低电源电压CMOS恒定电压源电路

摘要

本发明公开了一种低电源电压CMOS恒定电压源电路，包括第一级启动电路，第一级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路，第二级启动电路，第二级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路以及支路电流相减电路，利用支路电流相减电路的输出电流，通过负载电阻实现低温度系数的输出电压。本发明不含双极型器件，在低电源电压的环境下产生了具有低温度系数的参考电压。

说明书

技术领域

本发明涉及一种恒定电压源电路，具体来说，涉及一种工作在低电源电压下 的纯CMOS恒定电压源电路。

背景技术

在CMOS电路的应用中，常常会使用到与电源电压和温度都无关的恒定电压 源。例如在某些放大器的偏置电路，或者一些比较器中。在这些情况下，常常需 要比较精确的电压值。而我们知道，由于工艺等各种因素的影响，电压值常常会 随着一种或者几种因素的变化而变化，其中比较重要的两个因素就是电源电压以 及温度的影响。同时，随着CMOS工艺尺寸越来越小，温度等各种因素的影响也 越来越大。因此，对于需要高精度电压值的电路而言，设计出不随电源电压和温 度的变化而变化的恒定电压源电路就显得至关重要。

传统的恒定电压源电路主要是利用双极型三极管的基极和发射极之间产生 的具有负温度系数的电压和两个不同尺寸的双极型三极管的基极和发射极电压 的差值所产生的正温度系数的电压求和，通过一定的系数匹配，可以得到具有零 温度系数的电压。该恒定电压通过一些镜像以及和具有一定温度系数的匹配，可 以在固定的电阻上产生恒定电压并输出。

在常用的高精度恒定电压源电路中，都需要用到双极型三极管的基极和发射 极之间的电压。我们知道，基极和发射极之间的电压一般在0.7V左右.因此，这 就限制了电源电压的大小最低也要大于1V。随着CMOS工艺尺寸越来越小，所提 供的电源电压越来越低。同时，出于对功耗性能的要求，也需要尽可能的降低电 源电压。因此，当遇到电源电压接近或者低于双极型三极管的基极和发射极之间 的电压时，传统的高精度恒流源电路就完全失去了作用。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种 低电源电压CMOS恒定电压源电路，全部由MOS管组成，工作在0.6V的电源电压 环境下，具有低功耗的功能，同时大大减小了芯片的面积。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种低电源电压 CMOS恒定电压源电路，包括第一级启动电路，第一级与电源电压无关但受温度 影响的电流产生电路，第二级启动电路，第二级与电源电压无关但受温度影响的 电流产生电路，支路电流相减电路，所述支路电流相减电路用于将第一级与电源 电压无关但受温度影响的电流与第二级与电源电压无关但受温度影响的电流相 减；其中：

第一级启动电路包括第一P型金属氧化物晶体管，第二P型金属氧化物晶体 管，第一N型金属氧化物晶体管；

第一级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路包括第三P型金属氧 化物晶体管，第四P型金属氧化物晶体管，第二N型金属氧化物晶体管，第三N 型金属氧化物晶体管，第一电阻，第七N型金属氧化物晶体管；

第二级启动电路包括第五P型金属氧化物晶体管，第六P型金属氧化物晶体 管，第四N型金属氧化物晶体管；第二级与电源电压无关但受温度影响的电流产 生电路包括第七P型金属氧化物晶体管，第八P型金属氧化物晶体管，第九P 型金属氧化物晶体管，第二电阻，第五N型金属氧化物晶体管，第六N型金属氧 化物晶体管；

支路电流相减电路包括第十P型金属氧化物晶体管，第十一P型金属氧化物 晶体管，第十二P型金属氧化物晶体管，第十三P型金属氧化物晶体管，第八N 型金属氧化物晶体管，第九N型金属氧化物晶体管，第三电阻，第四电阻；

