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CN111158422A - 一种零温度系数偏置点的基准电压源 - Google Patents

一种零温度系数偏置点的基准电压源 Download PDF

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CN111158422A
CN111158422A CN202010040053.1A CN202010040053A CN111158422A CN 111158422 A CN111158422 A CN 111158422A CN 202010040053 A CN202010040053 A CN 202010040053A CN 111158422 A CN111158422 A CN 111158422A
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tube
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李先锐
张凯
石光明
张犁
吴金健
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Xidian University
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    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/56—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
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    • G05F1/567—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

本发明公开了一种零温度系数偏置点的基准电压源，包括电流源产生电路、运算放大器电路和基准产生电路。通过电流产生模块产生运放所需的与温度工艺无关的偏置电流，运放通过输出电压将NMOS管偏置在零温度系数点，使其产生一个与温度无关的栅源电压，此电压便是最终的基准电压。本发明能够简化电路结构，提高电路工作频率，降低基准电压温度系数，使得基准电压在很宽的温度范围内保持稳定的输出，适用于大多数需要基准电压源的模拟和数字电路中。

Description

一种零温度系数偏置点的基准电压源
技术领域
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零温度系数偏置点ZTC(Zero Temperature Coefficient)的基准电压源。本发明可以为低压低温漂模拟电路和数模混合电路提供基准电压，具体可用于为振荡器、 LDO、ADC/DAC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。
电子科技大学在其拥有的专利技术“一种基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路”(专利号ZL 201710440384.5，授权公告号CN 102495661 B)中公开了一种基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电压电路。该电路包括负温度系数电流源电路启动电路，与温度成负比例关系的电流源电路，基准电压输出电路，正温度系数电流源电路的启动电路，与温度成正比例关系的电流源电路和偏置电路共6个子电路。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。该基准电压电路虽然实现了基准电压的二阶补偿，但是，该专利技术仍然存在的不足之处是，由于该电路使用额外的正负温度电流补偿电路，从而增加电路的功率消耗。
丹阳恒芯电子有限公司在其申请的专利文献“超低功耗全CMOS基准电路系统”(专利号ZL 201711016255.7，申请公开号CN 107943196 A)中公开了一种超低功耗全CMOS基准电压电路。该基准电压电路包括启动电路，微电流产生电路，运算放大电路和核心基准电压电路。启动电路，用于驱动所述基准电压电路；微电流产生电路，为所述基准电压电路的运算放大电路提供工作电流，其核心是MOS 管工作在亚阈值区；运算放大电路，工作在亚阈值区，最大程度减小因电流变化对电路产生的影响；核心基准电压电路，产生核心的基准电流和基准电压。该方法虽然能够通过将多个MOS管偏置在亚阈值区得到低温度系数的基准电压，但是，该基准电压电路仍然存在的不足之处在于，将MOS管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。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种零温度系数偏置点的基准电压源，用于解决问题。
