专利名称：一种低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种在低电压下工作的高电源抑制比、 低闪烁噪声的电压基准源，该设计基于CMOS工艺实现。
背景技术：
基准源是模拟集成电路和混合信号集成电路中不可或缺的模块，广泛应用于低压 差调整器、开关电源、数据转换器等，这些电路普遍要求基准源的输出不随温度和电源电压 的变化而变化。目前主流的基准源均采用热电压Vt的正温度系数与双极性晶体管(三极 管)的基极_发射极Vbe电压的负温度系数进行补偿来实现较低温度系数，同时可附加其 他技术进行温度系数的高阶补偿；在减弱电源电压对基准源影响的方面，方法呈现多样化， 主要用电源抑制比指标来衡量。减小温度系数和提高电源抑制是基准源设计的两大永恒主 题。近年来，低碳节能和绿色环保的概念及其发展趋势愈发显著，推动集成电路设计 趋向于低电源电压设计，因而低电压电路设计成为现今集成电路设计尤其是模拟集成电路 设计的一大重点和难点。目前，便携式电子产品中大量采用1. 5V的一次性电池和1. 2V的充 电电池，当电池电量降低时，输出电压会下降，所以一般要求基准源可以工作在IV的电压 下。由于三极管的Vbe电压已占用0. 7V左右的电压余度，这对基准源的设计提出了较高的 要求，使得以往的基准源同时满足电路在低压下正常工作和提高电源抑制变得十分困难。同时，在低电压的情况下，基准源中的噪声被相对放大，使得降低噪声在基准源设 计中变得更加重要。在已有的减小基准源闪烁噪声的方法中，中国专利CN101630173给出 了一种利用MOS管在强反型区和截止区进行周期性切换减小闪烁噪声的方式，美国专利 US6160274、US6514825和US6653679都通过特殊工艺步骤或材料来制造不同于主流CMOS 工艺的低闪烁噪声晶体管，但是这些方法都付出了增加了电路设计或工艺加工复杂性的代 价。
发明内容
本发明提供了一种低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源，电路设计简单，同时能 满足低闪烁噪声、高电源抑制的要求。一种低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源，包括启动电路、自级联电流镜、运算 放大器、温度系数补偿电路和基准输出级电路。所述的启动电路与温度系数补偿电路连接，为其他电路提供启动电流，并在电路 启动后切断与其他电路的联系；所述的电流镜包括三个自级联结构的电流源，为三个支路提供相同的电流，每个 自级联电流源由两个PMOS管串联组成，它们的栅极相连，其余一端与电源相连，另一端与 温度补偿电路或基准输出电路相连，三个自级联电流源的栅极也相接；所述的运算放大器用于使温度补偿电路中的两点电压相等，它的正反相输入端分
3别连接在温度系数补偿电路的两条支路上，输出端连接在自级联电流镜的栅极上；所述的在温度系数补偿电路，含有两个发射区-基区面积不同的PNP三极管和三 个电阻，其中两个三极管的基极和集电极接地，发射极接自级联电流镜，面积较小的三极管 与一个电阻并联，面积较大的三极管与一个电阻串联，再与一个电阻并联；所述的基准输出级电路包括一个电阻，将自级联电流镜复制过来的电流转换为基 准源输出电压。优选地，所述的电流镜的PMOS管采用低阈值电压MOS管，其阈值电压的绝对值为 标准MOS管的50% 75%。优选地，所述的运算放大器由中的输入MOS管采用原生MOS管，两个原生MOS管的 栅极分别接到运放的两个输入端。优选地，所述的温度系数补偿电路可以扩展为高阶温度系数补偿电路，该方案是 在前述基准源的基础上添加一个支路，该支路包含一个由两个PMOS管串联组成自级联电 流源和一个三极管，所述的自级联电流源的栅极相连，一端与电源相连，另一端与基准输出 电路相连，与所述的自级联电流镜的三个自级联电流源的栅极也相接；三极管的基极和集 电极接地，发射极接自级联电流源；在该三极管的发射极和运放的两个输入端之间跨接两 个等值的电阻。