其中：

第一P型金属氧化物晶体管的源极接电源，第一P型金属氧化物晶体管的栅 极与第二P型金属氧化物晶体管的源极相连，第一P型金属氧化物晶体管的漏极 与第一N型金属氧化物晶体管的漏极相连；第一N型金属氧化物晶体管的栅极和 自身的漏极相连，并且和第二P型金属氧化物晶体管的栅极相连；第二P型金属 氧化物晶体管的衬底和栅极分开，并接电源；第一N型金属氧化物晶体管的源极 和第二P型金属氧化物晶体管的漏极接地；第三P型金属氧化物晶体管的源极和 第四P型金属氧化物晶体管的源极接电源，第三P型金属氧化物晶体管的栅极和 第四P型金属氧化物晶体管的栅极相连并和第三P型金属氧化物晶体管的漏极相 连；第三P型金属氧化物晶体管的漏极和第二N型金属氧化物晶体管漏极相连并 和第一P型金属氧化物晶体管的栅极相连；第四P型金属氧化物晶体管的漏极和 第三N型金属氧化物晶体管的漏极相连；第三N型金属氧化物晶体管漏极和本身 的栅极相连；第二N型金属氧化物晶体管的衬底和源极分开并接地；第二N型金 属氧化物晶体管的源极和第一电阻的一段相连；第一电阻的另一段相连和第三N 型金属氧化物晶体管的源极接地；第五P型金属氧化物晶体管的源极接电源，栅 极和第六P型金属氧化物晶体管的源极相连，漏极和第四P型金属氧化物晶体管 的漏极相连；第四N型金属氧化物晶体管的栅极和本身的漏极相连，并和第六P 型金属氧化物晶体管的栅极相连；第六P型金属氧化物晶体管的衬底和源极分开 并接电源；第六P型金属氧化物晶体管的漏极和第四N型金属氧化物晶体管的源 极一同接地；第七P型金属氧化物晶体管的源极和第二电阻的一端相连，第二电 阻的另一端和电源相连；第七P型金属氧化物晶体管的栅极和第八P型金属氧化 物晶体管的栅极以及第九P型金属氧化物晶体管的栅极相连并和第八P型金属氧 化物晶体管的漏极以及第五P型金属氧化物晶体管的栅极相连；第九P型金属氧 化物晶体管的源极，漏极，衬底以及第八P型金属氧化物晶体管的源极都和电源 相连；第五N型金属氧化物晶体管的栅极和本身的漏极相连，并和第六N型金属 氧化物晶体管的栅极相连；第五N型金属氧化物晶体管的源极和第六N型金属氧 化物晶体管的源极相连并接地；第十P型金属氧化物晶体管的栅极和第八P型金 属氧化物晶体管的漏极相连，第十P型金属氧化物晶体管的源极接电源，漏极接 第八N型金属氧化物晶体管的漏极；第八N型金属氧化物晶体管的栅极和第七N 型金属氧化物晶体管的栅极以及第三N型金属氧化物晶体管的漏极相连；第八N 型金属氧化物晶体管的源极和第七N型金属氧化物晶体管的源极、衬底、漏极都 和地相连；第十一P型金属氧化物晶体管的栅极、漏极，第十二P型金属氧化物 晶体的栅极以及第十三P型金属氧化物晶体管的栅极相连；第十一P型金属氧化 物晶体管的源极，第十二P型金属氧化物晶体管的源极、漏极、衬底以及第十三 P型金属氧化物晶体管的源极和电源相连；第十三P型金属氧化物晶体管的漏极 和第三电阻一端相连，第三电阻的另一端和第四电阻的一端相连，第四电阻的另 一端接地；第九N型金属氧化物晶体管的栅极连接在第三电阻和第四电阻的中 间，第九N型金属氧化物晶体管的源极、衬底和漏极都接地。

本发明的恒定电压源电路不含双极型器件，在低电源电压的环境下产生了具 有很高的电源电压抑制比和具有低温度系数的恒定电压。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.工作在低电源电压下，比如单块太阳能电池板。本发明的恒定电压源电路 可以用于多种CMOS电路的基准电路以及偏置电路等需要恒定电压源的地方。本 发明的恒定电压源电路可以工作在0.6V的低电源电压下。由于整个电路全部是 由MOS器件组成，大大减小了芯片的面积。

2.电流利用效率高，功耗低。随着CMOS工艺的发展，供电电压越来越小， 这对含有双极型三极管器件的恒流源电路提出了挑战。本发明中不含有双极型器 件，所以供电电压可以低于双极型三极管的导通电压。因此整个电路的功耗非常 低。并且，为了产生精度较高的恒定电压源，本发明首先设计出工作在0.6V电 源电压下的与温度和电压无关的电流。由于电阻所具有的温度系数与所产生的电 流所具有的温度系数相反，则可以通过电流与电阻的组合来得到温度系数更低的 恒定电压。

