基于MOSFET的ZTC工作点的电压基准电路

本发明涉及集成电路技术领域，尤其是基于mosfet的ztc工作点的电压基准电路。

背景技术：

带隙基准是集成电路的一个重要门类，也可以作为集成电路中的一个模块。对带隙基准的基本要求是输出电压随集成电路制造工艺、温度、电源电压等因素的变化而变化的幅度尽可能小。

传统带隙基准利用了具有正温度系数的热电压和具有负温度系数的二极管正偏导通压降，将两者综合产生具有零温度系数(zerotemperaturecoefficient，ztc)的输出电压。这种方式由于负温度系数来源中具有高阶温度项，因此得到的输出电压温度系数一般并不是非常低。而且电路结构较为复杂，需要用到多个三极管，通常核心电路部分为九个以上三极管，因此芯片占用面积也较大。

技术实现要素：

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了基于mosfet的ztc工作点的电压基准电路，本申请采用mosfet管代替传统带隙中用于产生正、负温度系数的多个三极管，不仅电路结构简单，还能获得低于传统带隙温度系数输出的基准电压。

本发明的技术方案如下：

基于mosfet的ztc工作点的电压基准电路，包括启动电路、偏置电路、运放电路、ztc核心电路和输出电路，启动电路连接运放电路和ztc核心电路，偏置电路与运放电路、ztc核心电路和输出电路依次相连；

ztc核心电路包括两个mos管、第一电阻和mosfet管，第一mos管的源极和第二mos管的源极连接电源，第一mos管的漏极通过第一电阻接地，第一mos管和第一电阻的共端还连接启动电路，第二mos管的漏极分别连接mosfet管的漏极和运放电路构成的运放反相输入端，第一mos管的栅极和第二mos管的栅极相连，且栅极共端分别连接运放电路构成的运放输出端和输出电路，mosfet管的栅极连接mosfet管的漏极，mosfet管的源极接地；通过调节第一电阻阻值使mosfet管工作在ztc工作点从而产生ztc电流。

其进一步的技术方案为，启动电路包括第三mos管、第四mos管和电容，第三mos管的源极连接电源、漏极分别连接第四mos管的栅极和电容的一端，第三mos管的栅极和电容的另一端均接地，第四mos管的源极连接第一mos管和第二mos管的栅极共端、漏极分别连接第一mos管和第一电阻的共端以及运放电路构成的运放同相输入端；当电压基准电路上电时，启动电路作用于ztc核心电路使其摆脱零工作点。

其进一步的技术方案为，偏置电路包括五个mos管、第二电阻、第三电阻和第一三极管，第五mos管的源极、第六mos管的源极和第九mos管的源极均连接电源，第五mos管的漏极连接第七mos管的漏极，第六mos管的漏极连接第八mos管的漏极，第七mos管的源极通过第二电阻接地，第八mos管的源极连接第一三极管的发射极，第五mos管的栅极和第六mos管的栅极相连，且相连共端分别连接第五mos管和第七mos管的共端以及第九mos管的栅极，第七mos管的栅极和第八mos管的栅极相连，且相连共端连接第六mos管和第八mos管的共端，第一三极管的基级和集电极均接地，第九mos管的漏极分别连接第三电阻的一端和运放电路，第三电阻的另一端接地；偏置电路用于产生不随电源变化的稳定偏置电压，为后续运放电路的正常工作提供稳定偏置电压。

其进一步的技术方案为，运放电路包括五个mos管，组成单级五管跨导运放结构，第十mos管的源极和第十一mos管的源极连接电源，第十mos管的漏极连接第十二mos管的漏极，第十一mos管的漏极连接第十三mos管的漏极，且第十一mos管m11和第十三mos管m13的共端作为运放的输出端分别连接第一mos管和第二mos管的栅极共端以及第四mos管的源极，第十mos管的栅极与第十一mos管的栅极相连，且相连共端连接第十mos管和第十二mos管的共端，第十二mos管的源极与第十三mos管的源极相连，且相连共端连接第十四mos管的漏极，第十二mos管的栅极作为运放的同相输入端分别连接第四mos管的漏极以及第一mos管和第一电阻的共端，第十三mos管的栅极作为运放的反相输入端连接第二mos管和mosfet管的共端，第十四mos管的栅极连接偏置电路，第十四mos管的源极接地；运放电路与第一mos管、第二mos管、第一电阻和mosfet管组成负反馈回路，使第一电阻的两端电压与mosfet管的源极和漏极间的电压相等。

其进一步的技术方案为，输出电路包括第十五mos管和第四电阻，第十五mos管的源极连接电源、栅极连接第一mos管和第二mos管的栅极共端、漏极连接第四电阻的第一端，第四电阻的第二端接地；第一mos管、第二mos管、第十五mos管组成电流镜，输出电路通过电流镜将ztc核心电路产生的ztc电流作用于第四电阻上，从而在第四电阻的第一端获得基准电压。

