一种可控的低功耗CMOS参考源及其模块和芯片的制作方法

一种可控的低功耗cmos参考源及其模块和芯片
技术领域
1.本发明属于数模混合及射频集成电路技术领域，具体涉及一种可控的低功耗cmos参考源及其模块和芯片。


背景技术：

2.基准电压源广泛应用于模拟、混合信号集成电路与系统级芯片中，用于提供适当的偏置电压或参考电压，其性能好坏直接影响着系统的性能稳定。如运算放大器(op-amp)、模数转换器(adc)、数模转换器(dac)、低压降线性稳压器(ldo)、压控振荡器(vco)、锁相环(pll)和时钟数据恢复(cdr)等电路，都需要输出不随温度、电源电压变化的精确而稳定的基准电压。在集成电路中，有三种常用的基准电压源：掩埋齐纳(zener)基准电压源、xfet基准电压源和带隙(bandgap)基准电压源。
3.随着片上系统(soc)的快速发展，系统要求模拟集成模块能够兼容标准cmos工艺；在soc上，数字集成模块的噪声容易通过电源和地耦合到模拟集成模块，这就要求模拟集成模块具有良好的电源噪声抑制能力。随着ic设计不断向深亚微米工艺发展，要求模拟集成电路的电源电压能够降至1v甚至更低电压，同时由于移动电子设备的逐渐增多，需要模拟集成模块具有较低的功耗。尽管掩埋齐纳基准电压源和xfet基准电压源的温度稳定性非常好，但是它们的制造流程都不能兼容标准cmos工艺；而且掩埋齐纳基准电压源的输出一般大于5v。相比之下，目前最常用的是带隙基准电压源。
4.传统带隙基准电压源主要由cmos运算放大器、二极管和电阻等元件构成，由于电路中没有使用bjt管，因而可以兼容cmos工艺。但是，传统带隙基准电压源的输出电压基本恒定在1.25v左右，使得电源电压vcc不能低于1.25v，不能满足当前低电压低功耗ic的设计要求。
5.为了解决输出电压较高的问题，技术人员开发出了一种利用电阻分压技术的经典改进型带隙基准电压源。该带隙基准电压源可以通过改变电阻比值，使得输出基准电压值不再局限在传统的1.25v左右。但是，由于这类电压源使用的增强型nmos管的阈值电压超过二极管正向偏压；为此，电压源中的运放输入需要采用较低阈值电压的本征nmos晶体管，而这则会限制电源电压最低为2.1v。而且这还会导致带隙基准电压源具有较高的温度系数(
±
59ppm/℃)，降低了电压源在大温差工作环境中的可靠性。
6.为了降低电压源的温度系数，技术人员还开发出了一种采用电压自动调节技术抑制电源噪声的高psrr的cmos带隙基准电压源。这种带隙基准电压源包括电压自动调节电路和基准产生器两部分。电路的主要组成部分是一个低阻抗接地支路(lib)，lib通过检测电压的变化并反馈电流进入pmos管来减小电压的波动。该基准产生器采用共源共栅结构，改善了整个带隙基准电压源的psrr(电源抑制比，-115db@dc，-90db@10mhz)。在该电路中，通过选择合适的电阻比，可以补偿得到较低的温度系数(11.6ppm/℃，-40/℃～125/℃)。但是，其采用的电压自动调节电路需要消耗不小功耗(42ua@vdd＝3.3v，整体消耗84ua@vdd＝3.3v)，同时由于基准产生器部分采用了共源共栅结构，使用了电源电压3.3v，限制了该带
隙基准电压源的低压低功耗应用。
7.在基准电压源设计过程中，较低的温度系数，更低的功耗，更多样化的信号输出，以及更灵活可控的电压输出，都是本领域技术人员不断追求的方向；然而现有技术提供的各种电压源通常仅可以实现其中的一、两个指标。为了适应片上系统的发展，本领域技术人员亟需开发一种能够满足多项指标，性能更加平衡的参考源产品。


技术实现要素：

8.为了解决现有基准电压源在低功耗、低温漂、输出灵活度等性能上无法达到均衡，影响到产品在片上系统中的应用的问题；本发明提供了一种可控的低功耗cmos参考源及其模块和芯片。
9.本发明采用以下技术方案实现：
10.一种可控的低功耗cmos参考源，其用于在控制信号pd的控制下可关断地输出一个与绝对温度成正相关的参考电流i
ptat
以及一个具有低温漂特性的基准电压vref。
11.该型低功耗cmos参考源包括开关电路、启动电路、自偏置电压产生电路、主偏置电流产生电路、基准电压产生电路，以及电流复制电路。其中，低功耗cmos参考源中的各个电路模块均与直流电源vdd相连接；低功耗cmos参考源中的开关电路、启动电路、自偏置电压产生电路、主偏置电流产生电路和基准电压产生电路均包含接地端。
12.本发明中，开关电路根据输入的控制信号pd输出三路相应的开关信号von-off，三路开关信号von-off分别发送到启动电路、主偏置电流产生电路和基准电压产生电路。
