CN104156026A - 一种无电阻全温补偿非带隙基准源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟集成电路技术领域。本发明的非带隙基准源，包括正温度系数电流源模块、负温度系数电流源模块、基准电压产生模块、高温补偿电流产生模块和低温补偿电流产生模块；其中，正温度系数电流源模块产生第一偏置电压接基准电压产生模块的一个输入端；正温度系数电流源模块产生第二偏置电压分别接高温补偿电流产生模块的第一输入端和低温补偿电流产生模块的第一输入端；负温度系数电流源模块产生第三偏置电压分别接高温补偿电流产生模块的第二输入端和低温补偿电流产生模块的第二输入端；高温补偿电流产生模块的输出端和低温补偿电流产生模块的输出端接基准电压产生模块的输出端。本发明能够分别对基准源电路在低温段及高温段进行补偿。

Description

一种无电阻全温补偿非带隙基准源

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体的说是涉及一种无电阻全温补偿非带隙基准源。

背景技术

在模拟集成电路或混合信号集成电路设计领域，基准电压源是非常重要且常用的模块，常应用在ADC转换器、DC-DC换器、以及功率放大器等电路系统中，它的作用是为系统提供一个不随温度及供电电压变化的电压基准。

自带隙基准电压源架构由Widlar提出以来，由于其优越的性能，带隙基准电压源被广泛应用于很多系统之中，且针对该种架构提出了很多改进方案。但随着芯片系统集成度的进一步增加，低电压与低功耗变得越来越重要，但带隙基准电压源由于通常需要较大的电流而造成功耗较大，并且在设计过程中需要使用二极管或者BJT晶体管来产生PTAT(与绝对温度成正比)电压，但该两种器件均会占用较大的芯片面积。尽管针对该问题提出过亚阈值区基准电压源，但并没有完全消除电路中的非线性参数，造成输出基准电压的温度系数较大。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述传统基准源存在的问题，提出一种分别对基准源电路在低温段及高温段提出补偿的无电阻全温补偿非带隙基准源。

本发明的技术方案是，一种无电阻全温补偿非带隙基准源，包括正温度系数电流源模块、负温度系数电流源模块、基准电压产生模块、高温补偿电流产生模块和低温补偿电流产生模块；其中，正温度系数电流源模块产生第一偏置电压接基准电压产生模块的一个输入端；正温度系数电流源模块产生第二偏置电压分别接高温补偿电流产生模块的第一输入端和低温补偿电流产生模块的第一输入端；负温度系数电流源模块产生第三偏置电压分别接高温补偿电流产生模块的第二输入端和低温补偿电流产生模块的第二输入端；高温补偿电流产生模块的输出端和低温补偿电流产生模块的输出端接基准电压产生模块的输出端；

所述正温度系数电流源模块由PMOS管MP1、MP2、MP3，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4构成；其中，MP1的源极接电源VDD，其栅极接MP2的栅极，其漏极接MN1的漏极；MN1的栅极和漏极互连，其栅极接MN2的栅极，其源极接地；MP2的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN2的漏极；MN2的源极接MN3的漏极；MN3的栅极接MN4的栅极，其源极接地；MP3的源极接电源VDD，其栅极接MP2漏极与MN2漏极的连接点，其漏极接MN4的漏极；MN4的源极接地；MP1栅极、MP2栅漏极、MN2漏极和MP3栅极连接作为正温度系数电流源模块的第一输出端输出第一偏置电压；MN3栅极、MN4栅极和MP3漏极连接作为正温度系数电流源模块的第二输出端输出第二偏置电压；

所述负温度系数电流源模块由PMOS管MP5、MP6，NMOS管MN6、MN7、MN8，DTMOST构成；其中，MP5的源极接电源VDD，其栅极接MP6的栅极，其漏极接MN6的漏极；MN6的漏极与栅极互连，其栅极接MN7的栅极，其源极接DTMOST的源极；DTMOST的栅极、漏极和衬底均接地；MP6的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN7的漏极；MN7的源极接MN8的漏极；MN8的源极接地，其栅极接基准电压产生模块的输出端；MP5栅极、MP6栅漏极、MN7漏极连接作为负温度系数电流源模块的输出端输出第三偏置电压；

