一种低功耗cmos基准源电路的制作方法
【专利摘要】一种低功耗CMOS基准源电路，属于模拟电路技术领域。包括第一耗尽型MOS管M1A、第二耗尽型MOS管M1B、第一增强型MOS管M2A、第二增强型MOS管、第一电阻R3、第一电容C1、第二电容C2和由第三增强型MOS管M3、第一负载电阻R1与第二负载电阻R2构成作为基准电压输出级的源极跟随器；M1A源极接M1B漏极，M2A源极接M2B漏极，M2B源极接地；M1B源极接M2A漏极，其连接点接M1A、M1B和M3的栅极，同时通过R3和C1的串联结构与地相连；M3源极通过R1和R2的串联结构后接地，M2A和M2B的栅极互连后连接R1和R2的串联点；M3源极输出基准电压VREF，C2并联在基准电压输出端和地之间；M1A和M3的漏极接VDD。本发明不需要二极管或BJT晶体管，具有电路结构简单、基准电压与温度无关和低功耗的特点。
【专利说明】
-种低功耗CMOS基准源电路
技术领域
[0001] 本发明属于模拟电路技术领域，具体设及一种低功耗CMOS基准源电路。
【背景技术】
[0002] 在模拟集成电路或混合信号集成电路设计领域，基准电压源是非常重要且常用的 模块，常应用在ADC转换器、DC-DC转换器W及功率放大器等电路系统中，它的作用是为系统 提供一个不随溫度及供电电压变化的电压基准。
[0003] 自带隙基准电压源架构由Widlar提出W来，W其优越的性能，被广泛应用于各种 集成电路系统之中。之后，出现了很多针对该种架构的改进方案。但随着忍片系统集成度的 进一步增加，低电压与低功耗变得越来越重要。因为带隙基准电压源需要使用二极管或者 S极管来产生PTAT电压，运需要消耗很大的忍片。同时二极管或者S极管的使用，会限制整 个基准电路的供电电压的最小值，而且消耗大量的电流。运使得该种带隙基准源架构在忍 片面积和功耗上都处于劣势。
[0004] 为解决该问题，出现了很多CMOS基准源电路。大部分的CMOS基准源是利用工作在 亚阔区的MOS管的漏极电流和栅-源电压的关系来产生类似于S极管结构的PTAT电流。但运 需要复杂的电路和很大尺寸来保证MOS管工作在亚阔区。并且该架构没有完全消除电路中 的非线性参数，造成输出基准电压的溫度系数较大。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种用于不需要二极管或者BJT晶体 管，无复杂的电路结构，基准电压与溫度无关，利用工作在饱和区的MOS晶体管漏极电流和 栅-源电压的关系实现的低功耗CMOS基准源电路。
[0006] 本发明的技术方案：
[0007] -种低功耗CMOS基准源电路，包括:第一耗尽型NMOS管Mia、第二耗尽型NMOS管Mib、 第一增强型醒OS管M2A、第二增强型醒OS管M2B、第一电阻R3、第一电容Cl、第二电容C2和由第 S增强型醒OS管M3、第一负载电阻Ri和第二负载电阻R2构成作为基准电压输出级的源极跟 随器；
[000引第一耗尽型醒OS管MiA与第二耗尽型NMOS管MiB串联，第一增强型醒OS管M2A与第二 增强型NMOS管M2B串联，第一耗尽型NMOS管MiA的源极接第二耗尽型NMOS管MiB的漏极，第一增 强型NMOS管M2A的源极接第二增强型NMOS管M2B的漏极，第二增强型NMOS管M2B的源极接地;第 二耗尽型醒OS管MiB的源极接第一增强型醒OS管M2A的漏极，其连接点接第一耗尽型醒OS管 化A的栅极、第二耗尽型NMOS管MiB的栅极和第立增强型NMOS管M3的栅极，同时通过第一电阻 R3和第一电容Cl的串联结构与地GND相连;第S增强型醒OS管M3的源极通过第一负载电阻Ri 和第二负载电阻化的串联结构后接地，第一增强型NMOS管啦A和第二增强型NMOS管M2B的栅极 互连后连接第一负载电阻Ri和第二负载电阻R2的串联点；第S增强型醒OS管M3的源极作为 基准电压输出端输出基准电压Vref,第二电容C2接在基准电压输出端和地之间；第一耗尽型 NMOS管MiA和第S增强型NMOS管M3的漏极接电源电压VDD。
[0009] 本发明的有益效果:本发明中提出的一种低功耗CMOS基准源电路不需要二极管或 者BJT晶体管，无复杂的电路结构，不需要额外的启动电路;利用工作在饱和区的MOS管的漏 极电流和栅-源电压特性实现基准电压源电路，具有低功耗的特点;输出基准电压与溫度无 关;该电路具有很好的电源抑制能力。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明提供的一种低功耗CMOS基准源电路原理图。
