专利名称：一种cmos分段高阶温度补偿的亚阈值基准电压源的制作方法
技术领域：
本发明涉及基准电压源，尤其涉及一种CMOS分段高阶温度补偿的亚阈值基准电压源，属于电源技术领域。
背景技术：
随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D，D/A转化器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这就意味着系统对其中的基准电压源模块提出了更高的要求。另外，基准电压源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是 DC/DC转化器中不可缺少的组成部分。基准电压源的稳定性直接决定了电路性能的优劣。 一般常用的基准电压源是1971年Widlar首次提出的采用BJT的带隙基准源，它是利用BJT 的基极-发射极的电压具有负温度系数和不同发射结面积的两个发射结电压之差具有正温度系数，将两者加权相加，得到零温度系数的基准电压。但是，由于BJT管与CMOS工艺的兼容性不好，其发展受到了限制。2001年Filanovsky等指出在低于某一偏置工作点一下， 偏置于固定漏电流的MOSFET的栅源电压与温度的关系是准指数关系，基于这一研究成果， 可以用MOSFET的栅源电压取代BJT的基极-发射极电压来设计基准参考源，实现纯CMOS 器件基准参考源的设计。温漂系数是衡量基准参考源精度和稳定性的重要指标之一。对于一阶温度补偿的纯CMOS带隙基准源，温度系数通常可以达到200ppm/°C。为了进一步降低基准参考源的温度系数就必须进行高阶温度曲率补偿，目前比较常用的CMOS参考源的高阶温度曲率补偿方法主要包括二阶曲率补偿技术、基于集成电阻温度系数的曲率补偿技术、基于栅源电压差加权补偿技术、基于ZTC补偿技术等。
发明内容
本发明提供一种CMOS分段高阶温度补偿的亚阈值基准电压源，它是一种基于亚阈值工作，并利用数字温度检测电路和分段高阶温度补偿电路实现高精度控制的高阶温度补偿基准电压源。采取如下技术方案一种CMOS分段高阶温度补偿的亚阈值基准电压源，其特征在于设有启动电路、 基准核心电路、数字式温度检测电路和分段高阶温度补偿电路，启动电路输出至基准核心电路，利用一阶温度补偿产生基准电压，然后通过数字式温度检测电路使用不同开关阈值的反相器检测电路工作的温度范围，最后利用分段高阶温度补偿电路中MOS管堆叠，在不同温度范围分别进行高阶温度补偿，耦合到最终的输出基准电压中；启动电路包括四个MOS管ΡΜ0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，ΡΜ0、PM5的源极和衬底以及PM4的衬底都连接到VDD，PM4的栅极和PMO的栅极均连接到地，PMO的漏极连接到PM4 的源极，PM4的漏极与PM5的栅极以及NMO的栅极连接在一起，NMO的源极及漏极和衬底都连接到地；基准核心电路包括11 个 MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、匪1、匪2、匪3、匪4及匪5及四个电阻礼、&、民及R4,其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源极和衬底都连接到VDD，PM7的栅极、NM4的漏极和PM8的栅极连接电阻札的一端，PM7的漏极和PM6的栅极接到电阻队的另一端，PMl、PM2、PM3的栅极和匪1的漏极均连接到PMl的漏极，PM6、匪3 的漏极以及匪1的栅极、匪2的栅极连接在一起并与启动电路PM5的漏极连接，PM2的漏极、 匪3及NM4的栅极连接到电阻&的一端，电阻&的另一端连接到电阻R3及R4的一端，R3的另一端连接到匪5的栅极和PM3、PM8的漏极，电阻R4的另一端与匪1、匪3、NM4的源极和衬底、匪2、匪5的源极、漏极和衬底都连接在一起并接地；数字式温度检测电路包括MOS管NM6、14个反相器invl、inv2、inv3、inv4、inv5、 inv6、inv7、inv8、inv9、invlO、invll、invl2、invl3、invl4、2 个两输入与非门 nandl、 nand2、一个四输入与非门nand3及两个电阻，其中，电阻&的一端连接到VDD，电阻& 的另一端连接电阻&的一端，电阻&的另一端连接NM6的漏极并与反相器invl、inv5、inv8 及invll的输入端连接在一起，NM6的源极和衬底连接到地，invl的输出端连接到inv2的输入端，irw2的输出端连接到irw3的输入端，irw3的输出端连接到irw4的输入端，irw4 的输出端连接到与非门nandl的一个输入端及与非门nand3的一个输入端；inv5的输出端连接到inv6的输入端，inv6的输出端连接到irw7的输入端，inv7的输出端连接到反向器 nand2的一个输入端及与非门nand3的第二个输入端；irw8的输出端连接到irw9的输入端，inv9的输出端连接到invlO的输入端，invlO的输出端连接到与非门nandl的另一个输出端，与非门nandl的输出端连接到与非门nand3的第三个输入端；invll的输出端连接到 invl2的输入端，invl2的输出端连接到invl3的输入端，invl3的输出端连接到invl4的输入端，invl4的输出端连接到与非门nand2的另一个输入端，与非门nand2的输出端连接到与非门nand3的第四个输入端，数字式温度检测电路的输入端为NM6的栅极，与基准核心电路NM4的栅极连接；分段高阶温度补偿电路包括14 