一种基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路

摘要

本发明公开了一种基于两种阈值电压MOS器件实现的带隙基准电路，它属于模拟集成电路技术，特别涉及一种能降低成本，减少功耗，提高性能的带隙基准电路结构。该电路结构包括：一负温度系数电流产生电路、一正温度系数电流产生电路、一启动电路、一偏置电路、一输出电路组成。本发明的负温度系数电流产生电路采用两种阈值电压MOS器件实现，所产生的负温度系数电流具有二阶温度特性，可以有效提高输出基准电压的温度性能，同时减小版图面积，减小电路功耗，降低制作成本。

说明书

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种采用两种阈值 电压MOS器件实现的带隙基准电路结构。

背景技术

随着集成电路技术的发展，集成电路设计和制造趋于高密度、高 复杂度，复杂的集成电路系统不再是单一的数字电路或者模拟电路， 往往是数模混合电路。在几乎所有的模拟电路中，基准电压源是不可 缺少的基本电路模块。

随着要求芯片的供电电压和功耗越来越低，带隙基准电路面临着 新的挑战。在供电电压低于带隙电压时，传统电压模式的带隙基准电 路难以适用。采用电流模式的带隙基准结构，通过将正温度系数电流 和负温度系数电流求和得到与温度无关的电流，可以实现任意基准电 压输出，采用电流模式带隙基准电路的供电电压可以低于带隙电压。

通常的低压带隙基准如图1所示，电路采用电流模式结构带隙基 准电路，电路主要包括一运算放大器101，一由PMOS管MP1～MP3 构成的电流镜电路，双极型晶体管Q1、Q2和电阻器R1～R6。在电路 中，运算放大器使节点a和节点b电压相等，运算放大器的输入采用 电阻分压输入，以降低运算放大器的输入共模电压。R1和R3阻值相 等，R2和R4阻值相等，电流镜电路使晶体管Q1和Q2上的电流相 等，电流值为Q1和Q2基极-发射极电压的差值Δ_BE在电阻器R5上 产生的电流，其电流值可以由等式1表示。

$I_{Q1}=I_{Q2}=\frac{\Delta V_{\mathrm{BE}}}{R_5}=\frac{V_T\ln S_2/S_1}{R_5}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\frac{\ln S_2/S_1}{R_5}$(式1)

电阻串R1、R2和电阻串R3、R4的电流相等，其电流值可以由 等式2表示。

$I_{R\mathrm{1,2}}=I_{R\mathrm{3,4}}=\frac{V_{\mathrm{BE}1}}{R_1+R_2}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\frac{\ln I_{C1}/I_{S1}}{R_1+R_2}$(式2)

PMOS管MP1、MP2、MP3的电流相等，其电流值可以由等式3 表示。

$I_{\mathrm{MP}1}=I_{\mathrm{MP}2}=I_{\mathrm{MP}3}=I_{Q1}+I_{R\mathrm{1,2}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\frac{\ln S_2/S_1}{R_5}+\frac{\mathrm{kT}}{q}\frac{\ln I_{C1}/I_{S1}}{R_1+R_2}$(式3)

电阻R6上的电流和PMOS管MP3上的电流相等，电阻R6上产 生的电压可以由等式4表示。

$V_{\mathrm{REF}}=V_{R6}=I_{\mathrm{MP}3}\times R_6=\frac{k}{q}(\frac{R_{6}T\ln S_2/S_1}{R_5}+\frac{R_{6}T\ln I_{C1}/I_{S1}}{R_1+R_2})$(式4)

在等式4中，括号外的项与温度无关，括号内的两项中，第一项 与温度成正温度关系，第二项与温度成负温度 关系。所以适当调整电阻比例可以实现与温度无关的基准电压输出。

传统的低压带隙基准电路需要使用双极型晶体管，所以其版图面 值一般比较大，导致成本比较高；随着CMOS工艺尺寸的缩小，双 极型晶体管性能退化和兼容性问题，会给基于双极型晶体管设计的带 隙基准电路带来新的问题；带隙基准电路中使用了运算放大器，使电 路功耗难以进一步降低。

发明内容

本发明为了克服传统低压带隙基准电路中的不足之处，提出一种 采用CMOS器件实现低压低功耗带隙基准电路结构，该电路不需要 额外的二阶补偿方案，电路本身具有二阶补偿特点，电路中器件工作 于亚阈值区域，可以有效降低电路功耗。

本发明提供的电路是：一种基于两种阈值电压MOS器件的带隙 基准电路，该电路包括有一负温度系数电流源电路的启动电路201； 一与温度成负比例关系的电流源电路202；一基准电压输出电路203； 一与温度成正比例关系的电流源电路204；一偏置电路205；一正温 度系数电流源电路的启动电路206。

其特征是所述的电流源电路202中采用了两种阈值电压MOS器 件，能产生与温度成负比例关系的电流。在电路中较高阈值电压的 MOS器件MN1工作于亚阈值去，阈值较低的MOS器件MN2工作 于饱和区。两MOS器件的栅极-源极电压的差值ΔV_GS在电阻R1上 产生与温度成负比例关系的电流，该电流具有二阶温度特性。