本发明的技术效果是(1)利用低阈值电压PMOS管实现的自级联结构电流镜在低压基准源中提高了电 源抑制，降低了闪烁噪声。(2)运算放大器由中的输入MOS管采用原生MOS管，进一步减小了闪烁噪声，同时 在低压电路中节省了电压余度。(3)将所述的温度系数补偿电路扩展为高阶温度系数补偿电路后，进一步减小了 基准源输出电压随温度的变化，提高了基准输出电压的稳定性。
图1是本发明具体实现的整体电路原理图。图2是在运算放大器中使用的原生NMOS管的示意图。图3是自级联电流源结构的原理图。图4是实现温度系数高阶补偿基准源的整体电路原理图。
具体实施例方式为了更为具体地描述本发明，结合附图及具体实施方式
对本发明的技术方案和相 关原理进行说明。实施例1如图1所示，一种低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源的整体电路是本发明的 一个实施例，它包括启动电路、自级联电流镜、运算放大器、温度系数补偿电路和基准输出 级电路。所述的启动电路由电阻Rs和两个匪OS管Mnl和Mn2构成。其中Rs连接于电源 和Mnl的栅极之间；Mnl的漏极接电源，其源极接三极管Ql的发射极；Mn2的栅极和漏极端接，其源极接地。所述的自级联电流镜由六个低阈值电压的PMOS管Mal 2、Mbl 2和Mcl 2 构成，它们组成了三个自级联结构的电流源，为三个支路提供相同的电流，以Mal和Ma2为 例，两个MOS管串联相接，栅极相连，Mal的源极与电源相连，Ma2的漏极与Ql的发射极相 连；同理，Mbl 2和Mcl 2与Mal 2的连接关系相似，仅仅是Mb2和Mc2所连接的点 有所不同；此外，三个自级联电流源的栅极也相接，它们共同组成自级联电流镜。所述的运算放大器在图1中的虚线方框中标出，与运放反相输入端相连的有三极 管Ql的发射极、电阻Rl的一端、电阻R4的一端和PMOS管Ma2的漏极，与运放同相输入端 相连的有电阻RO的一端、电阻R2的一端、电阻R5的一端以及PMOS管Mb2的漏极，运放的 输出端与电流镜Mal 2、Mbl 2、和Mcl 2这六个PMOS管的栅极相连。此外，运放的 正反相输入端在运放内部分别与两个原生匪OS管Mil和Mi2的栅极相连，如图2所示。所述的温度系数补偿电路，包括Ql、Q2两个三极管和R0、RU R2三个电阻和8个 低阈值电压的PMOS管。Ql和Q2是PNP衬底三极管，其中Q2的发射区-基区面积是Ql的 N倍，它们的基极和集电极均接地，Ql与Rl并联，Q2的发射极与RO相连，再与R2并联。所述的基准输出级电路包括一个电阻R3，它将自级联电流镜复制过来的温度系数 补偿的电流转换为基准源输出电压VMf。该实施例的相关原理阐释如下启动电路的工作原理是，当核心电路电流为零时，电阻Rl两端电压为零，电阻Rs 和NMOS管Mn2使得NMOS管Mnl的栅源电压大于其阈值电压，则Mnl导通，向核心电路注入 电流。当核心电路达到正常工作点后，Mnl源极电压上升到0. 7V左右，迫使Mnl管截止，启 动电路就与核心电路隔离开来，不会再对核心电路造成影响。对于温度补偿电路，其工作原理为首先，负反馈连接的运放使得它的两个输入端 虚短路，在运放增益很大的条件下，两点电压可认为相等。其次，相同尺寸的自级联电流镜 Mal 2、Mbl 2和Mcl 2使得三个支路的电流相等，在此条件下，RO上的电流正比于热 电压Vt，而R2上的电流正比于Vbe，两者具有相反的温度系数，选择合适比例的N、Rl和R2， 就得到了一阶温度系数补偿的电流。这样，通过电流镜Mcl 2和电阻R3，就实现了温度系 数高阶补偿的基准电压VMf。