个MOS 管PM9、PM10、PM11、PM12、PM13、PM14、PM15、 PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、PM22，其中，PM14、PM18、PM20、PM22 的栅极与基准核心电路中PM1、PM2、PM3的栅极连接在一起，PMl5, PM16、PMl7, PM19、PM21的栅极与基准核心电路中 PM7、PM8 的栅极连接在一起，PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、 PM22的源极和衬底以及PM9、PM10、PM11、PM12、PM13的衬底都连接到VDD，PM14、PM15的漏极连接到PM9的源极，PM16的漏极连接到PMlO的源极，PMl7, PM18的漏极连接到PMll的源极，PM19、PM20的漏极连接到PM12的源极，PM21、PM22的漏极连接到PM13的源极，PM9、 PM10、PMlU PMl2, PMl3的栅极分别连接到数字式温度检测电路中反向器inv7、inv4、与非门nand3、nand2、nandl的输出端，PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3的漏极与基准核心电路中 PM3、PM8的漏极连接在一起，为基准电压输出端。本发明的优点及显著效果(1)本发明利用亚阈值NMOS栅源电压Vgs偏置产生的CTAT电流与亚阈PMOS栅源电压差产生的PTAT补偿电流叠加得到电流模基准电压，并将该电压通过分段高阶温度补偿电路耦合到最终的输出基准电压之中，从而得到高阶温度补偿的基准电压；(2)本发明使用不同开关阈值的反相器检测电路工作的温度范围，然后利用MOS 管堆叠在不同温度范围分别进行高阶温度补偿，可以达到非常低的温度系数。(3)本发明的基准核心电路中使用了负反馈的方法提高了整体电路的电源电压抑制比。(4)本发明采用工作于亚阈值的峰值电流镜，使电路可以在低电源电压下工作，而且具有高的电源电压抑制比和温度稳定性。
图1是本发明的电原理图；图2是本发明中数字式温度检测电路的原理图；图3是本发明中分段高阶温度补偿电路的原理图；图4是没有使用分段高阶温度补偿电路的亚阈值基准输出电压随温度变化的仿真结果图；图5是三段高阶温度补偿的亚阈值基准输出电压随温度的变化的仿真结果图；图6是五段高阶温度补偿的亚阈值基准输出电压随温度的变化的仿真结果图。
具体实施例方式下面结合附图对发明进行详细说明本发明的原理图如图1所示，包括启动电路、基准核心电路、数字式温度检测电路和分段高阶温度补偿电路。启动电路包括四个MOS管ΡΜ0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，PMO、PM5的源极和衬底以及PM4的衬底都连接到VDD，PM4的栅极和PMO的栅极均连接到地，PMO的漏极连接到PM4 的源极，PM4的漏极与PM5的栅极以及NMO的栅极连接在一起，NMO的源极及漏极和衬底都连接到地。启动电路的工作原理为总体电路刚上电启动时，PMO、PM4、PM5导通，PM5漏极电压上升，使匪1导通，基准核心电路正常工作，NMO栅极电压逐渐上升，最终PM5截止，启动过程完成。基准核心电路包括11 个 MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、匪1、匪2、匪3、匪4 及匪5及四个电阻礼、&、民及R4,其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源极和衬底都连接到VDD，PM7的栅极、NM4的漏极和PM8的栅极连接电阻札的一端，PM7的漏极和PM6的栅极接到电阻队的另一端，PMl、PM2、PM3的栅极和匪1的漏极均连接到PMl的漏极，PM6、匪3 的漏极以及匪1的栅极、匪2的栅极连接在一起并与启动电路PM5的漏极连接，PM2的漏极、 匪3及NM4的栅极连接到电阻&的一端，电阻&的另一端连接到电阻R3及R4的一端，R3的另一端连接到匪5的栅极和PM3、PM8的漏极，电阻R4的另一端与匪1、匪3、NM4的源极和衬底、匪2、匪5的源极、漏极和衬底都连接在一起并接地。基准核心电路的工作原理为电路启动后，PM1、PM2、PM3、匪1工作在饱和区，PM6、 PM7、PM8、W3、NM4工作在亚阈值区。亚阈值区是指当Vgs ( Vth时，但是有足够大可以使硅表面产生一个耗尽区时的工作区域，此时MOSFET的漏源电流不为零，漏源电流称为“亚阈值电流”。亚阈值电流是MOSFET的源/漏端载流子的“浓度差”产生的扩散电流，与双极型晶体管类似，跟栅源电压呈准指数变化。工作在亚阈值区的M0SFET，其沟道处于弱反型态， 大部分界面态都没有“中和”，与之相关的电容会随沟道的表面势变化，表现出充放电的电容效应，因此推导I-V特性公式很复杂。这里直接引用求解泊松方程的结果得到亚阈值电流的表达式为
权利要求