附图说明

图1为本发明的电路图；

图2为本发明的电压随温度系数变化的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员 对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明的一种低电源电压CMOS恒定电压源电路，包括第一级启 动电路，第一级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路，第二级启动电路， 第二级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路以及支路电流相减电路，所 述支路电流相减电路用于将第一级与电源电压无关但受温度影响的电流与第二 级与电源电压无关但受温度影响的电流相减；其中：

第一级启动电路包括第一P型金属氧化物晶体管P1，第二P型金属氧化物晶体 管P2，第一N型金属氧化物晶体管N1；

第一级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路包括第三P型金属氧化 物晶体管P3，第四P型金属氧化物晶体管P4，第二N型金属氧化物晶体管N2，第三 N型金属氧化物晶体管N3，第一电阻R1，第七N型金属氧化物晶体管N7；

第二级启动电路包括第五P型金属氧化物晶体管P5，第六P型金属氧化物晶体 管P6，第四N型金属氧化物晶体管N4；

第二级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路包括第七P型金属氧化 物晶体管P7，第八P型金属氧化物晶体管P8，第九P型金属氧化物晶体管P9，第二 电阻R2，第五N型金属氧化物晶体管N5，第六N型金属氧化物晶体管N6；

支路电流相减电路包括第十P型金属氧化物晶体管P10，第十一P型金属氧化 物晶体管P11，第十二P型金属氧化物晶体管P12，第十三P型金属氧化物晶体管 P13，第八N型金属氧化物晶体管N8，第九N型金属氧化物晶体管N9，第三电阻R3， 第四电阻R4；

其中：

第一P型金属氧化物晶体管P1的源极接电源，第一P型金属氧化物晶体管 P1的栅极与第二P型金属氧化物晶体管P2的源极相连，第一P型金属氧化物晶 体管P1的漏极与第一N型金属氧化物晶体管N1的漏极相连；第一N型金属氧化 物晶体管N1的栅极和自身的漏极相连，并且和第二P型金属氧化物晶体管P2的 栅极相连；第二P型金属氧化物晶体管P2的衬底和栅极分开，并接电源；第一 N型金属氧化物晶体管N1的源极和第二P型金属氧化物晶体管P2的漏极接地； 第三P型金属氧化物晶体管P3的源极和第四P型金属氧化物晶体管P4的源极接 电源，第三P型金属氧化物晶体管P3的栅极和第四P型金属氧化物晶体管P4的 栅极相连并和第三P型金属氧化物晶体管P3的漏极相连；第三P型金属氧化物 晶体管P3的漏极和第二N型金属氧化物晶体管N2漏极相连并和第一P型金属氧 化物晶体管P1的栅极相连；第四P型金属氧化物晶体管P4的漏极和第三N型金 属氧化物晶体管N3的漏极相连；第三N型金属氧化物晶体管N3漏极和本身的栅 极相连；第二N型金属氧化物晶体管N2的衬底和源极分开并接地；第二N型金 属氧化物晶体管N2的源极和第一电阻R1的一端相连；第一电阻R1的另一端和 第三N型金属氧化物晶体管N3的源极相连并接地；第五P型金属氧化物晶体管 P5的源极接电源，栅极和第六P型金属氧化物晶体管P6的源极相连，漏极和第 四P型金属氧化物晶体管P4的漏极相连；第四N型金属氧化物晶体管N4的栅极 和本身的漏极相连，并和第六P型金属氧化物晶体管P6的栅极相连；第六P型 金属氧化物晶体管P6的衬底和源极分开并接电源；第六P型金属氧化物晶体管 P6的漏极和第四N型金属氧化物晶体管N4的源极一同接地；第七P型金属氧化 物晶体管P7的源极和第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端和电源相 连；第七P型金属氧化物晶体管P7的栅极和第八P型金属氧化物晶体管P8的栅 极以及第九P型金属氧化物晶体管P9的栅极相连并和第八P型金属氧化物晶体 管P8的漏极以及第五P型金属氧化物晶体管P5的栅极相连；第九P型金属氧化 物晶体管P9的源极，漏极，衬底以及第八P型金属氧化物晶体管P8的源极都和 电源相连；第五N型金属氧化物晶体管N5的栅极和本身的漏极相连，并和第六 N型金属氧化物晶体管N6的栅极相连；第五N型金属氧化物晶体管N5的源极和 第六N型金属氧化物晶体管N6的源极相连并接地；第十P型金属氧化物晶体管 P10的栅极和第八P型金属氧化物晶体管P8的漏极相连，第十P型金属氧化物晶 体管P10的源极接电源，漏极接第八N型金属氧化物晶体管N8的漏极；第八N 型金属氧化物晶体管N8的栅极和第七N型金属氧化物晶体管N7的栅极以及第三 N型金属氧化物晶体管N3的漏极相连；第八N型金属氧化物晶体管N8的源极和 第七N型金属氧化物晶体管N7的源极、衬底、漏极都和地相连；第十一P型金 属氧化物晶体管P11的栅极、漏极，第十二P型金属氧化物晶体管P12的栅极以 及第十三P型金属氧化物晶体管P13的栅极相连；第十一P型金属氧化物晶体管 P11的源极，第十二P型金属氧化物晶体管P12的源极、漏极、衬底以及第十三 P型金属氧化物晶体管P13的源极和电源相连；第十三P型金属氧化物晶体管P13 的漏极和第三电阻R3一端相连，第三电阻R3的另一端和第四电阻R4的一端相 连，第四电阻R4的另一端接地；第九N型金属氧化物晶体管N9的栅极连接在第 三电阻R3和第四电阻R4的中间，第九N型金属氧化物晶体管N9的源极、衬底 和漏极都接地。

