0S阀值电压随温度变化的曲线，当耗尽型 PM0S阀值电压VTHpD随工艺偏差而变大或变小时，耗尽型PM0S阀值电压VTHp。随温 度变化的斜率也随之发生变化。由此可得，根据正常工艺条件得出的Mk,在工艺发生偏差时，参考电压V,的温度系数将发生变化，很可能会变得很大，无法满 足电路应用的要求。集成电路设计中往往同时需要电压参考源和电流参考源，因此在上述具有较 低温度系数的电压参考源^5出上，还需要一种具有较低温度系数的且能同时产生电 压参考源和电流参考源的超微功耗参考源电路。另外，半导体芯片的工作电源电压会在一定范围内变化，同样也要求参考源 信号必须有很高的线性稳定度。线性稳定度表征了参考源参考信号随电源电压而变 化的程度。如果线性稳定度不高，参考源输出参考信号在不同的电源电压下会产生 很大的变化。目前的参考源电路也无法很好地满足稳定度上的要求。发明内容本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种具有低温度系数的超微功耗参 考源电路，它能同时产生电压参考源和电流参考源，保证不同工艺偏差下参考源温 度特性的一致性，还提高了参考源的线性稳定度。本发明的技术方案为本发明揭示了一种具有低温度系数的超微功耗参考源 电路，用于产生电压参考源和电流参考源，在不同的温度条件下提供一致的参考信
号，所述电3各包4舌一P沟道耗尽型MOS元件，其栅极和源极相连，共同连接至电源端； 一可调有效尺寸的N沟道增强型MOS元件阵列，在该阵列中设置至少一个 切断器件，通过控制该切断器件的开合来调整该N沟道增强型MOS元件阵列的有 效尺寸，该阵列的漏极端与该P沟道耗尽型MOS元件的漏极连接，该阵列的源极 端4妄地，以该阵列的栅极端和源极端之间的输出电压作为该电压参考源；一第一电阻，并联在该N沟道增强型MOS元件阵列的栅极端和源极端之间； 一相位补偿器，并联在该N沟道增强型MOS元件阵列的漏极端和源极端， 用作反馈控制环路的相位补偿；一 N沟道MOS管放大元件，栅极与该N沟道增强型MOS元件阵列的漏极端 连接，源极接地；一电流镜，输入端连4妄该N沟道MOS管》文大元件的漏4及，输出端连接至该N 沟道增强型MOS元件阵列的柵极端，以流过该电流镜的输出电流作为该电流参考源。上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路,其中，所述N沟道增强型MOS 元件阵列是由多个N沟道增强型MOS管先以串联的连接方式形成多个支路后再将 该些支路并联而成，且该切断器件串联设置在该些支路上。上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述N沟道增强型MOS 元件阵列是由多个N沟道增强型MOS管先以并联的连接方式形成多个支路后再将 该些支路串联而成，且该切断器件并联设置在该些支路上。上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，，所述切断器件包括 熔丝、开关。上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，该些N沟道增强型MOS 元件阵列中的MOS管的尺寸相同。上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述相位补偿器由一 电阻和一 电容串联连接而成。上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述电流镜由两个P 沟道增强型MOS管组成，该两个MOS管的栅极互连，源极共同连接至该电源端， 漏极分别用作输入端和输出端
