本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种全共栅共源基准电压源。
背景技术：
基准电压源是模数转换器(adc)、数模转换器(dac)、开关稳压器(spsm、ldo、dc-dc转换器等)、振荡器、pll、温度传感器、充电电池保护芯片和网络通信电路等模拟集成电路和数模混合集成电路中不可缺少的部分。用于产生具有高精度、高稳定性，不随环境温度、电源电压、制作工艺、噪声和其它因素变化而变化的电压，为其他电路模块提供一个参考电压，因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响电路系统的性能和精度。
随着集成电路系统集成度的不断增大，提高基准源的性能和集成度一直是该领域的研究的热点。应市场上电子产品的低功耗需求，电压基准源作为一个基本的单元电路，其低功耗设计成为必然趋势，然而，传统带隙基准电压源由于需要大的电流而造成功耗较大，要实现低功耗，电路结构复杂，并且在设计过程中需要使用双极性晶体管，占用芯片面积较大并且与标准的cmos工艺不兼容。后来提出的cmos基准电压源电路由于使用工作在饱和区的cmos，使得功耗过大。近来所提出的基于亚阈值区的基准电压源，虽然温漂和电源抑制比较好，但电源电压调整率较差，芯片面积过大，功耗过大。
技术实现要素：
本发明所要解决的是传统基准电压源电路的电源电压调整率较差、芯片面积过大和功耗过大的问题，提供一种全共栅共源基准电压源。
为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：
一种全共栅共源基准电压源，包括并接于电源vdd与地之间的启动电路、基准电流源电路和温度补偿电路；启动电路、基准电流源电路和温度补偿电路依次连接；启动电路输出端与基准电流源电路连接，用于电源上电时提供启动电流，使基准电压源摆脱简并偏置点；基准电流源电路的输出端与温度补偿电路连接，利用共源共栅电流镜提高电源电压抑制比和电压调整率，用于产生基准电流；温度补偿电路，用于产生低温漂的基准电压，采用共源共栅电流镜，从基准电流源电路中复制电流，温度补偿电路输出电压即为该基准电压源输出电压vref。
上述方案中，启动电路由mos管m1-mos管m11组成；mos管m1、mos管m5、mos管m8和mos管m11的源极与电源vdd连接；mos管m4、mos管m7和mos管m10的源极和漏极，以及mos管m6和mos管m9的源极与地gnd连接；mos管m1的栅极与漏极共接后与mos管m2的源极连接；mos管m2的栅极与漏极共接后与mos管m3的源极连接；mos管m3的栅极与漏极共接后，与mos管m4的栅极连接；mos管m5的栅极和mos管m6的栅极共接后，与mos管m3的栅极连接；mos管m5的漏极与mos管m6的漏极共接后，与mos管m7的栅极连接；mos管m8的栅极和mos管m9的栅极共接后，与mos管m7的栅极连接；mos管m8的漏极与mos管m9的漏极共接后，与mos管m10的栅极连接；mos管m11的栅极与连接mos管m10的栅极连接；mos管m11的漏极作为启动电路的输出端，与基准电流源电路的输入端连接。
上述方案中，基准电流源电路由mos管m12-mos管m19和电阻r1组成；mos管m12和mos管m13的源极与电源vdd连接；mos管m18的源极与地gnd连接；mos管m12的漏极与mos管m14的源极连接；mos管m13的栅极与漏极共接后，与mos管m12的栅极连接；mos管m13的漏极形成基准电流源电路的第一电流支路输出端，并与温度补偿电路的第一电流支路输入端连接；mos管m13的漏极与mos管m15的源极连接；mos管m15的栅极与漏极共接后，与mos管m14的栅极连接，mos管m15的漏极形成基准电流源电路的第二电流支路输出端，并与温度补偿电路的第二电流支路输入端连接；mos管m17的漏极与mos管m15的漏极连接；mos管m17的源极与mos管m19的漏极连接；mos管m19的源极经电阻r1与地gnd连接；mos管m16的栅极与漏极共接后，与mos管m17的栅极连接；mos管m16的漏极与mos管m14的漏极连接；mos管m18的栅极与漏极共接后，与mos管m19的栅极连接；mos管m18的漏极与mos管m16的源极连接。