13.启动电路在接收到的开关信号von-off为打开状态时生成一个启动信号vs并发送到主偏置电流产生电路；并在电路稳定后接收到主偏置电流产生电路反馈回来的一个反馈信号vf时自动关闭。
14.自偏置电压产生电路和主偏置电流产生电路之间相互传送彼此生成的偏置电压v
b34
和v
b43
，进而形成一个“自偏置”的回路。
15.主偏置电流产生电路在接收到的开关信号von-off为打开状态时同步接收到一个启动信号vs，主偏置电流产生电路在接收到启动信号vs后快速建立稳态；主偏置电流产生电路正常工作后分别向基准电压产生电路和电流复制电路同步传递一路与绝对温度成正相关的偏置电流信号i
b1
和i
b2
；同时向启动电路发送反馈信号vf。
16.基准电压产生电路在接收到的开关信号von-off为打开状态时，将接收到的偏置电流信号i
b1
和具有负温度特性的栅源电压进行温度补偿，在较低电源电压下生成一个低功耗低温漂的基准电压vref并输出。
17.电流复制电路在主偏置电流产生电路打开时，根据接收到的偏置电流信号i
b2
调制出一个参考电流i
ptat
并输出。
18.作为本发明进一步的改进，启动电路包括：2个pmos管pm0、pm1和3个nmos管nm0、nm1、nm3。其中，pm0和pm1的源极作为启动电路的直流输入端连接电源vdd；pm0的栅极与漏极相连，并且与pm1和nm0的栅极相连。pm1的漏级与nm3的栅极和nm1的漏极相连。nm3的栅级与开关电路中的nm2的源极相连，并作为启动电路的输入端与开关电路的输出端相连。nm1的栅极作为启动电路的输入端与主偏置电流产生电路的输出端相连。nm0的源极和漏极、nm1和nm3的源极分别接地。
19.作为本发明进一步的改进，自偏置电压产生电路包括：pmos管pm3和nmos管nm4。其中，pm3的源极作为自偏置电压产生电路的直流输入端连接直流电源vdd。pm3的栅极和漏极以及nm4的漏极连在一起作为自偏置电压产生电路的输出端连接到主偏置电流产生电路的输入端。nm4的栅极作为自偏置电压产生电路的输入端与主偏置电流产生电路的输出端相连，nm4的源极接地。
20.作为本发明进一步的改进，主偏置电流产生电路包括：6个pmos管pm4、pm5、pm6、pm7、pm8与pm9，3个nmos管nm5、nm6和nm7，以及电阻r1。其中，pm4、pm6和pm8的源极相连并作为主偏置电流产生电路的直流输入端连接vdd。pm4的漏极与pm5的源极相连，作为主偏置电流产生电路的输出端与启动电路的输入端相连。pm6的漏极与pm7的源极相连；pm8的漏极与pm9的源极相连；pm4、pm6和pm8的栅极共接于pm5的漏极，与nm5的漏极相连，并与开关电路中的pm2、nm2的漏级相连，作为主偏置电流产生电路的输入端与开关电路的输出端相连。pm5、pm7和pm9的栅极共接在一起。pm7的漏极与nm6的栅极相连并连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端与nm7的栅级和nm6的漏级相连。pm9的漏极与nm7的漏极相连，并作为主偏置电流产生电路的输出端与自偏置电压产生电路的输入端相连。nm5、nm6与nm7的源极分别接地。
21.作为本发明进一步的改进，基准电压产生电路包括：2个pmos管pm10、pm11，nmos管nm8以及电阻r2与r3。其中，pm10的源极作为基准电压产生电路的直流输入端连接直流电源vdd。pm10的栅极和主偏置电流产生电路中的pm8的栅极相连。pm11的栅极和主偏置电流产生电路中的pm9的栅极相连。pm10的漏极和pm11的源极相连。pm11的漏极与电阻r2和电阻r3的一端相连，并作为基准电压产生电路的输出端，输出基准电压vref，同时连接到开关电路中的nm9的漏级。电阻r2的另一端连接nm8的漏极和栅极，电阻r3的另一端接地；nm8的源极接地。
22.作为本发明进一步的改进，基准电压产生电路输出的基准电压vref的值与电阻r2和r3的阻值有关。因而可以根据目标场景对基准电压的需求调整电阻电阻r2和r3的阻值，进而输出不同大小的目标基准电压值。
23.作为本发明进一步的改进，电流复制电路包括：两个pmos管pm12和pm13。其中，pm12的源极作为电流复制电路的直流输入端连接直流电源vdd。pm12的栅极与主偏置电流产生电路中的pm8的栅极相连；pm13栅极与主偏置电流产生电路中的pm9的栅极相连，pm12的漏极和pm13的源极相连。pm13的漏级作为电流复制电路的输出级，输出参考电流iptat。
