专利名称：一种低压极低功耗电压基准源的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种新型的低压、极低功耗电压基准源。
背景技术：
电压基准源是一种广泛用于模拟以及数字系统的基本模块，它的作用是提供一个 精准的基准电压。传统的带隙基准电路产生的基准电压值在1. 2V左右，这就需要电源电压 高于这一值。手持电子产品的迅速发展以及巨大的市场促使低压低功耗的电路受到了广泛 的重视。因此，发展出能够在低电源电压下工作的并且具有极低功耗的电压基准源是有必 要的。
已有技术中，有文献提出了一种能在I-V以下电压工作的电压基准源，如图1所 示。该电压基准源的基本设计思想是首先分别产生出一个与温度成正比电压(Vptat)以及 一个与温度成反比电压(VCTAT)，再将两个电压利用电阻分压原理带权重相加。然而，该电路 是不适用于极低功耗(小于IuW功耗)场合的。首先，因为Vptat的产生依赖于将与温度成 正比(PTAT)的电流灌入电阻R2，若需要降低电流值，R2的值会变得太大，以致难以在芯片 上集成。其次，Vptat和Vctat的相加是采用电阻R3、R4实现的，因为Vptat和Vctat会具有差值， 这会导致一定的电流流过R3和R4，为了不影响精度，流过R3和R4的电流必须远小于偏置 电流。在极低功耗的应用场合，类似于对于R2取值的分析，R3和R4的值同样会很大而影 响在芯片上的集成。在这样的背景下，发展出新型的超低功耗电压基准源结构，在实现低功耗的同时 又不会增加电路制造的成本，具有一定现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的电压基准源，能够在小于IV的电压下工作并 消耗极低的功耗。本发明所提出的基准源电路的工作原理，是采用工作在亚阈值的MOS管串联连接 实现正温度系数的电压，采用MOS阈值电压的温度特性实现负温度系数的电压，通过开关 电容电路将两个不同温度系数的电压带权重相加，从而实现了与温度无关的基准电压。本发明所提供的低压极低功耗电压基准源，由正温度系数电压产生电路Ml和 M2(l)、负温度系数电压产生电路M3 (2)、偏置产生电路(3)、开关MOS管(4，5，6，7)、电容 (8,9,10)以及两相非交叠的时钟(11)构成，其电路如图2所示。在本发明所提供的低压极低功耗电压基准源中，M1、M2(1)为正温度系数电压 (Vptat)产生电路，M3(2)为负温度系数电压(Vctat)产生电路，它们由偏置电流产生电路(3) 提供偏置电流。Ml和M2(l)的输出接开关MOS管Msi (4)的一端；开关MOS管Msi (4)的另一 端接电容CJ8)；负温度系数电压产生电路M3 (2)的输出接开关MOS管Ms4(7)的一端；Ms4(7) 的另一端接电容(2(10)；开关MOS管Msi，Ms2，Ms3, Ms4 (4, 5,6, 7)依次串联连接；电容C。(10) 接在开关MOS管Ms2，Ms3 (5，6)的连接处；开关MOS管Msi，Ms4的栅极由两相非交叠时钟Φ。φ2(11)中的一相驱动；开关MOS管Ms2，Ms3的栅极由两相非交叠时钟ΦρΦΑ )中的另一 相驱动；电压基准输出(12)位于开关MOS管Ms2，Ms3 (5，6)的连接处。开关电容电路(4-10)将Vptat与VeTAT带权重相加，即得到与温度无关的基准电压。本发明所提供的低压极低功耗电压基准源，电路结构适合在低压、极低功耗条件 下工作，占用芯片面积小，成本低。
图1是一种现有的低压基准源电路图。图2是本发明提出的低压极低功耗电压基准源电路图，其中1为Vptat产生电路，2 为Vctat产生电路，3为偏置电流产生电路，4、5、6、7为开关电容电路中的MOS管开关，8、9、10 为开关电容电路中的电容，11为两相不交叠 的时钟，12为电压基准的输出。
具体实施方案以下结合具体的实施例，对本发明做进一步的阐述。实施例仅用于对本发明做说 明而不是对本发明的限制。实施例本实施例结合附图2进一步描述本发明。如图2所示，本实施例的低压极低功耗电压基准源，由正温度系数电压产生电路 Ml和M2(l)、负温度系数电压产生电路M3(2)、偏置产生电路(3)、开关MOS管(4，5，6，7)、 电容(8,9,10)以及两相非交叠的时钟(11)构成，偏置电流产生电路(3)为M1、M2(1)和 M3(2)提供偏置电流。Ml和M2⑴的输出接开关MOS管Msi (4)的一端；开关MOS管Msi (4) 的另一端接电容(^(8)；负温度系数电压产生电路M3(2)的输出接开关MOS管Ms4 (7)的一 端；Ms4(7)的另一端接电容(2(10)；开关^^管^⑴^^^^^巧力，？)依次串联连接；电 容C。(10)接在开关MOS管Ms2，MS3(5，6)的连接处；开关MOS管Msi，Ms4的栅极由两相非交叠 时钟ΦρΦ2(11)中的一相驱动；开关MOS管Ms2，Ms3的栅极由两相非交叠时钟OpO2(Il) 中的另一相驱动；电压基准输出(12)位于开关MOS管Ms2，Ms3 (5，6)的连接处。Ml、M2(l)均处于亚阈值区，假设它们的偏置电流为IB，由亚阈值区的MOS管电流 表达式可知，