上述高精度恒定电压源电路全部由CMOS器件组成。由于不含双极型三极管 器件，所以供电电压可以低于双极型三极管的导通电压，因此，整个恒流源电路 可以工作在0.6V的低电源电压下，具有很低的功耗。并且，由于双极型三极管 器件尺寸非常大，所以本发明大大减小了芯片的面积。本发明的主要思想是利用 第一级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路和第二级与电源电压无关 但受温度影响的电流产生电路所产生的具有同温度系数的两路电流，通过支路电 流相减电路可以得到具有低温度系数的电流。同时，工艺中电阻所具有的温度系 数和所产生的电流的温度系数相反，则可以利用电流与电阻的组合来得到温度系 数更加低的恒定电压。

第一级启动电路由第一P型金属氧化物晶体管，第二P型金属氧化物晶体管 和第一N型金属氧化物晶体管组成。当第一级与电源电压无关但受温度影响的电 流产生电路处于未启动状态的时候，第三P型金属氧化物晶体管P3的漏极电压很 高，由于第三P型金属氧化物晶体管P3的漏极和第二P型金属氧化物晶体管P2 的源极相连，所以第二P型金属氧化物晶体管P2的源极同样处于高电位。此时， 第二P型金属氧化物晶体管P2的导通，导通后大量电流流过第二P型金属氧化 物晶体管P2，可以使得第三P型金属氧化物晶体管P3的漏极电压降低，起到启 动电路的功能。在工艺尺寸非常小的情况下，MOS管的阈值电压很大。为了更好 的起到启动后续电路的目的，电路中把第二P型金属氧化物晶体管P2的衬底接 电源。利用MOS管本身存在的衬底偏置效应来减小阈值电压。这样对于同样的漏 极和源极电压差，第二P型金属氧化物晶体管P2的能够通过更大的电流，进而 更大程度上降低第三P型金属氧化物晶体管P3的漏极电压，启动效果更好。当 电路处于导通状态时，应使得第二P型金属氧化物晶体管P2处于截止状态，避 免其对后面第一级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路的影响。电路正 常工作时，由于第三P型金属氧化物晶体管P3的漏极电压较高，要使得第二P 型金属氧化物晶体管P2的处于截止状态，则应该把第二P型金属氧化物晶体管 P2的栅极电压抬高。第二P型金属氧化物晶体管P2的栅极和第一N型金属氧化 物晶体管N1的漏极相连，所以可以通过抬高第一N型金属氧化物晶体管N1的漏 极电压来相应的抬高第二P型金属氧化物晶体管P2的栅极电压。因此，在第一 级启动电路中，把第一P型金属氧化物晶体管P1的宽长比设置的较大，而把第 一N型金属氧化物晶体管设置成倒宽长比，即第一N型金属氧化物晶体管的宽的 大小小于沟道长度。这样，在电路工作在正常情况下时，可以使得第二P型金属 氧化物晶体管P2处于截止状态。同时，对于第一P型金属氧化物晶体管P1和第 一N型金属氧化物晶体管N1的设置也可以大大减小电路正常工作时流过第一级 启动电路的电流，从而进一步降低整个电路的功耗。后面的第二级启动电路的原 理和第一级启动电路的原理一样。