24.作为本发明进一步的改进，开关电路包括：3个pmos管pm14、pm15、pm2和4个nmos管nm10，nm11，nm2、nm9。其中，pm14、pm15和pm2的源极作为开关电路的直流输入端连接vdd。pm14和nm10的栅极连接在一起，并作为开关电路的输入端用于接收pd控制信号。pm14、nm10的漏极和pm15、nm11的栅极相连，并作为开关电路的输出端与pm2和nm2的栅极相连。pm15、nm11的漏级相连，并作为开关电路的输出端，与nm9的栅级相连；nm10，nm11和nm9的源极接地。
25.本发明还包括一种可控的低功耗cmos参考源模块，该模块采用如前述的可控的低功耗cmos参考源中的电路，进而实现在控制信号pd的控制下，可关断地输出一个与绝对温度成正相关的参考电流i
ptat
以及一个具有低温漂特性的基准电压vref。
26.本发明中的低功耗cmos参考源模块包括：开关控制单元、启动单元、自偏置电压产
生单元、主偏置电流产生单元、基准电压产生单元和电流复制单元。
27.其中，开关控制单元包括一个输入端和三个输出端。输入端用于接收一个由管理人员发出的用于控制低功耗cmos参考源模块开关状态的控制信号pd。三个输出端用于将相应的开关信号von-off分别发送到一个启动单元、主偏置电流产生单元，以及基准电压产生单元。
28.启动单元包括两个输入端和一个输出端。其中一个输入端用于接收开关信号von-off，另一个输入端用于接收由主偏置电流产生单元发送的一个反馈信号vf。输出端用于向主偏置电流产生单元发送一个启动信号vs。
29.自偏置电压产生单元包括一个输入端和一个输出端。输入端用于接收由主偏置电流产生单元发送一个偏置电压信号v
b43
。输出端用于向主偏置电流产生单元发送一个偏置电压信号v
b34
。
30.主偏置电流产生单元包括三个输入端和四个输出端。其中一个输入端用于接收开关信号von-off，另一个输入端用于接收由自偏置电压产生单元发送的偏置电压信号v
b34
，第三个输入端用于接收由启动单元发送的启动信号vs。其中一个输出端用于向启动单元发送反馈信号vf，另一个输出端用于向自偏置电压产生单元发送偏置电压信号v
b43
；第三个输出端用于向基准电压产生单元传递一个偏置电流信号ib1；第四个输出端用于向电流复制单元传递一个偏置电流信号ib2。
31.基准电压产生单元包括两个输入端和一个输出端。其中一个输入端用于接收开关信号von-off，另一个输入端用于接收由主偏置电流产生单元发送的偏置电流信号i
b1
。输出端用于输出基准电压vref。
32.电流复制单元包括一个输入端和一个输出端。其中输入端用于接收由主偏置电流产生单元传递的偏置电流信号ib2。输出端用于输出参考电流i
ptat
。
33.其中，开关控制单元、启动单元、自偏置电压产生单元、主偏置电流产生单元、基准电压产生单元和电流复制单元中均包含一个直流电压输入端，直流电压输入端用于与一个直流电源vdd相连接；开关控制单元、启动单元、自偏置电压产生单元、主偏置电流产生单元和基准电压产生单元均包含接地端。
34.本发明还包括一种参考源芯片，该芯片由如前述的可控的低功耗cmos参考源封装而成。参考源芯片的引脚包括：地线引脚、直流电源引脚、控制信号输入引脚、基准电压输出引脚和参考电流输出引脚。
35.其中，直流电源引脚用于连接一个直流电压源vdd，进而为参考源芯片供电。
36.控制信号输入引脚用于将控制信号pd引至向芯片中的开关电路。
37.基准电压输出引脚用于输出参考源芯片中的基准电压产生电路生成的具有低温漂特性的基准电压vref。
38.参考电流输出引脚用于输出参考源芯片中的电流复制电路调制出的与绝对温度成正相关的参考电流iptat。
39.本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
40.1.本发明的cmos参考源利用弱反型mos管栅源电压的温度特性进行温度补偿，不需要引入双极型晶体管来构造正负温度系数的参数进行温度补偿，可在低电压条件下得到更低功耗、更低温漂的基准电压。
41.2.本发明的cmos参考源结构简单，不存在运算放大器所带来的高失调和补偿的缺陷问题。同时，本发明不仅可以输出低功耗低温漂的基准电压，还可以输出一个与绝对温度成正相关的参考电流；因而可以为改善电路的温度系数，以及为各类温度敏感性产品或功能的开发应用奠定基础。
