专利名称：一种无电阻cmos电压基准源的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种电压基准源(Voltage Reference) 的设计。
背景技术：
在模拟、数模混合、甚至纯数字电路都需要高精度的电压基准源，如振荡器、锁相环、数据转换器、闪存控制电路等。电压基准源的稳定性直接决定了电路性能的优劣。描述电压基准源稳定性的指标主要有电源抑制比、温度系数。为了满足电路在恶劣的外界温度环境下正常工作的要求，电压基准必须具有非常小的温度系数，即非常高的温度稳定性。传统带隙基准的工作原理是利用具有正温度系数的热电压VT与具有负温度系数的双极型晶体管基极发射极电压Vbe相互抵消，即Vkef = Vbe+α VT，实现基准电压，其中补偿系数α通过修调电阻得到。但是标准的数字CMOS工艺中，硅化物一般会用来减小硅栅和扩散层的漂移电阻，因此低阻值电阻会占用很大的面积，此外电阻阻值受工艺偏差景i口向很大。文献"Buck A Ε, McDonald C L, Lewis H. et al. A CMOS bandgap reference withoutresistors. IEEE JOURNAL of Solid-State Circuits, 2002. 37(1) :81_83”中的无电阻带隙电压基准源很好的解决了电阻的问题。但是，由于VBE的非线性，只进行一阶补偿，带隙基准电压的温度系数较大，并且输出基准电压的电源抑制比(PSRR，Power Supply RejectionRatio)较差。
实用新型内容本实用新型的目的是为了解决现有的无电阻带隙基准源温度系数较大和电源抑制比较差的问题，提出了一种无电阻CMOS电压基准源。本实用新型的技术方案是一种无电阻CMOS电压基准源，包括启动电路、偏置电路、无电阻PTAT电压产生电路、CTAT电压产生电路和叠加输出电压电路，所述启动电路为电压基准源提供启动偏置电压，所述偏置电路为电压基准源提供电流偏置，所述叠加输出电压电路将无电阻PTAT电压产生电路和CTAT电压产生电路所产生的一阶正温度补偿电压和一阶负温度补偿电压进行按比例求和输出补偿后的零温电压，即得到电压基准源的基准电压。所述无电阻PTAT电压产生电路包括PMOS管Ml、M2、M3、M4、MP5、MP6、MP7、MP8、 1^9、]\^10、]\^11、]\^12、匪05管115、]\16 和 PNP 三极管 Q1、Q2，所述CTAT 电压产生电路包括 PMOS 管 MP1、MP2、MP3、MP4 和匪OS 管 MN1、MN2、MN3、 MR,其中，PMOS管 MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10、MPl 1、MP12 构成 cascode 电流镜， PMOS管MP5、MP7、MP9、MPll的源极与外接电源连接，其栅极共同连至CTAT电压产生电路 PMOS管MPl的栅极，PMOS管MP5、MP7、MP9、MPll的栅极共同连至CTAT电压产生电路PMOS 管MP2的栅极，PMOS管Ml和M2的栅极分别连接到PNP三极管Ql和Q2的发射极及PMOS管MP6和MPlO的漏极，PMOS管M2的漏极连接到NMOS管M5的栅极、漏极和NMOS管M6的栅极，PMOS管M4的栅极和漏极连接到NMOS管M6的漏极作为输出节点Y，PMOS管Ml和M2 的源极接MP8的漏极，PMOS管M3和M4的源极接MP12的漏极，PMOS管Ml的漏极、PMOS管 M3的漏极、NMOS管M5和M6的源极与PNP三极管Ql和Q2的基极和集电极共同接地。其中，PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4构成cascode电流镜结构，MPl和MP3的源极接外电源，匪OS管丽1、丽2、丽3、MR构成cascode电流镜结构，丽2和MR的源极接地，PMOS 管MP2的漏极与匪OS管丽1的栅极和漏极相连，PMOS管MP4的栅极和漏极与匪OS管丽3 的漏极相连，NMOS管丽3的源极与NMOS管MR的漏极相连，作为节点X。