为了得到与电源电压无关的电流值，我们采用第一级与电源电压无关但受温 度影响的电流产生电路。在此电路中，若去掉第一电阻R1，则流过第三P型金属 氧化物晶体管P3的电流是通过镜像第四P型金属氧化物晶体管P4的电流得到； 流过第三N型金属氧化物晶体管N3的电流是通过镜像第二N型金属氧化物晶体 管N2的电流得到。因此可知，流过整个支路的电流与电源电压无关。但是此时 电路中的电流可以是任意值。只要电路有一个原始电流，那么电流就可以在两个 支路中通过来回镜像而流动。为了得到所需要的具体大小的电流值。我们在第一 N型金属氧化物晶体管N1的源端加上第一电阻R1。通过对各个MOS器件的宽长 比以及第一电阻R1的大小的设置，我们可以得到想要的具体大小的电流值。第 二级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路采用和第一级与电源电压无 关但受温度影响的电流产生电路相同的原理。为了得到更加稳定的波形，利用第 七N型金属氧化物晶体管N7和第四P型金属氧化物晶体管P4来分别作为第一级 与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路和第二级与电源电压无关但受温 度影响的电流产生电路的滤波器件，来滤除第一级与电源电压无关但受温度影响 的电流产生电路和第二级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路产生的 电流中所含的杂波电流。

利用第一级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路，我们可以得到与 电源电压无关的具体大小的电流值，但是该电流值仍然是工艺和温度的函数。为 了得到与工艺和温度也无关的高精度的恒定电压，该发明采用了两路与电源电压 无关但是具有同样的工艺和温度系数的支路电流相减来抵消工艺和温度对恒定 电压值的影响。在该发明的电路图中，通过第八N型金属氧化物晶体管N8来镜 像第一级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路中所产生的与电源电压 无关但是是工艺和温度函数的支路电流；利用第十P型金属氧化物晶体管P10来 镜像第二级与电源电压无关但受温度影响的电流产生电路中所产生的与电源电 压无关但是是工艺和温度函数的支路电流；在由第十P型金属氧化物晶体管P10， 第十一P型金属氧化物晶体管P11，第十二P型金属氧化物晶体管P12，第十三P 型金属氧化物晶体管P13，第八N型金属氧化物晶体管N8，第九N型金属氧化物 晶体管N9，第三电阻R3，第四电阻R4所组成的支路电流相减电路中，由于流过 第八N型金属氧化物晶体管N8和第十P型金属氧化物晶体管P10的电流对温度 和工艺具有相同的系数关系，所以通过一定系数的匹配，利用两个支路电流的相 减可以得到既与电源电压无关，又与温度和工艺无关的高精度恒定电压。在电路 图中可以看到，流过第十一P型金属氧化物晶体管P11的电流即为两支路电流通 过系数匹配相减后得到的与电源电压和温度均无关的电流。

流过第十三P型金属氧化物晶体管P13的电流是镜像第十一P型金属氧化物 晶体管P11的电流得到的。第四电阻R4与温度和工艺的系数和电流与温度和工 艺的系数相反，所以可以通过电阻和电流的大小数值的匹配可以在第三电阻和第 四电阻之间的Vout点得到精度更高的电压值。第十二P型金属氧化物晶体管P12 和第九N型金属氧化物晶体管N9同样起到滤波的作用。

下面通过仿真对比来说明本发明所产生的高精度恒定电压源与温度系数的 影响。

采用仿真软件进行高精度恒定电压源对温度系数的扫描 分析。分析结果如图2所示。从图2中可以看出，输出参考电压在从-20度到80 度范围内，体现出了一阶温度补偿特性，在整个温度变化范围内，输出电压的变 化幅度被控制在1.5mV以内，可以满足大多数的应用需求。