一种带有负反馈的高性能CMOS电压基准源的制作方法

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种带有负反馈的高性能cmos电压基准源。

背景技术：

电压基准源作为当代模拟集成电路的重要组成部分，被广泛的应用于物联网、可穿戴设备和电源管理等领域。作为电源管理模块中最常用的模块，低压差线性稳压器和直流稳压器，均需要利用电压基准源来产生一个与工艺，电源电压和温度变化无关的参考电压，并且电压基准源输出基准电压的精度将直接影响这些模块相关性能的好坏。

常用于衡量电压基准源的几项指标有温度系数、电压线性度、电源抑制比、功耗和温度系数等。温度系数和电压线性度分别用于衡量温度和电压基准源变化对基准电压的影响；电源抑制比用于衡量电路抑制电源噪声的能力；功耗是衡量电路功率损耗的性能参数；变异系数用于衡量工艺影响电路性能的程度。

在电压基准源的设计过程中，为了获得一个与温度无关的输出基准电压，通常需要通过将正负温度系数加权相加，来得到具有温度补偿的输出基准电压。传统的电压基准源主要利用双极性晶体管(bjt)管基极-发射极电压的负温度系数和热电势的正温度系数，线性相加实现零温度系数，得到约为1.2v的参考电压。这使其电源电压将高于1.2v，难以实现低功耗。此外由于传统的电压基准源使用了电阻的电阻和双极性晶体管，这大大地增加了芯片面积。因此，cmos电压基准源凭借其低功耗和低工艺灵敏度的优点，得到了广泛发展。基于电阻的cmos电压基准源利用mos管栅源电压差的正温度系数和阈值电压的负温度系数，线性加权相加得到零温度系数。该电路利用mos管的亚阈值特性，降低了电路的功耗，但由于电路使用了电阻，芯片面积依旧很大。为了进一步减低芯片面积，基于高阈值电压的cmos电压基准源被提出。该电压基准源利用高阈值mos管和标准mos管的阈值电压差的负温度系数和热电势的正温度系数，线性加权相加得到。由于没有使用电阻，芯片面积较小，但是由于使用了高阈值mos管，这使得电路的工艺兼容性变差，成本变高。为了获得更好的温度稳定性和工艺兼容性，仅标准阈值电压mos管的cmos电压基准源被提出。由于仅使用了标准mos管，电路获得了较好的工艺兼容性，但是该电路的电压线性度仍旧较差。

基于以上分析，在电压基准源的设计与研究过程中，很难涵盖电压基准源的所有关键特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于：本发明克服上述电压基准源不能涵盖所有关键性能的缺陷，提出了一种带有负反馈的cmos电压基准源，同时具备低温度系数、低电压线性度、高电源抑制比，低功耗和较好工艺兼容性的优点。

本发明采用的技术方案如下：一种带有负反馈的高性能cmos电压基准源，包括启动电路模块、电流源模块和有源负载模块，所述启动电路模块、电流源模块和有源负载模块之间依次连接。

所述启动电路模块用于将电路保持在适当的工作点，并确保电路始终可以达到稳定状态。

所述电流源模块在不使用特殊器件的情况下，用于产生一个与电子迁移率和温度平方成正比的偏置电流，且偏置电流较小，使得电流消耗的功率较小。

所述有源负载模块通过引入负反馈产生低电压线性度和高电源抑制比的输出基准电压。

其中，所述启动电路模块包括pmos管m14、nmos管m15、m16和m17，所述启动电路中的m14的漏极和源极均与电源电压相连，m14的栅极与m15和m16的栅极相连，m15和m16的漏极相连，并引出作为启动电路的第一输出端为电流源模块提供启动信号，m15和m16的源极与分别引出作为启动信号的第二和第三输出端与电流源模块相连，m17的漏极和m14的栅极相连，m17的栅极与输出基准电压vref相连，m17的源极接地。

其中，所述电流源模块包括运算放大器，pmos管m9、m10、m11、nmos管m1、m2、m3和m4，所述m9、m10和m11构成电流镜，即m9的漏极和栅极相连，m9，m10，m11的源极与电源电压相连，m9，m10，m11的栅极相连，且与运算放大器op-amp相连，同时与启动电路的第一输出端相连，并引出到有源负载模块，所述m1、m2和m4均为二极管连接，即m1、m2和m4各自的栅极和漏极连接在一起，m1的漏极与m9的漏极连接，m1的源极与m2的漏极相连，m2的栅极和m1的漏极相连，m2的源极接地，m3的源极与m2的漏极相连，m3的栅极和运算放大器op-amp的正相输入端相连，m3的漏极与启动电路的第二输出端相连，m4的栅极与运算放大器op-amp的反相输入端相连，且与启动电路的第三输出端相连，m4的漏极与m11的漏极相连，m4的源极接地。