本发明的有益技术效果是：

该电压基准电路完全兼容于普通bcd工艺；由于mos管的ztc工作点具备非常接近于零的温度特性，因此该电压基准电路能够获得低于传统带隙温度系数输出的基准电压；此外由于ztc核心电路仅包括三个mos管，而不需要和传统带隙基准一样使用到多个三极管，具有电路结构简单、芯片面积较小的特点；由于基准电压是由ztc电流作用于第四电阻第一端得到的，因此相比于传统带隙基准的固定输出电压，本申请可以通过调整第一电阻和第四电阻的阻值进而得到所需的基准电压。

附图说明

图1是本申请提供的电压基准电路的总电路图。

图2是本申请提供的基于mosfet管的ztc工作点产生基准电压的核心电路图。

图3是本申请提供的第一电阻阻值变化引起的电路工作点及其变化示意图。

图4是本申请提供的n型mosfet管的温度特性仿真图。

图5是本申请提供的在-40℃-125℃范围内对电压基准电路的输出端进行仿真的结果示意图。

图6是本申请提供的室温时输出基准电压随电源电压变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种基于mosfet的ztc工作点的电压基准电路，其总电路图如图1所示，电压基准电路包括启动电路、偏置电路、运放电路、ztc核心电路和输出电路，启动电路连接运放电路和ztc核心电路，偏置电路与运放电路、ztc核心电路和输出电路依次相连。

启动电路包括第三mos管m3、第四mos管m4和电容c1，第三mos管m3的源极连接电源vdd、漏极分别连接第四mos管m4的栅极和电容c1的一端，第三mos管m3的栅极和电容c1的另一端均接地gnd，第四mos管m4的源极连接ztc核心电路中的第一mos管m1和第二mos管m2的栅极共端、漏极分别连接第一mos管m1和第一电阻r1的共端以及运放的同相输入端。当电压基准电路上电时，启动电路作用于ztc核心电路使其摆脱零工作点，让ztc核心电路工作在正常状态；当电路正常工作时，第四mos管m4的栅极为电源电压、第四mos管m4截止，启动电路部分不工作，但不会影响整体电路的正常工作。

偏置电路包括五个mos管、第二电阻r2、第三电阻r3和第一三极管q1，第五mos管m5的源极、第六mos管m6的源极和第九mos管m9的源极均连接电源vdd，第五mos管m5的漏极连接第七mos管m7的漏极，第六mos管m6的漏极连接第八mos管m8的漏极，第七mos管m7的源极通过第二电阻r2接地gnd，第八mos管m8的源极连接第一三极管q1的发射极，第五mos管m5的栅极和第六mos管m6的栅极相连，且相连共端分别连接第五mos管m5和第七mos管m7的共端以及第九mos管m9的栅极，第七mos管m7的栅极和第八mos管m8的栅极相连，且相连共端连接第六mos管m6和第八mos管m8的共端，第一三极管q1的基级和集电极均接地gnd，第九mos管m9的漏极分别连接第三电阻r3的一端和运放电路(也即第十四mos管m14的栅极)，第三电阻r3的另一端接地gnd。偏置电路用于产生不随电源vdd变化的稳定偏置电压，为后续运放电路的正常工作提供稳定偏置电压，从而使得下一级的运放得到一个稳定的尾流，保证输出基准对电源的稳定性。

运放电路包括五个mos管，也即采用了基本的单级五管跨导运放结构，具体的，第十mos管m10的源极和第十一mos管m11的源极连接电源vdd，第十mos管m10的漏极连接第十二mos管m12的漏极，第十一mos管m11的漏极连接第十三mos管m13的漏极，且第十一mos管m11和第十三mos管m13的共端作为运放的输出端分别连接ztc核心电路中的第一mos管m1和第二mos管m2的栅极共端以及第四mos管m4的源极，第十mos管m10的栅极与第十一mos管m11的栅极相连，且相连共端连接第十mos管m10和第十二mos管m12的共端，第十二mos管m12的源极与第十三mos管m13的源极相连，且相连共端连接第十四mos管m14的漏极，第十二mos管m12的栅极作为运放的同相输入端分别连接第四mos管m4的漏极以及第一mos管m1和第一电阻r1的共端，第十三mos管m13的栅极作为运放的反相输入端连接第二mos管m2和mosfet管mn1的共端，第十四mos管m14的栅极连接偏置电路，第十四mos管m14的源极接地gnd。单级五管跨导运放结构的增益能够满足电路设计需要，并且单级运放环路能保证稳定，如图2所示，图中将单级五管跨导运放结构等效为运放u1，运放电路与ztc核心电路中的第一mos管m1、第二mos管m2、第一电阻r1和mosfet管mn1组成负反馈回路，使第一电阻r1的两端电压与mosfet管mn1的源极和漏极间的电压相等，也即运放的同相输入端和反相输入端的电压完全相同。

