專利名稱：一種低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種在低電壓下工作的高電源抑制比、 低閃爍噪聲的電壓基準(zhǔn)源，該設(shè)計(jì)基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
背景技術(shù)：
基準(zhǔn)源是模擬集成電路和混合信號(hào)集成電路中不可或缺的模塊，廣泛應(yīng)用于低壓 差調(diào)整器、開關(guān)電源、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等，這些電路普遍要求基準(zhǔn)源的輸出不隨溫度和電源電壓 的變化而變化。目前主流的基準(zhǔn)源均采用熱電壓Vt的正溫度系數(shù)與雙極性晶體管(三極 管)的基極_發(fā)射極Vbe電壓的負(fù)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)較低溫度系數(shù)，同時(shí)可附加其 他技術(shù)進(jìn)行溫度系數(shù)的高階補(bǔ)償；在減弱電源電壓對(duì)基準(zhǔn)源影響的方面，方法呈現(xiàn)多樣化， 主要用電源抑制比指標(biāo)來衡量。減小溫度系數(shù)和提高電源抑制是基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)的兩大永恒主 題。近年來，低碳節(jié)能和綠色環(huán)保的概念及其發(fā)展趨勢(shì)愈發(fā)顯著，推動(dòng)集成電路設(shè)計(jì) 趨向于低電源電壓設(shè)計(jì)，因而低電壓電路設(shè)計(jì)成為現(xiàn)今集成電路設(shè)計(jì)尤其是模擬集成電路 設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，便攜式電子產(chǎn)品中大量采用1. 5V的一次性電池和1. 2V的充 電電池，當(dāng)電池電量降低時(shí)，輸出電壓會(huì)下降，所以一般要求基準(zhǔn)源可以工作在IV的電壓 下。由于三極管的Vbe電壓已占用0. 7V左右的電壓余度，這對(duì)基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)提出了較高的 要求，使得以往的基準(zhǔn)源同時(shí)滿足電路在低壓下正常工作和提高電源抑制變得十分困難。同時(shí)，在低電壓的情況下，基準(zhǔn)源中的噪聲被相對(duì)放大，使得降低噪聲在基準(zhǔn)源設(shè) 計(jì)中變得更加重要。在已有的減小基準(zhǔn)源閃爍噪聲的方法中，中國(guó)專利CN101630173給出 了一種利用MOS管在強(qiáng)反型區(qū)和截止區(qū)進(jìn)行周期性切換減小閃爍噪聲的方式，美國(guó)專利 US6160274、US6514825和US6653679都通過特殊工藝步驟或材料來制造不同于主流CMOS 工藝的低閃爍噪聲晶體管，但是這些方法都付出了增加了電路設(shè)計(jì)或工藝加工復(fù)雜性的代 價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，同時(shí)能 滿足低閃爍噪聲、高電源抑制的要求。一種低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源，包括啟動(dòng)電路、自級(jí)聯(lián)電流鏡、運(yùn)算 放大器、溫度系數(shù)補(bǔ)償電路和基準(zhǔn)輸出級(jí)電路。所述的啟動(dòng)電路與溫度系數(shù)補(bǔ)償電路連接，為其他電路提供啟動(dòng)電流，并在電路 啟動(dòng)后切斷與其他電路的聯(lián)系；所述的電流鏡包括三個(gè)自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流源，為三個(gè)支路提供相同的電流，每個(gè) 自級(jí)聯(lián)電流源由兩個(gè)PMOS管串聯(lián)組成，它們的柵極相連，其余一端與電源相連，另一端與 溫度補(bǔ)償電路或基準(zhǔn)輸出電路相連，三個(gè)自級(jí)聯(lián)電流源的柵極也相接；所述的運(yùn)算放大器用于使溫度補(bǔ)償電路中的兩點(diǎn)電壓相等，它的正反相輸入端分