所述基准电压产生模块由PMOS管MP4，NMOS管MN5构成；其中，MP4的源极接电源，其栅极接正温度系数电流源模块的第一输出端，其漏极接MN5的漏极；MN5的栅极和漏极互连，其源极接地；MP4漏极、MN5栅漏极连接作为基准电压产生模块的输出端输出基准电压；

所述高温补偿电流产生模块由PMOS管MP7、MP8、MP9，NMOS管MN9、MN10、MN11构成；其中，MP7的源极接电源VDD，其栅极接负温度系数电流源模块的输出端，其漏极接MN9的漏极；MN9的栅极接正温度系数电流源模块的第二输出端，其源极接地；MP8的源极接电源VDD，其栅极接MP9的栅极，其漏极与栅极互连，其漏极接MP7漏极和MN9漏极的连接点；MP9的源极接电源，其漏极接MN10的漏极；MN10的漏极与栅极互连，其栅极接MN11的栅极，其源极接地；MN11的漏极接基准电压产生模块的输出端，其源极接地；

所述低温补偿电流产生模块由PMOS管MP10，NMOS管MN12、MN13、MN14构成，其中，MP10的源极接电源VDD，其栅极接负温度系数电流源模块的输出端，其漏极接MN12的漏极；MN12的栅极接正温度系数电流源模块的第二输出端，其源极接地；MN13的漏极和栅极互连，其栅极接MN14的栅极，其源极接地；MN14的源极接地，其漏极接基准电压产生模块的输出端。

本发明的有益效果为，能够分别对基准源电路在低温段及高温段进行补偿，实现在全温度范围内对基准源输出进行补偿，获得低温度系数的基准源信号；同时不再使用BJT晶体管或者二极管，版图面积大大降低；提供可低压应用的基于动态阈值MOS管的负温电流源，且本基准结构中大部分MOS管工作于亚阈值区，使得基准源的整体功耗大大减小。

附图说明

图1为本发明的基准源的结构示意图；

图2为本发明的基准电压产生模块示意图；

图3为本发明的高温补偿电流产生示意图；

图4为本发明的低温补偿电流产生示意图；

图5为本发明的全温补偿后的基准源示意图；

图6为本发明的正温度系数电流源模块示意图；

图7为本发明的负温度系数电流源模块示意图；

图8为本发明的高温补偿电流产生模块示意图；

图9为本发明的低温补偿电流产生模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述

本发明提出一种无电阻全温补偿非带隙基准源，如图1所示，包括正温度系数电流源模块、负温度系数电流源模块、基准电压产生模块、高温补偿电流产生模块以及低温补偿电流产生模块；其中，正温度系数电流源模块产生的第一偏置电压连接到基准电压产生模块的一个输入端；正温度系数电流源模块产生的第二偏置电压分别连接到高低温补偿电流产生模块的一个输入端；负温度系数电流源模块产生的第三偏置电压分别连接到高低温补偿电流产生模块的另一个输入端；高低温补偿电流的输出端连接到基准电压产生模块的输出端。

如图6所示，正温度系数电流源模块由PMOS管MP1、MP2、MP3，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4构成；其中，MP1的源极接电源VDD，其栅极接MP2的栅极，其漏极接MN1的漏极；MN1的栅极和漏极互连，其栅极接MN2的栅极，其源极接地；MP2的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN2的漏极；MN2的源极接MN3的漏极；MN3的栅极接MN4的栅极，其源极接地；MP3的源极接电源VDD，其栅极接MP2漏极与MN2漏极的连接点，其漏极接MN4的漏极；MN4的源极接地；MP1栅极、MP2栅漏极、MN2漏极和MP3栅极连接作为正温度系数电流源模块的第一输出端输出第一偏置电压；MN3栅极、MN4栅极和MP3漏极连接作为正温度系数电流源模块的第二输出端输出第二偏置电压；

如图7所示，负温度系数电流源模块由PMOS管MP5、MP6，NMOS管MN6、MN7、MN8，DTMOST构成；其中，MP5的源极接电源VDD，其栅极接MP6的栅极，其漏极接MN6的漏极；MN6的漏极与栅极互连，其栅极接MN7的栅极，其源极接DTMOST的源极；DTMOST的栅极、漏极和衬底均接地；MP6的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN7的漏极；MN7的源极接MN8的漏极；MN8的源极接地，其栅极接基准电压产生模块的输出端；MP5栅极、MP6栅漏极、MN7漏极连接作为负温度系数电流源模块的输出端输出第三偏置电压；

