一种低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源的制作方法

1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源。


背景技术：

2.随着物联网产业的迅速发展，无线电子设备市场急剧增长。同时，随着集成电路工艺节点的降低，电子元器件的集成度指数增加。作为电路的基本单元，带隙基准电压源在芯片的参考源应用中起着极大的作用，比如应用在运算放大器、adc、误差放大器等的参考电位中，并且其性能往往在很大程度上影响着整个系统的性能。
3.传统的带隙基准电压源如图1所示。运算放大器与pmos管m1、m2所形成的闭环回路，迫使节点x、y电压相等，即v
x
＝v
y
，从而保证两侧流过三极管的电流相同，即产生正温度系数电流：其中，k是玻尔兹曼常数，t是绝对温度，q是单位电荷电量，n为三极管q1、q2面积比，r1为电阻。此电流在理想条件下不随电源电压变化，且正比于绝对温度。
4.正温度系数电流i
ptat
通过pmos管m3管复制到输出电路，产生带隙基准电压其中，v
be3
为三极管q3的发射结电压，表现为负温度系数特性。在理想情况下，通过合理调节大小，得到一个对温度变化敏感度较低的参考电压源。
5.传统结构的带隙基准电压源缺点显著。具体表现在实际应用中，由于三极管的发射结电压v
be
的负温度系数呈现非线性，仅仅通过一阶温度补偿难以达到很好的效果。并且由于三极管q3的发射结电压v
be3
较大，输出电压难以满足低功耗电路的需求。因此，传统的带隙基准电压源结构无法很好地适应日益先进的低电压低功耗电路。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明提供了一种低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源，包括启动电路、带隙基准核心电路和参考电源产生电路，其中，
8.所述启动电路用于在电源电压上电过程中启动所述带隙基准核心电路和所述参考电源产生电路；
9.所述带隙基准核心电路用于产生正温度系数电流；
10.所述参考电源产生电路用于产生负温度系数电流，并利用由三极管和nmos管组成的源级负反馈结构，对所述负温度系数电流进行初步补偿，再利用电阻联结对所述正温度系数电流和所述负温度系数电流产生的电压进行相互补偿，获得参考电压源。
11.在本发明的一个实施例中，所述启动电路包括pmos管m16、pmos管m17、nmos管m18和nmos管m19，其中，
12.所述pmos管m16的源极连接电源电压vdd，漏极和栅极均连接所述pmos管m17的源极；所述pmos管m17的栅极和所述nmos管m18的栅极均连接至参考电压vr的输出端，所述pmos管m17的漏极和所述nmos管m18的漏极均连接至所述nmos管m19的栅极；所述nmos管m19的漏极连接所述参考电源产生电路和所述带隙基准核心电路，所述nmos管m18的源极和所述nmos管的m19的源极均连接地电位gnd。
13.在本发明的一个实施例中，所述带隙基准核心电路包括pmos管m5、pmos管m6、pmos管m9、pmos管m10、pmos管m11、nmos管m1、nmos管m2、nmos管m3、nmos管m4、nmos管m7、nmos管m8、三极管q1、三极管q2、电阻rb、电阻rz以及电容cc，其中，
14.所述pmos管m5的源极、所述pmos管m6的源极、所述pmos管m9的源极、所述pmos管m10的源极和所述pmos管m11的源极均连接电源电压vdd，所述pmos管m9的栅极、所述pmos管m10的栅极、所述pmos管m11的栅极、所述pmos管m5的漏极均连接至所述nmos管m19的漏极；
15.所述电容cc和所述电阻rz串联在所述pmos管m10的栅极与漏极之间，所述电阻rb连接在所述pmos管m10的漏极与所述三极管q2的发射极之间，所述三极管q2的基极和集电极均连接地电位gnd；所述三极管q1的发射极连接所述pmos管m11的漏极，并且基极和集电极均连接地电位gnd；
16.所述nmos管m3的栅极和所述nmos管m7的栅极均连接所述pmos管m11的漏极，所述nmos管m8的栅极和所述nmos管m4的栅极均连接所述pmos管m10的漏极，所述nmos管m7的漏极和所述nmos管m8的漏极均连接所述pmos管m9的漏极，所述nmos管m7的源极和所述nmos管m8的源极均连接所述nmos管m2的漏极；
17.所述nmos管m2的栅极和漏极均连接所述nmos管m1的栅极，所述nmos管m1的源极和所述nmos管m2的源极均连接地电位gnd，所述nmos管m3的源极和所述nmos管m4的源极均连接所述nmos管m1的漏极；
18.所述pmos管m5的漏极连接nmos管m3的漏极，所述pmos管m5的栅极和所述pmos管m6的栅极均连接所述pmos管m6的漏极；所述nmos管m4的漏极连接所述pmos管m6的漏极。