实现本发明目的的具体思路是，应用偏置电路将NMOS管偏置在零温度系数点，NMOS管工作在饱和区，通过迁移率与阈值电压的补偿，实现栅源电压与温度无关，从而输出零温度系数点的电压。该电路结构简单，相对传统带隙基准而言能够产生低温漂、低功耗的基准电压。
为实现上述目的，本发明包括电流源产生电路、运算放大器电路，其特征在于，还包括基准产生电路；所述的电流源产生电路的输出端与运算放大器电路的电流偏置输入端连接，运算放大器电路的电流偏置输入端与电流源产生电路的输出端连接；运算放大器的差分输入端的正相端接地，负相端接基准产生电路的输出端，运算放大器电路的输出端与基准产生电路的输入端连；基准产生电路的输入端与运算放大器电路的输出端连接，基准产生电路的输出端与运算放大器的差分输入的负相端连接。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
第1，本发明利用电流源产生电路的输出端与运算放大器电路的电流偏置输入端连接，运算放大器电路的电流偏置输入端与电流源产生电路的输出端连接，能够提供与工艺和温度无关的偏置电流，克服了使用额外的正负温度电流补偿电路，从而增加电路的功率消耗的缺点。实现减小功耗，简化电路结构的优点。
第2，本发明利用运算放大器的差分输入端的正相端接地，负相端接基准产生电路的输出端，运算放大器电路的输出端与基准产生电路的输入端连；基准产生电路的输入端与运算放大器电路的输出端连接，基准产生电路的输出端与运算放大器的差分输入的负相端连接，能够使基准产生电路中的NMOS管工作在饱和区，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，并且当温度发生变化时减小基准电压的温度系数的优点。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明仿真得到的温度特性图；
图3为本发明仿真得的瞬态图。
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。
图1中的虚线将本发明的电原理图分为电流源产生电路1、运算放大器电路2、基准产生电路3三部分。电流源产生电路1的输出端与运算放大器电路2的电流偏置输入端连接，运算放大器电路2的电流偏置输入端与电流源产生电路1的输出端连接；运算放大器2的差分输入端的正相端接地，负相端接基准产生电路3的输出端，运算放大器电路2的输出端与基准产生电路3的输入端连；基准产生电路3的输入端与运算放大器电路2的输出端连接，基准产生电路3的输出端与运算放大器 2的差分输入的负相端连接。
本发明的电原理图图1中的虚线部分所描述的电流源产生电路，电流源产生电路1的输出端与运算放大器电路2的电流偏置输入端连接。
电流源产生电路中的第一个PMOS管4和第二个PMOS管5的源极分别与公共电源VDD连接；第一个PMOS管4的漏极分别与第一个NMOS管6的漏极和栅极、第二个NMOS管7的栅极连接。第一个PMOS管4的栅极分别与第二个PMOS管5 的栅极和漏极、运算放大器电路2中的第一个PMOS管8栅极、运算放大器电路2 中的第二个PMOS管13的栅极、第二个NMOS管7漏极连接；第二个PMOS管5 的漏极分别与第一个PMOS管4的栅极、第二个PMOS管的栅极、第二个NMOS 管7的漏极连接；第一个NMOS管6的栅极分别与第一个PMOS管4的漏极、第一个NMOS管6的栅极、第二个NMOS管7的栅极连接。第二个NMOS管7的漏极分别与第二个PMOS管5的栅极与漏极、运算放大器电路2中的第一个PMOS管8 栅极、运算放大器电路2中的第二个PMOS管13的栅极、第一个PMOS管4的栅极连接。第二个NMOS管7的栅极分别与第一个NMOS管6的栅极和漏极、第一个PMOS管4的漏极连接。第二个NMOS管7的源极与电阻R1的一端连接；电阻的另一端与第一个NMOS管6的源极和公共地GND连接。
本发明的电原理图图1中的虚线部分所描述的运算放大器电路，运算放大器电路2的电流偏置输入端与电流源产生电路1的输出端连接。运算放大器2的差分输入端的正相端接地，负相端接基准产生电路3的输出端，运算放大器电路2 的输出端与基准产生电路3的输入端连。
