低功耗基准电压源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成电路技术领域，设及一种低功耗基准电压源。
【背景技术】
[0002] 众所周知，在所有设及模拟电路设计的方案中，都会有一个基准电压源电路，为巧 片中的其他模块提供不随电源电压和温度变化的稳定的电压源。目前普遍采样基准电压源 是带隙基准电压源结构，但是功耗往往比较大，约几十个uA，很难满足低功耗设计（功耗小 于0.5uA)的要求。如果要减小功耗，必须用到高阻值的电阻和大尺寸的M0S管，势必会增 加巧片面积。
[0003] 现有技术多采用带隙电压作为基准电压源，带隙基准电压源电路虽然能在提供一 个稳定的基准电压，但是也存在固有的缺陷：
[0004] 1.带隙基准电压源中包含有运算放大器，该种结构功耗一般约几十uA，无法实现 低功耗；
[0005] 2.带隙基准电压源中的运算放大器W及S极管和高阻值电阻会占用很大的面积， 不利于高度集成的低成本解决方案；
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种低功耗基准电压源。它能在提供不随电源电压和温度 变化的基准电压的同时，实现了低于0. 5uA的超低功耗。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
[0008] 低功耗基准电压源包括：由增强型M0S管与耗尽型NM0S管组成的S级放大器电路 W及启动电路；
[0009] 所述第一级放大器是第一增强型NM0S共源极放大器电路，栅漏短接的第一PM0S 管和第=PM0S管串联并作为放大器负载，第一PM0S漏极做为输出端；
[0010] 所述第二级放大器电路是由第二PM0S管和第四PM0S管组成的共源共栅放大器电 路，第二PM0S管的栅极做输入并接第一级放大器的输出，栅源短接的第一耗尽型NM0S管作 为放大器负载，第四PM0S漏极为输出端；
[0011] 所述第=级放大器电路是由第五PM0S管和第六PM0S管组成的共源共栅放大器电 路，第五PM0S管栅极做输入并接第二级放大器的输出，栅源短接的第二耗尽型NM0S管作 为放大器负载，第二耗尽型NM0S漏极为电路输出端VREF并且接到第一级放大器的输入端， 输出端VREF连接对GND的补偿和滤波第一电容。
[0012] 启动电路为^级放大器提供启动电流，由第^;：PM0S管和第八PM0S管^及第^耗 尽型NM0S管组成；第走PM0S管栅极为输入端，它接到第一级放大器输出端，栅源短接的第 =耗尽型NM0S管作为第^;：PM0S管的负载，第八PM0S管栅极连接到第^;：PM0S管的漏极，第 八PM0S管源极接V孤，漏极连接到第一级放大器输入端，为第一级放大器提供一个上拉的 启动电流。
[0013] 本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有W下的优点和积 极效果：
[0014] 1.本发明由于采用耗尽型M0S管代替高阻值电阻，而栅源短接的耗尽型M0S管的 导通电阻极大，实现电路极低功耗；
[0015] 2.本发明由于采用增强型M0S管和耗尽型M0S管，其阔值具有相反的温度特性，可 得到低温漂的基准电压值；
[0016] 3.本发明由于未用到高阻值电阻及运算放大器，版图面积很小，有利于实现电路 的高集成度。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明所述低功耗基准电压源的一种【具体实施方式】电路原理图。
【具体实施方式】
[0018] 如图1所示，本发明所述低功耗基准电压源包括；增强型NM0S管N1、增强型PM0S 管P1~P7,耗尽型NM0S管D1~D2W及补偿电容C1，第一PM0S管P1、第二PM0S管P2、第 五PM0S管P5、第^;：PM0S管P7的源端接电源VDD，P1的栅端和漏端短接并连接P2、P7的栅 端和第SPM0S管P3的源端，P2的漏端接第四PM0S管P4的源端，P3的栅端和漏端短接并 连接P4和P6的栅端和N1的漏端，第一增强型NM0S管N1的源端接地，P4的漏端接第一耗 尽型NM0S管D1的漏端和P5的栅端，第一耗尽型NM0S管D1和第二耗尽型NM0S管D2的栅 端和源端短接并连接到地端GND，P5漏端接第六PM0S管P6的源端，P6的漏端接N1的栅端 和D2、补偿电容C1正端和输出端VREF，C1的负端接GND。
[0019] 所述第走PM0S管的源极和栅极分别连接电源端和地，启动电阻连接在第走PM0S 管的漏极和地之间，所述第走PM0S管的漏极连接第一增强型NM0S管的栅极
[0020] 本电路可W分为两部分；第一部分是由P1~P6W及N1、D1、D2和C1组成的基准 电压源主电路；第二部分是由P7和启动电阻R组成的启动电路。本发明的工作原理是：
[0021] 第一部分电路：实现了在输出端V服F得到基准电压源的输出，由=级放大器组 成：第一级由P1、P3和N1组成的NM0S共源极放大器；第二级由P2、P4和D1组成的PM0S 共源共栅放大器；第=级由P5、P6和D2组成的PM0S共源共栅放大器。第=极的输出VREF 信号又连接到第一级的输入，形成了一个负反馈环路，可W增强输出基准电压VREF的稳定 性。每一级采用了双PM0S管的共源共栅结构，提高了环路电压放大倍数和电源抑制比。电 容C1的作用是提高环路的稳定性。VREF的电压计算过程为：
[0022] 由图1可知，输出端VREF的电压等于N1管的栅源电压，即
[0023] VREF=Vgsnl(式 3)
