一种低温漂的全MOSFET基准电压源的制作方法

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及模拟集成电路技术领域中的一种低温漂的全金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)基准电压源。本发明可以作为模拟电路和数模混合电路的重要部分，可用于为振荡器、LDO等模块提供稳定可靠的基准电压。

背景技术：

集成电路工艺飞速发展，在集成电路设计中，基准电压源是一个关键模块，并被广泛应用于模拟电路、数字电路以及模数混合电路中。传统基准电压源通常采用“带隙”技术，结构上离不开大面积的电阻、运放及双极型晶体管，而且电路结构复杂，功耗和温漂都较高，占用芯片面积较大。为了满足基准电压源的高稳定性要求，基准电压源必须具有低温度系数。

电子科技大学拥有的专利技术“一种基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路”(专利号ZL 201110440384.5，授权公告号CN 102495661 B)中公开了一种基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路。该专利技术主要包括：负温度系数电流源电路的启动电路，用于启动与温度成负比例关系的电流源电路；与温度成负比例关系的电流源电路，用于产生与温度成负比例关系的电流；基准电压输出电路，用于输出带有零温度特性的基准电压；与温度成正比例关系的电流源电路，用于产生与温度成正比例关系的电流；偏置电路，用于为电流镜电路的共源共栅管提供偏置电压；正温度系数电流源电路的启动电路，用于启动与温度成正比例关系的电流源电路。该方法实现了对基准电压进行二阶补偿，但是，该专利技术仍然存在的不足之处是，每一路与温度成比例关系的电流源电路都需要额外的启动电路，使得电路结构过于复杂。

池上升，胡炜，许育森在其发表的论文“一种全MOS低功耗基准电压源的设计”(《电子技术应用》，2014年，第40卷，第5期)中公开了一种全MOS低功耗基准电压源。该基准电压源主要包括：ΔV_th产生电路，利用两个不同阈值电压的NMOSFET产生具有负温度特性的电压；V_T产生电路，用于产生一路带有正温度特性的电压；ΔV_th与V_T补偿电路，将具有负温度特性的电压ΔV_th与具有正温度特性的电压V_T进行补偿，得到具有零温度特性的基准电压。该方法虽然利用两个MOSFET阈值电压差与热电压V_T相互补偿得到了具有零温度特性的基准电压，但是，该基准电压源仍然存在的不足之处在于，一是将MOSFET器件偏置在亚阈值区域会使电路的响应速度变慢，从而降低电路的工作频率，增大基准电压的温度系数，使得当温度发生变化时基准电压的变化比较明显；二是缺少零极点补偿电路，使得基准电压的稳定性降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种低温漂的全MOSFET基准电压源。

本发明的具体思路是，采用全MOS结构，利用带有正温度特性的电压与核心电路产生的电压相互补偿，产生零温度特性的基准电压。利用耗尽型NMOS管启动正温度系数电压产生电路，无需额外的启动电路，降低电路结构复杂性，使基准电压在很宽的温度范围内保持较低的温度系数。利用零极点补偿电路对输出的基准电压进行零极点补偿，提高基准电压的稳定性，满足基准电压源性能指标的要求。

为实现上述目的，本发明包括正温度系数电压产生电路、核心电路、零极点补偿电路，正温度系数电压产生电路包括两个P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管PMOSFET、两个增强型N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOSFET、两个耗尽型N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOSFET，正温度系数电压产生电路的输出端与核心电路的输入端连接。核心电路包括两个P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管PMOSFET、两个增强型N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOSFET，核心电路的输入端与正温度系数电压产生电路的输出端连接，核心电路的输出端与零极点补偿电路的输入端连接。零极点补偿电路包括一个增强型N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOSFET、两个电容、三个电阻，零极点补偿电路的输入端与核心电路的输出端连接，零极点补偿电路的输出端经电阻连接至核心电路，为核心电路提供偏置电压。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

第1，本发明利用正温度系数电压产生电路，产生一路带有正温度系数的电压，利用耗尽型NMOS管启动正温度系数电压产生电路，无需额外的启动电路，克服了现有技术中每一路与温度成比例关系的电流源电路都需要额外的启动电路造成的电路结构复杂的缺点，极大地简化了电路结构。

第2，本发明利用核心电路补偿正温度系数电压产生电路，电路中MOSFET器件工作在饱和区或线性区，克服了现有技术中将MOSFET器件偏置在亚阈值区域会使电路的响应速度变慢，从而降低电路的工作频率，增大基准电压的温度系数的缺点，使得电路的工作频率得到提高，且当温度发生变化时基准电压的变化很小。

第3，本发明利用零极点补偿电路对输出的基准电压进行零极点补偿，克服了现有技术中缺少零极点补偿电路的缺点，使得本发明的输出保持稳定。

附图说明

图1为本发明的电原理图；

图2为本发明的温度特性仿真图；

图3为本发明的瞬态仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明的具体电路作进一步的描述。

由本发明的电原理图图1中的虚线将本发明的电原理图分为正温度系数电压产生电路、核心电路、零极点补偿电路三部分。

本发明的电原理图图1中的虚线部分所描述的正温度系数电压产生电路，包括两个P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管PMOSFET 8与9、两个增强型N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOSFET 2与7、两个耗尽型N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOSFET 3与5，正温度系数电压产生电路的输出端与核心电路的输入端连接。