运算放大器电路中的第一个PMOS管8的源极与第二个PMOS管13的源极分别与公共电源VDD连接。第一个PMOS管8的栅极分别与电流源产生电路1的第一个PMOS管4的栅极、电流源产生电路1第二个PMOS管5的栅极和漏极、第二个PMOS管的栅极连接。第一个PMOS管8漏极分别与第三个PMOS管9的源极、第四个PMOS管的10的源极连接，第三个PMOS管9的栅极与公共地GND连接，第三个PMOS管9的漏极分别与第一个NMOS管11漏极、第三个NMOS管14、电容C的一端连接。第三个PMOS管9源极分别与第一个PMOS管8的漏极、第四个PMOS管15的漏极连接。第四个PMOS管10的栅极分别与基准产生电路3的第一个NMOS管15的漏极和栅极、基准产生电路3的电阻R2的一端连接，第四个 PMOS管15的漏极分别与第一个NMOS管11的栅极、第二个NMOS管(NM4) 的栅极和漏极连接。第一个NMOS管11的漏极分别与第三个PMOS管9的漏极、第三个NMOS管14的栅极、电容C的一端连接，第一个NMOS管11的栅极分别与第二个NMOS管12的栅极和漏极、第四个PMOS管10的漏极连接；第二个NMOS 管12的栅极分别与第一个NMOS管11的栅极、第二个NMOS管12的漏极、第四个PMOS管10的漏极连接。第二个NMOS管12的源极与第一个NMOS管11的源极分别与公共地GND连接，第二个PMOS管13的栅极分别与第一个PMOS管8 的栅极、电流源产生电路1的第一个PMOS管4的栅极、电流源产生电路1第二个PMOS管5的栅极和漏极连接，第二个PMOS管13的漏极分别与第三个NMOS管14的漏极、电容C的一端、基准产生电路3的电阻R2的一端连接。第四个NMOS 管14的栅极分别与第一个NMOS管11的漏极、第三个PMOS管9的漏极、电容C 的一端连接，第四个NMOS管14的漏极分别与第二个PMOS管13的漏极、电容C 的一端、基准产生电路3的电阻R2的一端连接、第四个NMOS管14的源极与公共地GND连接。电容C的一端分别连接第三PMOS管9的漏极、第一NMOS管11 的漏极、第三NMOS管14的栅极连接，电容C的另一端分别连接第二PMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极、基准产生模块3中电阻R2的一端连接。
本发明的电原理图图1中的虚线部分所描述的基准产生电路，基准产生电路3 的输入端与运算放大器电路2的输出端连接，基准产生电路3的输出端与运算放大器2的差分输入的负相端连接。
基准产生电路中的第一个NMOS管15的漏极分别与电阻R2的一端、第一个 NMOS管15栅极、运算放大器电路2中第四个PMOS管10的栅极连接。第一个 NMOS管15的源极与公共地GND连接，电阻R2的另一端与运算放大器电路2 中的第二个PMOS管13的漏极、运算放大器电路2中的第三个NMOS管14的漏极、运算放大器电路2中的电容C的一端连接。
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X-FAB XS018 CMOS工艺，应用Cadence软件的Spectre仿真工具。仿真时进行温度特性仿真，温度特性仿真时，电源电压设定为 1.8V，仿真温度为-20℃～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1.8V。
2.仿真内容：
在LINUX操作系统下，基于X-FAB XS018 CMOS工艺，应用Cadence软件的 Spectre仿真工具对本发明的基准电压源分别进行温度特性仿真。温度特性仿真时，电源电压设置为1.8V，仿真温度范围从-20℃～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1.8V，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并始终保持稳定。
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A的横坐标为49.6℃，纵坐标为 883.05mV，表示当温度49.6℃时，基准电压的大小883.05mV。点B的横坐标为 -20℃，纵坐标为879.97mV，表示当温度为-20℃时，基准电压的大小为879.97mV。表示当温度在-20℃～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3.08mV.经计算，基准电压的温度系数为20ppm/℃，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M3的横坐标为14.09μs，纵坐标为 882.71mV，表示在14.09μs时，基准电压的大小为882.71mV。本发明的仿真图图3 表明，在电源电压上升至1.8V的过程中，基准电压具有快速响应，迅速上升至 882.71mV，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1.8V时，该基准电压的功耗为1μW，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、功耗高、电路响应速度慢等缺点，在很宽的温度范围内，基准电压变化小、响应快、稳定性高、功耗低，满足基准电压源性能指标的要求。