19.在本发明的一个实施例中，所述参考电源产生电路包括nmos管m12、pmos管m13、pmos管m14、pmos管m15、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4，其中，
20.所述pmos管m13的源极、所述pmos管m14的源极和所述pmos管m15的源极均连接电源电压vdd；所述pmos管m15的漏极作为参考电压vr的输出端；所述pmos管m15的栅极连接所述pmos管m5的漏极；
21.所述电阻r2、所述电阻r3和所述电阻r4串联在所述pmos管m15的漏极与地电位gnd之间；所述pmos管m14的漏极连接在所述电阻r3与所述电阻r4之间；所述pmos管m14的栅极和所述pmos管m13的栅极均连接所述pmos管m13的源极；所述nmos管m12的源极连接所述pmos管m13的漏极，所述nmos管m12的栅极连接所述三极管q1的发射极；所述电阻r1连接在所述nmos管m12的漏极与地电位gnd之间。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
23.1、本发明通过在带隙基准电压电路中使用nmos管作为运算放大器的输入级，弥补了由于三极管较大的发射结电压v
be
导致低电压下pmos管作为运算放大器的输入级过驱动
电压不够的弱点，从而达到低电压工作的要求。
24.2、本发明通过在参考电源产生电路中采用三极管的发射结电压v
be
和nmos管的栅源电压v
gs
的负温度系数做差的方法和源级负反馈技术，可以得到一个较低且较稳定的负温度系数，应用在电路中，同时配合电阻调节正温度系数和负温度系数，最终能够获得一个低温漂系数的参考电压源，功耗低于2uw，输出电压为800mv，[
‑
20℃，110℃]温度范围内温漂系数约为0.86ppm/℃，且输出噪声也有着优秀的性能。
[0025]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0026]
图1是一种传统的带隙基准电压源的电路图；
[0027]
图2是本发明实施例提供的一种低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源的电路图；
[0028]
图3a为三极管的发射结电压v
be
和nmos管栅源电压v
gs
各自随温度变化的仿真图；
[0029]
图3b为三极管发射结电压v
be
和nmos管栅源电压v
gs
的负温度系数随温度变化的仿真图；
[0030]
图4a至图4d是对本发明实施例的低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源的仿真结果图。
具体实施方式
[0031]
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源进行详细说明。
[0032]
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
[0033]
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0034]
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源的电路图。该带隙基准电压源包括启动电路、带隙基准核心电路和参考电源产生电路，其中，
[0035]
包括启动电路、带隙基准核心电路和参考电源产生电路，其中，
[0036]
所述启动电路用于在电源电压上电过程中启动所述带隙基准核心电路和所述参考电源产生电路；
[0037]
所述带隙基准核心电路用于产生正温度系数电流；
[0038]
所述参考电源产生电路用于产生负温度系数电流，并利用由三极管和nmos管组成的源级负反馈结构，对所述负温度系数电流进行初步补偿，再利用电阻联结对所述正温度系数电流和所述负温度系数电流产生的电压进行相互补偿，获得参考电压源。
[0039]
进一步地，所述启动电路包括pmos管m16、pmos管m17、nmos管m18和nmos管m19，其中，
[0040]
所述pmos管m16的源极连接电源电压vdd，漏极和栅极均连接所述pmos管m17的源极；所述pmos管m17的栅极和所述nmos管m18的栅极均连接至参考电压vr的输出端，所述pmos管m17的漏极和所述nmos管m18的漏极均连接至所述nmos管m19的栅极；所述nmos管m19的漏极连接所述参考电源产生电路和所述带隙基准核心电路，所述nmos管m18的源极和所述nmos管的m19的源极均连接地电位gnd。
[0041]
进一步地，所述带隙基准核心电路包括pmos管m5、pmos管m6、pmos管m9、pmos管m10、pmos管m11、nmos管m1、nmos管m2、nmos管m3、nmos管m4、nmos管m7、nmos管m8、三极管q1、三极管q2、电阻rb、电阻rz以及电容cc，其中，
[0042]