本实用新型的有益效果本实用新型通过将无电阻PTATO^roporational To AbsoluteTemperature,正比于绝对温度)电压产生电路禾口 CTAT (Complementary To Absolutekmperature，反比于绝对温度)电压产生电路所产生的一阶正温度补偿电压和一阶负温度补偿电压进行按比例求和输出补偿后的零温电压。由于MOS管的阈值电压Vtn 与温度成一次线性关系，采用Vtn和Vt相互补偿，即Vkef = Vtn+ α Vt，可以得到较低的温度系数。Vtn提取电路提取出Vtn，并且给整个基准电路提供偏置电流，其中电流镜采用cascode 结构，有助于提高电压基准源的PSRR，具有非常好的电源抑制比和非常低的温度系数。
图1为本实用新型的无电阻CMOS电压基准源结构示意图。图2为本实用新型的高性能无电阻CMOS电压基准源电路原理图。图3为本实用新型实施例的电压基准源的输出电压的温度特性曲线图。图4为本实用新型实施例的电压基准源的电压基准源的输出电压的PSRR示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的阐述。本实用新型的无电阻CMOS电压基准源结构示意图如图1所示，包括启动电路、偏置电路、无电阻PTAT电压产生电路、CTAT电压产生电路和叠加输出电压电路。所述启动电路为整个电路提供启动偏置电压，当整个电路稳定工作之后，启动电路停止工作与整个电路相隔离；所述偏置电路为整个电路提供电流偏置，其中电流镜采用cascode结构，有助于提高电压基准的PSRR ；所述无电阻PTAT电压产生电路产生一个一阶正温度补偿电压，其温度特性曲线为一条直线；所述CTAT电压产生电路产生一个一阶负温度补偿电压，其温度特性曲线为一条直线；所述叠加输出电压电路将无电阻PTAT电压产生电路和CTAT电压产生电路所产生的一阶正温度补偿电压和一阶负温度补偿电压进行按比例求和输出补偿后的零温电压，即得到电压基准源的基准电压。具体电路原理图图2所示，无电阻PTAT电压产生电路包括PMOS管M1、M2、M3、M4、 MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10、MP11、MP12、匪OS 管 M5、M6 和 PNP 三极管 Q1、Q2 ； CTAT 电压产生电路包括 PMOS 管 MPl、MP2、MP3、MP4 和匪OS 管丽 1、MN2、MN3、MR。其中，卩] 05管1^5、]\^6、]\^7、]\^8、]\^9、]\^10、]\^11、]\^12构成 cascode 电流镜，PMOS 管MP5、MP7、MP9、MP11的源极与外接电源VDD连接，其栅极共同连至CTAT电压产生电路 PMOS管MPl的栅极，PMOS管MP5、MP7、MP9、MPll的栅极共同连至CTAT电压产生电路PMOS管MP2的栅极，PMOS管Ml和M2的栅极分别连接到PNP三极管Ql和Q2的发射极及PMOS 管MP6和MPlO的漏极，PMOS管M2的漏极连接到NMOS管M5的栅极、漏极和NMOS管M6的栅极，PMOS管M4的栅极和漏极连接到NMOS管M6的漏极作为输出节点Y，PMOS管Ml和M2 的源极接MP8的漏极，PMOS管M3和M4的源极接MP12的漏极，PMOS管Ml的漏极、PMOS管 M3的漏极、NMOS管M5和M6的源极与PNP三极管Ql和Q2的基极和集电极共同接地VSS。