对采用两种阈值电压MOS器件的电流源电路202的带隙基准电 路做以下分析：

基于对CMOS器件中两种阈值电压MOS器件的分析，假设阈值 电压较高的NMOS器件的阈值电压为V_{th_h}，阈值电压较低的NMOS 器件的阈值电压为V_{th_l}，MOS器件的阈值电压与温度成负比例关系， 两个阈值电压的差V_{th_h}-V_{th_l}与温度也成负比例关系。通过电路实现使 阈值电压较高的NMOS器件工作于亚阈值区域，使阈值电压较低的 NMOS器件工作于饱和区域，同时使两NMOS器件电流相等。两 NMOS器件的V_GS之差ΔV_{GS_CTAT}可以由等式5表示

$\Delta V_{\mathrm{GS}\_\mathrm{CTAT}}=V_{\mathrm{th}\_h}-V_{\mathrm{th}\_l}+m{V}_T\ln \frac{I_{\mathrm{CTAT}}}{V_T^2{\mu }_{n\_h}{C}_{\mathrm{ox}\_h}{W}_h/L_h}-\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{CTAT}}}{{\mu }_{n\_l}{C}_{\mathrm{ox}\_l}{W}_l/L_l}}$(式5)

ΔV_{GS_CTAT}电压通过电阻R₁产生与温度成负比例关系的电流 I_CTAT，电流值可以由等式6表示

$I_{\mathrm{CTAT}}=\frac{1}{R_1}(V_{\mathrm{th}\_h}-V_{\mathrm{th}\_l}+m{V}_T\ln \frac{I_{\mathrm{CTAT}}}{V_T^2{\mu }_{n\_h}{C}_{\mathrm{ox}\_h}{W}_h/L_h}-\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{CTAT}}}{{\mu }_{n\_l}{C}_{\mathrm{ox}\_l}{W}_l/L_l}})$(式6)

在等式6中，项可以视为温度的指数函数， 项可以视为温度的一次函数，通过调节电流值 I_CTAT可以使这两项在温度范围内有两个交点，从而使电流I_CTAT具有二 阶温度特性。

利用MOS器件亚阈值区域工作特性和双极型晶体管工作特性相 近的特点，设计出产生与温度成正比例关系电流的电路。采用栅极宽 长比不同的NMOS器件工作在亚阈值区域，假设栅极宽长比较大的 NMOS器件的宽长比为W₃∶L₃，栅极宽长比较小的NMOS器件的宽长 比为W₄/L₄，两NMOS器件的电流相等，两NMOS器件的V_GS之差Δ V_{GS_PTAT}可以由等式7表示

$\Delta V_{\mathrm{GS}\_\mathrm{PTAT}}=m{V}_T\ln \frac{W_4/L_4}{W_3/L_3}$(式7)

ΔV_{GS_PTAT}通过电阻R₂产生与温度成正比例关系的电流，电流 I_PTAT可以由等式8表示

$I_{\mathrm{PTAT}}=\frac{1}{R_2}\left(m{V}_T\ln \frac{W_4/L_4}{W_3/L_3}\right)$(式8)

将两相反温度系数的电流相加再通过电阻R₃产生与温度无关的 基准电压，电压V_REF可以由等式9表示

$V_{\mathrm{REF}}=\frac{R_3}{R_2}\left(m{V}_T\ln \frac{W_4/L_4}{W_3/L_3}\right)$

$+\frac{R_3}{R_1}(V_{\mathrm{th}\_h}-V_{\mathrm{th}\_l}+m{V}_T\ln \frac{I_{\mathrm{CTAT}}}{V_T^2{\mu }_{n\_h}{C}_{\mathrm{ox}\_h}{W}_h/L_h}-\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{CTAT}}}{{\mu }_{n\_l}{C}_{\mathrm{ox}\_l}{W}_l/L_l}})$(式9)

在等式9中，第一项为正温度系数电压，第二项 $\frac{R_3}{R_1}(V_{\mathrm{th}\_h}-V_{\mathrm{th}\_l}+m{V}_T\ln \frac{I_{\mathrm{CTAT}}}{V_T^2{\mu }_{n\_h}{C}_{\mathrm{ox}\_h}{W}_h/L_n}-\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{CTAT}}}{{\mu }_{n\_l}{C}_{\mathrm{ox}\_l}{W}_l/L_l}})$为负温度电压，通 过调节电阻比例，可以得到零温度系数电压V_REF。

由以上分析可见本发明的电路具有功耗低，成本低，性能好的优 点。

附图说明

图1为传统低压带隙基准结构示意图；

图2为本发明基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路结构示意 图

图3为本发明实施例温度系数仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的具体实施实例。需要说明的是：实 施实例中的参数并不影响本发明的一般性。假设实例采用 40nmCMOS工艺；阈值电压较高的NMOS器件为2.5V器件，阈值 电压较低的NMOS器件为1.1V器件。