[0024] 由于P1和P2组成了电流源电路，因此第一级放大器和第二级放大器的电流相同， 即
[002引Ini=Idi(式 4)
[002引 由于N1和D1都工作在饱和区，因此
[0027]
(式W
[0028]
(式 6)
[0029] 其中，u表示载流子迁移率，Cox表示栅氧化层电容，将式5、式6代入式4得到
[0030]
(式 7)
[0031] 将式7代入式3得到
[0032]
(式 8)
[003引从式8中可W看出，输出基准电压VREF只与N1和D1的阔值电压及宽长比（W/L) 有关，与电源电压无关。要使VREF不随温度改变，式8对温度求导的结果应为0,可得
[0034]
(式 9)
[0035] 由于CMOS工艺所限定，式9中的耗尽管D1的阔值电压IVthdll是正温度系数值， 增强型管N1的阔值电压Vthnl是负温度系数值，因此IVthd I |ZCT是正常数、vthnIZCT 是负常数，由式9可得，
[0036]
(式 10)
[0037] 因此，只要D1和N1的（W/L)比值满足式10要求，就可W使VREF的电压值不随温 度变化，实现精确的基准电压输出。
[003引 由于本基准电压源产生电路是一个自偏置的电压源，它有两个工作平衡点，一个 是零点，另一个是非零点，即电路环路可W稳定在零电压值或者一个非零的电压值。为了使 电路正常工作时工作平衡点是非零点，必须加启动电路为电路注入电流，因此就需要本电 路中的第二部分电路，即启动电路。
[0039] 启动电路的工作原理是：当VDD上电后，P7的栅极接地导通，通过启动电阻R为N1 栅极充电，当N1栅极电压上升到NM0S管的开启电压时，N1导通，电路开始正常工作。
[0040] 整个电流的功耗由S级放大器和启动电路的工作电流组成。而每级的工作电流由 栅源短接的耗尽管决定，其中第一级和第二级放大器工作电流由D1的宽长比决定，第=级 放大器工作电流由D2的宽长比决定，启动电路的工作电流由启动电阻R3的阻值决定。只 要选择小的宽长比，就可W得到极小的工作电流。本设计把每一级的电流限制在0.luA，因 此电路的整体功耗小于0. 5uA。
[0041] 上述实施例仅说明本发明的技术构思和特点，其目的是在于让熟悉此项技术的人 ±能够了解本发明的内容并据W实施，并不能W此限制本发明的保护范围。凡根据本发明 精神实质所做的等效变化或修饰，如把=级放大器变为两级、或者把共源共栅放大器变为 普通的共源放大器，都应涵盖在本发明的保护范畴之内。
[0042] 综上所述，本发明低功耗基准电压源电路，输出端VREF的电压与电源电压V孤无 关，利用增强型管与耗尽型管的阔值具有相反的温度特性，使VREF的电压不随温度而变 化，利用栅源短接的耗尽型NMOS管的导通电阻极大的特点，使电路具有极低的静态功耗。 整个电路面积很小，有利于电路的高度集成。
【主权项】
1. 低功耗基准电压源，包括：由增强型MOS管与耗尽型NMOS管组成的三级放大器电路 以及启动电路；所述三级放大器电路包括：第一级放大器电路、第二级放大器电路和第三 级放大器电路； 所述第一级放大器是第一增强型NMOS共源极放大器电路，栅漏短接的第一 PMOS管和 第三PMOS管串联并作为放大器负载，第一 PMOS漏极做为输出端；第一增强型NMOS管连接 第三PMOS管漏极，所述启动电路用于开启第一增强型NMOS管； 所述第二级放大器电路是由第二PMOS管和第四PMOS管组成的共源共栅放大器电路， 第二PMOS管的栅极做输入并接第一级放大器的输出，栅源短接的第一耗尽型NMOS管作为 放大器负载，第四PMOS漏极为输出端； 所述第三级放大器电路是由第五PMOS管和第六PMOS管组成的共源共栅放大器电路， 第五PMOS管栅极做输入并接第二级放大器的输出端，栅源短接的第二耗尽型NMOS管作为 放大器负载，第二耗尽型NMOS漏极为电路输出端，并且接到第一级放大器的输入端。2. 如权利要求1所述低功耗基准电压源，其特征在于，所述启动电路由第七PMOS管和 启动电阻组成，所述第七PMOS管的源极和栅极分别连接电源端和地，启动电阻连接在第七 PMOS管的漏极和地之间，所述第七PMOS管的漏极连接第一增强型NMOS管的栅极。3. 如权利要求1所述低功耗基准电压源，其特征在于：所述第一耗尽型NMOS管与第一 增强型NMOS管的宽长比滿足式1的要求，式1中，为第一耗尽型NMOS管的宽长比，为第一增强型NMOS管的宽长比，Vthdl是耗 尽型NMOS管的阈值电压，Vthnl是增强型NMOS管的阈值电压，T表示温度。4. 如权利要求1所述低功耗基准电压源，其特征在于，所述第二耗尽型NMOS漏极还连 接有到地的补偿电容。
【专利摘要】本发明属于集成电路技术领域，涉及一种低功耗基准电压源，包括由增强型MOS管与耗尽型NMOS管组成的三级放大器电路以及启动电路；所述三级放大器电路包括：第一级放大器电路、第二级放大器电路和第三级放大器电路。其特点是：输出端VREF的电压与电源电压VDD无关，不随VDD的变化而改变；利用增强型管与耗尽型管的阈值具有相反的温度特性，使VREF的电压不随温度而变化；利用栅源短接的耗尽型NMOS管的导通电阻极大的特点，使电路的工作电流非常小，具有极低的静态功耗。由此本发明采用耗尽型MOS管和强型管MOS管组合的方式，产生了不随电源电压和温度变化的高精度低功耗的基准电压源电路。
【IPC分类】G05F1/56
【公开号】CN104881071
【申请号】CN201510183931
【发明人】陈雪松, 易坤, 高继, 赵方麟
【申请人】成都岷创科技有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月20日