上述的具有〗氐温度系数的超孩i功库毛参考源电路，其中，所述参考源电路还包 括一预稳压器，抑制电源端电压变化对该电压参考源的影响，该预稳压器连接在该电源端和接地端之间，该预稳压器的输出端连接该P沟道耗尽型MOS元件的源极。上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述预稳压器进一步包括第一 N沟道增强型MOS管，其源极接地，栅极和漏极相连；第二 N沟道增强型MOS管，其栅极和漏极相连，源极连接该第一增强型N 沟道MOS管的漏极；第一P沟道耗尽型MOS管，其栅极和源极相连，并连接至该电源端；第二 P沟道耗尽型MOS管，其栅极连接该第一 P沟道耗尽型MOS管的栅极， 该第二 P沟道耗尽型MOS管的源极连接该第一 P沟道耗尽型MOS管的漏极；第三P沟道耗尽型MOS營，其栅极和源极相连，并连接至该电源端，其漏极 同该第二 P沟道耗尽型MOS管的漏极、该第二N沟道增强型MOS管的漏极连接 在一起，作为该预稳压器的输出端。上述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其中，所述第三P沟道耗尽 型MOS管的尺寸与所述P沟道耗尽型MOS元件的尺寸相同。本发明对比现有技术有如下的有益效果本发明通过耗尽型PM0S元件、增强 型NMOS阵列、丽0S放大元件、电流镜、电阻和相位补偿器构成的反馈控制环路同 时产生电压参考源和电流参考源。本发明通过在增强型應0S阵列中熔断或切断不 同的熔丝以调整增强型画OS阵列的有效尺寸。本发明还通过预稳压器抑制电源电 压变化对电压参考源或电流参考源的影响，提高了参考源的线性稳定度。
图1是现有技术的超微功耗电压参考源电路的原理简化电路图。 图2是增强型画0S管阀值电压随温度变化的曲线坐标图。 图3是耗尽型PM0S管阀值电压随温度变化的曲线坐标图。 图4是本发明的具有增强型NM0S阵列且同时产生电压参考源和电流参考源的 参考源电路的一个实施例的电路图。图5是本发明的具有增强型NM0S阵列且同时产生电压参考源和电路参考源的
参考源电路的另 一 实施例的电路图。图6是本发明的带有预稳压器的参考源电路的一个实施例的电路图。图7是本发明的带有预稳压器的参考源电路的另一实施例的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。图4示出了具有增强型服OS阵列且同时产生电压参考源和电流参考源的参考 源电路的一个实施例。请参见图4，丽OS放大元件21、电流镜22、耗尽型PM0S 23、 相位补偿器24、增强型画OS元件阵列25和电阻R1构成一个反馈控制环路，该环 路同时输出电压参考源和电流参考源。电流4竟22内部，由两个增强型PM0S管221、 222组成，增强型PMOS管221、 222的栅极互连，源极共同连接至电源端VDD。增强型PMOS管221的漏极作为电流 镜的输出端，增强型PMOS管2 22的漏极作为电流镜的输入端。流过电流镜22的电 流作为输出的参考电流。相位补偿器24内部，电阻R2和电容C1串联，用于反馈 控制环路的相位补偿。增强型NM0S元件阵列25包括三个增强型画OS管支路并联而成。第一个支路 为一个独立的麵0S管251,其源极连接熔丝Fl的一端。第二个支路为两个串联的 丽OS管252、 253,画0S管252的源极连接丽0S管253的漏极，画0S管253的源 极连接熔丝F2的一端。第三^、支路为三个串联的丽0S管254 - 256，画0S管254 的源极连接NM0S管255的漏极，丽0S管255的源极连接NM0S管256的漏极，丽0S 管256的源极连接熔丝F3的一端。较佳地，这些丽0S管的尺寸均相同。实际上， 增强型丽0S元件阵列25可以等效为一个丽0S元件，也具有相应的漏极端、栅极 端、源极端。三个支路中的應OS管251、 252、 254的漏极连接在一起，作为增强 型丽0S元件阵列25的漏极端。三根熔丝F3的另一端连接在一起,作为增强型蘭0S 元件阵列25的源极端。所有的丽0S管251 ~ 256的4册极连接在一起，作为增强型 画0S元件阵列25的栅极端。增强型丽0S元件阵列25的栅极端连接至一电压节点 VREF，源极端连接至一接地端GND，两者之间的电压作为输出电压参考源。增强型丽0S元件阵列25通过熔断或切断不同的熔丝来调整该阵列的有效尺 寸，以保证参考电压V,温度特性的一致性。