42.3.本发明的cmos参考源输出可以随时进行关断和开启，且输出的基准电压值的范围可以通过调节电阻比值进行调整；因而可以实现更加灵活的电路控制，具有更加丰富应用场景。
43.4.本发明的cmos参考源中不包含双极型晶体管，在cmos工艺上易于实现，具有良好的兼容性，符合片上系统技术的发展方向。
附图说明
44.图1为本发明实施例1中提供的一种可控的低功耗cmos参考源的功能示意图。
45.图2为本发明实施例1中提供的一种可控的低功耗cmos参考源的电路图。
46.图3为本发明实施例1的性能测试试验中cmos参考源在不同温度下输出基准电压值vref的变化曲线图。
47.图4为本发明实施例1的性能测试试验中cmos参考源在不同温度下输出电流值iptat的变化曲线图。
48.图5为本发明实施例2中提供的一种可控的低功耗cmos参考源模块的模块示意图。
49.图6为本发明实施例3中提供的一种参考源芯片的结构示意图。
具体实施方式
50.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
51.实施例1
52.本实施例提供一种可控的低功耗cmos参考源，其用于在控制信号pd的控制下可关断地输出一个与绝对温度成正相关的参考电流i
ptat
以及一个具有低温漂特性的基准电压vref。
53.如图1所示，该型低功耗cmos参考源包括开关电路1、启动电路2、自偏置电压产生电路3、主偏置电流产生电路4、基准电压产生电路5，以及电流复制电路6。低功耗cmos参考源中的各个电路模块均与直流电源vdd相连接。低功耗cmos参考源中的开关电路1、启动电路2、自偏置电压产生电路3、主偏置电流产生电路4和基准电压产生电路5均包含接地端。
54.其中，开关电路1根据输入的控制信号pd输出三路相应的开关信号von-off，三路开关信号von-off分别发送到启动电路2、主偏置电流产生电路4和基准电压产生电路5。
55.启动电路2在接收到的开关信号von-off为打开状态时生成一个启动信号vs并发送到主偏置电流产生电路4，并在电路稳定后接收到主偏置电流产生电路4反馈回来的一个反馈信号vf时自动关闭。
56.自偏置电压产生电路3和主偏置电流产生电路4之间相互传送彼此生成的偏置电压v
b34
和v
b43
，进而形成一个“自偏置”的回路。
57.主偏置电流产生电路4在接收到的开关信号von-off为打开状态时同步接收到一个启动信号vs。主偏置电流产生电路4在接收到启动信号vs后快速建立稳态；主偏置电流产生电路4正常工作后分别向基准电压产生电路5和电流复制电路6同步传递一路与绝对温度成正相关的偏置电流信号i
b1
和i
b2
；同时向启动电路2发送反馈信号vf。
58.基准电压产生电路5在接收到的开关信号von-off为打开状态时，将接收到的偏置电流信号i
b1
和具有负温度特性的栅源电压(由工作在弱反型的mos管产生)进行温度补偿，在较低电源电压下生成一个低功耗低温漂的基准电压vref并输出。
59.电流复制电路6在主偏置电流产生电路4打开时，根据接收到的偏置电流信号i
b2
调制出一个参考电流i
ptat
并输出。
60.本实施例的参考源电路中，开关电路1接收外界发出的pd控制信号，并根据pd控制信号来控制整个电路的开关状态。当控制信号pd为开启状态的时候，开关电路1通过输入低电平将整个电路开启，进而输出所需的基准电压和参考电流。当控制信号pd为关闭状态的时候，开关电路1通过输入高电平将整个电路关闭，电流和电压的输出均为零。此时电路的整体功耗近似为零。
61.启动电路2可以保证整个参考源电路在直流电源vdd接通后能够快速稳定地进入正常工作状态，同时在启动整个电路后自动断开，不再对整体电路产生任何影响。因此在整体电路中，启动电路2部分的自身功耗也可以忽略不计。
62.自偏置电压产生电路3产生低功耗的且大小合适的偏置电压提供给主偏置电流产生电路4；主偏置电流产生电路4中采用的低压共源共栅电流镜电路结构。主偏置电流产生电路4还产生一个与绝对温度成正相关(ptat)的小电流，镜像给基准电压产生电路5和电流复制电路6。基准电压产生电路5利用主偏置电流产生电路4产生的ptat电流和弱反型mos管栅源电压的负温度特性进行温度补偿，在较低电源电压下产生一个低功耗低温漂的基准电压vref。电流复制电路6根据需要输出相应的参考电流i
ptat
。
63.具体地，本实施例中的可控的低功耗cmos参考源的详细电路图如图2所示。
