低功耗电压源电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种低功耗电压源电路，其包括第一支路与第二支路，第一支路产生一偏置电压输入至第二支路；第一支路由i个二极管连接的场效应管串联组成；第二支路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管及第五场效应管，且第二场效应管与第三场效应管串联连接，第四场效应管与第五场效应管串联连接；第一场效应管的栅极与第j个场效应管的漏极连接，第一场效应管的源极与第二场效应管连接，第一场效应管的漏极与第五场效应管连接，第二场效应管与第三场效应管的连接点输出基准电压；i为大于1的正整数，j∈(2，i?1)，且j为正整数。本发明的低功耗电压源电路的各个场效应管均工作在亚阈区，静态电流很低，并能产生与温度无关的基准电压，降低了功耗。
【专利说明】
低功耗电压源电路
技术领域
[0001] 本发明设及集成电路领域，更具体地设及一种低功耗电压源电路。
【背景技术】
[0002] 传统电压源电路一般采用带隙基准来实现，如图1所示为现有技术的电压源电路 的结构图。场效应14、15、16、17，^极管91，^极管组92及电阻31将产生具有正溫度系数的 电流11(溫度升高电流增大），其中，=极管组Q2由n个=极管并联而成；由于=极管组Q2的 S极管的个数为S极管Ql的n倍，则可W得出11 = (VTlnnVRl;其中，VT为热电压值，与溫度 成线性关系。场效应管M8、S极管Q3及电阻R2组成输出级。且电流Il经场效应管M5镜像到场 效应管M8形成电流12,使得11 = 12,电流12流过电阻R2形成正溫度系数电压Vr2= (VTlnn) X (R2/R1)，该电压与负溫度系数电压Vbe3相加即可产生与溫度无关的基准电压VREF，VREF = VBE3+(VTlnn) X (R2/R1);其中，￥8￡3是；极管Q3的基极-发射极电压。
[0003] 如上述，带隙基准电压源电路主要目的是生成与溫度无关的基准电压，运需要电 路中各场效应管均工作在饱和区，且各=极管均工作在线性区。从而导致需要消耗较大的 静态电流W维持运些器件处于正确的工作状态。若要减小电流，可W通过增大电阻来实现， 则会一定程度上增大面积，为了兼顾器件的工作状态，电流降低的幅度也是有限的。而根据 所实现的工艺和电路指标的不同，带隙基准电路一般静态电流为化A至20yA。运对于一些低 功耗应用来说，yA级的功耗仍然过大。
[0004] 因此，有必要提供一种低功耗电压源电路来克服上述缺陷。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种低功耗电压源电路，本发明的低功耗电压源电路的各个 场效应管均工作在亚阔区，静态电流很低，并能产生与溫度无关的基准电压，降低了功耗。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种低功耗电压源电路，其包括第一支路与第二 支路，所述第一支路产生一偏置电压输入至所述第二支路;所述第一支路由i个场效应管串 联组成，且i个所述场效应管的连接方式均为二极管连接的方式，外部电源输入第1个所述 场效应管，第i个所述场效应管接地;所述第二支路包括第一场效应管、第二场效应管、第= 场效应管、第四场效应管及第五场效应管，且所述第二场效应管与第=场效应管串联连接， 所述第四场效应管与第五场效应管串联连接，外部电源输入所述第四场效应管，所述第= 场效应管接地;所述第一场效应管的栅极与第j个所述场效应管的漏极连接，所述第一场效 应管的源极与所述第二场效应管连接，所述第一场效应管的漏极与所述第五场效应管连 接，所述第二场效应管与所述第=场效应管的连接点输出基准电压；i为大于1的正整数，j ￡(2，1-1)，且^'为正整数。
[0007] 较佳地，所述第二场效应管、第=场效应管、第四场效应管及第五场效应管的连接 方式均为二极管连接方式。
[000引较佳地，所述二极管连接的场效应管的连接方式为:所述场效应管的栅极与漏极 共同连接。
[0009] 较佳地，所述第一场效应管、第二场效应管、第=场效应管、第四场效应管、第五场 效应管及所述第一支路中的i个场效应管均为倒比管。