ztc核心电路包括两个mos管、第一电阻r1和mosfet管mn1。可选的，mosfet管mn1采用n型mosfet。第一mos管m1的源极和第二mos管m2的源极连接电源vdd，第一mos管m1的漏极通过第一电阻r1接地gnd，第一mos管m1和第一电阻r1的共端还连接启动电路，第二mos管m2的漏极分别连接mosfet管mn1的漏极和运放的反相输入端，第一mos管m1的栅极和第二mos管m2的栅极相连，且栅极共端分别连接运放的输出端和输出电路，mosfet管mn1的栅极连接mosfet管mn1的漏极，mosfet管mn1的源极接地gnd。ztc核心电路配合运放电路，通过调节第一电阻阻值使mosfet管mn1工作在ztc工作点从而产生ztc电流im2，ztc电流im2和温度无关，其值不随温度改变而变化。

输出电路包括第十五mos管m15和第四电阻r4，第十五mos管m15的源极连接电源vdd、栅极连接第一mos管m1和第二mos管m2的栅极共端、漏极连接第四电阻r4的第一端，第四电阻r4的第二端接地gnd。第一mos管m1、第二mos管m2、第十五mos管m15组成电流镜，使得流经这三个mos管对应支路的电流保持一致，均为im2，输出电路通过电流镜将ztc核心电路产生的ztc电流im2作用于第四电阻r4上，从而在第四电阻r4的第一端获得基准电压vref。

本申请的ztc核心电路不同于传统的带隙基准电路，该电路中不存在双极型晶体管bjt，仅用到mos管和电阻，因此芯片面积较小。由于流过第一电阻r1和mosfet管mn1的电压、电流均相同，这将使得电压基准电路必然工作在第一电阻r1和mosfet管mn1的电流电压关系曲线的交叉点上，ztc工作点的工作特性曲线关系如图3所示。理论上来说，ztc工作点的电压值与电源电压无关，仅与第一电阻r1的阻值和mosfet管mn1的本身参数有关。图3中呈平方律变化的曲线为mosfet管mn1的电流电压特性曲线，其余三条直线分别对应了不同阻值的第一电阻r1的电流电压特性曲线。第一电阻r1的直线和mosfet管mn1的曲线的交点即图1中电路的工作点。从图中可以明显看出，在mosfet管mn1的参数保持不变的情况下，若电阻值也不变，则工作点固定。如果电阻发生变化则工作点也会发生相应改变，但工作点始终落在mosfet的特性曲线上，也就是说电路工作点特性必须要完全符合mosfet管mn1的工作特性。因此对应工作点位置的mosfet管mn1的温度特性即该工作点的温度特性。

图4为一个n型mosfet温度特性仿真图，横坐标为mosfet管的栅源电压，单位为毫伏，纵坐标为mosfet管的漏极电流，单位为μa。仿真图中各曲线代表了mosfet管在不同工作温度下的电流-电压特性曲线。从图4可以看出在约13μa工作电流时，不同温度下mosfet管的工作电压趋于一致，即如果漏极电流值为该值，则mosfet管的栅源电压与温度无关。

由于ztc工作点的存在，在图2中，只需要调整第一电阻r1的电阻阻值，使得mosfet管mn1的工作点恰好落在ztc工作点上，那么就可以在输出电路的输出端得到一个和电源电压、温度均无关的基准电压vref。而且图4的仿真结果表明，ztc工作时，不止是该点电压的温度系数为零，电流的温度系数也是零。因此类似于电流模式bgr，在图2中，通过调整第一电阻r1使ztc核心电路达到ztc工作点之后，还可以通过调整第四电阻r4的取值来获得任意所需要的基准电压vref。

图5为在-40℃-125℃温度范围内对输出电路的输出端进行仿真的结果，从图5中可以看出输出电压最高为475.5mv，最低为474.8mv，温度系数为4.56×10^-6/℃，该值远低于传统一阶带隙20×10^-6/℃左右的输出温度系数，这表明基于ztc工作点的电压基准在温度系数方面确实要低于传统带隙基准，具备一定的优势。

图6为室温时输出基准电压随电源电压变化情况，从图6可以看出整体电路在电源电压为1.1v时开始正常工作，1.1v之后输出电压随电源电压变化几乎是一条水平线，表明该电路线性度较好，这结果主要得益于运放结构和稳定的运放偏置电压。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。