其中，PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4构成cascode电流镜结构，MPl和MP3的源极接外电源VDD，匪OS管MN1、MN2、MN3、MR构成cascode电流镜结构，MN2和MR的源极接地VSS, PMOS管MP2的漏极与NMOS管丽1的栅极和漏极相连，PMOS管MP4的栅极和漏极与NMOS管丽3的漏极相连，NMOS管丽3的源极与NMOS管MR的漏极相连，作为节点X。这里，启动电路包括PMOS 管 MSPl、MSP2、MSP3 和匪OS 管 MSm、MSN2，NMOS 管 MSm、 MSN2的源极接地；PMOS管MSPl的源极连接外接电源VDD ；PMOS管MSPl、MSP2、MSP3串接； NMOS管MSm的栅极与PMOS管MSP1、MSP2、MSP3的栅极相连接，同时连接CTAT电压产生电路NMOS管MN2的漏极；NMOS管MSm的漏极与PMOS管MSP3的漏极相连接，同时连接NMOS 管MSN2的栅极；NMOS管MSN2的漏极连接到CTAT电压产生电路中的PMOS管MP2的栅极。启动电路其作用是保证电路在上电时工作在所期望的正常状态。工作过程为当电路工作在“零”状态时，丽1和丽2栅压为低，经过MSP1，MSP2，MSP3和MSm组成的反相器，输出为高，MSN2开启，MPl和MP3的栅压被拉低，管子开启，灌入电流，MP2和MP4开启， MNl和MN2的栅压被抬高。由于MP2和MP4与MP13和MP14组成电流镜结构，MP13和MP14 开启，VBIAS被抬高，MR导通，偏置电流形成，工作点建立完成，电路开始正常工作。此时， 丽1和丽2的栅压为2Ves，经过反相器，输出高，MSN2关断，启动电路不工作。为了减小反相器的翻转点，降低启动电路的静态功耗，增大MOS管的栅长L，反相器中的P管采用MSP1， MSP2 禾口 MSP3 串联。这里，偏置电路包括？]\ )5管1^13、]\^14和匪05管1^1、]\^2、]\ 。PMOS管 MP13 禾口 MP14分别与CTAT电压产生电路中的PMOS管MP3和MP4的栅极和漏极相连接，PMOS管MP13 的源极接外电源VDD，PMOS管MP13的漏极接PMOS管MP14的源极，NMOS管MBl的栅极和漏极相连同时接PMOS管MP14的漏极和NMOS管MR的栅极，NMOS管MB2的栅极和漏极相连同时接NMOS管MBl的源极，NMOS管MR的漏极接X点，NMOS管MB2和MR的源极接地VSS。偏置电路为整个电路提供电流偏置，其中电流镜采用cascode结构，有助于提高电压基准的PSRR。cascode电流镜结构为本领域的公知技术常识，在此不再进行详细描述。无电阻PTAT电压产生电路输出一阶正温度系数的补偿电压。
(I I λ从图2 中可以得到42-^^=42-6=(111=ΓΓ1η(臓)
V β02 1QSl J其中，Ves2、Vgsi分别表示PMOS管Μ2、Ml的栅源电压，Vqi、Vq2分别表示PNP三极管 Q1、Q2的BE结电压，I,、Iqd2分别表示PNP三极管Q1、Q2的集电极电流，IQS1、Iqs2分别表示 PNP三极管Ql、Q2的反向饱和电流，η = A1A2, Al，Α2分别为三极管Ql和Q2的发射极面积，m是流过三极管Q2和Ql的电流之比。同时可以得到[0028]
权利要求1.一种无电阻CMOS电压基准源，包括启动电路和偏置电路，其特征在于，还包括PTAT 电压产生电路、CTAT电压产生电路和叠加输出电压电路，所述启动电路为电压基准源提供启动偏置电压，所述偏置电路为电压基准源提供电流偏置，所述叠加输出电压电路将PTAT 电压产生电路和CTAT电压产生电路所产生的一阶正温度补偿电压和一阶负温度补偿电压进行按比例求和输出补偿后的零温电压。