1. 一种CMOS分段高阶温度补偿的亚阈值基准电压源，其特征在于设有启动电路、基准核心电路、数字式温度检测电路和分段高阶温度补偿电路，启动电路输出至基准核心电路，利用一阶温度补偿产生基准电压，然后通过数字式温度检测电路使用不同开关阈值的反相器检测电路工作的温度范围，最后利用分段高阶温度补偿电路中MOS管堆叠，在不同温度范围分别进行高阶温度补偿，耦合到最终的输出基准电压中；启动电路包括四个MOS管PM0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，PM0、PM5的源极和衬底以及PM4 的衬底都连接到VDD，PM4的栅极和PMO的栅极均连接到地，PMO的漏极连接到PM4的源极， PM4的漏极与PM5的栅极以及NMO的栅极连接在一起，NMO的源极及漏极和衬底都连接到地；基准核心电路包括 11 个 MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、NM1、NM2、NM3、NM4 及匪5及四个电阻礼、R2> R2及民，其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源极和衬底都连接到 VDD, PM7的栅极、NM4的漏极和PM8的栅极连接电阻队的一端，PM7的漏极和PM6的栅极接到电阻队的另一端，PMl、PM2、PM3的栅极和匪1的漏极均连接到PMl的漏极，PM6、匪3的漏极以及匪1的栅极、匪2的栅极连接在一起并与启动电路PM5的漏极连接，PM2的漏极、 匪3及NM4的栅极连接到电阻&的一端，电阻&的另一端连接到电阻R3及R4的一端，R3的另一端连接到匪5的栅极和PM3、PM8的漏极，电阻R4的另一端与匪1、匪3、NM4的源极和衬底、匪2、匪5的源极、漏极和衬底都连接在一起并接地；数字式温度检测电路包括MOS管NM6、14个反相器inv 1、inv2、inv3、inv4、inv5、inv6、 inv7、inv8、inv9、invl0、invll、invl2、invl3、invl4、2 个两输入与非门 nandl、nand2、一个四输入与非门nand3及两个电阻，其中，电阻&的一端连接到VDD，电阻&的另一端连接电阻&的一端，电阻&的另一端连接NM6的漏极并与反相器invl、inv5、inv8及invll 的输入端连接在一起，NM6的源极和衬底连接到地，invl的输出端连接到irw2的输入端， inv2的输出端连接到irw3的输入端，inv3的输出端连接到irw4的输入端，irw4的输出端连接到与非门nandl的一个输入端及与非门nand3的一个输入端；inv5的输出端连接到 inv6的输入端，inv6的输出端连接到inv7的输入端，inv7的输出端连接到反向器nand2 的一个输入端及与非门nand3的第二个输入端；irw8的输出端连接到irw9的输入端，inv9 的输出端连接到invlO的输入端，invlO的输出端连接到与非门nandl的另一个输出端，与非门nandl的输出端连接到与非门nand3的第三个输入端；invll的输出端连接到invl2的输入端，irwl2的输出端连接到irwl3的输入端，irwl3的输出端连接到irwl4的输入端， invl4的输出端连接到与非门nand2的另一个输入端，与非门nand2的输出端连接到与非门 nand3的第四个输入端，数字式温度检测电路的输入端为NM6的栅极，与基准核心电路NM4 的栅极连接；分段高阶温度补偿电路包括14个MOS管PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3, PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、PM22，其中，PM14、PM18、PM20、PM22 的栅极与基准核心电路中PM1、PM2、PM3的栅极连接在一起，PMl5, PM16、PMl7, PM19、PM21的栅极与基准核心电路中 PM7、PM8 的栅极连接在一起，PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、 PM22的源极和衬底以及PM9、PM10、PM11、PM12、PM13的衬底都连接到VDD，PM14、PM15的漏极连接到PM9的源极，PM16的漏极连接到PMlO的源极，PMl7, PM18的漏极连接到PMll的源极，PM19、PM20的漏极连接到PM12的源极，PM21、PM22的漏极连接到PM13的源极，PM9、PM10、PMlU PMl2, PMl3的栅极分别连接到数字式温度检测电路中反向器inv7、inv4、与非门nand3、nand2、nandl的输出端，PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3的漏极与基准核心电路中 PM3、PM8的漏极连接在一起，为基准电压输出端。
全文摘要
本发明公开了一种CMOS分段高阶温度补偿的亚阈值基准电压源，包括启动电路、基准核心电路、数字式温度检测电路和分段高阶温度补偿电路，利用亚阈值NMOS栅源电压VGS偏置产生的CTAT电流与亚阈PMOS栅源电压差产生的PTAT补偿电流叠加得到电流模基准电压，并将该电压通过分段高阶温度补偿电路耦合到最终的输出基准电压之中，从而得到高阶温度补偿的基准电压。本发明具有较低的温度系数和较高的电源电压抑制比，采用SMIC 65nm标准工艺库仿真得到温度系数为5.2ppm/℃。
文档编号G05F1/56GK102411391SQ201110122679
公开日2012年4月11日 申请日期2011年5月11日 优先权日2011年5月11日
发明者孙伟锋, 徐申, 时龙兴, 杨淼, 王益峰, 陆生礼, 高庆 申请人:东南大学