CN103246312B - Cmos场效应管的阈值电压生成电路 - Google Patents

Abstract

一种CMOS场效应管阈值电压生成电路，所述阈值电压生成电路包括一第一P型镜像电流镜组、一第一N型场效应管M1、一第二N型场效应管M2、一第一电压跟随器AMP1、一第二电压跟随器AMP2、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第二P型镜像电流镜组、一第三P型镜像电流镜组、一N型镜像电流镜组和一第三电阻R3，所述第一N型场效应管M1和第二N型场效应管M2得到各自的栅源电压，所述第一电压跟随器AMP1、所述第一电阻R1、所述第二电压跟随器AMP2和所述第二电阻R2将栅源电压VGS1、VGS2转化为两路电流信号，所述第二P型镜像电流镜组、所述第三P型镜像电流镜组、所述N型镜像电流镜组和所述第三电阻R3组合两路电流信号并生成高精度的阈值电压。本发明采用简易电路结构实现了CMOS场效应管阈值电压的高精度提取。

Description

CMOS场效应管的阈值电压生成电路

技术领域

本发明涉及一种集成电路，具体涉及一种CMOS场效应管的阈值电压生成电路。

背景技术

CMOS场效应管的阈值电压是CMOS电路设计中的重要参数，在特定工艺条件下，该阈值电压与工艺角相关，并且具有非线性的负温系数，因此在一般情形下它没有必要作为独立电压产生。但是在一些特殊应用中，需要获取该阈值电压，这些特殊应用包括：判断CMOS场效应管所处的工艺角，生成特殊温度系数的电压或电流，生成低温漂时钟的环形振荡器等等。

生成CMOS场效应管阈值电压的现行方案不多，这些方案要么生成的阈值电压精度不够高，要么电路实现方式特别复杂，难以实现高精度与低成本之间的折中。

发明内容

本发明的目的是，提供一种CMOS场效应管的阈值电压生成电路。利用CMOS场效应管的饱和区电流公式，对流过相同电流但尺寸不同的CMOS场效应管的栅源电压作运算，用简易的电路得到了高精度的阈值电压。

本发明采用的技术方案为，一种CMOS场效应管的阈值电压生成电路，其特征在于：所述阈值电压生成电路包括一第一P型镜像电流镜组、一第一N型场效应管M1、一第二N型场效应管M2、一第一电压跟随器AMP1、一第二电压跟随器AMP2、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第二P型镜像电流镜组、一第三P型镜像电流镜组、一N型镜像电流镜组和一第三电阻R3，所述第一N型场效应管M1和第二N型场效应管M2得到各自的栅源电压VGS1、VGS2，所述第一电压跟随器AMP1、所述第一电阻R1将栅源电压VGS1转化为电流信号，所述第二电压跟随器AMP2和所述第二电阻R2将栅源电压VGS2转化为电流信号，所述第二P型镜像电流镜组、所述第三P型镜像电流镜组、所述N型镜像电流镜组和所述第三电阻R3组合两路电流信号并生成高精度的阈值电压。

所述第一N型场效应管M1的栅极与源极相连于所述第一P型镜像电流镜组的输出端i1，所述第二N型场效应管M2的栅极与源极相连于所述第一P型镜像电流镜组的输出端i2；所述第一电压跟随器AMP1的vip输入端与所述第一N型场效应管M1的栅极相连，所述第一电压跟随器AMP1的vin输入端与所述第一电压跟随器AMP1的out与所述第一电阻R1的一端与第二P型镜像电流镜组的输入端i3相连；所述第一电阻R1的另一端与地相连；所述第二电压跟随器AMP2的vip输入端与所述第二N型场效应管M2的栅极相连，所述第二电压跟随器AMP2的vin输入端与所述第二电压跟随器AMP2的out与所述第二电阻R2的一端与第三P型镜像电流镜组的输入端i5相连；所述第二电阻R2的另一端与地相连；第三P型镜像电流镜组的输出端i6与N型镜像电流镜组的输入端i7相连；N型镜像电流镜组的输出端i8与第二P型镜像电流镜组的输出端i4与电阻R3相连。