64.结合图2可以看到，启动电路2部分包括：2个pmos管pm0、pm1和3个nmos管nm0、nm1、nm3。其中，pm0和pm1的源极作为启动电路2的直流输入端连接电源vdd。pm0的栅极与漏极相连，并且与pm1和nm0的栅极相连。pm1的漏级与nm3的栅极和nm1的漏极相连。nm3的栅级与开关电路1中的nm2的源极相连，并作为启动电路2的输入端与开关电路1的输出端相连。nm1的栅极作为启动电路2的输入端与主偏置电流产生电路4的输出端相连。nm0的源极和漏极、nm1和nm3的源极分别接地。
65.自偏置电压产生电路3部分包括：pmos管pm3和nmos管nm4。其中，pm3的源极作为自偏置电压产生电路3的直流输入端连接直流电源vdd。pm3的栅极和漏极以及nm4的漏极连在一起作为自偏置电压产生电路3的输出端连接到主偏置电流产生电路4的输入端。nm4的栅极作为自偏置电压产生电路3的输入端与主偏置电流产生电路4的输出端相连，nm4的源极接地。
66.主偏置电流产生电路4部分包括：6个pmos管pm4、pm5、pm6、pm7、pm8与pm9，3个nmos管nm5、nm6和nm7，以及电阻r1。其中，pm4、pm6和pm8的源极相连并作为主偏置电流产生电路4的直流输入端连接vdd。pm4的漏极与pm5的源极相连，作为主偏置电流产生电路4的输出端与启动电路2的输入端相连。pm6的漏极与pm7的源极相连。pm8的漏极与pm9的源极相连。
pm4、pm6和pm8的栅极共接于pm5的漏极，与nm5的漏极相连，并与开关电路1中的pm2、nm2的漏级相连，作为主偏置电流产生电路4的输入端与开关电路1的输出端相连。pm5、pm7和pm9的栅极共接在一起。pm7的漏极与nm6的栅极相连并连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端与nm7的栅级和nm6的漏级相连。pm9的漏极与nm7的漏极相连，并作为主偏置电流产生电路4的输出端与自偏置电压产生电路3的输入端相连。nm5、nm6与nm7的源极分别接地。
67.基准电压产生电路5部分包括：2个pmos管pm10、pm11，nmos管nm8以及电阻r2与r3。其中，pm10的源极作为基准电压产生电路5的直流输入端连接直流电源vdd。pm10的栅极和主偏置电流产生电路4中的pm8的栅极相连。pm11的栅极和主偏置电流产生电路4中的pm9的栅极相连。pm10的漏极和pm11的源极相连。pm11的漏极与电阻r2和电阻r3的一端相连，并作为基准电压产生电路5的输出端，输出基准电压vref，同时连接到开关电路1中的nm9的漏级。电阻r2的另一端连接nm8的漏极和栅极，电阻r3的另一端接地；nm8的源极接地。
68.电流复制电路6部分包括：两个pmos管pm12和pm13。其中，pm12的源极作为电流复制电路6的直流输入端连接直流电源vdd。pm12的栅极与主偏置电流产生电路4中的pm8的栅极相连。pm13栅极与主偏置电流产生电路4中的pm9的栅极相连，pm12的漏极和pm13的源极相连；pm13的漏级作为电流复制电路6的输出级，输出参考电流iptat。
69.开关电路1部分包括：3个pmos管pm14、pm15、pm2和4个nmos管nm10，nm11，nm2、nm9。其中，pm14、pm15和pm2的源极作为开关电路1的直流输入端连接vdd。pm14和nm10的栅极连接在一起，并作为开关电路1的输入端用于接收pd控制信号。pm14、nm10的漏极和pm15、nm11的栅极相连，并作为开关电路1的输出端与pm2和nm2的栅极相连。pm15、nm11的漏级相连，并作为开关电路1的输出端，与nm9的栅级相连。nm10，nm11和nm9的源极接地。
70.本实施例的cmos参考源中，电路工作过程大致如下：当开关电路1根据pd控制信号输入为高电平时，则pm2和nm2的栅极电压为低，nm2关闭，pm2导通，则将pm4、pm6、pm8、pm10、pm12的栅级电压抬高至vdd，pm4、pm6、pm8、pm10、pm12关闭，电流复制电路6输出信号iptat为零，同时nm9的栅极电压为高，nm9导通，基准电压产生电路5输出信号vref为零。
71.当开关电路1根据pd控制信号输入为低电平时，则pm2和nm2的栅极电压为高，nm2导通，pm2关闭，同时nm9的栅极电压为低，nm9关闭，不对输出信号产生影响，此时，电路进入正常工作状态。
