一种高精度全CMOS曲率补偿基准电压源

一种高精度全cmos曲率补偿基准电压源
技术领域
1.本实用新型涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高精度全cmos曲率补偿基准电压源。


背景技术：

2.基准电压源是模拟集成电路和数模混合集成电路中不可或缺的一个模块，广泛地应用在模数转换器(adc)、数模转换器(dac)、电源管理单元(power management unit)、振荡器(oscillator)、锁相环(pll)等电路系统中，为模块提供不受工艺、电源电压和温度变化影响的直流参考电压。与传统带隙基准电压源比较，全cmos基准电压源功耗更低。同时，不使用电阻和三极管也大大减小了面积，降低了成本。近年来国内对cmos基准电压源的研究主要在于性能参数的提高，如：温漂、电源抑制、功耗等。
3.现有的cmos基准源技术中，利用mos管在亚阈值的电流-电压特性与bjt类似，通过mos管栅源电压相减，得到与温度正相关的电压；用工作在线性区的mos管替代电阻，产生与绝对温度成正比的电流；通过电流镜镜像电流，流过两个nmos堆叠的参考电压生成电路输出参考电压。这些基准源的温漂大多在几十甚至上百ppm范围。然而adc、pll等敏感的模拟模块对基准电压源的精度有较高要求，这就需要基准电压源具备低功耗的同时具有更低的温度系数及更高的电源抑制能力。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的是现有cmos基准电压源存在温度系数高和电源抑制比低的问题，提供一种高精度全cmos曲率补偿基准电压源。
5.为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
6.一种高精度全cmos曲率补偿基准电压源，包括启动电路，ctat电流参考电路，ptat电流参考电路，温度补偿电路，曲率补偿电路，以及基准电压输出电路。启动电路利用电容的充放电为ctat电流参考电路和ptat电流参考电路提供偏置电压，使得基准电压源摆脱简并偏置点，进入正常工作状态。ctat电流参考电路产生一个与温度成反比的参考电流in，为温度补偿电路和曲率补偿电路提供与温度负相关的偏置电流。ptat电流参考电路产生一个与温度成正比的参考电流i
p
，为温度补偿电路和曲率补偿电路提供与温度正相关的偏置电流。温度补偿电路将ctat电流参考电路所产生的参考电流in和ptat电流参考电路产生的参考电流i
p
以不同倍数作和，产生一个温度依赖性低的初始基准电流i
ref1
。曲率补偿电路将ctat电流参考电路所产生的参考电流in和ptat电流参考电路产生的参考电流i
p
进行不同比例缩放，并根据基尔霍夫电流定律，通过两个相反温度系数电流的比较，得到一个凹型曲线的补偿电流iv。基准电压输出电路将温度补偿电路产生的初始基准电流i
ref1
与曲率补偿电路产生的补偿电流iv以一定的权重作和，得到温度依赖性更低的最终基准电流i
ref
，进而利用最终基准电流i
ref
驱动基准电压输出电路中的mos管输出一个不受电源电压和温度变化影响的基准电压v
ref
。
7.上述启动电路由mos管m
s1-m
s5
和电容c1组成；mos管m
s1
和mos管m
s2
的源极接电源vdd；mos管m
s1
的栅极，mos管m
s3
的源极和电容c1的下极板接地gnd；mos管m
s2
和mos管m
s3
的漏极与mos管m
s4
和mos管m
s5
的源极相连；mos管m
s1
的漏极，mos管m
s2-m
s5
的栅极和电容c1的上极板相连；mos管m
s4
的漏极形成启动电路的ctat启动端ns，与ctat电流参考电路的ctat启动端ns连接；mos管m
s5
的漏极形成启动电路的ptat启动端ps，与ptat电流参考电路的ptat启动端ps连接。
8.上述mos管m
s1
由5个倒比管串联而成。
9.上述ctat电流参考电路由mos管m
p1-m
p6
和m
1-m6组成；mos管m
p1
、m
p3
和m
p5
的源极接电源vdd；mos管m3、m5和m6的源极接地gnd；mos管m
p1
、m
p3
和m
p5
的栅极，mos管m
p5
的漏极，以及mos管m
p6
的源极相连后形成ctat电流参考电路的第一反比电流端v
n1