[0010] 较佳地，所述第一场效应管与第=场效应管为N型场效应管，所述第二场效应管为 P型场效应管;所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的源极连接，所述第二场效应 管的漏极与所述第=场效应管的漏极连接并输出基准电压。
[0011] 较佳地，当设定输出的基准电压越大，j的取值越小；当设定输出的基准电压越小， j的取值越大。
[0012] 较佳地，所述第一支路的i个场效应管均为相同型号的场效应管;且，第1个所述场 效应管的源极与外部电源连接、第i个所述场效应管的漏极接地，或，第1个所述场效应管的 漏极与外部电源连接、第i个所述场效应管的源极接地。
[0013] 较佳地，所述第四场效应管与第五场效应管均为相同型号的场效应管;且，所述第 四场效应管的源极与外部电源连接、所述第五场效应管的漏极与所述第一场效应管的漏极 连接，或，所述第四场效应管的漏极与外部电源连接、所述第五场效应管的源极与所述第一 场效应管的漏极连接。
[0014] 与现有技术相比，本发明的低功耗电压源电路可通过调节所述第二支路中的第一 场效应管、第二场效应管及第=场效应管的宽长比可使得所述第一支路的各个场效应管均 工作在亚阔区，同样的，可通过调节所述第一支路的各个场效应管的个数及宽长比而使所 述第二支路的各个场效应管均工作在亚阔区，不仅降低了整个电路的功耗，而且使得输出 的基准电压与溫度无关。
[0015] 通过W下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，运些附图用于解释本发明 的实施例。
【附图说明】
[0016] 图1为现有技术的电压源电路的结构图。
[0017] 图2为本发明低功耗电压源电路一个实施例的结构图。
[0018] 图3为本发明一实施例的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0019] 现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如 上所述，本发明提供了一种低功耗电压源电路，本发明的低功耗电压源电路的各个场效应 管均工作在亚阔区，静态电流很低，并能产生与溫度无关的基准电压，降低了功耗。
[0020] 请参考图2,描述本发明低功耗电压源电路的实施例。图2为本发明低功耗电压源 电路一个实施例的结构图，如图所示，本发明的低功耗电压源电路包括第一支路与第二支 路，所述第一支路产生一偏置电压Vbias输入至所述第二支路;所述第一支路由i个场效应管 (MSUMS2……MSi)串联组成，即相邻两场效应管的源极与漏极连接，且i个所述场效应管 (MSUMS2……MSi)的连接方式均为二极管连接的方式，外部电源VDD输入第1个所述场效应 管MSl，第i个所述场效应管MSi接地;所述第二支路包括第一场效应管Ml、第二场效应管M2、 第S场效应管M3、第四场效应管M4及第五场效应管M5,且所述第二场效应管M2与第S场效 应管M3串联连接，所述第四场效应管M4与第五场效应管M5串联连接，外部电源VDD输入所述 第四场效应管M4，所述第S场效应管M3接地;所述第一场效应管Ml的栅极与第j个所述场效 应管的漏极连接，所述第一场效应管Ml的源极与所述第二场效应管M2连接，所述第一场 效应管Ml的漏极与所述第五场效应管M5连接，所述第二场效应M2管与所述第S场效应管M3 的连接点输出基准电压VREF;其中i为大于1的正整数，j G (2，i-l)，且j为正整数，且i的取 值可根据整个电路对功耗的要求而具体选择，当电路需要功耗越低时，i的取值则越大，反 之亦然。另外，作为本发明的一个优选实施方式，所述第二场效应管M2、第S场效应管M3、第 四场效应管M4及第五场效应管的M5连接方式均为二极管连接方式;具体地，所述二极管连 接的场效应管的连接方式为:所述场效应管的栅极与漏极连接，具体如图2所示，外部电源 VDD输入所述场效应管的栅极与源极还是漏极连接，则依场效应管为P型还是N型而定。如上 所述，可通过调节所述第二支路中的第一场效应管Ml、第二场效应管M2及第S场效应管M3 的宽长比可使得所述第一支路的各个场效应管均工作在亚阔区，同样的，可通过调节所述 第一支路的各个场效应管的个数及宽长比而使所述第二支路的各个场效应管均工作在亚 阔区，不仅降低了整个电路的功耗，而且使得输出的基准电压VREF与溫度无关。
