一种具有温度补偿功能的低功耗基准电压产生电路的制作方法

1.本实用新型涉及集成电路技术领域中的低功耗基准电压产生电路，尤其涉及一种可快速启动且具有温度补偿功能的基准电压产生电路。


背景技术：

2.在集成电路电源领域，基准电压源用于为线性稳压电路、电源检测电路等模拟电路模块提供低温度系数的电压基准。集成电路的规模不断增大，应用环境越来越复杂，系统方面对基准电压源的功耗、面积开销及启动速度等方面的要求也越来越严苛。
3.传统的基准电压产生电路通常使用双极型晶体管构成带隙基准源，利用不同尺寸的双极型晶体管导通相同的电流时产生的基极－发射极压差作为正温度系数的参考电压，与负温度系数的双极型晶体管基极－发射极电压进行补偿，产生零温度系数参考电压作为电源系统的电压基准。
4.在标准cmos工艺中，双极型晶体管通常为横向寄生pnp器件，其beta值较小，且随发射极电流大小而变化，导致器件匹配性变差，正温度系数电压的温度系数受工艺角影响较大，尤其是在低功耗设计中偏差更加明显；此外，传统基准电压产生电路电流由两路双极型晶体管基极－发射极电压差与采样电阻的比值决定，对于低功耗设计，会带来较大的电阻面积开销。
5.启动速度方面，由于传统基准电压产生电路需要通过误差放大器产生的负反馈回路来确保采样电阻两端的压差为两路双极型晶体管基极－发射极压差，对于低功耗应用，误差放大器的稳定速度限制了系统的启动时间。
6.出于上述原因，为实现低功耗的基准电压产生电路，就要牺牲芯片启动时间并增加芯片面积(成本)开销。因此，如何提供一种既能够保证启动速度，又能够有效降低面积成本的基准电压产生电路，成为目前市场上的一项亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本实用新型提供了一种具有温度补偿功能的基准电压产生电路，具体而言，本实用新型提供了以下技术方案：
8.一种具有温度补偿功能的低功耗基准电压产生电路，该低功耗基准电压产生电路至少包括温度补偿基准电压产生电路；
9.所述温度补偿基准电压产生电路，包括正温度系数参考电压产生电路、负温度系数参考电压产生电路，所述正温度系数参考电压产生电路通过级联的工作在亚阈值区的nmos管提供正温度系数参考电压，与负温度系数参考电压产生电路产生的电压补偿后，输出零温度系数基准电压；
10.所述温度补偿基准电压产生电路中的电流由外部偏置电压vbp设置。
11.优选的，所述正温度系数参考电压产生电路包括温度系数粗调电路、温度系数细调电路；所述温度系数粗调电路、温度系数细调电路均为多级级联结构；所述温度系数粗调
电路的各级电路结构相同，所述温度系数细调电路的各级电路结构相同。
12.优选的，所述温度系数粗调电路的单级结构为：
13.作为电流源的pmos管mpc1源极接电源电压，栅极接偏置电压vbp；nmos管mnc1的栅漏短接，并与mpc1的漏极、另一nmos管mnc1’的栅极相接，mnc1的源极与mnc1’的漏极相接；mnc1’的源极连接开关sw＿c[1]的一端；sw＿c[1]的另一端接地；每一级电路中mncx’的源极与下一级中的mncx 1源极相接；mnc1的源极为正温度系数参考电压的输出端vpr。
[0014]
优选的，所述温度系数细调电路的单级结构为：
[0015]
作为电流源的pmos管mpf1源极接电源电压，栅极接偏置电压vbp，漏极接开关sw＿f[1]的一端；sw＿f[1]的另一端接正温度系数参考电压vpr。
[0016]
优选的，所述负温度系数参考电压产生电路包含两个pmos管，第一pmos管mpo1源极接电源电压，栅极接偏置电压vbp，漏极与第二pmos管mpo2的源极相接，作为最终的参考电压输出端vout；mpo2的栅极接正温度系数参考电压vpr，漏极接地vss。
[0017]
优选的，所述偏置电压vbp，由上电启动和偏置电路产生。
[0018]
优选的，所述上电启动和偏置电路包括作为电流镜的第一pmos管mp1、第二pmos管mp2，电流采样管第一nmos管mn1、第二nmos管mn2，上电启动管第四nmos管mn4，电荷释放管第三nmos管mn3，耦合电容c0和采样电阻r0。
[0019]