，与温度补偿电路和曲率补偿电路的第一反比电流端v
n1
连接；mos管m
p2
、m
p4
和m
p6
的栅极，以及mos管m
p6
和m2的漏极相连后形成ctat电流参考电路的第二反比电流端v
n2
，与温度补偿电路和曲率补偿电路的第二反比电流端v
n2
连接；mos管m
p1
的漏极和mos管m
p2
的源极相连；mos管m
p3
的漏极和mos管m
p4
的源极相连；mos管m1和m2的栅极，以及mos管m1和m
p4
的漏极相连后形成ctat电流参考电路的ctat启动端ns，与启动电路的ctat启动端ns连接；mos管m3和m4的栅极相连，并连接到mos管m1的源极和mos管m3的漏极；mos管m2的源极和mos管m4的漏极相连；mos管m5和m6的栅极连接mos管m
p2
和m6的漏极。
10.上述ptat电流参考电路由mos管m
p7-m
p10
和m
7-m
12
组成；mos管m
p7
和m
p9
的源极接电源vdd；mos管m
11
和m
12
的源极接地gnd；mos管m
p7
和m
p9
的栅极、mos管m
p7
的漏极、以及mos管m
p8
的源极相连后形成ptat电流参考电路的第一正比电流端v
p1
，与温度补偿电路和曲率补偿电路的第一正比电流端v
p1
连接；mos管m
p8
和m
p10
的栅极与mos管m
p8
和m
p7
的漏极相连后形成ptat电流参考电路的第二正比电流端v
p2
，与温度补偿电路和曲率补偿电路的第二正比电流端v
p2
连接；mos管m
p9
的漏极和mos管m
p10
的源极相连；mos管m7和m8的栅极与mos管m
p10
和m8的漏极相连后形成ptat电流参考电路的ptat启动端ps，与启动电路的ptat启动端ps连接；mos管m9和m
10
的栅极相连，并连接到mos管m8的源极和mos管m9的漏极；mos管m9的源极和mos管m
10
的漏极相连，并连接mos管m
12
的栅极；mos管m
10
的源极、mos管m
11
的栅极和mos管m
12
的漏极相连；mos管m7的源极连接mos管m
11
的漏极。
11.上述温度补偿电路由mos管m
p11-m
p14
组成；mos管m
p11
和m
p13
的源极接电源vdd；mos管m
p11
的栅极形成第一次温度补偿电路的第一反比电流端v
n1
，与ctat电流参考电路的第一反比电流端v
n1
连接；mos管m
p12
的栅极形成温度补偿电路的第二反比电流端v
n2
，与ctat电流参考电路的第二反比电流端v
n2
连接；mos管m
p13
的栅极形成温度补偿电路的第一正比电流端v
p1
，与ptat电流参考电路的第一正比电流端v
p1
连接；mos管m
p14
的栅极形成温度补偿电路的第二正比电流端v
p2
，与ptat电流参考电路的第二正比电流端v
p2
连接；mos管m
p11
的漏极连接mos管m
p12
的源极；mos管m
p13
的漏极连接mos管m
p14
的源极；mos管m
p12
和m
p14
的漏极相连后形成温度补偿的电流端，与基准电压输出电路的电流端连接。
12.上述曲率补偿电路由mos管m
p15-m
p18
和m
c1-m
c9
组成；mos管m
c1
、m
c3
、m
p15
和m
p17
的源极接电源vdd；mos管m
c5
、m
c8
和m
c9
的源极接地gnd；mos管m
c1
的栅极形成曲率补偿电路的第一反比电流端v
n1
，与ctat电流参考电路的第一反比电流端连接v
n1
；mos管m
c2
的栅极形成曲率补偿电路的第二反比电流端v
n2
，与ctat电流参考电路的第二反比电流端v
n2
连接；mos管m
c3
的
栅极形成曲率补偿电路的第一正比电流端v
p1
，与ptat电流参考电路的第一正比电流端v
p1
连接；mos管m
c4
的栅极形成曲率补偿电路的第二正比电流端v
p2
，与ptat电流参考电路的第二正比电流端v
p2
连接；mos管m
c1
的漏极连接mos管m
c2
的源极；mos管m
c3
的漏极连接mos管m
c4
的源极；mos管m
c6
和m
c7
的栅极与mos管m
c4
和m
c6
的漏极相连；mos管m
c5
、m
c8
和m
c9
的栅极与mos管m
c2
和m
c5
的漏极相连；mos管m
c6
的源极与mos管m
c8
的漏极相连；mos管m
c7
的源极与mos管m
c9
的漏极相连；mos管m