上述方案中，温度补偿电路由mos管m20-mos管m28、电阻r2和电容c1组成；mos管m20和mos管m21的源极与电源vdd连接；mos管m26的源极与地gnd连接；mos管m20的栅极和mos管m21的栅极形成温度补偿电路的第一电流支路的输入端，与基准电流源电路的第一电流支路输出端连接；mos管m20的漏极与mos管m22的源极连接；mos管m22的栅极和mos管m23的栅极形成温度补偿电路的第二电流支路的输入端，与基准电流源电路的第二电流支路输出端连接；mos管m24的栅极与漏极共接后，与mos管m25的栅极连接；mos管m24的漏极与mos管m22的漏极连接；mos管m26的栅极与漏极共接后，与mos管m27的栅极连接；mos管m26的漏极与mos管m24的源极连接；mos管m21的漏极与mos管m23的源极连接；mos管m23的漏极与mos管m25的漏极连接；mos管m25的源极与mos管m27的漏极连接；mos管m28的源极经电阻r2与地gnd连接；电容c1的一端接地gnd，电容c1的另一端、mos管m28的栅极与漏极、以及mos管m27的源极连接后，形成温度补偿电路的输出端，该输出端即为整个基准电压源的基准电压vref的输出端。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、超低功耗全cascode基准电压源，更好的抑制电源噪声；
2、启动电路未使用电容，降低版图面积；使用两个反向器，上电时间缓慢，更好的摆脱简并偏置点。
3、使用cascode型温度补偿电路结构，不仅能实现温度补偿，还能增强电源抑制比。
附图说明
图1为一种全共栅共源基准电压源的原理图。
具体实施方式
本发明提出一种全共栅共源基准电压源，其具体电路架构如图1所示，包括并接于电源vdd与地gnd之间的启动电路、基准电流源电路和温度补偿电路。启动电路输出端与基准电流源电路连接，用于电源上电时提供启动电流，使基准电压源摆脱简并偏置点。基准电流源电路的输出端与温度补偿电路连接，利用共源共栅电流镜提高电源电压抑制比和电压调整率，用于产生基准电流。温度补偿电路，用于产生低温漂的基准电压，采用共源共栅电流镜，从基准电流源电路中复制电流，温度补偿电路输出电压即为该基准电压源输出电压vref。
上述启动电路包括mos管m1-mos管m11。其中，mos管m1、mos管m5、mos管m8和mos管m11的源极与电源vdd连接。mos管m4、mos管m7和mos管m10的源极和漏极，以及mos管m6、mos管m9的源极与地gnd连接。mos管m1的栅极与漏极共接后与mos管m2的源极连接。mos管m2的栅极与漏极共接后与mos管m3的源极连接。mos管m3的栅极与漏极共接后，与mos管m4的栅极连接。mos管m5的栅极和mos管m6的栅极共接后，与mos管m3的栅极连接。mos管m5的漏极与mos管m6的漏极共接后，与mos管m7的栅极连接。mos管m8的栅极和mos管m9的栅极共接后，与mos管m7的栅极连接。mos管m8的漏极与mos管m9的漏极共接后，与mos管m10的栅极连接。mos管m11的栅极与连接mos管m10的栅极连接。mos管m11的漏极作为输出与基准电流源电路连接。
启动电路，由mos管m1、mos管m2、mos管m3构成有源电阻，mos管m4、mos管m7和mos管m10构成电容，mos管m5、mos管m6、mos管m8和mos管m9构成两个反向器，经mos管m11的漏极输出电流，用于在电源上电时使基准源摆脱简并偏置点。此启动电路不需要大电容、大电阻，正常工作无直流电流，减小面积降低功耗。