所述pmos管m5的源极、所述pmos管m6的源极、所述pmos管m9的源极、所述pmos管m10的源极和所述pmos管m11的源极均连接电源电压vdd，所述pmos管m9的栅极、所述pmos管m10的栅极、所述pmos管m11的栅极、所述pmos管m5的漏极均连接至所述nmos管m19的漏极；
[0043]
所述电容cc和所述电阻rz串联在所述pmos管m10的栅极与漏极之间，所述电阻rb连接在所述pmos管m10的漏极与所述三极管q2的发射极之间，所述三极管q2的基极和集电极均连接地电位gnd；所述三极管q1的发射极连接所述pmos管m11的漏极，并且基极和集电极均连接地电位gnd；
[0044]
所述nmos管m3的栅极和所述nmos管m7的栅极均连接所述pmos管m11的漏极，所述nmos管m8的栅极和所述nmos管m4的栅极均连接所述pmos管m10的漏极，所述nmos管m7的漏极和所述nmos管m8的漏极均连接所述pmos管m9的漏极，所述nmos管m7的源极和所述nmos管m8的源极均连接所述nmos管m2的漏极；
[0045]
所述nmos管m2的栅极和漏极均连接所述nmos管m1的栅极，所述nmos管m1的源极和所述nmos管m2的源极均连接地电位gnd，所述nmos管m3的源极和所述nmos管m4的源极均连接所述nmos管m1的漏极；
[0046]
所述pmos管m5的漏极连接nmos管m3的漏极，所述pmos管m5的栅极和所述pmos管m6的栅极均连接所述pmos管m6的漏极；所述nmos管m4的漏极连接所述pmos管m6的漏极。
[0047]
进一步地，所述参考电源产生电路包括nmos管m12、pmos管m13、pmos管m14、pmos管m15、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4，其中，
[0048]
所述pmos管m13的源极、所述pmos管m14的源极和所述pmos管m15的源极均连接电源电压vdd；所述pmos管m15的漏极作为参考电压vr的输出端；所述pmos管m15的栅极连接所述pmos管m5的漏极；
[0049]
所述电阻r2、所述电阻r3和所述电阻r4串联在所述pmos管m15的漏极与地电位gnd之间；所述pmos管m14的漏极连接在所述电阻r3与所述电阻r4之间；所述pmos管m14的栅极和所述pmos管m13的栅极均连接所述pmos管m13的源极；所述nmos管m12的源极连接所述pmos管m13的漏极，所述nmos管m12的栅极连接所述三极管q1的发射极；所述电阻r1连接在所述nmos管m12的漏极与地电位gnd之间。
[0050]
进一步地，所述三极管q2中包括至少两个与所述三极管q1相同且并联的三极管。
[0051]
本发明带隙基准电压源的工作原理如下：
[0052]
所述启动电路保证电源电压vdd经历上电过程，由0v上升到1v，稳定之后能实现预期功能。pmos管m17和nmos管m18形成反相器结构，pmos管m16连接成二极管形式，目的是降低由电源电压vdd传递到pmos管m10漏极的电压，以保证反相器正常通断，同时降低功耗，该电压作为所述反相器的高电平。在电源电压vdd上电过程中，反相器输出高电平，控制nmos管m19导通，将pmos管m5、m10、m11和m15的栅极电位下拉到地电位gnd，此时所述带隙基准核心电路和所述参考电源产生电路开始工作。当输出参考电位vr上升到大于nmos管m18的阈值电压时，pmos管m17和nmos管m18形成的反相器输出低电平，nmos管m19关断，此时动态功耗逐渐降为0。整体电路经过一段时间后达到稳定。本实施例的启动电路中采用逻辑结构开关，其优点是静态功耗极低。
[0053]
进一步地，所述带隙基准核心电路中的nmos管m1、nmos管m3、nmos管m4、pmos管m5和pmos管m6构成五管ota(运算放大器)，该五管ota与pmos管m10、pmos管m11、三极管q1、三极管q2以及电阻rb共同构成带隙基准的主体结构，得到一个正温度系数电流：
[0054][0055]
其中，k是玻尔兹曼常数，t是绝对温度，q是单位电荷电量，n为三极管q1和q2面积比。
[0056]
nmos管m2、nmos管m7、nmos管m8和pmos管m9为该五管ota的尾电流管m1提供偏置。电阻rz和电容cc在该五管ota到pmos管m10、pmos管m11的反馈环路中引入密勒补偿，以提高所述带隙基准核心电路的环路稳定性和带宽。nmos管m3和nmos管m4作为该五管ota的输入级，原因在于：三极管v
be
较高，pmos管作为输入级，难以保证电路低电压低功耗工作下ota在饱和区，同时nmos管的本征增益大，故采用nmos管作为输入级。
[0057]
所述参考电源产生电路中的nmos管m12、pmos管m13和电阻r1产生负温度系数电流i
ctat
，pmos管m13和pmos管m14构成电流镜，复制负温度系数电流i
ctat
电流流向电阻r4。pmos管m15复制正温度系数电流i
ptat
依次流向电阻r2、电阻r3和电阻r4。pmos管m15的漏极作为本实施例的带隙基准电压源的输出vr。其内部原理如下。