c7
和m
p18
的漏极与mos管m
p16
和m
p18
的栅极相连；mos管m
p15
和m
p17
的栅极相连，并连接至mos管m
p17
的漏极和mos管m
p18
的源极；mos管m
p15
的漏极和m
p16
的源极连接；mos管m
p16
的漏极形成曲率补偿电路的电流端，与基准电压输出电路的电流端连接。
13.上述基准电压输出电路由mos管m
13-m
14
和电容c2组成；mos管m
13
的漏极与mos管m
13
和m
14
的栅极相连后形成基准电压输出电路的电流端，与温度补偿和曲率补偿电路的电流端连接；mos管m
13
的源极、mos管m
14
的漏极和电容c2的上极板相连后形成整个基准电压源的输出端；mos管m
14
的源极和电容c2的下极板接地gnd。
14.上述mos管m
14
为3.3v的mos管，mos管m
13
为1.8v的mos管。
15.与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：
16.1、输出的基准电压温漂低、电源抑制比高、电压调整率低；
17.2、功耗低，仅为纳瓦量级；
18.3、未使用无源电阻、bjt，减小了版图面积，降低了生产成本；
19.4、采用正负温度系数电流相加、曲率补偿技术实现两次温度补偿。
附图说明
20.图1为一种高精度全cmos曲率补偿基准电压源的电路图。
21.图2为一种高精度全cmos曲率补偿基准电压源的原理图。
22.图3为一种高精度全cmos曲率补偿基准电压源的仿真图。
具体实施方式
23.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本实用新型进一步详细说明。
24.一种高精度全cmos曲率补偿基准电压源，如图1所示，包括启动电路，ctat电流参考电路，ptat电流参考电路，温度补偿电路，曲率补偿电路，以及基准电压(v
ref
)输出电路。
25.启动电路连接到ctat电流参考电路和ptat电流参考电路，刚上电时，利用启动电路中电容的充放电为ctat电流参考电路和ptat电流参考电路提供偏置电压，使得基准电压源摆脱简并偏置点，进入正常工作状态。启动电路利用电容充放电过程中两极板电压的变化，通过一个反相器来实现对ptat电流参考电路和ctat电流参考电路的开启。在电源上电时，启动电路给mos管m1和mos管m8提供栅极偏压，使电路正常工作。
26.在本实施例中，启动电路由mos管m
s1-m
s5
和电容c1组成。其中mos管m
s1
由5个倒比管串联而成，相当于一个大电阻。mos管m
s1
和mos管m
s2
的源极接电源vdd；mos管m
s1
的栅极，mos管m
s3
的源极和电容c1的下极板接地gnd；mos管m
s2
和mos管m
s3
的漏极与mos管m
s4
和mos管m
s5
的源极相连；mos管m
s1
的漏极，mos管m
s2-m
s5
的栅极和电容c1的上极板相连；mos管m
s4
的漏极形成启动电路的ctat启动端ns，与ctat电流参考电路的ctat启动端ns连接；mos管m
s5
的漏极形
成启动电路的ptat启动端ps，与ptat电流参考电路的ptat启动端ps连接。
27.ctat电流参考电路产生一个与温度成反比的参考电流in，为温度补偿电路和曲率补偿电路提供与温度负相关的偏置电流。ctat电流参考电路基于自偏置(oguey)电流源，利用工作在线性区的mos管m6作为电阻，以取代oguey电流源中的无源电阻；与温度负相关的电流in由mos管m6的漏源电阻r
ds6
和mos管m6的漏源电压v
ds6
决定。同时，采用共源共栅电流镜结构，提高电源抑制比，并为温度补偿电路和曲率补偿电路提供电流偏置。
28.在本实施例中，ctat电流参考电路由mos管m
p1-m
p6
和m
1-m6组成。mos管m
p1
、m
p3
和m
p5
的源极接电源vdd；mos管m3、m5和m6的源极接地gnd；mos管m
p1
、m
p3
和m
p5
的栅极，mos管m
p5
的漏极，以及mos管m
p6
的源极相连后形成ctat电流参考电路的第一反比电流端v
n1
，与温度补偿电路和曲率补偿电路的第一反比电流端v
n1
连接；mos管m
p2
、m
p4
和m
p6
的栅极，以及mos管m
p6
和m2的漏极相连后形成ctat电流参考电路的第二反比电流端v