图2为基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路结构示意图， 包含六个部分：一负温度系数电流源电路的启动电路201；一与温度 成负比例关系的电流源电路202；一基准电压输出电路203；一与温 度成正比例关系的电流源电路204；一偏置电路205；一正温度系数 电流源电路的启动电路206。

其中的负温度系数电流源电路202包含4个部分：由MP1～MP6 构成的电流镜电路，采用共源共栅电流镜可以有效提高电路的电源抑 制性能；2.5V NMOS器件MN1，其宽长比为W₁∶L₁，MN1工作于亚 阈值区域；1.1V NMOS器件MN2，其宽长比为W₂∶L₂，MN2工作于 饱和区域；以及电阻器R1。电流镜电路使MN1和MN2上的电流相 等，假设该电流为I_CTAT，其电流大小可以等式10表示

$I_{\mathrm{CTAT}}=\frac{1}{R_1}(V_{\mathrm{th}\_1}-V_{\mathrm{th}\_2}+m{V}_T\ln \frac{I_{\mathrm{CTAT}}}{V_T^2{\mu }_{n\_1}{W}_1/L_1}-\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{CTAT}}}{{\mu }_{n\_2}{C}_{\mathrm{ox}\_2}{W}_2/L_2}})$(式10)

其中：

V_{th_1}、V_{th_2}分别为2.5VNMOS器件MN1和1.1VNMOS器件的阈 值电压；μ_{n_1}、μ_{n_2}分别为2.5VNMOS器件MN1和1.1VNMOS器件 的迁移率；C_{ox_1}、C_{ox_1}分别为2.5VNMOS器件MN1和1.1VNMOS器 件的单位面积栅极氧化层电容。

其中的正温度系数电流源电路204包含4个部分：由MP7～MP12 构成的电流镜电路，采用共源共栅电流镜可以有效提高电路的电源抑 制性能；2.5V NMOS器件MN3，其宽长比为W₃∶L₃，MN3工作于亚 阈值区域；2.5V NMOS器件MN4，其宽长比为W₄∶L₄，MN4工作于 亚阈值区域；以及电阻器R2。电流镜电路使MN3和MN4上的电流 相等，假设该电流为I_PTAT，其电流大小可以等式11表示

$I_{\mathrm{PTAT}}=\frac{1}{R_2}\left(m{V}_T\ln \frac{W_4/L_4}{W_3/L_3}\right)$(式11)

等式中与温度成正比例关系，电流I_PTAT的温度系 数等于其值大于零。

其中的负温度系数电流源电路的启动电路201和正温度系数电 流源电路的启动电路206的结构一样，均采用了无静态功耗的启动电 路结构，该结构的优点是电路只在上电时有电流，启动完成后电路功 耗为零。下面以正温度系数电流源电路的启动电路206讲述其工作过 程：在电路上电过程中，MP7～MP9的栅极电压随电源电压上升，器 件MP7～MP9无法开启，电路不工作。MP14镜像MP7的电流，电流 值为零，又电容上电压不能突变，电容C2上的电压为零，MP16在 电容C2的电压控制下打开，将MP7～MP9的栅极电压拉低，器件 MP7～MP9开启，电路开始工作，电路工作后，MP7～MP9上有电流 I_PTAT，MP14以电流I_PTAT为电容C2充电，电容上电压上升，上升到某 一电压值，MP16关闭，上升到电源电压后，MP14不再有电流，启 动电路此时功耗为零。

其中的偏置电路205由PMOS器件MP13和电阻器R4构成，为 电流镜电路的共源共栅管提供偏置电压。

其中的基准电压输出电路203，将I_PTAT和I_CTAT求和通过电阻R₃产生基准电压V_REF，其电压大小可以由等式12表示

$V_{\mathrm{REF}}=\frac{R_3}{R_2}\left(m{V}_T\ln \frac{W_4/L_4}{W_3/L_3}\right)$

$+\frac{R_3}{R_1}(V_{\mathrm{th}\_1}-V_{\mathrm{th}\_2}+m{V}_T\ln \frac{I_{\mathrm{CTAT}}}{V_T^2{\mu }_{n\_1}{C}_{\mathrm{ox}\_1}{W}_1/L_1}-\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{CTAT}}}{{\mu }_{n\_2}{C}_{\mathrm{ox}\_2}{W}_2/L_2}})$(式12)

本发明实施例中的电阻采用同种类型的电阻，所以V_REF不受电阻 温度系数的影响。

本发明的基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路结构输出 基准电压温度系数仿真结果如图3所示。从温度系数仿真结果波形可 以看出基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路结构有二阶补偿 的特性。在-40～85℃温度范围内，输出基准电压的最大值为 507.9262mV，最小值为507.7918mV，可以计算出温度系数为 2.12ppm，温度系数参数明显优于非二阶补偿带隙基准结构。

虽然本发明的基于两种阈值电压MOS器件的带隙基准电路结构 内容已经以实例的形式公开如上，然而并非用以限定本发明，如果本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进， 都应该属于本发明权利要求保护的范围。