优选的，第一pmos管mp1和第二pmos管mp2的源极均接电源电压，第二pmos管mp2的栅漏短接并与第一pmos管mp1的栅极、第二nmos管mp2的漏极、第四nmos管mn4的漏极相接，作为偏置电压输出端vbp；第一nmos管mn1的栅漏相接，并与第二nmos管mn2的栅极、第三nmos管mn3的栅极、第一pmos管mp1的漏极相接，第一nmos管mn1的源极接地；第二nmos管mn2的源极接采样电阻r0的一端，采样电阻r0的另一端接地；耦合电容c0一端接电源电压，另一端与第三nmos管mn3的漏极、第四nmos管mn4的栅极相接；第三nmos管mn3、第四nmos管mn4的源极接地。
[0020]
优选的，所述温度系数粗调电路的调节值通过改变电路的级数实现。
[0021]
优选的，所述上电启动及偏置电路用于实现在系统上电时，触发偏置电路退出零电流状态，并建立偏置电压，以启动进入零功耗状态。
[0022]
与现有技术相比，本实用新型的技术方案用工作在亚阈值区的mos器件代替双极型晶体管，产生正温度系数的参考电压，并通过调整电路级数和电流实现对温度系数的粗调和细调；本实用新型未采用传统结构中靠电阻设置支路电流的方式，每一级中的电流均由外部偏置设置，在保证低功耗的同时极大的降低了芯片面积，且不存在小电流时双极型晶体管存在的匹配问题。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0024]
图1为本实用新型实施例中上电启动及偏置电路的结构示意图；
[0025]
图2为本实用新型实施例中带温度补偿功能的基准电压产生电路的结构示意图；
[0026]
图3为本实用新型实施例中正温度系数电压、负温度系数电压及补偿后的零温度系数基准电压曲线。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0028]
本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本实用新型为进一步解释具体的实用新型内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本实用新型明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本实用新型的保护范围的理解。
[0029]
首先，对说明书中的术语进行说明如下：
[0030]
m－stage fine tuning：m级微调结构；
[0031]
n－stage coarse tuning：n级粗调结构。
[0032]
本实用新型实现了一种具有温度补偿功能的低功耗基准电压产生电路，图1及图2是本实用新型的一个具体实施例。实施例包括上电启动和偏置电路及温度补偿基准电压产生电路。如图1所示，上电启动电路在系统上电时为偏置电路提供激励，触发其退出零电流状态，偏置电压建立后，启动电路进入零功耗模式；结合图2，偏置电路为温度补偿基准电压产生电路提供不随电源电压变化的电流参考；温度补偿基准电压产生电路通过级联的工作在亚阈值区的nmos管提供正温度系数参考电压，与负温度系数的pmos管栅源电压补偿后输出零温度系数基准电压。
[0033]
上述上电启动和偏置电路包括作为电流镜的第一pmos管mp1、第二pmos管mp2，电流采样管第一nmos管mn1、第二nmos管mn2，上电启动管第四nmos管mn4，电荷释放管第三nmos管mn3，耦合电容c0和采样电阻r0。第一pmos管mp1和第二pmos管mp2的源极均接电源电压vcc，第二pmos管mp2的栅漏短接并与第一pmos管mp1的栅极、第二nmos管mp2的漏极、第四nmos管mn4的漏极相接，作为偏置电压输出端vbp；第一nmos管mn1的栅漏相接，并与第二nmos管mn2的栅极、第三nmos管mn3的栅极、第一pmos管mp1的漏极相接，第一nmos管mn1的源极接地；第二nmos管mn2的源极接采样电阻r0的一端，采样电阻r0的另一端接地vss；耦合电容c0一端接电源电压，另一端与第三nmos管mn3的漏极、第四nmos管mn4的栅极相接；第三nmos管mn3、第四nmos管mn4的源极接地。
[0034]
