CN106020330A - 低功耗电压源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗电压源电路，其包括第一支路与第二支路，第一支路产生一偏置电压输入至第二支路；第一支路由i个二极管连接的场效应管串联组成；第二支路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管及第五场效应管，且第二场效应管与第三场效应管串联连接，第四场效应管与第五场效应管串联连接；第一场效应管的栅极与第j个场效应管的漏极连接，第一场效应管的源极与第二场效应管连接，第一场效应管的漏极与第五场效应管连接，第二场效应管与第三场效应管的连接点输出基准电压；i为大于1的正整数，j∈(2，i‑1)，且j为正整数。本发明的低功耗电压源电路的各个场效应管均工作在亚阈区，静态电流很低，并能产生与温度无关的基准电压，降低了功耗。

Description

低功耗电压源电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种低功耗电压源电路。

背景技术

传统电压源电路一般采用带隙基准来实现，如图1所示为现有技术的电压源电路的结构图。场效应M4、M5、M6、M7，三极管Q1，三极管组Q2及电阻R1将产生具有正温度系数的电流I1(温度升高电流增大)，其中，三极管组Q2由n个三极管并联而成；由于三极管组Q2的三极管的个数为三极管Q1的n倍，则可以得出I1＝(VT㏑n)/R1；其中，VT为热电压值，与温度成线性关系。场效应管M8、三极管Q3及电阻R2组成输出级。且电流I1经场效应管M5镜像到场效应管M8形成电流I2，使得I1＝I2，电流I2流过电阻R2形成正温度系数电压V_R2＝(VT㏑n)×(R2/R1)，该电压与负温度系数电压V_BE3相加即可产生与温度无关的基准电压VREF，VREF＝V_BE3+(VT㏑n)×(R2/R1)；其中，V_BE3是三极管Q3的基极-发射极电压。

如上述，带隙基准电压源电路主要目的是生成与温度无关的基准电压，这需要电路中各场效应管均工作在饱和区，且各三极管均工作在线性区。从而导致需要消耗较大的静态电流以维持这些器件处于正确的工作状态。若要减小电流，可以通过增大电阻来实现，则会一定程度上增大面积，为了兼顾器件的工作状态，电流降低的幅度也是有限的。而根据所实现的工艺和电路指标的不同，带隙基准电路一般静态电流为3μA至20μA。这对于一些低功耗应用来说，μA级的功耗仍然过大。

因此，有必要提供一种低功耗电压源电路来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗电压源电路，本发明的低功耗电压源电路的各个场效应管均工作在亚阈区，静态电流很低，并能产生与温度无关的基准电压，降低了功耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种低功耗电压源电路，其包括第一支路与第二支路，所述第一支路产生一偏置电压输入至所述第二支路；所述第一支路由i个场效应管串联组成，且i个所述场效应管的连接方式均为二极管连接的方式，外部电源输入第1个所述场效应管，第i个所述场效应管接地；所述第二支路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管及第五场效应管，且所述第二场效应管与第三场效应管串联连接，所述第四场效应管与第五场效应管串联连接，外部电源输入所述第四场效应管，所述第三场效应管接地；所述第一场效应管的栅极与第j个所述场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管连接，所述第一场效应管的漏极与所述第五场效应管连接，所述第二场效应管与所述第三场效应管的连接点输出基准电压；i为大于1的正整数，j∈(2，i-1)，且j为正整数。

较佳地，所述第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管及第五场效应管的连接方式均为二极管连接方式。

较佳地，所述二极管连接的场效应管的连接方式为：所述场效应管的栅极与漏极共同连接。

较佳地，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管及所述第一支路中的i个场效应管均为倒比管。

较佳地，所述第一场效应管与第三场效应管为N型场效应管，所述第二场效应管为P型场效应管；所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的源极连接，所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的漏极连接并输出基准电压。

较佳地，当设定输出的基准电压越大，j的取值越小；当设定输出的基准电压越小，j的取值越大。

较佳地，所述第一支路的i个场效应管均为相同型号的场效应管；且，第1个所述场效应管的源极与外部电源连接、第i个所述场效应管的漏极接地，或，第1个所述场效应管的漏极与外部电源连接、第i个所述场效应管的源极接地。

较佳地，所述第四场效应管与第五场效应管均为相同型号的场效应管；且，所述第四场效应管的源极与外部电源连接、所述第五场效应管的漏极与所述第一场效应管的漏极连接，或，所述第四场效应管的漏极与外部电源连接、所述第五场效应管的源极与所述第一场效应管的漏极连接。

与现有技术相比，本发明的低功耗电压源电路可通过调节所述第二支路中的第一场效应管、第二场效应管及第三场效应管的宽长比可使得所述第一支路的各个场效应管均工作在亚阈区，同样的，可通过调节所述第一支路的各个场效应管的个数及宽长比而使所述第二支路的各个场效应管均工作在亚阈区，不仅降低了整个电路的功耗，而且使得输出的基准电压与温度无关。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有技术的电压源电路的结构图。