如图3所示，发明中的电流镜采用了自流联结构。自级联结构是一个由两个MOS 管组成的结构，如图30，此结构可以看作一个复合晶体管，如图31。这个复合晶体管的等效 沟道长度Le比普通单管要大很多，即图中的Le > L。由MOS管的沟长调制效应可知，沟长 调制系数λ ~1^，而输出电阻1~。00 λ、可得出r。oc L，因此这种结构提高了电流源的输 出电阻，使得偏置电流受电源电压波动的影响变小，即提高了电源抑制。设MOS单管的跨导为gm，图30中的NMOS管的过驱动电压分别为Vdsatl和Vdsat2。经 小信号模型计算可知，单管电流源的输出电阻为r0量级，而自级联结构的输出电阻为gmr。2 量级，与普通的共源共栅结构的电流源的输出电阻相当，但却只消耗了 Vdsatl+Vdsat2的电压余 度，比普通共源共栅节约了一个阈值电压|Vthp|。因此，这种结构同时克服了普通共源共栅 电流源消耗电压余度大和单管电流源输出电阻小的不足，实现了在低压电路中提高电源 抑制的目标。在实际使用时，M2的宽长比W/L应该为Ml的宽长比的η倍，η > 1，则此结构复合晶体管的等效跨导为gM2/n = gM1。对于NM0S，流过复合晶体管的电流为Peff (Vin-Vtta)2/2， 其中，^eff = β J2Ai^1+β 2)，当 η >> 1 时，^eff 约为 β10自级联电流镜使用的低阈值电压的MOS管减小了闪烁噪声。在该发明所述结构的 基准源中，电流镜是闪烁噪声的一个主要来源。在现代标准CMOS的工艺中一般会提供低阈 值的MOS管，这种器件仍是增强型MOS管，但是阈值电压的绝对值比标准MOS管低，依工艺 不同，低阈值电压MOS管的阈值电压的绝对值为标准MOS管的50 % 75 %。闪烁噪声是MOS器件中产生机理最不明确的一种噪声，但是普遍认同的观点是， 该噪声与载流子在氧化物_硅界面的俘获_释放现象相关。低阈值MOS管在制造时注入的 杂质比标准MOS管少，其氧化物_硅界面更为光洁，使得载流子被俘获和释放的概率降低， 所以在沟道面积相同的情况下，具有更低的闪烁噪声。由于运放的输入管是基准源闪烁噪声的另一主要来源，在运放输入管中使用原生 MOS管进一步减小了闪烁噪声，如图2中所示的原生MOS管Mil和Mi2，两个原生MOS管的 栅极分别接到运放的两个输入端。在标准CMOS的工艺流程中，可以制造这种原生MOS管。相比标准MOS管，原生MOS 管是没有经过阈值调整工艺步骤的MOS管因为它没有经过阈值调整注入，其氧化物-硅界 面相比低阈值电压MOS管更加光洁，具有更好的抑制闪烁噪声的效果。由于原生MOS管在 标准CMOS工艺中就能实现，相比背景技术中所提到的方法，采用这种方式减小闪烁噪声使 得设计和制造都得到了简化。由于原生NMOS的阈值电压一般略小于零，也就是耗尽型器件，因而在产生同样 电流的情况下，其栅源电压Ves压降要比标准MOS管小一个阈值电压Vtta左右，在低电压应 用中还节约了电压余度。实施例2如图4所示，一种低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源，包括启动电路、自级联 电流镜、运算放大器、高阶温度系数补偿电路和基准输出级电路，其中启动电路、运算放 大器和基准输出级电路与实施例1相同；所述的自级联电流镜增加了一路自级联电流源 Msl 2，其实现与连接方法与实施例1中的三组电流源一致；所述的高阶温度系数补偿电 路，相比实施例1中的温度系数补偿电路增加了一个三极管Q3和两个电阻R4、R5。所增加 的三极管Q3的发射区-基区面积与Ql的相同，Q3的基极和集电极接地，发射极接新增的 一路自级联电流源，电阻R4、R5分别跨接在运放的两个输入端和Q3的发射极之间，这两个 电阻上流过的电流Im补偿了 Vbe温度系数的非线性项，使Q3—路电流实现了温度系数的高 阶补偿。这样，通过电流镜和电阻R3，就实现了温度系数高阶补偿的基准电压V&。高阶温度系数补偿的原理分析如下一般地，三极管的基极_发射极电压Vbe与温度之间的非理想关系可以表示为