所述第一P型镜像电流镜组包括一输入端i0、一输出端i1和一输出端i2，所述输出端i0为输入电流源，所述输入端i0、所述输出端i1与所述输出端i2的电流镜像比为：i0:i1:i2＝1:1:1。

所述第二P型镜像电流镜组包括一输入端i3和一输出端i4，所述输入端i3与所述输出端i4的电流镜像比为：i3:i4＝1:2。

所述第三P型镜像电流镜组包括一输入端i5和一输出端i6，所述输入端i5与所述输出端i6的电流镜像比为：i5:i6＝1:1。

所述N型镜像电流镜组包括一输入端i7和一输出端i8，所述输入端i7与所述输出端i8的电流镜像比为：i7:i8＝1:1。

本发明利用CMOS场效应管的饱和区电流公式，对流过相同电流但尺寸不同的CMOS场效应管的栅源电压作运算，用简易的电路得到了高精度的阈值电压。

附图说明

图1为本发明阈值电压生成电路的电路结构图。

图1中：第一P型电流镜组，包括一输入端i0、两输出端i1和i2；N型场效应管M1；N型场效应管M2；电压跟随器AMP1；电压跟随器AMP2；电阻R1；电阻R2；第二P型电流镜组，包括一输入端i3、一输出端i4；第三P型电流镜组，包括一输入端i5、一输出端i6；N型电流镜组，包括一输入端i7、一输出端i8；电阻R3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

见图1，本发明的CMOS场效应管的阈值电压生成电路包括：第一P型镜像电流镜组、N型场效应管M1、N型场效应管M2、电压跟随器AMP1、电压跟随器AMP2、电阻R1、电阻R2、第二P型镜像电流镜组、第三P型镜像电流镜组、N型镜像电流镜组和电阻R3。

所述N型场效应管M1的栅极与源极相连于第一P型镜像电流镜组的i1输出端，N型场效应管M2的栅极与源极相连于第一P型镜像电流镜组的i2输出端；第一电压跟随器AMP1的vip输入端与N型场效应管M1的栅极相连，第一电压跟随器AMP1的vin输入端与第一电压跟随器AMP1的out与电阻R1的一端与第二P型镜像电流镜组的i3输入端相连；电阻R1的另一端与地相连；第二电压跟随器AMP2的vip输入端与N型场效应管M2的栅极相连，第二电压跟随器AMP2的vin输入端与第二电压跟随器AMP2的out与电阻R2的一端与第三P型镜像电流镜组的i5输入端相连；电阻R2的另一端与地相连；第三P型镜像电流镜组的i6输出端与N型镜像电流镜组的i7输入端相连；N型镜像电流镜组的i8输出端与第二P型镜像电流镜组的i4输出端与电阻R3相连。

第一P型镜像电流镜组的i0输入端、i1输出端与i2输出端的电流镜像比为：i0:i1:i2＝1:1:1。调节输入端电流的取值并调节N型场效应管M1及N型场效应管M2的宽长比，使N型场效应管M1和N型场效应管M2均工作在饱和区，根据饱和区电流公式，分别得到

$I_{D\_M1}=\frac{1}{2}{u}_n{C}_{OX}\×{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M1}\×{(V_{GS1}-V_{THN})}^2,$

$I_{D\_M2}=\frac{1}{2}{u}_n{C}_{OX}\×{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M2}\×{(V_{GS2}-V_{THN})}^2,$ 其中V_THN为N型场效应管的阈值电压。

取N型场效应管M1与N型场效应管M2的宽长比的比例为1:4，并将I_{D_M1}＝I_{D_M2}代入，得到

2×V_GS1-V_GS2＝V_THN

第一电压跟随器AMP1、电阻R1与第二P型镜像电流镜组的i3输入端构成完整的电压跟随器，其输出端电压为V_BUF1。第一电压跟随器AMP1的vip输入端连接N型场效应管M1的栅极，第一电压跟随器AMP1的vin输入端与out输出端相连，其out输出端的电压等于vip输入端的电压V_GS1，所以V_BUF1＝V_GS1。第二P型镜像电流镜组的i3输入端电流值为第二P型镜像电流镜组的i4输出端电流值为