作为一个示例，对增强型NM0S元件 阵列的有效尺寸的具体调整过禾呈如下假设在正常工艺条件下，对应熔断熔丝F2、 F3,不熔断熔丝Fl,采用尺寸为 (W/L) p。的耗尽型PM0S 23和尺寸为(W/L) ^的增强型丽0S元件阵列25,可以 得到很低温度系数的参考电压VREF。当耗尽型PM0S 23的阀值电压变大时，阀值电 压的温度系数也随之变大，要满足参考电压V咖仍有很低的温度系数，需要加大增 强型丽0S元件阵列25的尺寸，例如，当熔断熔丝F2，不熔断熔丝F1、 F3时，增 强型画0S元件阵列25的有效尺寸变为1. 5 x (W/L) NS1。当熔断熔丝F3，不熔断 熔丝Fl、 F2时，增强型麵0S元件阵列25的有效尺寸变为1. 33 x (W/L) NE1。当全 部的熔丝Fl ~ F3都不熔断时，增强型丽0S元件阵列25的有效尺寸变为1. 83 x (W/L) NE1。可以根据耗尽型PM0S 23阀值电压变大的程度选择不同的增强型画0S 元件阵列25的尺寸。同理，当耗尽型PM0S 23的阀值电压变小时，阀值电压的温度系数也随之变 小，要满足VREF仍有很低的温度系数，需要减小增强型画0S元件阵列25的有效 尺寸。当熔断熔丝Fl,不熔断熔丝F2、 F3时，增强型NM0S元件阵列25的有效尺 寸为O. 83x (W/L)NE1。当熔断熔丝F1、 F3，不熔断熔丝F2时，增强型NM0S元件 阵列25的有效尺寸为0. 5x (W/L)NE1。当熔断熔丝F].、 F2，不熔断熔丝F3时， 增强型薩0S元件阵列25的有效尺寸为0. 33 x ( W/L ) NE1。可以根据耗尽型PM0S 23 阀值电压变小的程度选择不同的增强型NM0S元件阵列25的尺寸。应理解，增强型NM0S元件阵列25的连接方式并不局限于本实施例中的三支 路并联，可以是任何支路的并联，每个支路上的数个增强型丽0S管以上述方式串 联。熔丝也可以由例如开关等可控制电路开合的器件代替。在上述的反馈控制环路中，丽0S放大元件21的漏极连接电流镜的输入端，源 极连接接地端GND。耗尽型PMOS 23的栅极和源极相连，共同连接至电源端VDD，漏 极连接增强型NMOS元件阵列25的漏极端和相位补偿器24的一端，并共同连接至 丽0S放大元件21的栅极。相位补偿器24的另一端连接地端GND。增强型刚0S元 件阵列25的栅极端连接电流镜22的输出端。电阻Rl连接在增强型丽0S元件阵列 25的栅极端和源极端(即接地端)之间。作为一个示例，环路反馈控制作用的分析如下假设NM0S放大元件21的栅 极上产生一个扰动，且NMOS放大元件21的栅极电压由于扰动而变高时，流过丽0S
放大元件21的源极和漏极间的电流将变大。通过电流镜22的电流镜像作用，流过电阻Rl的电流也会变大，从而导致增强型丽OS元件阵列25的栅极电压会变大。 增强型丽OS元件阵列25的栅极电压变大的结果是引起阵列的漏极电压，也就是 画0S放大元件21的栅极电压变小。通过反馈控制环路的作用，增强型NM0S元件 阵列25的栅极端和接地端GND间的电压被稳定在一个固定的输出电压上，作为环 路输出的参考电压信号VREF,流过电流镜22的电流也同时稳定在一个固定的电流 上，作为环路输出的参考电路信号IREF, 1,-V,/Rl,该电流可通过电流镜传输到芯 片内部的其它电路中，作为电路的偏置电流。图5示出了具有增强型丽0S阵列且同时产生电压参考源和电流参考源的参考 源电路的另一实施例。请参见图5，与图4所示实施例不同之处在于增强型画OS 元件阵列35采用先并联后串联的方式。阵列35包括三个增强型丽0S管支路串联 而成。第一个支路为一个独立的NM0S管351，熔丝Fl连接在画0S管351的漏极 和源极之间，与丽0S管351并联。第二个支路为两个并联的画0S管352、 353， 醒0S管352的源极连接蘭0S管353的源极，NM0S管352的漏极连接丽0S管353 的漏极，熔丝F2连接在这两个NM0S管352、 353的漏极和源极之间，与这两个服0S 管并联。