如图2所示，基准电压产生模块由PMOS管MP4，NMOS管MN5构成；其中，MP4的源极接电源，其栅极接正温度系数电流源模块的第一输出端，其漏极接MN5的漏极；MN5的栅极和漏极互连，其源极接地；MP4漏极、MN5栅漏极连接作为基准电压产生模块的输出端输出基准电压；

如图8所示，高温补偿电流产生模块由PMOS管MP7、MP8、MP9，NMOS管MN9、MN10、MN11构成；其中，MP7的源极接电源VDD，其栅极接负温度系数电流源模块的输出端，其漏极接MN9的漏极；MN9的栅极接正温度系数电流源模块的第二输出端，其源极接地；MP8的源极接电源VDD，其栅极接MP9的栅极，其漏极与栅极互连，其漏极接MP7漏极和MN9漏极的连接点；MP9的源极接电源，其漏极接MN10的漏极；MN10的漏极与栅极互连，其栅极接MN11的栅极，其源极接地；MN11的漏极接基准电压产生模块的输出端，其源极接地；

如图9所示，低温补偿电流产生模块由PMOS管MP10，NMOS管MN12、MN13、MN14构成，其中，MP10的源极接电源VDD，其栅极接负温度系数电流源模块的输出端，其漏极接MN12的漏极；MN12的栅极接正温度系数电流源模块的第二输出端，其源极接地；MN13的漏极和栅极互连，其栅极接MN14的栅极，其源极接地；MN14的源极接地，其漏极接基准电压产生模块的输出端。

本发明的工作原理为：

基准电压产生模块由工作在饱和区的MN5的栅源电压作为基准源(VREF＝V_GSMN5)。由饱和区MOS的电压电流特性知

$I_{\mathrm{MN}5}=I_D=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{S}_{\mathrm{MN}5}{(V_{\mathrm{GS}\left(\mathrm{MN}5\right)}-V_{\mathrm{TH}})}^{^2}$

可得输出基准电压源为

$\mathrm{VREF}=V_{\mathrm{GS}\left(\mathrm{MN}5\right)}=\sqrt{\frac{2I_D}{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{S}_{\mathrm{MN}5}}}+V_{\mathrm{TH}}$

其中μ为沟道载流子迁移率；C_OX为单位面积的栅氧化层电容；S_n＝(W/L)_n为MOS宽长比，下标n为所指代MOS管的标号；V_GS(p)为MOS管的栅源电压差，下标p为所指代MOS管；V_TH为NMOS管的阈值电压。MP4的栅极由正温度系数电流源模块产生的第一偏置电压偏置，产生正温电流I_D，假设I_D为与温度成正比关系，如下式：

I_D(T)＝I_D0·[1+b_ID·(T-T₀)]

其中，T₀为参考温度，b_ID为I_D的温度系数，T为任一温度，I_D0为T₀温度时的电流值。

由于V_TH＝V_TH0-a_VT(T-T₀)。u_o为T₀温度时的电子迁移率；m(m典型值为1.5)为载流子迁移率的温度幂次数；V_TH0为T₀温度时的阈值电压；a_VT为V_TH的温度系数。要获得不随温度变化的基准，可令：ΔV_GSMN5＝V_GS(T₀+ΔT)-V_GS(T₀)＝0，将I_D，μ，V_TH的表达式代入上式，并通过在T₀处做泰勒级数展开一阶等效处理，可得到下式

$\sqrt{\frac{I_{D0}}{2{\mathrm{\μ}}_0{C}_{\mathrm{OX}}{S}_{\mathrm{MN}5}}}(b_{\mathrm{ID}}+\frac{m}{T_0})=a_{\mathrm{VT}}$