上述基准电流源电路包括mos管m12-mos管m19和电阻r1。其中，mos管m12和mos管m13的源极与电源vdd连接。mos管m18的源极与地gnd连接。mos管m12的漏极与mos管m14的源极连接。mos管m13的栅极与漏极共接后，与mos管m12的栅极连接。mos管m13的漏极输出第一电流支路，并与温度补偿电路连接。mos管m13的漏极与mos管m15的源极连接。mos管m15的栅极与漏极共接后，与mos管m14的栅极连接，mos管m15的漏极输出第二电流支路，并与温度补偿电路连接。mos管m17的漏极与mos管m15的漏极连接。mos管m17的源极与mos管m19的漏极连接。mos管m19的源极经电阻r1与地gnd连接。mos管m16的栅极与漏极共接后，与mos管m17的栅极连接。mos管m16的漏极与mos管m14的漏极连接。mos管m18的栅极与漏极共接后，与mos管m19的栅极连接。mos管m18的漏极与mos管m16的源极连接。
基准电流源电路，利用工作在亚阈值区的mos管m18、mos管m19栅源电压差产生偏置电压，再通过电阻r1将偏置电压转化为偏置电流，再通过共源共栅电流镜将偏置电流复制到温度补偿电路中。采用共源共栅电流镜起到抑制电源噪声作用。
上述温度补偿电路包括mos管m20-mos管m28、电阻r2和电容c1。其中，mos管m20和mos管m21的源极与电源vdd连接。mos管m26的源极与地gnd连接。所述电容c1，并接于基准电压vref的输出端与地gnd之间。mos管m20的栅极和mos管m21的栅极与基准电流源电路的第一电流支路连接。mos管m20的漏极与mos管m22的源极连接。mos管m22的栅极和mos管m23的栅极与基准电流源电路的第二电流支路连接。mos管m24的栅极与漏极共接后，与mos管m25的栅极连接。mos管m24的漏极与mos管m22的漏极连接。mos管m26的栅极与漏极共接后，与mos管m27的栅极连接。mos管m26的漏极与mos管m24的源极连接。mos管m21的漏极与mos管m23的源极连接。mos管m23的漏极与mos管m25的漏极连接。mos管m25的源极与mos管m27的漏极连接。mos管m28的栅极与漏极共接后，与mos管m27的源极连接，mos管m28的漏极与基准电压vref的输出端连接。mos管m28的源极经电阻r2与地gnd连接。
温度补偿电路，利用1.8v与3.3v的mos管栅源电压差产生具有低温漂的基准电压，并起到抑制电源噪声作用，再由3.3v的mos管m26及1.8v的mos管m27栅源电压差产生具有低温漂的基准电压vref。
本发明的工作原理为：
启动电路中，mos管m1、mos管m2、mos管m3栅漏相接起电阻作用，mos管m4、mos管m7和mos管m10源漏接于地等效为电容，mos管m5、mos管m6组成第一反相器，mos管m8、mos管m9组成第二反相器，mos管m5、mos管m8、mos管m11的源极电压为vdd，电源电压vdd从零开始上升到vth后，mos管m1、mos管m2、mos管m3逐渐导通，为作为电容的mos管m4充电，mos管m4上极板为低电平，mos管m5导通，mos管m6截止，为mos管m7充电，当mos管m4充电完成，mos管m4上极板为高电平，mos管m5截止，mos管m6导通，mos管m7上极板为低电平，mos管m8导通，mos管m9截止，为mos管m10充电，当mos管m7充电完成，mos管m7上极板为高电平，mos管m8截止，mos管m9导通，当mos管m10上极板电位为低电平，使mos管m11导通，将电流通过十一mos管注入到基准电流源电路中摆脱简并偏置点，当mos管m10充电完成，上极板电位为高电平，使mos管m11截止，启动电路与基准源核心电路脱离，完成启动后mos管m1、mos管m2、mos管m3处于截止状态，没有静态电流，不消耗功率。
本发明的核心电路包括基准电流源电路及温度补偿电路。
基准电流源电路中mos管均工作在亚阈值区，mos管工作在亚阈值区的i-v特性可以表示为(1)式：
当vds大于4倍vt时，可以忽略vds的影响，工作在亚阈值区的i-v特性可以表示为(2)式：
进而可以得到mos管的栅源电压如(3)式：
电阻r1两端的电压等于工作在亚阈值区的mos管m18的栅源电压与mos管m19的栅源电压差，可以得到基准电流源电路电流id如(4)式：
其中，
μ＝μ0(t0/t)m(6)
vt＝kbt/q(7)
通过调整k18和k19的比值从而调节id与温度t关系，可得