其中，所述电流源模块中m2、m4、m9、m10和m11工作在亚阈值区，m1和m3工作在饱和区。

其中，所述有源负载模块包括pmos管m12、m13、nmos管m5、m6、m7和m8，m12和m13作为有源负载模块的输出端与电流源模块中m9，m10，m11的栅极相连，构成电流镜，m12和m13的源极与电源电压相连，m12的漏极与m5的漏极相连，m13的漏极与m7的漏极相连，m5的栅极与m7的栅极相连，m5的源极与m6的漏极相连，m6的源极接地，m6和m7均为二极管连接，即m6和m7各自的漏极与栅极连接在一起，m7的源极和m8的漏极相连，且作为有源负载模块的输出端，同时也是整个电压基准源的输出端vref，m8的栅极与m6的栅极相连，m8的源极接地。

其中，所述有源负载模块中pmos管m12、m13、nmos管m5、m6、m7和m8均工作在亚阈值区。

其中，所述电源电压的范围为0.95v-3v。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中，提供了一个带有负反馈的高性能cmos电压基准源，包括依次连接启动电路模块、电流源模块及有源负载模块；启动电路模块用于将电路保持在适当的工作点，并确保电路始终可以达到稳定状态，电流源模块在不使用特殊器件的情况下，用于产生一个与电子迁移率和温度平方成正比的偏置电流，且偏置电流较小，使得电流消耗的功率较小。有源负载模块通过引入负反馈产生低电压线性度和高电源抑制比的输出基准电压。同时具备低温度系数、低电压线性度、高电源抑制比，低功耗和较好工艺兼容性的优点。

附图说明

图1为本发明的带有负反馈的高性能cmos电压基准源电路的电路图；

图2为本发明的带有负反馈的高性能cmos电压基准源有源负载模块的小信号图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一，如附图1-2所示，本发明实施例提供了一种带有负反馈的高性能cmos电压基准源，依次包括启动电路模块、电流源模块和有源负载模块。

启动电路模块用于将电路保持在适当的工作点，并确保电路始终可以达到稳定状态。

电流源模块在不使用特殊器件的情况下，用于产生一个与电子迁移率和温度平方成正比的偏置电流，且偏置电流较小，使得电流消耗的功率较小。

有源负载模块在实现零温度系数的同时，通过引入负反馈产生低电压线性度和高电源抑制比的输出基准电压。

mos管的阈值电压与温度成负相关的关系，即阈值电压呈负温度系数，其表达式下：

vth＝vth0-αt(t-t0)#(1)

其中，vth0表示室温下mos管的阈值电压，αt表示阈值电压的温度系数，t表示电路工作环境的温度，t0表示室温。

当mos管源极和衬底之间的电压不为零时，将引入体效应，使得mos管的阈值电压发生变化，考虑了体效应之后的阈值电压可以表示为：

其中，η为亚阈值斜率因子，vsb为mos管源极与衬底之间的电压

当nmos管工作在饱和区时，其漏源电流和栅源电压的表达式如下：

当nmos管工作在亚阈值时，其漏源电流和栅源电压的表达式如下：

其中，μ和cox分别为电子迁移率和栅极下的氧化层电容,k为mos的宽长比,vgs为栅极和源极之间的电压，vt为热电势，且vt与温度成正温度系数。

本发明中，电路能够正常工作的电源电压范围为0.95v～3v，且该高性能cmos电压基准源在未使用特殊阈值mos管和电阻的条件下，实现低温度系数和低电压线性度，使得电路的工艺兼容性和芯片面积得到了很好的改善。

进一步地，启动电路模块包括pmos管m14以及nmos管m15、m16和m17；启动电路中的m14的漏极和源极均与电源电压相连，m14的栅极与m15和m16的栅极相连，m15和m16的漏极相连，并引出作为启动电路的第一输出端为电流源模块提供启动信号。m15和m16的源极与分别引出作为启动信号的第二和第三输出端与电流源模块相连。m17的漏极和m14的栅极相连，m17的栅极与输出基准电压vref相连，m17的源极接地。