n2
，与温度补偿电路和曲率补偿电路的第二反比电流端v
n2
连接；mos管m
p1
的漏极和mos管m
p2
的源极相连；mos管m
p3
的漏极和mos管m
p4
的源极相连；mos管m1和m2的栅极，以及mos管m1和m
p4
的漏极相连后形成ctat电流参考电路的ctat启动端ns，与启动电路的ctat启动端ns连接；mos管m3和m4的栅极相连，并连接到mos管m1的源极和mos管m3的漏极；mos管m2的源极和mos管m4的漏极相连；mos管m5和m6的栅极连接mos管m
p2
和m6的漏极。
29.ptat电流参考电路产生一个与温度成正比的参考电流i
p
，为温度补偿电路和曲率补偿电路提供偏置电流。ptat电流参考电路，利用工作在饱和区的mos管m9为mos管m
10
提供偏置电压，使mos管m
10
工作在线性区；并利用工作在线性区的mos管m
10
的导通电阻与其漏源电压差产生一个偏置电流i
p
，其中mos管m
10
的漏源电压v
ds10
由工作在亚阈值区的mos管m
12
和m
11
的栅源电压差得到。同时，采用共源共栅电流镜提高电源抑制比，并为温度补偿电路和曲率补偿电路提供电流偏置。
30.在本实施例中，ptat电流参考电路由mos管m
p7-m
p10
和m
7-m
12
组成。mos管m
p7
和m
p9
的源极接电源vdd；mos管m
11
和m
12
的源极接地gnd；mos管m
p7
和m
p9
的栅极、mos管m
p7
的漏极、以及mos管m
p8
的源极相连后形成ptat电流参考电路的第一正比电流端v
p1
，与温度补偿电路和曲率补偿电路的第一正比电流端v
p1
连接；mos管m
p8
和m
p10
的栅极与mos管m
p8
和m
p7
的漏极相连后形成ptat电流参考电路的第二正比电流端v
p2
，与温度补偿电路和曲率补偿电路的第二正比电流端v
p2
连接；mos管m
p9
的漏极和mos管m
p10
的源极相连；mos管m7和m8的栅极与mos管m
p10
和m8的漏极相连后形成ptat电流参考电路的ptat启动端ps，与启动电路的ptat启动端ps连接；mos管m9和m
10
的栅极相连，并连接到mos管m8的源极和mos管m9的漏极；mos管m9的源极和mos管m
10
的漏极相连，并连接mos管m
12
的栅极；mos管m
10
的源极、mos管m
11
的栅极和mos管m
12
的漏极相连；mos管m7的源极连接mos管m
11
的漏极。
31.温度补偿电路采用pmos管共源共栅电流镜，将ctat电流参考电路所产生的与温度成反比的参考电流in和ptat电流参考电路产生的与温度成正比的参考电流i
p
以不同倍数作和，产生一个温度依赖性低的初始基准电流i
ref1
。共源共栅电流镜的使用提高了电源抑制比。
32.在本实施中，温度补偿电路由mos管m
p11-m
p14
组成。mos管m
p11
和m
p13
的源极接电源vdd；mos管m
p11
的栅极形成第一次温度补偿电路的第一反比电流端v
n1
，与ctat电流参考电路的第一反比电流端v
n1
连接；mos管m
p12
的栅极形成温度补偿电路的第二反比电流端v
n2
，与
ctat电流参考电路的第二反比电流端v
n2
连接；mos管m
p13
的栅极形成温度补偿电路的第一正比电流端v
p1
，与ptat电流参考电路的第一正比电流端v
p1
连接；mos管m
p14
的栅极形成温度补偿电路的第二正比电流端v
p2
，与ptat电流参考电路的第二正比电流端v
p2
连接；mos管m
p11
的漏极连接mos管m
p12
的源极；mos管m
p13
的漏极连接mos管m
p14
的源极；mos管m
p12
和m
p14
的漏极相连后形成温度补偿的电流端，与基准电压输出电路的电流端连接。
33.曲率补偿电路利用pmos管共源共栅电流镜结构，将ctat电流参考电路所产生的与温度成反比的参考电流in和ptat电流参考电路产生的与温度成正比的参考电流i
p
进行不同比例缩放，在节点x处根据基尔霍夫电流定律，通过两个相反温度系数电流的比较，得到一个凹型曲线的补偿电流iv。
34.在本实施例中，曲率补偿电路由mos管m
p15-m
p18
和m
c1-m
c9
组成。mos管m
c1
、m
c3
、m
p15
和m
p17
的源极接电源vdd；mos管m