2.根据权利要求1所述的无电阻CMOS电压基准源，其特征在于，所述PTAT电压产生电路包括卩] 05管机、]\12、]\0、]\14、]\^5、]\036、]\^7、]\^8、]\^9、]\^10、]\^11、]\^12、匪05管115、]\16 和PNP三极管Q1、Q2，所述CTAT电压产生电路包括PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4和四个匪OS管MN1、MN2、MN3、MR,其中，PMOS 管 MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MPlO、MPl 1、MP12 构成 cascode 电流镜，PMOS 管 MP5、MP7、MP9、MP11的源极与外接电源连接，其栅极共同连至CTAT电压产生电路PMOS管 MPl的栅极，四个PMOS管MP5、MP7、MP9、MPll的栅极共同连至CTAT电压产生电路PMOS管 MP2的栅极，PMOS管Ml和M2的栅极分别连接到PNP三极管Ql和Q2的发射极及PMOS管 MP6和MPlO的漏极，PMOS管M2的漏极连接到NMOS管M5的栅极、漏极和NMOS管M6的栅极，PMOS管M4的栅极和漏极连接到NMOS管M6的漏极作为输出节点Y，PMOS管Ml和M2的源极接MP8的漏极，PMOS管M3和M4的源极接MP12的漏极，PMOS管Ml的漏极、PMOS管M3 的漏极、NMOS管M5和M6的源极与PNP三极管Ql和Q2的基极和集电极共同接地；其中，PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4构成cascode电流镜结构，MPl和MP3的源极接外电源，NMOS管MN1、MN2、MN3、MR构成cascode电流镜结构，MN2和MR的源极接地，PMOS管MP2 的漏极与NMOS管丽1的栅极和漏极相连，PMOS管MP4的栅极和漏极与NMOS管丽3的漏极相连，NMOS管丽3的源极与NMOS管MR的漏极相连，作为节点X。
3.根据权利要求2所述的无电阻CMOS电压基准源，其特征在于，所述启动电路包括 PMOS 管 MSPl、MSP2、MSP3 禾口 NMOS 管 MSNl、MSN2, NMOS 管 MSNl、MSN2 的源极接地；PMOS 管 MSPl的源极连接外接电源；PMOS管MSP1、MSP2、MSP3串接；NMOS管MSm的栅极与PMOS管 MSP1、MSP2、MSP3的栅极相连接，同时连接CTAT电压产生电路NMOS管MN2的漏极；NMOS管 MSNl的漏极与PMOS管MSP3的漏极相连接，同时连接NMOS管MSN2的栅极；匪OS管MSN2的漏极连接到CTAT电压产生电路中的PMOS管MP2的栅极。
4.根据权利要求2所述的无电阻CMOS电压基准源，其特征在于，所述偏置电路包括 PMOS 管 MP13、MP14 禾口 NMOS 管 MBl、MB2、MR, PMOS 管 MP13 禾口 MP14 分别与所述的 CTAT 电压产生电路中的PMOS管MP3和MP4的栅极和漏极相连接，PMOS管MP13的源极接外电源， PMOS管MP13的漏极接PMOS管MP14的源极，NMOS管MBl的栅极和漏极相连同时接PMOS管 MP14的漏极和NMOS管MR的栅极，NMOS管MB2的栅极和漏极相连同时接NMOS管MBl的源极，NMOS管MR的漏极接X点，NMOS管MB2和MR的源极接地。
专利摘要本实用新型公开了一种无电阻CMOS电压基准源，具体包括启动电路、偏置电路、无电阻PTAT电压产生电路、CTAT电压产生电路和叠加输出电压电路，本实用新型提供的电压基准源，将无电阻PTAT电压产生电路和CTAT电压产生电路所产生的一阶正温度补偿电压和一阶负温度补偿电压进行按比例求和输出补偿后的零温电压，具有很好的温度稳定性和比较高的电源抑制比，可以应用于各种振荡器、锁相环和数据转换器等各种模拟和数模混合集成电路中。
文档编号G05F3/24GK202041874SQ20112014720
公开日2011年11月16日 申请日期2011年5月11日 优先权日2011年5月11日
发明者周泽坤, 张波, 明鑫, 朱培生, 王慧芳, 石跃 申请人:电子科技大学