T… ”、， 、… Γ
Vbe (T) = Vbg --(Vbg - Vbeq) -(η- m)VT In
rj-1 \ IJKJUJZ wzV Iy 1rj-1
其中T是绝对温度，T0是一个确定的参考温度，Vbg是硅的带隙电压，η是一个依 赖于掺杂浓度的常数，m是依赖于三极管发射极电流温度特性的一个常数。这种补偿的基 本思想是，通过具有一阶温度补偿的Vbe (m 0)和正比于温度的VbeOii= 1)的适当组合，来 到达高阶补偿的目的。则Q3和Ql 2的Vbe电压可以分别表示为
权利要求
一种低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源，包括启动电路、自级联电流镜、运算放大器、温度系数补偿电路和基准输出级电路，其特征在于所述的启动电路与温度系数补偿电路连接，为其他电路提供启动电流，并在电路启动后切断与其他电路的联系；所述的自级联电流镜包括三个自级联电流源，为三个支路提供相同的电流，每个自级联电流源由两个PMOS管串联组成，它们的栅极相连，其余一端与电源相连，另一端与温度补偿电路或基准输出电路相连，三个自级联电流源的栅极也相接；所述的运算放大器用于使温度补偿电路中的两点电压相等，它的正反相输入端分别连接在温度系数补偿电路的两条支路上，输出端连接在自级联电流镜的栅极上；所述的温度系数补偿电路，含有两个发射区 基区面积不同的PNP三极管和三个电阻，其中两个三极管的基极和集电极接地，发射极接自级联电流镜，面积较小的三极管与一个电阻并联，面积较大的三极管与一个电阻串联，再与一个电阻并联；所述的基准输出级电路包括一个电阻，将自级联电流镜复制过来的电流转换为基准源输出电压。
2.根据权利要求1所述的低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源，其特征在于所述的 运算放大器中的MOS管采用原生NMOS管，两个原生MOS管的栅极分别接到运放的两个输入端。
3.根据权利要求1所述的低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源，其特征在于所述的 电流镜的PMOS管采用低阈值电压MOS管。
4.根据权利要求1所述的低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源，其特征在于所述的 温度补偿电路还包括一个支路，该支路包含一个由两个PMOS管串联组成自级联电流源和 一个三极管，所述的自级联电流源的栅极相连，一端与电源相连，另一端与基准输出电路相 连，与所述的自级联电流镜的三个自级联电流源的栅极也相接；三极管的基极和集电极接 地，发射极接自级联电流源；在该三极管的发射极和运放的两个输入端之间跨接两个等值 的电阻。
全文摘要
本发明公开了一种低闪烁噪声、高电源抑制的低压基准源，包括启动电路、自级联电流镜、运算放大器、温度系数补偿电路和基准输出级电路，所述的电流镜包括三个自级联结构的电流源，利用低阈值电压PMOS管实现的自级联结构电流镜，在低压基准源中提高了电源抑制，降低了闪烁噪声，同时运算放大器由中的输入MOS管采用原生MOS管，进一步减小了闪烁噪声，同时在低压电路中节省了电压余度，所述的温度系数补偿电路扩展为高阶温度系数补偿电路后，进一步减小了基准源输出电压随温度的变化，提高了基准输出电压的稳定性。
文档编号G05F1/567GK101980097SQ20101029954
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者张昊, 王昊 申请人:浙江大学