,,W ( VGS1 , W ( Vgs2 )…
_8]丨 B=丨 D。reXPH-mreXP_ ⑴
WW其中IDQ，nkt/q为常数，"^为Ml的宽长比，m·^为M2的宽长比，m为大于1的常数。由(1)式可得，Vptat = Vgsi-Vgs2 = nkt/qln (m) (2)由⑵式可知，采用两个不同宽长比的MOS管串联连接可以得到一个与温度成正 比的电压。M3(2)同样处于亚阈值区，因为MOS管的阈值电压是与温度成反比的，由于Vctat = Vgs3 = VTH3+Vov (3)
故可得M3⑵得栅极电压即Vctat同样是与温度成反比的。式(3)中Vqv为M3的过 驱动电压。在得到Vptat和Vctat之后，本发明所提出的相加电路使用开关电容来实现。Φρ Φ2(11)为两相不交叠的时钟，那么此时将存在O1为高电平以及Φ2为高电平两种情况。
1)当O1为高电平时而Φ2为低电平时，MSl和MS4导通，此时C1和C2上的电荷
分别为C1Vptat以及C2VCTAT。2)当Φ2为高电平时而O1为低电平时，MS2和MS3导通，此时C1, C2以及C。上的 电荷将重新分配至三者的电压将相等。在平衡状态下，两种情况下的电荷总量应该相等，即<formula>formula see original document page 5</formula>(4)从而可以得到<formula>formula see original document page 5</formula>选择合适的C1和C2的值即可以得到与温度无关的基准电压Vref。
权利要求
一种低压极低功耗电压基准源，其特征在于其由正温度系数电压产生电路M1和M2(1)、负温度系数电压产生电路M3(2)、偏置产生电路(3)、开关MOS管(4，5，6，7)、电容(8，9，10)以及两相非交叠的时钟(11)构成。
2.根据权利要求1所述的低压极低功耗电压基准源，其特征在于采用工作在亚阈值的 M0S管串联连接实现正温度系数电压，采用M0S阈值电压的温度特性实现负温度系数电压， 通过开关电容电路将两个不同温度系数的电压带权重相加，实现与温度无关的基准电压。
3.根据权利要求1所述的低压极低功耗电压基准源，其特征在于所述的偏置产生电路 ⑶为正温度系数电压产生电路Ml和M2(l)和负温度系数电压产生电路M3 (2)提供偏置电 流。
4.根据权利要求1所述的低压极低功耗电压基准源，其特征在于正温度系数电压产生 电路Ml和M2(l)的输出接开关M0S管MS1⑷的一端；开关M0S管MS1⑷的另一端接电容 CJ8)；负温度系数电压产生电路M3 (2)的输出接开关M0S管Ms4(7)的一端；Ms4(7)的另一 端接电容(2(10)；开关^^管^，厘⑶厘⑶厘^^巧力，？)依次串联连接；电容C。(10)接在开 关M0S管MS2，MS3(5，6)的连接处。
5.根据权利要求1所述的低压极低功耗电压基准源，其特征在于开关M0S管MS1，Ms4的 栅极由两相非交叠时钟Op 02(11)中的一相驱动，开关M0S管MS2，MS3的栅极由两相非交 叠时钟0\、02(11)中的另一相驱动。
6.根据权利要求1所述的低压极低功耗电压基准源，其特征在于电压基准输出(12)位 于开关M0S管MS2，MS3(5，6)的连接处。
全文摘要
本发明属于集成电路技术领域，涉及一种新型的低压、极低功耗电压基准源，由正温度系数电压产生电路M1和M2、负温度系数电压产生电路M3、偏置产生电路、开关MOS管、电容以及两相非交叠的时钟(11)构成。本发明采用工作在亚阈值的MOS管串联连接实现正温度系数电压，采用MOS阈值电压的温度特性实现负温度系数电压，通过开关电容电路将两个不同温度系数的电压带权重相加，实现与温度无关的基准电压。本发明所提供的低压极低功耗电压基准源，电路结构适合在低压、极低功耗条件下工作，占用芯片面积小，成本低。
文档编号G05F3/30GK101833351SQ20091004760
公开日2010年9月15日 申请日期2009年3月13日 优先权日2009年3月13日
发明者周锋, 马海峰 申请人:复旦大学