从上式可知，通过控制电流I_D的温度系数、电流值的大小以及MN5管的沟道宽长比，可获得理论上温度系数为零的基准源。由于上式是在T₀温度处的泰勒展开得到的结果，所以只有在T₀温度处能够获得零温度系数，在全温度范围内无法获得零温或者较小的温度系数，基准输出的波形如图5中的实线所示。本文提出了一种全温补偿思想，利用正温度系数电流源模块产生的正温电流I₁，和负温度系数电流源模块产生的负温电流I₂，分别在高、低温度补偿点TH和TL产生非线性补偿电流I_NL，如图3和图4所示。在高、低温补偿点从输出基准电压的MOS管MN5中抽取出非线性补偿电流INL，从而获得全温补偿的基准源，如图5中虚线所示。

正温度系数电流源模块中，MP1、MP2、MN1、MN2、MN3构成自偏置电流源结构，MP1、MP2、MP3、MN1、MN2工作在亚阈值区，MN4工作于饱和区，并为MN3栅极提供偏置，MN3工作于线性区，在自偏置结构中等效为电阻R_L1，由线性区电流电压关系可得

$R_{L1}=\frac{1}{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{S}_{\mathrm{MN}3}(V_{\mathrm{GSMN}3}-V_{\mathrm{TH}})}$

假设自偏置结构产生电流为I₁，MP2和MP1、MP3的镜像比为1:1:1。由于MN4工作在饱和区，由饱和区MOS的电压电流特性知

$V_{\mathrm{GSMN}4}=\sqrt{\frac{{2I}_1}{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{S}_{\mathrm{MN}4}}}+V_{\mathrm{TH}}$

由于V_GSMN4＝V_GSMN3，由以上两式可得

$R_{L1}=\frac{1}{S_{\mathrm{MN}3}\sqrt{\frac{2I_1\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}}{S_{\mathrm{MN}4}}}}$

由于MN1、MN2管工作于亚阈值区，由亚阈值区MOS的电压电流特性可知

$I_{\mathrm{MN}2}=\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{V_T}^2{S}_{\mathrm{MN}2}\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GSMN}2}-V_{\mathrm{TH}}}{n{V}_T}\right)$

$I_{\mathrm{MN}1}=\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{V_T}^2{S}_{\mathrm{MN}1}\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GSMN}1}-V_{\mathrm{TH}}}{n{V}_T}\right)$

其中，k是波尔兹曼常数，q是单位电荷的电量；n为亚阈值斜率，是与温度无关的常系数。本发明中I_MN2＝I_MN1，由以上两式可得MN3的漏源电压为

$V_{\mathrm{DS}3}=V_{\mathrm{GSMN}1}-V_{\mathrm{GSMN}2}=n{V}_T\ln \left(\frac{S_{\mathrm{MN}2}}{S_{\mathrm{MN}1}}\right)$

从而可以得到

$I_1=\frac{V_{\mathrm{DS}3}}{R_{L1}}=K_1{V_T}^2\mathrm{\μ}$

其中，由上式可知，I₁∝T^0.5，I₁为一正温电流。

负温度系数电流源模块中，MP5、MP6、MN6、MN7、MN8、DTMOST构成自偏置电流源结构，其中MP5、MP6、MN6、MN7工作于亚阈值区；MN8工作于线性区，MN8栅极由基准源VREF偏置，在自偏置结构中等效为电阻R_L2，由线性区电流电压关系可得

$R_{L2}=\frac{1}{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{S}_{\mathrm{MN}8}(\mathrm{VREF}-V_{\mathrm{TH}})}$

将VREF代入上式有

$R_{L2}=\sqrt{\frac{S_{\mathrm{MN}5}}{2I_1\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}{S}_{\mathrm{MN}8}^2}}$

由于I₁∝T^0.5，所以R_L2∝T^0.5，即：R_L2与温度成正比。

假设自偏置结构产生电流为I₂，MP5和MP6的镜像比为1:1，MN6与MN7的宽长比相等，所以MN8的漏源电压V_DSMN8差等于DTMOST源端与漏端的电压差V_BEDTMOST。电流I₂为DTMOST的源端与漏端的电压差V_BEDTMOST特性与二极管特性类似，但具有更小的导通电压及温度特性，因此V_BEDTMOST可以近似等效为一个一阶负温度项。所以电流I₂为一负温电流。

高温补偿电流产生模块中，MP7镜像负温电流I₂，输出电流I_b；MN9镜像正温电流I₁，输出电流I_a。通过控制电流I_b与I_a的相对大小，可以调整高温补偿点的温度值TH；通过MN11与MN10的镜像比，可以调整补偿电流I_NL的大小，如图2所示，从而对基准源进行高温补偿。

