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CN110673687B - 一种基准电压产生装置 - Google Patents

一种基准电压产生装置 Download PDF

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CN110673687B CN201911008380.2A CN201911008380A CN110673687B CN 110673687 B CN110673687 B CN 110673687B CN 201911008380 A CN201911008380 A CN 201911008380A CN 110673687 B CN110673687 B CN 110673687B
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Abstract

本申请公开了一种基准电压产生装置，第一MOS管的源极和第二MOS管的源极分别与电压源电连接，第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极电连接，第二MOS管的栅极并与第二MOS管的漏极连接，组成电流镜结构；第一MOS管的漏极分别与第三MOS管的栅极、漏极以及第四MOS管的栅极电连接；第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极相连，并与第六MOS管的栅极电连接，且第四MOS管的阈值电压大于第三MOS管的阈值电压；第二MOS管的漏极与第五MOS管的栅极、漏极以及第六MOS管的栅极电连接；第六MOS管的漏极和第五MOS管的源极相连，并与输出端口电连接，且第六MOS管的阈值电压大于第五MOS管的阈值电压。通过本申请提供的电路结构，解决了现有的基准电压产生装置结构复杂导致的制作成本高的技术问题。

Description

一种基准电压产生装置
技术领域
本申请涉及电路领域，尤其涉及一种基准电压产生装置。
背景技术
基准电压源是一种在工艺、电源电压、温度变化时能够提供稳定输出电压的电路，是模拟集成电路的重要组成部分，如模数转换器、数模转换器、线性稳压器和开关稳压器均需要精密又稳定的电压基准。随着集成电路规模的不断增大，尤其是系统集成技术(SOC)的发展，它也成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路模块。在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中，基准电压源也可用作系统测量和校准的基准。
如图1所示，现有的基准电压产生装置由启动电路、偏置电流发生器和一个核心输出电压结构组成，该装置总共使用了四种类型的MOS晶体管，器件使用数目较多，导致了制作成本高的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种基准电压产生装置，用于解决现有的基准电压产生装置结构复杂导致的装置制作成本高的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种基准电压产生装置，包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；
所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的源极分别与电压源电连接，所述第一MOS管的栅极和所述第二MOS管的栅极电连接，所述第二MOS管的栅极并与所述第二MOS管的漏极连接，组成电流镜结构；
所述第一MOS管的漏极分别与所述第三MOS管的栅极、漏极以及所述第四MOS管的栅极电连接；
所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极相连，并与所述第六MOS管的栅极电连接，且所述第四MOS管的阈值电压大于所述第三MOS管的阈值电压；
所述第二MOS管的漏极与所述第五MOS管的栅极、漏极以及所述第六MOS管的栅极电连接；
所述第六MOS管的漏极和所述第五MOS管的源极相连，并与输出端口电连接，且所述第六MOS管的阈值电压大于所述第五MOS管的阈值电压。
可选地，所述第一MOS管具体为1.8V的PMOS管。
可选地，所述第二MOS管具体为1.8V的PMOS管。
可选地，所述第三MOS管具体为1.8V的NMOS管。
可选地，所述第四MOS管具体为3.3V的NMOS管。
可选地，所述第五MOS管具体为1.8V的NMOS管。
可选地，所述第六MOS管具体为3.3V的NMOS管。
