一种无电阻全cmos温度曲率补偿电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及到一种无电阻全CMOS温度曲率补偿电路。本发明所述的无电阻全CMOS温度曲率补偿电路，基于开关控制，对基准源的输出电压在低的温度范围内进行补偿，减小迁移率的非线性温度特性对基准源的影响，从而获得具有较小温度系数的基准电压；由于整体电路为无电阻全CMOS电路，使得芯片面积大大减小。本发明尤其适用于无电阻全CMOS温度曲率补偿电路。
【专利说明】—种无电阻全CMOS温度曲率补偿电路
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路设计领域，具体涉及到一种无电阻全CMOS温度曲率补偿电路。
【背景技术】
[0002]高精度基准源在模数转换器和功率集成电路等应用中扮演了重要角色，其性能直接关系到系统的整体性能。对于DC-DC变换器而言，电压基准源的性能直接关系到变换器输出的精度和稳定性。因此，高性能电压基准源对于高性能变换器的设计而言尤为重要。
[0003]高性能电压基准源需要在不改变制造工艺的情况下，实现对温度和噪声的波动不敏感，此外，极低的静态电流和工作电压也是未来高性能电压基准源电路的设计目标。
[0004]有电阻基准电路中，电阻的应用存在工艺偏差大、耗费芯片面积、噪声耦合大等缺点，使其不适用于低噪声应用电路；同时在一些工艺中无法提供电阻，增加了有电阻基准的局限性。实现无电阻基准电路在宽温度范围内的低温漂，将会成为非常重要的研究方向。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，就是为了减小无电阻基准电路在宽温度范围内的电压漂移，提出了一种无电阻全CMOS温度曲率补偿电路。
[0006]本发明的技术方案:如图1所示，一种无电阻全CMOS温度曲率补偿电路，其特征在于，该补偿电路包括 PMOS 管 M7、M8、M12、M13, NMOS 管 M5、M6、M9、M10、Mil、M14 和电流源I1 ;其中，M5的栅极与漏极互连，其漏极通过电流源I1连至电源电压VIN，其源极接地电位VSS ；M6的栅极接M5的栅极，其漏极接M7的漏极，其源极接地电位VSS ；M7的源极接电源电压VIN，其栅极接M8的栅极;M8的源极接电源电压VIN，其漏极与栅极互连，其漏极接M9的漏极；M9的栅极接外部负温电压，其源极接地电位VSS ；M10的栅极与漏极互连，其漏极接M7漏极与M6漏极的互连点，其源极接地电位VSS ；M11的栅极接MlO的栅极，其漏极接M12的漏极，其源极接M14的漏极;M14的栅极接外部偏置电压，其源极接地电位VSS ；M12的源极接电源电压VIN，其栅极与漏极互连;M13的源极接电源电压VIN，其栅极接M12的栅极，其漏极作为补偿电路的输出端。
[0007]本发明的有益效果为，本发明所述的无电阻全CMOS温度曲率补偿电路，基于开关控制，对基准源的输出电压在低的温度范围内进行补偿，减小迁移率的非线性温度特性对基准源的影响，从而获得具有较小温度系数的基准电压；由于整体电路为无电阻全CMOS电路，使得芯片面积大大减小。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明的无电阻全CMOS温度曲率补偿电路示意图；
[0009]图2为本发明提出的无电阻全CMOS温度曲率补偿电路应用于基准源的架构示意图；
[0010]图3为本发明的一种基准源电路的实例示意图；
[0011]图4为本发明的温度曲率补偿原理示意图；
[0012]图5为本发明的温度曲率补偿后的基准源示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述
[0014]本发明的无电阻全CMOS温度曲率补偿电路的示意图如图1所示，其由4个PMOS管:M7、M8、M12、M13，5个NMOS管:M5、M6、M9、M10、Mll和电流源山、I2组成。具体连接关系为:M5的栅极与漏极互连，其漏极通过电流源I1连至电源电压VIN，其源极接地电位VSS ；M6的栅极接M5的栅极，其漏极接M7的漏极，其源极接地电位VSS ；M7的源极接电源电压VIN，其栅极接M8的栅极;M8的源极接电源电压VIN，其漏极与栅极互连，其漏极接M9的漏极；M9 的栅极接外部负温电压 Vctat (CTAT, Complementary To Absolute Temperature),其源极接地电位VSS ；M10的栅极与漏极互连，其漏极接M7漏极与M6漏极的互连点，其源极接地电位VSS ；M11的栅极接MlO的栅极，其漏极接M12的漏极，其源极接M14的漏极；M14的栅极接外部偏置电压Vb，其源极接地电位VSS ；M12的源极接电源电压VIN，其栅极与漏极互连;M13的源极接电源电压VIN，其栅极接M12的栅极，其漏极作为该电路的输出V。。