[0058]
在nmos管m12、pmos管m13、电阻r1的电路拓扑结构中，nmos管m12和电阻r1构成源级负反馈，pmos管m13作为负载。本发明实施例的带隙基准电压源通过这一结构，获得对温度变化敏感度较低的负温度系数电流，从而使得后面在与正温度系数电流相互补偿的过程中，整体实现了低温漂系数。具体地，三极管q1的发射结电压v
be
的负温度系数绝对值大，且变化较大；nmos管的栅源电压v
gs
的负温度系数绝对值较小，且变化较小。在源级负反馈结构中，nmos管m12的栅极的输入电压为三极管q1的发射结电压v
be
，通过该结构利用了三极管q1的发射结电压v
be
与nmos管的栅源电压v
gs
的负温度系数做差，同时也利用了源级负反馈本身缓和输入电压的特性，改善了电阻r1上的负温度系数电压，电阻r1上流过的负温度系数电流为pmos管m14流向电阻r4的电流其中，(w/l)
13
表
示pmos管m13的宽长比，(w/l)
14
表示pmos管m14的宽长比。pmos管m15依次流向电阻r2、电阻r3和电阻r4的电流为其中，(w/l)
15
表示pmos管m15的宽长比，(w/l)
11
表示pmos管m11的宽长比。输出参考电压如下：
[0059][0060]
整理上述参数得到：
[0061][0062]
根据上式，通过调节m11、m13、m14、m15的宽长比以及三极管q1、q2的面积比n，以及电阻rb、r1、r2、r3、r4的大小，可以获得预期的输出参考电压。其中，电阻rb和三极管q1和q2的面积比n主要用来调节带隙基准核心电路产生的正温度系数电流i
ptat
电流；电阻r1调节获得的负温度系数电流i
ctat
电流大小；调节电阻r2、r3和r4的大小，使正温度系数电流i
ptat
流经电阻r3、r4产生的电压呈正温度特性，同时使负温度系数电流流经r4产生的电压呈负温度特性，从而达到正负温度特性补偿的目的，降低输出参考电压对温度的敏感度。在这一过程中，电阻r3、r4共同作用于调节输出参考电压的大概值和实现正负温漂系数相互补偿，作为粗调；电阻r2、r3共同作用于调节输出参考电压的精确值和低温漂系数的温度范围，作为微调。
[0063]
本发明通过正负温度系数的电流流过电阻r2、r3、r4产生带隙基准电压源，与传统相比(传统结构由于发射结电压v
be
本身很大，难以获得较低的输出电压)，此种结构可以获得较低的输出电压。
[0064]
下面结合仿真实验对本发明实施例的带隙基准电压源作进一步描述。
[0065]
本发明实施例的仿真实验的电路元件采用cmos工艺，在linux操作系统下，在cadence软件中搭建仿真电路。本发明实施例采用spectrerf仿真工具，对电路分别进行相关性能仿真。
[0066]
图3a为三极管的发射结电压v
be
和nmos管栅源电压v
gs
各自随温度变化的仿真图；图3b为三极管发射结电压v
be
和nmos管栅源电压负温度系数随温度变化的仿真图。由图3a和图3b看出，利用三极管发射结电压v
be
和nmos管栅源电压v
gs
的负温度系数之差，同时结合电阻r1采用源级负反馈技术能够在尽量小的功耗和面积条件下，实现对三极管的发射结电压v
be
的负温度系数进行初步补偿。
[0067]
图4a至图4d是对本发明实施例的低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源的仿真结果图，其中，图4a为电阻r1上的电压随温度变化的曲线图，相较于图3a中三极管发射结电压v
be
的负温度系数变化，整体电阻r1上电压的负温度系数缓和不少，说明了源级负反馈结构很大程度上改善了电路的负温度特性；图4b为带隙基准核心电路中整体环路稳定性仿真图，该图表明带隙基准核心电路整体环路带宽大于800khz，相位裕度大于54deg；图4c为输出参考电压vr随温度变化的仿真图，经计算在[
‑
20℃,110℃]温度范围内，其温漂系数约为0.86ppm/℃；图4d是输出参考电压vr输出噪声谱仿真图，输出噪声功率谱密度在100hz处约为该图表现输出噪声谱具有优秀的性能。
[0068]
以上仿真结果表明：本发明整体性能表现突出，能够实现低功耗低电压低温漂的带隙基准电压源。
[0069]
综上，本发明实施例通过在带隙基准电压电路中使用nmos管作为运算放大器的输入级，弥补了由于三极管较大的发射结电压v
be
导致低电压下pmos管作为运算放大器的输入级过驱动电压不够的弱点，从而达到低电压工作的要求；通过在参考电源产生电路中采用三极管的发射结电压v
be
和nmos管的栅源电压v
gs
的负温度系数做差的方法和源级负反馈技术，可以得到一个较低且较稳定的负温度系数，应用在电路中，同时配合电阻调节正温度系数和负温度系数，最终能够获得一个低温漂系数的参考电压源，功耗低于2uw，输出电压为800mv，[
‑
20℃，110℃]温度范围内温漂系数约为0.86ppm/℃，且输出噪声也有着优秀的性能。
[0070]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。