72.在接通直流电源vdd后，启动电路2率先工作，pm0处于导通状态，nm0连接为mos电容的形式，使得pm1管的栅极电压缓慢上升，pm1管经历由开启到关闭的状态。当pm1开启时，将nm3的栅极电压抬高nm3导通，由于nm2也处于导通状态，则将pm4、pm6、pm8、pm10、pm12的栅级电压降低，pm4、pm6、pm8、pm10、pm12导通，则自偏置电压产生电路3和主偏置电流产生电路4也开始正常工作。自偏置电压产生电路3和主偏置电流产生电路4正常工作后，pm4的漏级电压升高，从而导致nm1导通，nm3的栅极电压降低，nm3关闭，使得启动电路2对其他的电路不会产生任何影响。
73.主偏置电流产生电路4中所有晶体管均采用相对较长的沟道，同时采用共源共栅输出结构，有效减小了沟道长度调制效应和输出负载的影响，在此基础上扩展成三支路结构，使电路具有良好的电源噪声抑制能力。并且由于nmos管nm6、nm7的源级和衬底分别相连，消除了体效应的影响。主偏置电流产生电路4可以产生与温度正相关的电流，由pmos管pm10和pm11镜像电流到基准电压产生电路5，在电阻r2上产生正温度系数的电压。该电压值
与处于弱反型的nmos管nm8具有的负温度系数的栅源电压(漏源电压)进行温度补偿后，可以得到所需的具有低温度系数的输出基准电压vref。
74.需要特别说明的是，本实施例提供的cmo参考源电路中，基准电压产生电路5部分输出的基准电压vref的值与电阻r2和r3的阻值有关。因而可以根据目标场景对基准电压的需求调整电阻r3的阻值，进而输出不同大小的目标基准电压值。本实施例中，电阻r3的目的是为了让基准电压输出值可调整到1v以下，适合较低基准电压的应用。
75.结合上述分析可以看到，本实施例提供的电路中不包含双极型晶体管，因而非常易于在cmos工艺上实现。通过调整基准电压产生电路5中电阻比值可以获得较低的基准电压，因而可以应用到更低功耗低电压的电路设计中。自偏置电压产生电路3、主偏置电流产生电路4和基准电压产生电路5中的核心mos管均工作在弱反型区，它们所需的电压余度和功耗都较小。同时，启动电路2功耗可忽略不计。这使得本实施例的整体电路可实现低压低功耗设计。本实施例的方案利用主偏置电流产生电路4产生的ptat电流和基准电压产生电路5中弱反型mos管栅源电压的负温度特性进行温度补偿，不存在采用放大器所引起的失调和补偿缺陷问题，可以获得低温度系数的基准电压。开关电路1可控制整个电路的开启和关闭，方便使用。通过上述电路结构，本实施例的cmos基准源可在低电压下实现低功耗低温漂的基准电压。具有更加丰富的应用场景。
76.为了使得本实施例中的cmos参考源的优点和性能更加清晰，以下结合对电路原理的阐述和电路中各项参数的计算过程对cmos参考源进行进一步地说明：
77.在弱反型区，mos管的i-v特性和bjt管的特性相似，弱反型mos管的漏极电流id可以表示为：
[0078][0079]
其中,i
d0
为产生电流；为mos管的宽长比；q是单位电荷；v
gs
是mos管的栅源电压；v
th
是mos管的阈值电压；n是斜率因子；k是玻尔兹曼常数；t是绝对温度。
[0080]
由上式可以得到，在给定漏极电流下，弱反型时mos管的栅源电压v
gs
可以表示为：
[0081][0082]
其中，mos管的阈值电压v
th
可以表示为：
[0083][0084]
其中，v
ms
表示沟道区域栅材料和体硅之间功函数之差；v
fp
指半导体静电平衡势垒(费米能级)；q'
b0
表示衬底接地，栅极下的沟道和衬底间耗尽层所存储的电荷；q'
ss
指表面态电荷，是个常数；c'
ox
表示单位面积的栅氧化层电容。
[0085]
考虑到功函数差v
ms
、势垒v
fp
、电荷q'
b0
的计算公式如下：
[0086]
[0087][0088][0089]
其中，vg是mos管的栅级电压；n
d,poly
指n 掺杂多晶硅栅里施主原子的掺杂浓度；ni指本征载流子浓度；na指衬底里受主原子的掺杂浓度；ε
si
指硅的相对介电常数。
[0090]
因而可以将mos管的阈值电压v
th
进一步表示成如下式的形式：
[0091][0092]
结合上式，进一步得到弱反型时mos管的栅源电压v
gs
可表示为：
[0093][0094]
将上式的等式两边分别对绝对温度t求偏导，可得：
[0095][0096]
结合偏导的求解结果可以看出弱反型区mos管的v
gs
显示的是负温度相关特性。
[0097]
在电路设计过程中，考虑到上述特性，接下来只要再产生一个正温度相关的电压与mos管的栅源电压v
gs
相互补偿，就可以得到一个低温度系数的电压，而这个正温度系数的电压可以通过产生一个正温度相关电流并让它流过一个电阻来产生。
[0098]