正温度系数电压产生电路中的第一个NMOS管5的源极分别与其栅极、公共地端GND连接。第一个NMOS管5的漏极分别与第二个NMOS管7的源极、第一个PMOS管8的栅极、第二个PMOS管9的栅极、核心电路中第一个PMOS管10的栅极、核心电路中第二个PMOS管11的栅极连接。第二个NMOS管7的漏极与电源电压VDD连接，第二个NMOS管7的栅极分别与第三个NMOS管2的漏极、第二个PMOS管9的漏极连接。第三个NMOS管2的源极与第四个NMOS管3的漏极连接，第三个NMOS管2的栅极分别与核心电路中第一个NMOS管1的栅极、核心电路中第二个NMOS管4的栅极连接。第四个NMOS管3的栅极分别与其源极、公共地端GND连接。第一个PMOS管8的源极与电源电压VDD连接，第一个PMOS管8的漏极与第二个PMOS管9的源极连接。

本发明的电原理图图1中的虚线部分所描述的核心电路，包括两个P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管PMOSFET 10与11、两个增强型N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOSFET 1与4，核心电路的输入端与正温度系数电压产生电路的输出端连接，核心电路的输出端与零极点补偿电路的输入端连接。

核心电路中的第一个PMOS管10的源极与电源电压VDD连接，第一个PMOS管10的栅极分别与第二个PMOS管11的栅极、正温度系数电压产生电路中第一个PMOS管8的栅极、正温度系数电压产生电路中第二个PMOS管9的栅极、正温度系数电压产生电路中第二个NMOS管7的源极、正温度系数电压产生电路中第一个NMOS管5的漏极连接，第一个PMOS管10的漏极与第二个PMOS管11的源极连接。第二个PMOS管11的漏极分别与第一个NMOS管1的漏极、零极点补偿电路中NMOS管6的栅极连接。第一个NMOS管1的源极与第二个NMOS管4的漏极连接，第一个NMOS管1的栅极分别与第二个NMOS管4的栅极、正温度系数电压产生电路中第三个NMOS管2的栅极、零极点补偿电路中电阻R₂、零极点补偿电路中电阻R3连接。第二个NMOS管4的源极与公共地端GND连接。

本发明的电原理图图1中的虚线部分所描述的零极点补偿电路，包括一个增强型N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管NMOSFET 6、两个电容C₁与C₂、三个电阻R₁、R₂与R₃，零极点补偿电路的输入端与核心电路的输出端连接，零极点补偿电路的输出端经电阻R₂连接至核心电路，为核心电路提供偏置电压。

零极点补偿电路中的NMOS管6的栅极分别与电阻R₁、核心电路中第二个PMOS管11的漏极、核心电路中第一个NMOS管1的漏极连接，NMOS管6的漏极与电源电压VDD连接，NMOS管6的源极分别与电容C₂、电阻R₂连接。电阻R₁与电容C₁串联，分别与NMOS管6的栅极、公共地端GND连接。电阻R₂与电阻R₃串联，再与电容C₂并联，分别与NMOS管6的源极、公共地端GND连接。

下面结合仿真图对本发明的效果作进一步的描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验是基于MaxChip_0.18μm CMOS工艺，应用Cadence软件的HspiceD仿真工具。仿真时分别进行温度特性仿真及瞬态仿真。温度特性仿真时，电源电压设定为5V，仿真温度为-40℃～125℃；瞬态仿真时，仿真时间设置为1ms，仿真温度设置为常温(25℃)，电源电压上升至5V。

2.仿真内容：

在LINUX操作系统下，基于MaxChip_0.18μm CMOS工艺，应用Cadence软件的HspiceD仿真工具对该基准电压源分别进行温度特性仿真及瞬态仿真。温度特性仿真时，电源电压设置为5V，仿真温度范围从-40℃～125℃，合理设置器件参数，使基准电压在该温度范围内满足零温度特性的要求；瞬态仿真时，仿真时间设置为1ms，仿真温度设置为常温(25℃)，电源电压上升至5V，合理设置器件参数，使基准电压在该过程中能有快速的响应。合理设置零极点补偿电路各器件的参数，使基准电压始终保持稳定。

3.仿真结果分析：

本发明的仿真图图2为温度特性仿真图。图2中的横坐标轴代表温度，纵坐标轴代表电压。由本发明的仿真图图2可见，点M0的横坐标为-82.85℃，表示当温度在-40℃～125℃范围内变化时基准电压的最大值与最小值两点处温度的差值为82.85℃，点M0的纵坐标为999.5μV，表示当温度在-40℃～125℃范围内变化时基准电压的最大值与最小值两点处电压的差值为999.5μV。点M2的横坐标为25℃，纵坐标为1.313V，表示当温度为25℃时，基准电压的大小为1.313V。经计算，基准电压的温度系数为4.6ppm/℃，满足基准电压零温度特性的要求。

本发明的仿真图图3为瞬态仿真的仿真图。图3中的横坐标轴代表时间，纵坐标轴代表电压。由本发明的仿真图图3可见，点M0的横坐标为17.69μs，纵坐标为1.313V，表示在17.69μs时，基准电压的大小为1.313V。本发明的仿真图图3表明，在电源电压上升至5V的过程中，基准电压具有快速响应，迅速上升至1.313V，且始终保持稳定，满足基准电压快速响应的要求及稳定性要求。经计算，在电源电压为5V时，该基准电压的功耗为15.7μW，满足基准电压低功耗的要求。

上述仿真结果表明，本发明克服了现有技术中电路结构复杂、温度系数较高、电路响应速度慢等缺点，在很宽的温度范围内，基准电压的变化小、响应快、稳定性高、功耗低，满足基准电压源性能指标的要求。