第三个支路为三个并联的NM0S管354 ~ 356, NM0S管354 ~ 356的源极连 接在一起，NMOS管354 ~ 356的漏极连接在一起，熔丝F3连接在丽0S管354 ~ 356 的漏极和源极之间，与腦0S管354 ~ 356并联。其中丽0S管351的源极接地，作 为阵列35的源极端，NM0S管354 ~ 356的漏极连接在一起，作为阵列35的漏极端， 所有的NM0S管351 ~ 356的栅极连接在一起，作为阵列35的栅极端。本实施例的 其它电路结构与图4的相同，在此不再赘述。应理解，增强型画0S元件阵列35的连接方式并不局限于本实施例中的三支 路串联，可以是任何支路的串联，每个支路上的数个增强型丽0S管以上述方式并 联。熔丝也可以由例如开关等可控制电路开合的器件代替。图6示出了本发明的带有预稳压器的参考源电路的一个实施例。请参见图6， 本实施例是在图4实施例的基础上，在电源端V。d和接地端GND之间连接一个预稳压器60，抑制电源端V。。的电压变化对电压参考源参考电压VREF的影响，提高电压参考源的线性稳定度。预稳压器60的输出端连接耗尽型PM0S 61的源极。预稳压器60由耗尽型PM0S 601、 602、 603和增强型NM0S 604、 605组成。
耗尽型PMOS 601的栅极、源极和耗尽型PMOS 602的栅极相连，并连接至电源端 VDD。耗尽型PMOS 601的漏极与耗尽型PMOS 602的源极相连。耗尽型PMOS 603 的栅极和源极相连，并连接至电源端VDD。增强型NM0S 605的栅极和漏极相连， 源极连接至4妻地端VDD。增强型NMOS 604的4册极和漏极相连，源极连接至增强型 麵S 605的漏极。增强型服0S 604的漏极、耗尽型PM0S 602 、 603的漏极相连, 作为预稳压器60的输出。其中，耗尽型PMOS 603的元件尺寸与耗尽型PMOS 61 的元件尺寸相同。而电路中其它的模块或器件，例如相位补偿器62、增强型画OS 元件阵列63、电流镜64等，其内部的电路构成以及器件或模块之间的连接和图4 所示实施例均相同，在此不再赘述。图7示出了本发明的带有预稳压器的参考源电路的另一实施例。请参见图7, 本实施例是在图5所示实施例的基础上，在电源端VDD和接地端GND之间连接一个 预稳压器70，抑制电源端V^的电压变化对电压参考源参考电压V^的影响，提高 电压参考源的线性稳定度。预稳压器70的输出端连接耗尽型PMOS 71的源极。预稳压器70的内部电路与图6所示实施例的预稳压器60的内部电路相同， 在此不再赘述。而本实施例的电路的其它器件或模块的内部电路、器件或模块之间 的连接关系和图5所示实施例相同，在此也不再赘述。应理解，预稳压器并不局限于上述实施例的电路结构，上述实施例的电路结 构只是满足最低电流消耗要求的较佳结构。上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普 通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或 变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提 到的创新性特征的最大范围。
权利要求
1一种具有低温度系数的超微功耗参考源电路，用于产生电压参考源和电流参考源，在不同的温度条件下提供一致的参考信号，所述电路包括一P沟道耗尽型MOS元件，其栅极和源极相连，共同连接至电源端；一可调有效尺寸的N沟道增强型MOS元件阵列，在该阵列中设置至少一个切断器件，通过控制该切断器件的开合来调整该N沟道增强型MOS元件阵列的有效尺寸，该阵列的漏极端与该P沟道耗尽型MOS元件的漏极连接，该阵列的源极端接地，以该阵列的栅极端和源极端之间的输出电压作为该电压参考源；一第一电阻，并联在该N沟道增强型MOS元件阵列的栅极端和源极端之间；一相位补偿器，并联在该N沟道增强型MOS元件阵列的漏极端和源极端，用作反馈控制环路的相位补偿；一N沟道MOS管放大元件，栅极与该N沟道增强型MOS元件阵列的漏极端连接，源极接地；一电流镜，输入端连接该N沟道MOS管放大元件的漏极，输出端连接至该N沟道增强型MOS元件阵列的栅极端，以流过该电流镜的输出电流作为该电流参考源。