c5
、m
c8
和m
c9
的源极接地gnd；mos管m
c1
的栅极形成曲率补偿电路的第一反比电流端v
n1
，与ctat电流参考电路的第一反比电流端连接v
n1
；mos管m
c2
的栅极形成曲率补偿电路的第二反比电流端v
n2
，与ctat电流参考电路的第二反比电流端v
n2
连接；mos管m
c3
的栅极形成曲率补偿电路的第一正比电流端v
p1
，与ptat电流参考电路的第一正比电流端v
p1
连接；mos管m
c4
的栅极形成曲率补偿电路的第二正比电流端v
p2
，与ptat电流参考电路的第二正比电流端v
p2
连接；mos管m
c1
的漏极连接mos管m
c2
的源极；mos管m
c3
的漏极连接mos管m
c4
的源极；mos管m
c6
和m
c7
的栅极与mos管m
c4
和m
c6
的漏极相连；mos管m
c5
、m
c8
和m
c9
的栅极与mos管m
c2
和m
c5
的漏极相连；mos管m
c6
的源极与mos管m
c8
的漏极相连；mos管m
c7
的源极与mos管m
c9
的漏极相连；mos管m
c7
和m
p18
的漏极与mos管m
p16
和m
p18
的栅极相连；mos管m
p15
和m
p17
的栅极相连，并连接至mos管m
p17
的漏极和mos管m
p18
的源极；mos管m
p15
的漏极和m
p16
的源极连接；mos管m
p16
的漏极形成曲率补偿电路的电流端，与基准电压输出电路的电流端连接。
35.基准电压输出电路采用pmos管共源共栅电流镜，将温度补偿电路产生的初始基准电流i
ref1
与曲率补偿电路产生的补偿电流iv以一定的权重作和，凹型曲线电流iv对初始基准电流i
ref1
的最高点进行补偿，从而大大减小温漂系数,得到温度依赖性更低的最终基准电流i
ref
，进而利用最终基准电流i
ref
驱动基准电压输出电路中的mos管m
13
和mos管m
14
得到一个不受电源电压和温度变化影响的输出电压v
ref
。
36.在本实施例中，基准电压输出电路由mos管m
13-m
14
和电容c2组成。mos管m
13
的漏极与mos管m
13
和m
14
的栅极相连后形成基准电压输出电路的电流端，与温度补偿和曲率补偿电路的电流端连接；mos管m
13
的源极、mos管m
14
的漏极和电容c2的上极板相连后形成整个基准电压源的输出端；mos管m
14
的源极和电容c2的下极板接地gnd。
37.参见图2，两个电流参考电路(ptat电流参考电路和ctat电流参考电路)分别产生与温度正相关的参考电流i
p
和与温度负相关的参考电流in。温度补偿电路将ctat电流参考电路所产生的参考电流in和ptat电流参考电路产生的参考电流i
p
分别以k2和k1倍数作和，得到温度依赖性低的初始基准电流i
ref1
。曲率补偿电路将ctat电流参考电路所产生的参考电流in和ptat电流参考电路产生的参考电流i
p
进行不同比例缩放，并根据基尔霍夫电流定律，通过两个相反温度系数电流的比较，得到一个凹型曲线的补偿电流iv。基准电压输出电路将初始基准电流i
ref1
和补偿电流iv按适当权重相加，得到温度依赖性更小的最终基准电流i
ref
，最后通过电压产生电路输出低温漂系数的基准电压v
ref
。
38.本实用新型未使用无源电阻、三极管，与cmos工艺兼容，大大减小了版图面积，降
低了生产成本，在性能上实现了低温漂，低功耗，同时具有高电源抑制比和低电压调整率。在本实施例中，除了mos管m
14
为3.3v的mos管，其余mos管均为1.8v的mos管。在tsmc 0.18-μm cmos标准工艺下，采用cadence spectre仿真器进行设计仿真，其仿真结果如图3所示。仿真结果表明，在1.8v电源电压下，本基准电压源的电源抑制比在100hz时为-81db，在1khz时为-61db，在-20-160℃的温度范围内具有3.26ppm/℃的温度系数，其功耗为193nw；在1.4v-3.3v电源电压范围内具有0.0526％/v的电源电压调整率，这些仿真结果验证了以上措施的有效性。综上所述，本实用新型具有温漂低、电源抑制比高、线性调整率低等特点，达到了高精度要求，同时还有版图面积小、器件与标准cmos工艺匹配等特点。
39.需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。