进一步地，电流源模块包括运算放大器，pmos管m9、m10和m11，以及nmos管m1、m2、m3和m4。m9、m10和m11构成电流镜，即m9的漏极和栅极相连，m9，m10，m11的源极与电源电压相连，m9，m10，m11的栅极相连，且与运算放大器op-amp相连，同时与启动电路的第一输出端相连，并引出到有源负载模块。m1、m2和m4均为二极管连接，即m1、m2和m4各自的栅极和漏极连接在一起，m1的漏极与m9的漏极连接，m1的源极与m2的漏极相连，m2的栅极和m1的漏极相连，m2的源极接地，m3的源极与m2的漏极相连，m3的栅极和运算放大器op-amp的正相输入端相连，m3的漏极与启动电路的第二输出端相连，m4的栅极与运算放大器op-amp的反相输入端相连，且与启动电路的第三输出端相连，m4的漏极与m11的漏极相连，m4的源极接地。

进一步地，有源负载模块中pmos管m12和m13以及nmos管m5、m6、m7和m8均工作在亚阈值区。

启动电路模块与电流源模块相连，确保cmos电源基准源能快速启动，并且在整个cmos电源基准源成功启动，进入正常之后，消耗的功耗可以忽略，同时不会影响电路的其他性能。

电流源模块中m2、m4、m9、m10和m11工作在亚阈值区，m1和m3工作在饱和区，根据m1、m2、m3、和m4的连接关系可得：

其中，和表示考虑了体效应之后的栅源电压。将式(2)(4)(6)代入(7)中，可得：

其中α，β和γ是电流的比例。化简式(8)，可得电流源产生的电流的表达式如下：

进一步地，有源负载模块包括pmos管m12和m13以及nmos管m5、m6、m7和m8；m12和m13作为有源负载模块的输出端与电流源模块中m9，m10，m11的栅极相连，构成电流镜，m12和m13的源极与电源电压相连，m12的漏极与m5的漏极相连，m13的漏极与m7的漏极相连，m5的栅极与m7的栅极相连，m5的源极与m6的漏极相连，m6的源极接地，m6和m7均为二极管连接，即m6和m7各自的漏极与栅极连接在一起，m7的源极和m8的漏极相连，且作为有源负载模块的输出端，同时也是整个电压基准源的输出端vref，m8的栅极与m6的栅极相连，m8的源极接地。

进一步地，有源负载模块中，m7，m5，m6和m8依次构成负反馈环路，通过将电路的主极点推远改善电路的低频电源抑制比，和引入共轭复极点来改善电路的高频电源抑制比。电流源生成的电流通过电流镜镜像并且被注入有源负载模块中。该有源负载模块用于产生独立于电源电压和温度的基准电压。根据m5、m6、m7和m8，可得输出基准电压的表达如下：

将式(2)(4)(6)代入(7)中,输出基准电压的表达式可以表示为：

为了获得温度补偿的基准电压，必须满足以下条件：

通过调整表达式中相关mos管的宽长比，即可获得零温度系数的输出基准电压。

进一步地，有源负载模块中，m7，m5，m6和m8依次构成负反馈环路。假设节点z处的电压随电源电压的变化而增大，则节点y的电压上升，然后输出基准电压vref将会降低。因为由m7，m5、m6和m8组成的负反馈环路的增益大于由m7组成的正反馈环路的增益，所以输出基准电压vref最终会降低，反之亦然。负反馈环路的存在进一步提高了基准电压的精度，使得电压基准源实现了较低的电压线性度。如图2所示，为带有负反馈的高性能cmos电压基准源有源负载模块的小信号图。根据小信号分析可得，经计算其psrr表达式如下：

其中，δ的表达式如下：

其中，gmi和roi分别表示mos管mi的跨导和输出电阻；goi是roi的导数；adc是运放的直流增益。本发明提出的带负反馈的有源负载确实改善了电路的psrr，其主要原因有以下两个。第一，将主极点z0推远可改善电路的低频psrr。第二，引入复共轭极点pcp，并复共轭极点pcp设计为比复共轭零点zcz小得多，来改善电路高频psrr。

本发明提供了一个带有负反馈的高性能cmos电压基准源，包括依次连接启动电路模块、电流源模块及有源负载模块；启动电路模块用于将电路保持在适当的工作点，并确保电路始终可以达到稳定状态。电流源模块在不使用特殊器件的情况下，用于产生一个与电子迁移率和温度平方成正比的偏置电流，且偏置电流较小，使得电流消耗的功率较小。有源负载模块通过引入负反馈产生低电压线性度和高电源抑制比的输出基准电压。同时具备低温度系数、低电压线性度、高电源抑制比，低功耗和较好工艺兼容性的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。