第二电压跟随器AMP2、电阻R2与第三P型镜像电流镜组的i5输入端构成完整的电压跟随器，其输出端电压为V_BUF2。第二电压跟随器AMP2的vip输入端连接N型场效应管M2的栅极，第二电压跟随器AMP2的vin输入端与out输出端相连，其out输出端的电压等于vip输入端的电压V_GS2，所以V_BUF2＝V_GS2。第三P型镜像电流镜组的i5输入端电流值为第三P型镜像电流镜组的i6输出端电流值为N型镜像电流镜组的i7输入端电流值为N型镜像电流镜组的i8输出端电流值为

N型镜像电流镜组的i8输出端与第二P型镜像电流镜组的i4输出端相连，其组合电流值为输出端电压VTH_GEN的电压值为

$V_{TH\_GEN}=(\frac{2\×V_{GS1}}{R1}-\frac{V_{GS2}}{R2})\×R3$

如果取R1＝R2＝R3并代入2×V_GS1-V_GS2＝V_THN，则得到

V_{TH_GEN}＝2×V_GS1-V_GS2＝V_THN

综上所述，本发明提出的CMOS场效应管阈值电压产生电路，采用简易的电路结构，实现了对CMOS场效应管阈值电压的提取，产生的阈值电压具有高精度的特性。

Claims (5)

1.一种CMOS场效应管的阈值电压生成电路，其特征在于：所述阈值电压生成电路包括一第一P型镜像电流镜组、一第一N型场效应管M1、一第二N型场效应管M2、一第一电压跟随器AMP1、一第二电压跟随器AMP2、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第二P型镜像电流镜组、一第三P型镜像电流镜组、一N型镜像电流镜组和一第三电阻R3，所述第一N型场效应管M1和第二N型场效应管M2得到各自的栅源电压VGS1、VGS2，所述第一电压跟随器AMP1、所述第一电阻R1将栅源电压VGS1转化为电流信号，所述第二电压跟随器AMP2和所述第二电阻R2将栅源电压VGS2转化为电流信号，所述第二P型镜像电流镜组、所述第三P型镜像电流镜组、所述N型镜像电流镜组和所述第三电阻R3组合两路电流信号并生成高精度的阈值电压；所述的N型场效应管M1和N型场效应管M2均工作在饱和区；

所述第一N型场效应管M1的栅极与源极相连于所述第一P型镜像电流镜组的输出端i1，所述第二N型场效应管M2的栅极与源极相连于所述第一P型镜像电流镜组的输出端i2；所述第一电压跟随器AMP1的vip输入端与所述第一N型场效应管M1的栅极相连，所述第一电压跟随器AMP1的vin输入端与所述第一电压跟随器AMP1的out与所述第一电阻R1的一端与第二P型镜像电流镜组的输入端i3相连；所述第一电阻R1的另一端与地相连；所述第二电压跟随器AMP2的vip输入端与所述第二N型场效应管M2的栅极相连，所述第二电压跟随器AMP2的vin输入端与所述第二电压跟随器AMP2的out与所述第二电阻R2的一端与第三P型镜像电流镜组的输入端i5相连；所述第二电阻R2的另一端与地相连；第三P型镜像电流镜组的输出端i6与N型镜像电流镜组的输入端i7相连；N型镜像电流镜组的输出端i8与第二P型镜像电流镜组的输出端i4与电阻R3相连。

2.如权利要求1中所述的阈值电压生成电路，其特征在于：所述第一P型镜像电流镜组包括一输入端i0、一输出端i1和一输出端i2，所述输入端i0为输入电流源，所述输入端i0、所述输出端i1与所述输出端i2的电流镜像比为：i0:i1:i2=1:1:1。

3.如权利要求1中所述的阈值电压生成电路，其特征在于：所述第二P型镜像电流镜组包括一输入端i3和一输出端i4，所述输入端i3与所述输出端i4的电流镜像比为：i3:i4=1:2。

4.如权利要求1中所述的阈值电压生成电路，其特征在于：所述第三P型镜像电流镜组包括一输入端i5和一输出端i6，所述输入端i5与所述输出端i6的电流镜像比为：i5:i6=1:1。

5.如权利要求1中所述的阈值电压生成电路，其特征在于：所述N型镜像电流镜组包括一输入端i7和一输出端i8，所述输入端i7与所述输出端i8的电流镜像比为：i7:i8=1:1。