[OOW 图2为本发明提供的一种低功耗CMOS基准源实际电路图。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
[0013] 本发明中提出的一种低功耗CMOS基准源电路的原理图如图1所示，包含一个耗尽 型醒OS管Ml和一个增强型醒OS管M2,其中耗尽型NMOS管Ml的栅极和源极短接，增强型醒OS 管M2的栅极与漏极短接。两个MOS管均工作在饱和区，那么流过耗尽型NMOS管Ml和增强型 NMOS管M2的电流Idi和Id2分别为：
[0014] Idi = kni (Vgsi-Vthi) ^
[0015] lD2 = kn2(Vgs2-Vth2)2
[0016] 其中 y为MOS管的迁移率，Cox为单位面积的栅氧层电容，W/L为MOS ! 管的宽长之比，耗尽型NMOS管Ml的栅源电压Vgsi = O,所W增强型NMOS管M2的栅源电压Vgs2可 W表示为：
[0017：
[0018；
[0019] MO椎的阔值电压Vth(T)可W表示成溫度的线性函数：
[0020] Vth(T)=Vth(To)-Qvx(T-To)
[0021] 其中Vth(To)是在溫度T = To时的阔值电压的数值，avT是阔值电压的一阶溫度系数。 可W看出阔值电压呈现出一阶负溫特性。
[00剖那么增强型醒OS管M2的栅-源电压Vgs泡含负溫电压Vth沸正溫电压-Vthi。通过调 整耗尽型NMOS管m和增强型NMOS管M2的尺寸比例，使得正溫电压和负溫电压相抵消，Vgs2的 电压值与溫度无关。Vgs2的电压值与系数k相乘得到的值为最终的基准电压Vref,最终的基准 电压值与溫度无关。
[0023]本发明提出的一种低功耗CMOS基准源电路的具体电路图如图2所示，包括:第一耗 尽型NMOS管Mia、第二耗尽型NMOS管MiB、第一增强型NMOS管M2A、第二增强型NMOS管M2B、第一电 阻R3、第一电容Cl、第二电容C2和由第S增强型NMOS管M3、第一负载电阻Ri和第二负载电阻R2 构成作为基准电压输出级的源极跟随器；
[0024] 第一耗尽型醒OS管MiA与第二耗尽型NMOS管MiB串联，第一增强型醒OS管M2A与第二 增强型NMOS管M2B串联，第一耗尽型NMOS管MiA的源极接第二耗尽型NMOS管MiB的漏极，第一增 强型NMOS管M2A的源极接第二增强型NMOS管M2B的漏极，第二增强型NMOS管M2B的源极接地;第 二耗尽型醒OS管MiB的源极接第一增强型醒OS管M2A的漏极，其连接点接第一耗尽型醒OS管 化A的栅极、第二耗尽型NMOS管MiB的栅极和第立增强型NMOS管M3的栅极，同时通过第一电阻 R3和第一电容Cl的串联结构与地GND相连;第S增强型醒OS管M3的源极通过第一负载电阻Ri 和第二负载电阻化的串联结构后接地，第一增强型NMOS管啦A和第二增强型NMOS管M2B的栅极 互连后连接第一负载电阻Ri和第二负载电阻R2的串联点；第S增强型醒OS管M3的源极作为 基准电压输出端输出基准电压Vref,第二电容C2接在基准电压输出端和地之间；第一耗尽型 NMOS管MiA和第S增强型NMOS管M3的漏极接电源电压VDD。
[00巧]第一耗尽型醒OS管MiA与第二耗尽型NMOS管MiB串联，第一增强型醒OS管M2A与第二 增强型NMOS管M2B串联，第一耗尽型NMOS管MiA和第一增强型醒OS管M2A工作在饱和区，第二耗 尽型NMOS管MiB和第二增强型醒OS管M2B工作在线性区。该种串联电路可W等效为一个工作 在饱和区的MOS管，同时等效出来的MOS管拥有更长的沟道长度L。减小Mia、Mib、M2A和M2B的宽 长比可W降低该条支路的静态电流。
[0026] 第S增强型NMOS管M3与其第一负载电阻Ri和第二负载电阻R2构成源极跟随器，作 为基准电压的输出级，为输出提供电流驱动能力；同时也提供一条反馈路径，该反馈路径用 于稳定基准电压。调节第一负载电阻Ri和第二负载电阻R2的比例关系可W控制最终基准输 出电压的绝对值。该电路最终输出基准电压为：
[0027]