Claims (4)

1.一种零温度系数偏置点的基准电压源，包括电流源产生电路(1)、运算放大器电路(2)，其特征在于，还包括基准产生电路(3)；所述的电流源产生电路(1)的输出端与运算放大器电路(2)的电流偏置输入端连接，运算放大器电路(2)的电流偏置输入端与电流源产生电路(1)的输出端连接；运算放大器(2)的差分输入端的正相端接地，负相端接基准产生电路(3)的输出端，运算放大器电路(2)的输出端与基准产生电路(3)的输入端连；基准产生电路(3)的输入端与运算放大器电路(2)的输出端连接，基准产生电路(3)的输出端与运算放大器(2)的差分输入的负相端连接。
2.根据权利要求1所述的一种零温度系数偏置点的基准电压源，其特征在于：所述的电流源产生电路(1)中的第一个PMOS管(4)和第二个PMOS管(5)的源极分别与公共电源VDD连接；第一个PMOS管(4)的漏极分别与第一个NMOS管(6)的漏极和栅极、第二个NMOS管(7)的栅极连接；第一个PMOS管(4)的栅极分别与第二个PMOS管(5)的栅极和漏极、运算放大器电路(2)中的第一个PMOS管(8)栅极、运算放大器电路(2)中的第二个PMOS管(13)的栅极、第二个NMOS管(7)漏极连接；第二个PMOS管(5)的漏极分别与第一个PMOS管(4)的栅极、第二个PMOS管的栅极、第二个NMOS管(7)的漏极连接；第一个NMOS管(6)的栅极分别与第一个PMOS管(4)的漏极、第一个NMOS管(6)的栅极、第二个NMOS管(7)的栅极连接；第二个NMOS管(7)的漏极分别与第二个PMOS管(5)的栅极与漏极、运算放大器电路(2)中的第一个PMOS管(8)栅极、运算放大器电路(2)中的第二个PMOS管(13)的栅极、第一个PMOS管(4)的栅极连接；第二个NMOS管(7)的栅极分别与第一个NMOS管(6)的栅极和漏极、第一个PMOS管(4)的漏极连接；第二个NMOS管(7)的源极与电阻R1的一端连接；电阻的另一端与第一个NMOS管(6)的源极和公共地GND连接。
3.根据权利要求1所述的一种零温度系数偏置点的基准电压源，其特征在于：所述的运算放大器电路(2)中第一个PMOS管(8)的源极与第二个PMOS管(13)的源极分别与公共电源VDD连接；第一个PMOS管(8)的栅极分别与电流源产生电路(1)的第一个PMOS管(4)的栅极、电流源产生电路(1)第二个PMOS管(5)的栅极和漏极、第二个PMOS管的栅极连接；第一个PMOS管(8)漏极分别与第三个PMOS管(9)的源极、第四个PMOS管的(10)的源极连接；第三个PMOS管(9)的栅极与公共地GND连接；第三个PMOS管(9)的漏极分别与第一个NMOS管(11)漏极、第三个NMOS管(14)、电容C的一端连接；第三个PMOS管(9)源极分别与第一个PMOS管(8)的漏极、第四个PMOS管(15)的漏极连接；第四个PMOS管(10)的栅极分别与基准产生电路(3)的第一个NMOS管(15)的漏极和栅极、基准产生电路(3)的电阻R2的一端连接；第四个PMOS管(15)的漏极分别与第一个NMOS管(11)的栅极、第二个NMOS管(NM4)的栅极和漏极连接；第一个NMOS管(11)的漏极分别与第三个PMOS管(9)的漏极、第三个NMOS管(14)的栅极、电容C的一端连接；第一个NMOS管(11)的栅极分别与第二个NMOS管(12)的栅极和漏极、第四个PMOS管(10)的漏极连接；第二个NMOS管(12)的栅极分别与第一个NMOS管(11)的栅极、第二个NMOS管(12)的漏极、第四个PMOS管(10)的漏极连接；第二个NMOS管(12)的源极与第一个NMOS管(11)的源极分别与公共地GND连接；第二个PMOS管(13)的栅极分别与第一个PMOS管(8)的栅极、电流源产生电路(1)的第一个PMOS管(4)的栅极、电流源产生电路(1)第二个PMOS管(5)的栅极和漏极连接；第二个PMOS管(13)的漏极分别与第三个NMOS管(14)的漏极、电容C的另一端、基准产生电路(3)的电阻R2的一端连接；第四个NMOS管(14)的栅极分别与第一个NMOS管(11)的漏极、第三个PMOS管(9)的漏极、电容C的一端连接；第四个NMOS管(14)的漏极分别与第二个PMOS管(13)的漏极、电容C的另一端、基准产生电路(3)的电阻R2的一端连接、第四个NMOS管(14)的源极与公共地GND连接；电容C的一端分别连接第三PMOS管(9)的漏极、第一NMOS管(11)的漏极、第三NMOS管(14)的栅极连接；电容C的另一端分别连接第二PMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极、基准产生模块(3)中电阻R2的一端连接。
4.根据权利要求1所述的一种零温度系数偏置点的基准电压源，其特征在于：所述的基准产生电路(3)中第一个NMOS管(15)的漏极分别与电阻R2的另一端、第一个NMOS管(15)栅极、运算放大器电路(2)中第四个PMOS管(10)的栅极连接；第一个NMOS管(15)的源极与公共地GND连接；电阻R2的一端与运算放大器电路(2)中的第二个PMOS管(13)的漏极、运算放大器电路(2)中的第三个NMOS管(14)的漏极、运算放大器电路(2)中的电容C的一端连接。
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