2.根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在 于，所述N沟道增强型MOS元件阵列是由多个N沟道增强型MOS管先以串联的 连接方式形成多个支路后再将该些支路并联而成，且该切断器件串联设置在该些支 路上。
3.根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在 于，所述N沟道增强型MOS元件阵列是由多个N沟道增强型MOS管先以并联的 连接方式形成多个支路后再将该些支路串联而成，且该切断器件并联设置在该些支路上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电 路，其特征在于，所述切断器件包括熔丝、开关。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电 路，其特征在于，该些N沟道增强型MOS元件阵列中的MOS管的尺寸相同。
6.根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在 于，所述相位补偿器由一电阻和一电容串联连接而成。
7.根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在 于，所述电流镜由两个P沟道增强型MOS管组成，该两个MOS管的栅极互连， 源极共同连接至该电源端，漏极分别用作输入端和输出端。
8.根据权利要求1所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在 于，所述参考源电路还包括一预稳压器，抑制电源端电压变化对该电压参考源的影 响，该预稳压器连接在该电源端和接地端之间，该预稳压器的输出端连接该P沟 道耗尽型MOS元件的源极。
9.根据权利要求8所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征在于，所述预稳压器进一步包括第一 N沟道增强型MOS管，其源极接地，栅极和漏极相连；第二 N沟道增强型MOS管，其栅极和漏极相连，源极连接该第一增强型N沟道MOS管的漏极；第一 P沟道耗尽型MOS管，其栅^f及和源极相连，并连接至该电源端；第二 P沟道耗尽型MOS管，其栅极连接该第一 P沟道耗尽型MOS管的栅极，该第二 P沟道耗尽型MOS管的源极连接该第一 P沟道耗尽型MOS管的漏极；第三P沟道耗尽型MOS管，其栅极和源极相连，并连接至该电源端，其漏极同该第二 P沟道耗尽型MOS管的漏极、该第二N沟道增强型MOS管的漏极连接在一起，作为该预稳压器的输出端。
10. 根据权利要求9所述的具有低温度系数的超微功耗参考源电路，其特征 在于，所述第三P沟道耗尽型MOS管的尺寸与所述P沟道耗尽型MOS元件的尺寸相同。
全文摘要
本发明公开了一种具有低温度系数的超微功耗参考源电路，保证不同工艺偏差下参考源温度特性的一致性。其技术方案为该电路包括一耗尽型PMOS元件，栅极和源极共同连接至电源端；一可调有效尺寸的增强型NMOS元件阵列，通过控制阵列中切断器件的开合来调整阵列的有效尺寸，该阵列的栅极端和源极端之间的输出电压作为该电压参考源；一电阻，并联在该阵列的栅极端和源极端；一相位补偿器，并联在该阵列的漏极端和源极端；一NMOS管放大元件，栅极与该阵列的漏极端连接，源极接地；一电流镜，输入端连接该NMOS管放大元件的漏极，输出端连接至该阵列的栅极端，以流过该电流镜的输出电流作为该电流参考源。本发明应用于集成电路领域。
文档编号G05F3/08GK101154116SQ20061011663
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月28日 优先权日2006年9月28日
发明者彬 侯, 晨 刘, 刘家洲, 挺 施, 磊 王 申请人:华润矽威科技(上海)有限公司