在本实施例中，主偏置电流产生电路4的核心模块由pmos管pm6、pm7、pm8、pm9和nmos管nm6、nm7以及电阻r1构成，产生所需的正温度相关电流。nmos管nm6的宽长比是(w/l)6，nmos管nm7的宽长比是(w/l)7，nmos管nm7与nm6的宽长比之比为m，nmos管nm6的栅源电压和漏极电压以及阈值电压分别为v
gs6
和v
ds6
以及v
th6
，nmos管nm7的栅源电压和阈值电压分别为v
gs7
和v
th7
，流过pmos管pm6、pm7和电路r1及nmos管nm6所在支路的电流为i，流过pmos管pm8和pm9及nmos管nm7所在支路的电流为i
ptat
，流过pmos管pm10和pm11所在基准电压产生电路5的总电流为i
ptat
。nmos管nm6和nm7均处于弱反型区。因此可以得到：
[0099]
流过pmos管pm6、pm7和电路r1及nmos管nm6所在支路的电流i的计算公式如下：
[0100][0101]
流过pmos管pm8和pm9及nmos管nm7所在支路的电流i
ptat
的计算公式如下：
[0102][0103]
考虑到电流i
ptat
与电流i镜像，所以有i
ptat
＝i，且nmos管nm6、nm7的源端和衬底分别相连，不存在体效应影响，可认为nmos管nm6和nm7的阈值电压相等,即v
th6
＝v
th7
，整理可得：
[0104][0105]
继续对上式等式两边分别对温度t求偏导，可得：
[0106][0107]
根据偏导结果可知，本实施例电路中产生的电流i
ptat
正是所需的与绝对温度成正相关的电流信号。
[0108]
在实施例中，基准电压产生电路5由pmos管pm10、pm11和nmos管nm8以及电阻r2、r3构成。nmos管nm8处于弱反型区，nmos管nm8的栅源电压为v
gs8
，nmos管nm8的宽长比为(w/l)8，流过pmos管pm10和pm11所在基准电压产生电路5的总电流来自主偏置电流产生电路4的输出，即正温度相关电流i
ptat
。
[0109]
由上式可知，电流i
ptat
是绝对温度t的一阶函数，即当t＝0时，i
ptat
＝0，如果考虑实际关心的温度范围(如：-40℃～80℃)，电流i
ptat
可分为流过电阻r2和nmos管nm8的正温度系数电流i
ptc
和流过电阻r3的零温度系数偏差电流i
ztc
，即：
[0110]iptc
＝i
ptat-i
ztc
[0111]
则输出基准电压v
ref
可以表示为：
[0112][0113]
整理后可得：
[0114][0115]
由此可以得出，输出基准电压值v
ref
可通过调整电阻r2和r3的值来改变，可适用于较低基准电压的应用，同时有利于减小整体电路的主要功耗来源，即电流i
ptat
，实现低功耗设计。
[0116]
继续对上式两边分别对温度t求偏导，可得：
[0117][0118]
由于流过电阻r2和nmos管nm8的电流i
ptc
是与温度相关的正温度系数电流,则进一步地可得：
[0119][0120]
结合前式可得：
[0121][0122]
令
[0123][0124]
则：
[0125][0126]
本实施例中，根据自偏置电压产生电路3、主偏置电流产生电路4和输出基准电压值以及相关工艺参数的给定，由上式可以相对确定m和r3值及nmos管nm8的宽长比，适当调节可以获得低温度系数的基准电压值。假设基准电压呈现正温度相关，则可以通过增大nmos管nm8的宽长比，或者减小m(或r3)即减小nmos管nm8的电流来获得接近零的温度系数，反之类似。即本实施例提供的方案具有更加宽泛的参数调节范围，可以结合具体的应用场景进行更加灵活的应用。
[0127]
此外，值得注意的是：本实施例提供的cmos参考源还可以通过选择具有合适温度系数(包括工艺支持的具有不同大小正/负温度系数)的电阻来实现更低温度系数的基准电压。
[0128]
性能验证试验
[0129]
为了验证本实施例提供的cmos参考源产品的实际性能，本实施例还设计了相关的性能测试试验，对本实施例提供的电路输出的基准电压和参考电流的温度特性进行测试。
[0130]
进一步地，根据性能测试结果还绘制了如图3的不同温度下输出基准电压值vref的变化曲线；以及如图4的不同温度下输出参考电流值iptat的变化曲线图。
[0131]
分析图3可以得出：本实施例提供的cmos参考源在工作时，当温度从-40℃变化到80℃，基准电压vref的目标输出值(452.9mv)仅变化了0.26mv，这证明了本实施例提供的cmos参考源确实具有非常好的低温漂特性(温度系数为2.963ppm/℃)，同时工作电压为0.8v，电流为33ua，功耗很低。