可选地，所述第一MOS管和所述第二MOS管的宽长比系数相等。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请提供了一种基准电压产生装置，包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；第一MOS管的源极和第二MOS管的源极分别与电压源电连接，第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极电连接，第二MOS管的栅极并与第二MOS管的漏极连接，组成电流镜结构；第一MOS管的漏极分别与第三MOS管的栅极、漏极以及第四MOS管的栅极电连接；第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极相连，并与第六MOS管的栅极电连接，且第四MOS管的阈值电压大于第三MOS管的阈值电压；第二MOS管的漏极与第五MOS管的栅极、漏极以及第六MOS管的栅极电连接；第六MOS管的漏极和第五MOS管的源极相连，并与输出端口电连接，且第六MOS管的阈值电压大于第五MOS管的阈值电压。
通过本申请提供的电路结构，利用不同类型MOS管器件之间的栅源电压之间的关系差值，输出基准电压，省去了偏置电流支路，也减少了器件的使用量，更简化了基准电压产生装置的结构，解决了现有的基准电压产生装置结构复杂导致的装置制作成本高的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有的基准电压产生装置的电路图；
图2为本申请提供的一种基准电压产生装置的电路图；
图3为温度变化对基准电压的影响关系示意图；
图4为电源电压变化对基准电压的影响关系示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种基准电压产生装置，用于解决现有的基准电压产生装置结构复杂导致的装置制作成本高的技术问题。
请参阅图1，现有的基准电压产生装置由启动电路、偏置电流发生器和一个核心输出电压结构组成，它使用了四种类型的MOS晶体管：栅线较粗的晶体管为阈值电压分别为0.86V和-0.77V的3.3VMOS晶体管nMOS和pMOS，其余为阈值电压分别是0.47V和-0.45V的1.8VMOS晶体管nMOS和pMOS。
其工作原理为：启动电路负责在零电压时电路器件的工作，起到保护电路作用，偏置电流发生部分利用四个级联晶体管连接的关系产生一个受温度影响很小的偏置电流，电流再通过电流镜的作用镜像给核心结构所在的支路，通过利用MOS晶体管栅源端的电压关系产生一个受电源电压和温度影响很小的基准电压VREF(在电源电压范围1.5V～3.5V和温度范围-40℃～120℃下工作，产生的基准电压VREF大小约为912mV)。
鉴于，现有的基准电压产生装置产生基准电流需要偏置电流发生电路的参与，器件使用数目较多且还包含有电阻等器件，电路结构较为复杂，从而导致了制作成本偏高的技术问题。
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图2，本申请实施例提供了一种基准电压产生装置，包括：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5和第六MOS管M6；
第一MOS管M1的源极和第二MOS管M2的源极分别与电压源电连接，第一MOS管M1的栅极和第二MOS管M2的栅极电连接，第二MOS管的栅极并与第二MOS管的漏极连接，组成电流镜结构；
第一MOS管M1的漏极分别与第三MOS管M3的栅极、漏极以及第四MOS管M4的栅极电连接；
第三MOS管M3的源极和第四MOS管M4的漏极相连，并与第六MOS管M6的栅极电连接，且第四MOS管M4的阈值电压大于第三MOS管M3的阈值电压；
第二MOS管M2的漏极与第五MOS管M5的栅极、漏极以及第六MOS管M6的栅极电连接；
第六MOS管M6的漏极和第五MOS管M5的源极相连，并与输出端口电连接，且第六MOS管M6的阈值电压大于第五MOS管M5的阈值电压。
通过本实施例提供的电路结构，利用不同类型MOS管器件之间的栅源电压之间的关系差值，输出基准电压，省去了偏置电流支路，也减少了器件的使用量，更简化了基准电压产生装置的结构，解决了现有的基准电压产生装置结构复杂导致的装置制作成本高的技术问题。
更具体地，第一MOS管M1具体为1.8V的PMOS管。
更具体地，第二MOS管M2具体为1.8V的PMOS管。
更具体地，第三MOS管M3具体为1.8V的NMOS管。
更具体地，第四MOS管M4具体为3.3V的NMOS管。
更具体地，第五MOS管M5具体为1.8V的NMOS管。
更具体地，第六MOS管M6具体为3.3V的NMOS管。
更具体地，第一MOS管M1和第二MOS管M2的宽长比系数相等。
需要说明的是，本实施例的各个MOS管的宽长比系数如表1所示：
表1 MOS管宽长比系数对照表
器件名称 M1 M2 M3 M4 M5 M6