上述具有温度补偿功能的基准电压产生电路包括正温度系数参考电压产生电路和负温度系数参考电压产生电路，其中正温度系数参考电压产生电路又包括温度系数粗调电路和温度系数细调电路。温度系数粗调电路包含n级结构，即n级粗调结构(参见图2中的n－stage coarse tuning)，每一级结构相同，以第一级为例，作为电流源的pmos管mpc1源极接电源电压，栅极接偏置电压vbp；nmos管mnc1的栅漏短接，并与mpc1的漏极、mnc1’的栅极相接，mnc1的源极与mnc1’的漏极相接；mnc1’的源极连接开关sw＿c[1]的一端；sw＿c1.的另一端接地；每一级电路中mncx’的源极与下一级中的mncx 1源极相接；mnc1的源极为正温度系数参考电压的输出端vpr。温度系数细调电路包含m级结构，即m级微调结构(参见图2中的m－stage fine tuning)，每一级结构相同，以第一级为例，作为电流源的pmos管mpf1源极接电源电压，栅极接偏置电压vbp，漏极接开关sw＿f[1]的一端；sw＿f[1]的另一端接vpr。负温度系数参考电压产生电路包含两个pmos管，第一pmos管mpo1源极接电源电压，栅极接偏置电压vbp，漏极与第二pmos管mpo2的源极相接，作为最终的参考电压输出端vout；mpo2的栅极接正温度系数参考电压vpr，漏极接地。
[0035]
本实施例中，粗调电路及细调电路中，每一级中的电流均由外部稳定的偏置电压来设置，在保证低功耗的同时极大的降低了芯片面积，且不存在小电流时双极型晶体管存在的匹配问题。
[0036]
在本方案电路启动时，电源上电过程中，通过c0将mn4的栅极耦合至高电平，mn4导通将vbp拉低至vss，偏置电路退出零电流状态，vbp逐渐建立，mn3导通将c0下级板放电至vss，vbp不受mn4下拉影响，逐渐建立至稳态值。
[0037]
vbp稳定建立过程中，基准电压产生电路中的电流镜管mpc1至mpcn，mpf1至mpfm，mpo1逐步达到稳定电流源工作状态，通过正温度系数参考电压产生电路和负温度系数参考电压产生电路相补偿产生接近零温度系数的参考电压。
[0038]
以下，就本方案电路的工作原理阐述如下：
[0039]
vcc上电时，耦合电容c0的下级板电压随即升高，mn4导通，通过拉低vbp电压使偏置电路退出零电流状态，偏置电流可由下式(1)得到。偏置状态正常建立后，通过mn3将电容c0下级板电荷泄放，mn4截止。
[0040][0041]
公式(1)中，μ
n
为nmos管的载流子迁移率，c
ox
为mos管单位面积的栅氧电容，w为mos管的沟道宽度，l为mos管沟道长度，k为mn2宽长比与mn1宽长比的比例。
[0042]
由mpc1、mnc1、mnc1’和sw＿c[1]组成的单级正温度系数电压产生电路的工作原理如下，sw＿c[1]闭合，支路电流为i
ref
，mnc1和mnc1’均工作在亚阈值区，mnc1的宽长比大于mnc1’的宽长比，设定其宽长比的比例为a，则可以得到：
[0043][0044][0045]
v
gs,mnc1
＝v
gs,mnc1'
‑
v
vpr
ꢀꢀ
(4)
[0046]
上述公式(2)(3)(4)中，i0是与mos管工艺及宽长比相关的参量，w和l分别为mos管的沟道宽度和长度，q为单位电荷，v
gs
为相应mos管的栅源电压，n为与工艺相关的常量，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，v
vpr
为vpr节点的电压。
[0047]
综合上述(2)(3)(4)式，并考虑到mnc1及mnc1’电流相等，均为i
ref
，可以得到：
[0048]
[0049]
公式(5)中，n为工艺相关的常数，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，q为单位电荷量，a为mnc1宽长比与mnc1’宽长比的比例。
[0050]
粗调电路通过增加级数实现，细调电路通过增加mnc1’的电流实现，推导可得到所有级数均加入电路中后，得到的
[0051]
式(5)和式(6)即为正温度系数电压的调节范围。其中，m为温度系数细调电路的级数，n为温度系数粗调电路的级数。
[0052]
vpr电压与具有负温度系数的pmos管mpo2栅源电压补偿，即可得到接近零温度系数的输出基准电压vout。
[0053]
图3为正温度系数电压、负温度系数电压及补偿后的零温度系数电压波形曲线，可以看到，温度补偿后，在－40℃至85℃的温度范围内，输出电压的温度系数在－60ppm到20ppm之间，满足大多数电源系统对基准电压精度的需求。
[0054]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0055]
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。
[0056]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。