[0021] 具体地，作为本发明的优选实施方式，所述第一场效应管Ml与第S场效应管M3为N 型场效应管，所述第二场效应管M2为P型场效应管;所述第一场效应管Ml的源极与所述第二 场效应管M2的源极连接，所述第二场效应管M2的漏极与所述第S场效应管M3的漏极连接并 输出基准电压VREF;其中，所述基准电压VREF的大小可通过调节j的取值来控制，具体地，当 设定输出的基准电压VR邸值越大，j的取值越小；当设定输出的基准电压VREF越小，j的取值 越大，从而在实际应用中，可根据实际设定的基准电压VREF的大小而灵活选择j的取值。另 夕h本发明的低功耗电压源电路中的各个所述场效应管均为倒比管，也就是，i个场效应管 (MSUMS2……MSi)、所述第一场效应管Ml、第二场效应管M2、第S场效应管M3、第四场效应 管M4及第五场效应管M5均为倒比管，也即是各场效应管的宽长比的比值均很小。
[0022] 在本实施例中，所述第一支路的i个场效应管(MS1、MS2……MSi)均为相同型号的 场效应管;且，第1个所述场效应管MSl的源极与外部电源VDD连接、第i个所述场效应管MSi 的漏极接地，或，第1个所述场效应管MSl的漏极与外部电源VDD连接、第i个所述场效应管 MSi的源极接地。具体地，当所述第一支路的i个场效应管(MSI、MS2……MSi)均为P型管时， 则第1个所述场效应管MSl的源极与外部电源VDD连接、第i个所述场效应管MSi的漏极接地 (如图2所示）；而当所述第一支路的i个场效应管(MSUMS2……MSi)均为N型管时，则第1个 所述场效应管MSl的漏极与外部电源VDD连接、第i个所述场效应管MSi的源极接地（图未 示）。所述第四场效应管M4与第五场效应管M5均为相同型号的场效应管；且，所述第四场效 应管M4的源极与外部电源VDD连接、所述第五场效应管M5的漏极与所述第一场效应管Ml的 漏极连接;或，所述第四场效应管M4的漏极与外部电源VDD连接、所述第五场效管M5的源极 与所述第一场效应管Ml的漏极连接;具体地，当所述第四场效应管M4与第五场效应管M5均 为P型管时，则，所述第四场效应管M4的源极与外部电源VDD连接、所述第五场效应管M5的漏 极与所述第一场效应管Ml的漏极连接（图未示），而当所述第四场效应管M4与第五场效应管 M5均为N型管时，则，所述第四场效应管M4的漏极与外部电源V孤连接、所述第五场效管M5的 源极与所述第一场效应管Ml的漏极连接，如图2所示。
[0023] 如上所述，本发明的低功耗电压源电路的第一支路与第二支路中的各场效应管均 为倒比管，从而通过调节第一支路串联的场效应管的个数及场效应管的宽长比，可W确保 第二支路中的所有场效应管均工作在亚阔区；相应地，调节第二支路中各场效应管的宽长 比W及电压Vbias的大小可W使第一支路的各场效应管均工作在亚阔区，因此，整个电路的 静态电流很低，并能产生与溫度无关的基准电压VREF，降低了功耗。
[0024] 请再结合参考图2,描述本发明低功耗电压源电路的工作原理。
[0025] 如图2所示，设第一场效应管Ml的源极与第二场效应管M2的源极的节点电位为Vx, 流过第一场效应管Ml、第二场效应管M2、第S场效应管M3的电流为IX。设第一场效应管Ml、 W IVi IV。 第二场效应管M2、第S场效应管M3的宽长比分别为阔值电压分别为Vthi、 Vth2、Vth3。令Ki'=mC日Xi(m为第i个所述场效应管MSi的迁移率，Coxi为第i个所述场效应管 MSi的氧化层厚度）。根据亚阔区场效应管电流公式可得：
[0026]
[0027]其中m、n2、n3分别为第一场效应管Ml、第二场效应管M2、第S场效应管M3的亚阔值 斜率修正因子。Vt为热电压，为一常量。
[002引通过上述公式，可W消去Vx,得到Vref的表达式为：
[0030] 上式中，ni、n2、ri3为常数，与溫度相关的参数包括^%1、'\%2、'\%3、￥1'，运些参数的溫 度系数都是线性的。
[0031] 从上式的分子可W看出，通过调整第一场效应管Ml、第二场效应管M2、第S场效应 管M3的宽长比，可W实现VREF溫度系数为零。如图2所示，电压VBIAS是i个二极管连接的场 效应管某一个节点的电位，如图所示为第j个所述场效应管MSj的漏极电压，它的溫度系数 接近零，从而可W输出与溫度无关的基准电压VREF。