图2为本发明低功耗电压源电路一个实施例的结构图。

图3为本发明一实施例的仿真波形图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种低功耗电压源电路，本发明的低功耗电压源电路的各个场效应管均工作在亚阈区，静态电流很低，并能产生与温度无关的基准电压，降低了功耗。

请参考图2，描述本发明低功耗电压源电路的实施例。图2为本发明低功耗电压源电路一个实施例的结构图，如图所示，本发明的低功耗电压源电路包括第一支路与第二支路，所述第一支路产生一偏置电压V_BIAS输入至所述第二支路；所述第一支路由i个场效应管(MS1、MS2……MSi)串联组成,即相邻两场效应管的源极与漏极连接，且i个所述场效应管(MS1、MS2……MSi)的连接方式均为二极管连接的方式，外部电源VDD输入第1个所述场效应管MS1，第i个所述场效应管MSi接地；所述第二支路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4及第五场效应管M5，且所述第二场效应管M2与第三场效应管M3串联连接，所述第四场效应管M4与第五场效应管M5串联连接，外部电源VDD输入所述第四场效应管M4，所述第三场效应管M3接地；所述第一场效应管M1的栅极与第j个所述场效应管MSj的漏极连接，所述第一场效应管M1的源极与所述第二场效应管M2连接，所述第一场效应管M1的漏极与所述第五场效应管M5连接，所述第二场效应M2管与所述第三场效应管M3的连接点输出基准电压VREF；其中i为大于1的正整数，j∈(2，i-1)，且j为正整数，且i的取值可根据整个电路对功耗的要求而具体选择，当电路需要功耗越低时，i的取值则越大，反之亦然。另外，作为本发明的一个优选实施方式，所述第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4及第五场效应管的M5连接方式均为二极管连接方式；具体地，所述二极管连接的场效应管的连接方式为：所述场效应管的栅极与漏极连接，具体如图2所示，外部电源VDD输入所述场效应管的栅极与源极还是漏极连接，则依场效应管为P型还是N型而定。如上所述，可通过调节所述第二支路中的第一场效应管M1、第二场效应管M2及第三场效应管M3的宽长比可使得所述第一支路的各个场效应管均工作在亚阈区，同样的，可通过调节所述第一支路的各个场效应管的个数及宽长比而使所述第二支路的各个场效应管均工作在亚阈区，不仅降低了整个电路的功耗，而且使得输出的基准电压VREF与温度无关。

具体地，作为本发明的优选实施方式，所述第一场效应管M1与第三场效应管M3为N型场效应管，所述第二场效应管M2为P型场效应管；所述第一场效应管M1的源极与所述第二场效应管M2的源极连接，所述第二场效应管M2的漏极与所述第三场效应管M3的漏极连接并输出基准电压VREF；其中，所述基准电压VREF的大小可通过调节j的取值来控制，具体地，当设定输出的基准电压VREF值越大，j的取值越小；当设定输出的基准电压VREF越小，j的取值越大，从而在实际应用中，可根据实际设定的基准电压VREF的大小而灵活选择j的取值。另外，本发明的低功耗电压源电路中的各个所述场效应管均为倒比管，也就是，i个场效应管(MS1、MS2……MSi)、所述第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4及第五场效应管M5均为倒比管，也即是各场效应管的宽长比的比值均很小。

在本实施例中，所述第一支路的i个场效应管(MS1、MS2……MSi)均为相同型号的场效应管；且，第1个所述场效应管MS1的源极与外部电源VDD连接、第i个所述场效应管MSi的漏极接地，或，第1个所述场效应管MS1的漏极与外部电源VDD连接、第i个所述场效应管MSi的源极接地。具体地，当所述第一支路的i个场效应管(MS1、MS2……MSi)均为P型管时，则第1个所述场效应管MS1的源极与外部电源VDD连接、第i个所述场效应管MSi的漏极接地(如图2所示)；而当所述第一支路的i个场效应管(MS1、MS2……MSi)均为N型管时，则第1个所述场效应管MS1的漏极与外部电源VDD连接、第i个所述场效应管MSi的源极接地(图未示)。所述第四场效应管M4与第五场效应管M5均为相同型号的场效应管；且，所述第四场效应管M4的源极与外部电源VDD连接、所述第五场效应管M5的漏极与所述第一场效应管M1的漏极连接；或，所述第四场效应管M4的漏极与外部电源VDD连接、所述第五场效管M5的源极与所述第一场效应管M1的漏极连接；具体地，当所述第四场效应管M4与第五场效应管M5均为P型管时，则，所述第四场效应管M4的源极与外部电源VDD连接、所述第五场效应管M5的漏极与所述第一场效应管M1的漏极连接(图未示)，而当所述第四场效应管M4与第五场效应管M5均为N型管时，则，所述第四场效应管M4的漏极与外部电源VDD连接、所述第五场效管M5的源极与所述第一场效应管M1的漏极连接，如图2所示。