上述式中，id是mos管的漏端电流，k＝w/l是mos管的宽长比；w是mos管的宽；l是mos管的长；i0为特征电流；μ是mos管的电子迁移率；μ0是参考温度t0下电子迁移率；t0是参考温度；t是绝对温度；m是温度指数；vgs是mos管的栅源电压；vds是mos管的漏源电压；vth是mos管的阈值电压；η是亚阈值区斜率因子，取决于栅氧化层和损耗层电容，定为常数；vt是热电压；kb是玻尔兹曼常数；q是电子电荷。
温度补偿电路中，利用1.8vmos管和3.3vmos管的栅源电压差，得到一个低温漂的参考电压。由电路连接关系可以得出输出基准电压vref，如(8)式：
vref＝vgsm26-vgsm27(8)
利用工作mos管在亚阈值区的i-v特性，可以进一步得到输出电压vref，如(9)式：
阈值电压的表达式为(10)式：
vth＝vth0-κt(10)
vt具有正温度系数，△vth具有负温度系数，利用具有正温度系数的vt和具有负温度系数的△vth相互调节，因此可以得到与温度无关的输出基准电压vref；阈值电压进一步可以表示为(11)式：
其中，
阈值电压的温度系数如(13)式：
工艺对温度系数κ变化几乎没有影响，因此参考电压vref的温度系数tc几乎不依赖工艺变化，进而可以得出参考电压的温度系数tc如(14)式：
令参考电压的温度系数为零，则可以确定mos管的宽长比如(15)式：
从(15)式看出，通过对k27/k26仔细调整，更好地实现温度补偿；使用电容c1来改善带隙基准电压源的电源电压抑制比。
上述式中，tox,i表示mos管mi的栅氧化层厚度；vth0表示绝对温度为0k时的阈值电压值；κ＝dvth/dt为vth的温度系数tc；eg为带隙；ψb为费米能级势能与本征能级势能之差；△vth为阈值电压之差；εsi表示硅衬底的相对电介质常数；na为衬底掺杂浓度；nc为导带的有效态状态密度；nv为价带的有效态状态密度；ni为本征载流子浓度。
本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种全共栅共源基准电压源，主要解决现有技术电路功耗大、版图面积大、器件与标准cmos基准电压源不匹配，性能有所欠佳的问题。主要由三部分构成：(1)启动电路，在本发明优选实施例中，上述启动电路包括pmos管mos管m1、mos管m2、mos管m3、mos管m5、mos管m8、mos管m11和nmos管mos管m4、mos管m6、mos管m7、mos管m9、mos管m10；用于电源上电时提供电流，使基准电压源摆脱简并偏置点，不需要大面积电容、大阻值电阻，正常工作无直流电流，减小面积降低功耗。(2)基准电流源电路，在本发明优选实施例中，上述基准电流源电路包括pmos管mos管m12、mos管m13、mos管m14、mos管m15和nmos管mos管m16、mos管m17、mos管m18、mos管m19及电阻r1；利用共源共栅电流镜起到抑制电源噪声作用，利用工作在亚阈值区mos管的工作特性，产生基准电流。(3)温度补偿电路，在本发明优选实施例中，上述温度补偿电路包括pmos管mos管m20、mos管m21、mos管m22、mos管m23和nmos管mos管m24、mos管m25、mos管m26、mos管m27、mos管m28及电阻r1、电容c1；采用共源共栅电流镜，抑制电源噪声，采用1.8vmos管和3.3vmos管栅源电压差，通过相互调节，得到一个与温度无关的基准电压。功耗极低仅为纳瓦量级、且未使双极性晶体管，不仅能消除温度变化的影响、减小版图面积，还能与标准cmos工艺完全兼容，降低了生产成本，同时具有较高电源电压抑制比、低电源电压调整率、低温漂系数等性能好的特点。在smic0.18-umcmos工艺标准下，在cadencespectre仿真器下本基准电压源的电源电压抑制比在低频时为-54.9db，在高频时为-76db，在-50—120的温度范围内具有21.3ppm/℃的温度系数，在1.3v—3.3v电源电压范围内具有0.03％的电源电压调整率，其功耗为108nw，这些仿真结果验证了以上措施的有效性。
本发明的功耗极低仅为纳瓦量级、且未使用双极性晶体管，不仅能消除温度变化的影响、减小版图面积，还能与标准cmos工艺完全兼容，降低了生产成本，同时具有较高电源电压抑制比、极低电源电压调整率、低温漂系数等性能好的特点。