低温补偿电流产生模块中，MP10镜像负温电流I₂，输出电流I_d；MN12镜像正温电流I₁，输出电流I_c。通过控制电流I_d与I_c的相对大小，可以调整低温补偿点的温度值TL；通过MN13与MN14的镜像比，可以调整补偿电流I_NL的大小，如图4和图5所示，从而对基准源进行低温补偿。

Claims (1)

1.一种无电阻全温补偿非带隙基准源，包括正温度系数电流源模块、负温度系数电流源模块、基准电压产生模块、高温补偿电流产生模块和低温补偿电流产生模块；其中，正温度系数电流源模块产生第一偏置电压接基准电压产生模块的一个输入端；正温度系数电流源模块产生第二偏置电压分别接高温补偿电流产生模块的第一输入端和低温补偿电流产生模块的第一输入端；负温度系数电流源模块产生第三偏置电压分别接高温补偿电流产生模块的第二输入端和低温补偿电流产生模块的第二输入端；高温补偿电流产生模块的输出端和低温补偿电流产生模块的输出端接基准电压产生模块的输出端；

所述正温度系数电流源模块由PMOS管MP1、MP2、MP3，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4构成；其中，MP1的源极接电源VDD，其栅极接MP2的栅极，其漏极接MN1的漏极；MN1的栅极和漏极互连，其栅极接MN2的栅极，其源极接地；MP2的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN2的漏极；MN2的源极接MN3的漏极；MN3的栅极接MN4的栅极，其源极接地；MP3的源极接电源VDD，其栅极接MP2漏极与MN2漏极的连接点，其漏极接MN4的漏极；MN4的源极接地；MP1栅极、MP2栅漏极、MN2漏极和MP3栅极连接作为正温度系数电流源模块的第一输出端输出第一偏置电压；MN3栅极、MN4栅极和MP3漏极连接作为正温度系数电流源模块的第二输出端输出第二偏置电压；

所述负温度系数电流源模块由PMOS管MP5、MP6，NMOS管MN6、MN7、MN8，DTMOST构成；其中，MP5的源极接电源VDD，其栅极接MP6的栅极，其漏极接MN6的漏极；MN6的漏极与栅极互连，其栅极接MN7的栅极，其源极接DTMOST的源极；DTMOST的栅极、漏极和衬底均接地；MP6的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN7的漏极；MN7的源极接MN8的漏极；MN8的源极接地，其栅极接基准电压产生模块的输出端；MP5栅极、MP6栅漏极、MN7漏极连接作为负温度系数电流源模块的输出端输出第三偏置电压；

所述基准电压产生模块由PMOS管MP4，NMOS管MN5构成；其中，MP4的源极接电源，其栅极接正温度系数电流源模块的第一输出端，其漏极接MN5的漏极；MN5的栅极和漏极互连，其源极接地；MP4漏极、MN5栅漏极连接作为基准电压产生模块的输出端输出基准电压；

所述高温补偿电流产生模块由PMOS管MP7、MP8、MP9，NMOS管MN9、MN10、MN11构成；其中，MP7的源极接电源VDD，其栅极接负温度系数电流源模块的输出端，其漏极接MN9的漏极；MN9的栅极接正温度系数电流源模块的第二输出端，其源极接地；MP8的源极接电源VDD，其栅极接MP9的栅极，其漏极与栅极互连，其漏极接MP7漏极和MN9漏极的连接点；MP9的源极接电源，其漏极接MN10的漏极；MN10的漏极与栅极互连，其栅极接MN11的栅极，其源极接地；MN11的漏极接基准电压产生模块的输出端，其源极接地；

所述低温补偿电流产生模块由PMOS管MP10，NMOS管MN12、MN13、MN14构成，其中，MP10的源极接电源VDD，其栅极接负温度系数电流源模块的输出端，其漏极接MN12的漏极；MN12的栅极接正温度系数电流源模块的第二输出端，其源极接地；MN13的漏极和栅极互连，其栅极接MN14的栅极，其源极接地；MN14的源极接地，其漏极接基准电压产生模块的输出端。