如上所述，本发明的低功耗电压源电路的第一支路与第二支路中的各场效应管均为倒比管，从而通过调节第一支路串联的场效应管的个数及场效应管的宽长比，可以确保第二支路中的所有场效应管均工作在亚阈区；相应地，调节第二支路中各场效应管的宽长比以及电压V_BIAS的大小可以使第一支路的各场效应管均工作在亚阈区，因此，整个电路的静态电流很低，并能产生与温度无关的基准电压VREF，降低了功耗。

请再结合参考图2，描述本发明低功耗电压源电路的工作原理。

如图2所示，设第一场效应管M1的源极与第二场效应管M2的源极的节点电位为Vx，流过第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3的电流为Ix。设第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3的宽长比分别为阈值电压分别为V_TH1、V_TH2、V_TH3。令K_i'＝μ_iC_OXi(μ_i为第i个所述场效应管MSi的迁移率，C_OXi为第i个所述场效应管MSi的氧化层厚度)。根据亚阈区场效应管电流公式可得：

$\begin{array}{c}{I}_X=K_1^{\′}\left(\frac{W_1}{L_1}\right)\exp \left(\frac{V_{BIAS}-V_X-V_{TH1}}{n_1{V}_T}\right)\\ =K_2^{\′}\left(\frac{W_2}{L_2}\right)\exp \left(\frac{V_X-V_{REF}-V_{TH2}}{n_2{V}_T}\right)\\ =K_3^{\′}\left(\frac{W_3}{L_3}\right)\exp \left(\frac{V_{REF}-V_{TH3}}{n_3{V}_T}\right)\end{array}$

其中n₁、n₂、n₃分别为第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3的亚阈值斜率修正因子。V_T为热电压，为一常量。

通过上述公式，可以消去V_X，得到V_REF的表达式为：

$V_{REF}=\frac{(\frac{n_1}{n_1+n_2}+1)V_{TH2}+\left(\frac{n_2}{n_3}\right)V_{TH3}-\left(\frac{n_2}{n_1+n_2}\right)(V_{TH1}+V_{BIAS})+\left(\frac{n_1{n}_2}{n_1+n_2}\right)V_{T}ln\frac{K_1^{\′}\left(\frac{W_1}{L_1}\right)}{K_2^{\′}\left(\frac{W_2}{L_2}\right)}+n_2{V}_{T}ln\frac{K_2^{\′}\left(\frac{W_2}{L_2}\right)}{K_3^{\′}\left(\frac{W_3}{L_3}\right)}}{\frac{n_2}{n_3}+\frac{n_1}{n_1+n_2}+1}$

上式中，n₁、n₂、n₃为常数，与温度相关的参数包括V_TH1、V_TH2、V_TH3、V_T，这些参数的温度系数都是线性的。

从上式的分子可以看出，通过调整第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3的宽长比，可以实现VREF温度系数为零。如图2所示，电压VBIAS是i个二极管连接的场效应管某一个节点的电位，如图所示为第j个所述场效应管MSj的漏极电压，它的温度系数接近零，从而可以输出与温度无关的基准电压VREF。

如图3所示的仿真波形图为采用0.18μm的CMOS工艺实现的图2所示实施例直流仿真结果。其中，外部电源电压VDD＝3V。在-40℃～125℃范围内，基准电压VREF变化仅为2.42ppm。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (8)

1.一种低功耗电压源电路，其特征在于，包括第一支路与第二支路，所述第一支路产生一偏置电压输入至所述第二支路；所述第一支路由i个场效应管串联组成，且i个所述场效应管的连接方式均为二极管连接的方式，外部电源输入第1个所述场效应管，第i个所述场效应管接地；所述第二支路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管及第五场效应管，且所述第二场效应管与第三场效应管串联连接，所述第四场效应管与第五场效应管串联连接，外部电源输入所述第四场效应管，所述第三场效应管接地；所述第一场效应管的栅极与第j个所述场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管连接，所述第一场效应管的漏极与所述第五场效应管连接，所述第二场效应管与所述第三场效应管的连接点输出基准电压；i为大于1的正整数，j∈(2，i-1)，且j为正整数。

2.如权利要求1所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管及第五场效应管的连接方式均为二极管连接方式。

3.如权利要求2所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述二极管连接的场效应管的连接方式为：所述场效应管的栅极与漏极共同连接。

4.如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管及所述第一支路中的i个场效应管均为倒比管。

5.如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第一场效应管与第三场效应管为N型场效应管，所述第二场效应管为P型场效应管；所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的源极连接，所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的漏极连接并输出基准电压。

6.如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，当设定输出的基准电压越大，j的取值越小；当设定输出的基准电压越小，j的取值越大。

7.如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第一支路的i个场效应管均为相同型号的场效应管；且，第1个所述场效应管的源极与外部电源连接、第i个所述场效应管的漏极接地，或，第1个所述场效应管的漏极与外部电源连接、第i个所述场效应管的源极接地。

8.如权利要求3所述的低功耗电压源电路，其特征在于，所述第四场效应管与第五场效应管均为相同型号的场效应管；且，所述第四场效应管的源极与外部电源连接、所述第五场效应管的漏极与所述第一场效应管的漏极连接，或，所述第四场效应管的漏极与外部电源连接、所述第五场效应管的源极与所述第一场效应管的漏极连接。