[002引 A V th2 /y巧一巧邸尘1、MU。.巨.M2A/pW巧^增强型匪0 S管M2 B的等效MO S管的阔值电 压，呈负溫特性;-V化功第一耗尽型醒OS管MiA与第二耗尽型醒OS管MiB的等效MOS管的阔值 电压的绝对值，呈正溫特性。（W/L)ni为第一耗尽型醒OS管MiA和第二耗尽型醒OSMiB的等效 MOS管的宽长之比，（W/L)n2为第一增强型醒OS管M2A和第二增强型醒OS管M2B的等效MOS管的 宽长之比，通过调整(W/L)ni和(W/L)n2的比例系数，使得最终输出基准电压Vref与溫度无关。
[0029] 该电压基准的主极点位于输出点，由第二电容C2和该节点的等效阻抗决定。电路 中加入第一电阻R3和第一电容Cl用于产生一对零点和极点，稳定反馈环路。
[0030] 该电路结构简单，不需要额外的启动电路。供电电源VDD上电后，电路内部节点的 电压可W自行建立完成，该结构只有两条电流支路，V孤只需要提供很小的电流即可保证所 有MOS管处在正常的工作状态下。
[0031] 该电路可W在很低的电流和电压条件下工作，实现低功耗应用。
[0032] 该电路结构拥有很好的电源抑制能力。低频噪声通过第S增强型NMOS管M3的漏极 传递到输出，第立增强型醒OS管M3输出电阻。3与第一负载电阻Ri和第二负载电阻R2的分压 关系决定了噪声的放大系数，由于rD>>Ri+R2，VDD的噪声经过很大的衰减系数后才能传递 到输出；另一条噪声通路是由第一耗尽型NMOS管化A的漏极传递到第=增强型NMOS管M3的栅 极，最后传到输出点，第S增强型NMOS管M3的栅极到源极的噪声放大系数约等于1，那么从 VDD到第S增强型NMOS管M3的栅极的增益就决定了噪声的放大系数，该放大系数由MiA和MiB 的等效输出电阻r〇i与M2A和M2b的等效输出电阻:r〇2的分压关系决定，同时roi和:r〇2近似相等， 可知该条噪声通路的衰减系数较小。因此该条支路决定了整个电压基准的电源抑制能力。
[0033]本领域的普通技术人员将会意识到，运里所述的实施例是为了帮助读者理解本发 明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于运样的特别陈述和实施例。本领域的 普通技术人员可W根据本发明公开的运些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各 种具体变形和组合，运些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种低功耗CMOS基准源电路，包括：第一耗尽型NMOS管（M1A)、第二耗尽型匪OS管 (M1B)、第一增强型NM0S管(M2A)、第二增强型NM0S管(M2B)、第一电阻(R 3)、第一电容(C〇、第二 电容(C2)和由第三增强型NM0S管(M3)、第一负载电阻(R〇和第二负载电阻(R 2)构成的作为 基准电压输出级的源极跟随器； 第一耗尽型匪0S管(Mu)与第二耗尽型匪0S管(M1B)串联，第一增强型匪0S管(M2a)与第 二增强型匪0S管(M2B)串联，第一耗尽型匪0S管(Mu)的源极接第二耗尽型匪0S管(M1B)的漏 极，第一增强型匪0S管(M 2A)的源极接第二增强型匪0S管(M2B)的漏极，第二增强型匪0S管 (M2B)的源极接地;第二耗尽型NM0S管(M 1B)的源极接第一增强型NM0S管(M2A)的漏极，其连接 点接第一耗尽型匪0S管(Mu)的栅极、第二耗尽型匪0S管(M 1B)的栅极和第三增强型匪0S管 (M3)的栅极，同时通过第一电阻(R3)和第一电容(&)的串联结构与地(GND)相连;第三增强 型NM0S管(M 3)的源极通过第一负载电阻(?)和第二负载电阻(R2)的串联结构后接地，第一 增强型NM0S管(M 2A)和第二增强型NM0S管(M2B)的栅极互连后连接第一负载电阻(?)和第二 负载电阻(R 2)的串联点；第三增强型NM0S管(M3)的源极作为基准电压输出端输出基准电压 (V REF)，第二电容(C2)接在基准电压输出端和地之间；第一耗尽型NM0S管(M1A)和第三增强型 NM0S管(M3)的漏极接电源电压(VDD)。
【文档编号】G05F1/567GK106020323SQ201610676513
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月17日
【发明人】明鑫, 马亚东, 徐俊, 汪饶, 王卓, 张波
【申请人】电子科技大学