[0132]
分析图4可以得出：本实施例的cmos参考源输出的参考电流iptat与温度高度相关，输出电流随温度变化线性度好，几乎可以近似为一次函数。因而可以根据输出的参考电
流值精确地推算出电路具体的工作环境温度。
[0133]
实施例2
[0134]
在实施例1设计的电路的基础上，本实施例还包括一种可控的低功耗cmos参考源模块，其采用如前述的可控的低功耗cmos参考源中的电路，进而实现在控制信号pd的控制下，可关断地输出一个与绝对温度成正相关的参考电流i
ptat
以及一个具有低温漂特性的基准电压vref。
[0135]
本实施例提供的低功耗cmos参考源模块包括：开关控制单元、启动单元、自偏置电压产生单元、主偏置电流产生单元、基准电压产生单元和电流复制单元。
[0136]
本实施例将实施例1中整体电路以及其中的各个功能电路部分以单元和模块的形式进行设计。在实际使用中，为了实现相应的电路功能，可以单独使用其中各个功能电路组成的单元，也可以将任意多个单元进行组合使用，以实现相应的功能。
[0137]
特别地，在其它电路部分固定的情况下，只要能够实现相同的功能，本实施例中的可控的低功耗cmos参考源模块中的每个功能单元都可以采用实施例1中不同的电路进行替换和应用。这依然不会影响cmos参考源模块的整体性能。
[0138]
如图5所示，在本实施例中，开关控制单元包括一个输入端和三个输出端。输入端用于接收一个由管理人员发出的用于控制低功耗cmos参考源模块开关状态的控制信号pd。三个输出端用于将相应的开关信号von-off分别发送到一个启动单元、主偏置电流产生单元，以及基准电压产生单元。
[0139]
启动单元包括两个输入端和一个输出端。其中一个输入端用于接收开关信号von-off，另一个输入端用于接收由主偏置电流产生单元发送的一个反馈信号vf。输出端用于向主偏置电流产生单元发送一个启动信号vs。
[0140]
自偏置电压产生单元包括一个输入端和一个输出端。输入端用于接收由主偏置电流产生单元发送一个偏置电压信号v
b43
。输出端用于向所述主偏置电流产生单元发送一个偏置电压信号v
b34
。
[0141]
主偏置电流产生单元包括三个输入端和四个输出端。其中一个输入端用于接收开关信号von-off；另一个输入端用于接收由自偏置电压产生单元发送的偏置电压信号v
b34
；第三个输入端用于接收由启动单元发送的启动信号vs。其中一个输出端用于向启动单元发送所述反馈信号vf，另一个输出端用于向自偏置电压产生单元发送偏置电压信号v
b43
；第三个输出端用于向基准电压产生单元传递一个偏置电流信号ib1；第四个输出端用于向电流复制单元传递一个偏置电流信号ib2。
[0142]
基准电压产生单元包括两个输入端和一个输出端。其中一个输入端用于接收开关信号von-off，另一个输入端用于接收由主偏置电流产生单元发送的偏置电流信号i
b1
。输出端用于输出基准电压vref。
[0143]
电流复制单元包括一个输入端和一个输出端。其中输入端用于接收由主偏置电流产生单元传递的偏置电流信号ib2。输出端用于输出参考电流i
ptat
。
[0144]
其中，开关控制单元、启动单元、自偏置电压产生单元、主偏置电流产生单元、基准电压产生单元和电流复制单元中均包含一个直流电压输入端，直流电压输入端用于与一个直流电源vdd相连接；所述开关控制单元、启动单元、自偏置电压产生单元、主偏置电流产生单元和基准电压产生单元均包含接地端。
[0145]
实施例3
[0146]
本实施例在前述实施例的基础上，进一步提供了一种参考源芯片，该芯片由实施例1中的可控的低功耗cmos参考源封装而成。封装成芯片的模式，更易于cmos参考源电路的推广与应用。
[0147]
其中，如图6所示，参考源芯片的引脚包括：地线引脚、直流电源引脚，一个控制信号输入引脚，一个基准电压输出引脚，以及一个参考电流输出引脚。
[0148]
直流电源引脚用于连接一个直流电压源vdd，地线引脚接地后，进而为参考源芯片的整体电路供电。
[0149]
控制信号输入引脚用于将控制信号pd引至向芯片中的开关电路1。
[0150]
基准电压输出引脚用于输出参考源芯片中的基准电压产生电路5生成的具有低温漂特性的基准电压vref。
[0151]
参考电流输出引脚用于输出参考源芯片中的电流复制电路6调制出的与绝对温度成正相关的参考电流iptat。
[0152]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。