W/L，μm/μm 4/2 4/2 8/2 1.1/1.7 1/2.5 1.87/4
本申请提供的一种基于全CMOS管的电压基准产生装置，具体结构如图2所示，与现有的电路结构相比，本实施例的电路结构不需要额外的电阻、三极管等器件，偏置电流由自身产生，不需要设置额外的电流发生支路，且器件均工作于饱和区。本申请可在电源电压450mV～1.5V，温度范围-25℃～125℃下工作，产生247mV左右的基准电压。其中，M1,M2为1.8V的PMOS管，M3,M5为1.8V的NMOS管，M4,M6为3.3V的NMOS管，1.8V与3.3V这两种不同类型的MOS器件的阈值有差值，对输出的电压基准有重要作用，在实际使用时也可以换成其他数值的器件，只需要确保两种不同类型的MOS器件的阈值存在差异即可。
为了更清楚地解释本申请的发明内容，下面提供了本实施例的电路原理，具体如下：
电流大小I的确定
如图MOS晶体管M1、M2为PMOS管且为电流镜，则电流可表示为：
Figure BDA0002243451150000051
由于所有MOS晶体管都工作在饱和区，由饱和萨氏公式：
Figure BDA0002243451150000052
得：
Figure BDA0002243451150000053
如图可知：
VGS4-VGS3＝VGS6 ④
③式代入④式得：
Figure BDA0002243451150000054
化简得：
Figure BDA0002243451150000061
基准电压VREF的确定：
如图所知VREF＝VGS6-VGS5，将③式代入并化简得：
Figure BDA0002243451150000062
需要说明的是，在式①②③④⑤⑥⑦中，
Figure BDA0002243451150000063
为MOS晶体管的宽长比；VGS为MOS晶体管的栅源电压；VTH为MOS晶体管的阈值电压；μ为载流子迁移率；COX为栅氧电容；
以上为本申请实施例的技术方案的详细说明，下面为基于上述实施例的技术方案进行仿真测试得到的结果。
请参阅图3和图4，图3为温度变化对基准电压VREF的影响的测试结果，如图3所示：当温度从-45℃变化到125℃时，VREF电压的变化范围仅为664.7uV，表明基准电压的大小几乎不受温度的影响。
图4为电源电压对基准电压VREF的影响的测试结果，如图4所示，当电源电压为450mV～1.8V时，基准电压VREF受电源电压的影响较小。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基准电压产生装置，其特征在于，包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；
所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的源极分别与电压源电连接，所述第一MOS管的栅极和所述第二MOS管的栅极电连接，所述第二MOS管的栅极并与所述第二MOS管的漏极连接，组成电流镜结构；
所述第一MOS管的漏极分别与所述第三MOS管的栅极、漏极以及所述第四MOS管的栅极电连接；
所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极相连，且第三MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极均与所述第六MOS管的栅极电连接，且所述第四MOS管的阈值电压大于所述第三MOS管的阈值电压；
所述第四MOS管的源极和所述第六MOS管的源极连接；
所述第二MOS管的漏极与所述第五MOS管的栅极、漏极以及所述第六MOS管的栅极电连接；
所述第六MOS管的漏极和所述第五MOS管的源极相连，并与输出端口电连接，且所述第六MOS管的阈值电压大于所述第五MOS管的阈值电压。
2.根据权利要求1所述的一种基准电压产生装置，其特征在于，所述第一MOS管具体为1.8V的PMOS管。
3.根据权利要求1所述的一种基准电压产生装置，其特征在于，所述第二MOS管具体为1.8V的PMOS管。
4.根据权利要求1所述的一种基准电压产生装置，其特征在于，所述第三MOS管具体为1.8V的NMOS管。
5.根据权利要求1所述的一种基准电压产生装置，其特征在于，所述第四MOS管具体为3.3V的NMOS管。
6.根据权利要求1所述的一种基准电压产生装置，其特征在于，所述第五MOS管具体为1.8V的NMOS管。
7.根据权利要求1所述的一种基准电压产生装置，其特征在于，所述第六MOS管具体为3.3V的NMOS管。
8.根据权利要求1所述的一种基准电压产生装置，其特征在于，所述第一MOS管和所述第二MOS管的宽长比系数相等。
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