[0032] 如图3所示的仿真波形图为采用0.1如m的CMOS工艺实现的图2所示实施例直流仿 真结果。其中，外部电源电压VDD = 3V。在-40°C~125°C范围内，基准电压VREF变化仅为 2.42ppm〇
[0033] W上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于W上掲示的实施 例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
【主权项】
1. 一种低功耗电压源电路，其特征在于，包括第一支路与第二支路，所述第一支路产生 一偏置电压输入至所述第二支路;所述第一支路由i个场效应管串联组成，且i个所述场效 应管的连接方式均为二极管连接的方式，外部电源输入第1个所述场效应管，第i个所述场 效应管接地;所述第二支路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应 管及第五场效应管，且所述第二场效应管与第三场效应管串联连接，所述第四场效应管与 第五场效应管串联连接，外部电源输入所述第四场效应管，所述第三场效应管接地;所述第 一场效应管的栅极与第j个所述场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的源极与所述第 二场效应管连接，所述第一场效应管的漏极与所述第五场效应管连接，所述第二场效应管 与所述第三场效应管的连接点输出基准电压；i为大于1的正整数，」^(2，1-1)，且」为正整 数。2. 如权利要求1所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第二场效应管、第三场效 应管、第四场效应管及第五场效应管的连接方式均为二极管连接方式。3. 如权利要求2所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述二极管连接的场效应管的 连接方式为:所述场效应管的栅极与漏极共同连接。4. 如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第一场效应管、第二场效 应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管及所述第一支路中的i个场效应管均为 倒比管。5. 如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第一场效应管与第三场效 应管为N型场效应管，所述第二场效应管为P型场效应管;所述第一场效应管的源极与所述 第二场效应管的源极连接，所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的漏极连接并输 出基准电压。6. 如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，当设定输出的基准电压越大，j 的取值越小；当设定输出的基准电压越小，j的取值越大。7. 如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第一支路的i个场效应管 均为相同型号的场效应管;且，第1个所述场效应管的源极与外部电源连接、第i个所述场效 应管的漏极接地，或，第1个所述场效应管的漏极与外部电源连接、第i个所述场效应管的源 极接地。8. 如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第四场效应管与第五场效 应管均为相同型号的场效应管;且，所述第四场效应管的源极与外部电源连接、所述第五场 效应管的漏极与所述第一场效应管的漏极连接，或，所述第四场效应管的漏极与外部电源 连接、所述第五场效应管的源极与所述第一场效应管的漏极连接。
【文档编号】G05F3/26GK106020330SQ201610584914
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】蔡化
【申请人】四川和芯微电子股份有限公司