[0015]本发明的无电阻全CMOS温度曲率补偿电路应用于基准源的架构示意图如图2所示，包括温度曲率补偿电路、基准源电路；其中，温度曲率补偿电路的第一输入端接外部负温电压Vctat，第二输入端接基准源产生的第二偏置电压Vb，输出端接基准源电路的输入端Vc ;基准源电路的另一输出端输出基准电压Vkef。
[0016]本发明中的一种基准源电路实例采用亚阈区MOS非带隙基准源，其电路结构如图3所示，由PMOS管Ml、M2，NMOS管M3、M4和两个电流源A μ nT2、B μ nT2构成，其中A、B均为正的常数，μ ?是电子迁移率，T是绝对温度。该电路中，Ml和M2工作在饱和区，其余MOS管均工作在亚阈值区。由公式推导，可得基准源的输出电压Vkef为:
[0017]Vref = Vgs4 + Vgs1-V = Vriix + nVr InD + E( I)
[0018]其中，D:, ^ =Vesi 是 MOS 管 Mi 的栅源电压，
K Ctn S4y Cox ?, a + l Iv ]j aS2 y
Vthn是匪OS管的阈值电压，η是亚阈值斜率，Vt是热电压，μ ρ是空穴迁移率，Cox是栅氧化物单位面积电容，Si表示MOS管Mi的宽长比，k是波尔兹曼常数，q是电子电荷，a为M1、M2的电流比例系数。该基准源的输出为一阶基准，其波形图如5中实线所示。
[0019]本发明的无电阻全CMOS温度曲率补偿电路如图1所示，其中M5管和M6管、M7管和M8管、M12管和M13管分别构成电流镜，M5管的漏极电流为A μ nT2，其中A为正的常数。通过镜像，可得Μ6管的漏极电流为:
[0020]16 = h = Α γ- Pj212 )
[0021]由上式可得，I6为正温电流。M9管的栅极受CTAT电压控制，工作在饱和区，其漏极电流如下:
[0022]I9 =^MllCox (Vctat — Vrm fC 3)
[0023]由上式可知，随着温度升高，M9管的漏电流I9减小。
[0024]当温度Τ〈?γ时，通过设定MOS管宽长比的比例系数，使得初始值19>15。设定S5 =S6, S7 = S8，可得，Ι7>Ι6，Μ10的漏极电流较大，使Mll管的栅电压抬高，则Mll管的源极电压抬高，即Μ14的漏源电压Vds Μ14增大，则Μ14所在支路有电流流过，并通过Μ12与Μ13组成的电流镜镜像输出，然后灌入到基准源的\节点，使得构成基准电压的正温电压增大，从而基准输出电压值大于补偿之前的值。随着温度升高，MlO的漏极电流逐渐减小，Mll的栅极电压逐渐下降，Vds Μ14逐渐减小，使得其所在支路电流减小。但由于在TCIYW^s2-Vesi的正温度系数大于Μ4管栅源电压Ves4的负温度系数，基准电压的温度系数为正值，故补偿后的基准输出呈现出随温度升高而增大的趋势，如图5中曲线所示。
[0025]当温度T = IY时，Ves2-Vesi的温度系数等于Ves4的温度系数。随着温度的不断升高，且IYCKT1时，MlO的漏极电流继续减小，Mll的栅极电压继续下降，从而Vds mi4继续下降，导致Μ14上的电流体现出较强的负温特性，且该温度范围内的负温系数大于Τ〈?γ温度范围内的温度系数，通过镜像后，可得Μ13的漏极电流变化趋势如图4所示，使得M2管和Ml管的栅源电压之差Ves2-Vesi的温度系数随温度升高而降低，因此在该温度范围内，基准电压的温度系数为负数，基准电压随温度升高而减小。
[0026]当温度继续升高，I7继续减小，而I6继续增大，在T1温度处，117| = I6, MlO的漏极电流为零，Mll关断，该支路无电流流过，I13的漏极电流减小至零，不再向基准源的Vc节点灌入电流，基准输出恢复到补偿前的值，最终补偿退出。
[0027]本发明的无电阻全CMOS温度曲率补偿电路，对基准源进行低温补偿，实现了优良的温度系数，整个电路为无电阻全CMOS电路，芯片面积大大减小。
【权利要求】
1.一种无电阻全CMOS温度曲率补偿电路，其特征在于，该补偿电路包括PMOS管M7、M8、M12、M13，NMOS管M5、M6、M9、M10、Mil、M14和电流源I1 ;其中，M5的栅极与漏极互连，其漏极通过电流源I1连至电源电压VIN，其源极接地电位VSS ；M6的栅极接M5的栅极，其漏极接M7的漏极，其源极接地电位VSS ；M7的源极接电源电压VIN，其栅极接M8的栅极；M8的源极接电源电压VIN，其漏极与栅极互连，其漏极接M9的漏极;M9的栅极接外部负温电压，其源极接地电位VSS ；M10的栅极与漏极互连，其漏极接M7漏极与M6漏极的互连点，其源极接地电位VSS ；M11的栅极接MlO的栅极，其漏极接M12的漏极，其源极接M14的漏极；M14的栅极接外部偏置电压，其源极接地电位VSS ；M12的源极接电源电压VIN，其栅极与漏极互连;M13的源极接电源电压VIN，其栅极接M12的栅极，其漏极作为补偿电路的输出端。
【文档编号】G05F1/56GK104181969SQ201410426245
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】周泽坤, 王霞, 石跃, 吴刚, 王卓, 张波 申请人:电子科技大学