3別連接在溫度系數(shù)補(bǔ)償電路的兩條支路上，輸出端連接在自級(jí)聯(lián)電流鏡的柵極上；所述的在溫度系數(shù)補(bǔ)償電路，含有兩個(gè)發(fā)射區(qū)-基區(qū)面積不同的PNP三極管和三 個(gè)電阻，其中兩個(gè)三極管的基極和集電極接地，發(fā)射極接自級(jí)聯(lián)電流鏡，面積較小的三極管 與一個(gè)電阻并聯(lián)，面積較大的三極管與一個(gè)電阻串聯(lián)，再與一個(gè)電阻并聯(lián)；所述的基準(zhǔn)輸出級(jí)電路包括一個(gè)電阻，將自級(jí)聯(lián)電流鏡復(fù)制過來的電流轉(zhuǎn)換為基 準(zhǔn)源輸出電壓。優(yōu)選地，所述的電流鏡的PMOS管采用低閾值電壓MOS管，其閾值電壓的絕對(duì)值為 標(biāo)準(zhǔn)MOS管的50% 75%。優(yōu)選地，所述的運(yùn)算放大器由中的輸入MOS管采用原生MOS管，兩個(gè)原生MOS管的 柵極分別接到運(yùn)放的兩個(gè)輸入端。優(yōu)選地，所述的溫度系數(shù)補(bǔ)償電路可以擴(kuò)展為高階溫度系數(shù)補(bǔ)償電路，該方案是 在前述基準(zhǔn)源的基礎(chǔ)上添加一個(gè)支路，該支路包含一個(gè)由兩個(gè)PMOS管串聯(lián)組成自級(jí)聯(lián)電 流源和一個(gè)三極管，所述的自級(jí)聯(lián)電流源的柵極相連，一端與電源相連，另一端與基準(zhǔn)輸出 電路相連，與所述的自級(jí)聯(lián)電流鏡的三個(gè)自級(jí)聯(lián)電流源的柵極也相接；三極管的基極和集 電極接地，發(fā)射極接自級(jí)聯(lián)電流源；在該三極管的發(fā)射極和運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間跨接兩 個(gè)等值的電阻。本發(fā)明的技術(shù)效果是(1)利用低閾值電壓PMOS管實(shí)現(xiàn)的自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)電流鏡在低壓基準(zhǔn)源中提高了電 源抑制，降低了閃爍噪聲。(2)運(yùn)算放大器由中的輸入MOS管采用原生MOS管，進(jìn)一步減小了閃爍噪聲，同時(shí) 在低壓電路中節(jié)省了電壓余度。(3)將所述的溫度系數(shù)補(bǔ)償電路擴(kuò)展為高階溫度系數(shù)補(bǔ)償電路后，進(jìn)一步減小了 基準(zhǔn)源輸出電壓隨溫度的變化，提高了基準(zhǔn)輸出電壓的穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)的整體電路原理圖。圖2是在運(yùn)算放大器中使用的原生NMOS管的示意圖。圖3是自級(jí)聯(lián)電流源結(jié)構(gòu)的原理圖。圖4是實(shí)現(xiàn)溫度系數(shù)高階補(bǔ)償基準(zhǔn)源的整體電路原理圖。
具體實(shí)施例方式為了更為具體地描述本發(fā)明，結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和相 關(guān)原理進(jìn)行說明。實(shí)施例1如圖1所示，一種低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源的整體電路是本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例，它包括啟動(dòng)電路、自級(jí)聯(lián)電流鏡、運(yùn)算放大器、溫度系數(shù)補(bǔ)償電路和基準(zhǔn)輸出 級(jí)電路。所述的啟動(dòng)電路由電阻Rs和兩個(gè)匪OS管Mnl和Mn2構(gòu)成。其中Rs連接于電源 和Mnl的柵極之間；Mnl的漏極接電源，其源極接三極管Ql的發(fā)射極；Mn2的柵極和漏極端接，其源極接地。所述的自級(jí)聯(lián)電流鏡由六個(gè)低閾值電壓的PMOS管Mal 2、Mbl 2和Mcl 2 構(gòu)成，它們組成了三個(gè)自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流源，為三個(gè)支路提供相同的電流，以Mal和Ma2為 例，兩個(gè)MOS管串聯(lián)相接，柵極相連，Mal的源極與電源相連，Ma2的漏極與Ql的發(fā)射極相 連；同理，Mbl 2和Mcl 2與Mal 2的連接關(guān)系相似，僅僅是Mb2和Mc2所連接的點(diǎn) 有所不同；此外，三個(gè)自級(jí)聯(lián)電流源的柵極也相接，它們共同組成自級(jí)聯(lián)電流鏡。所述的運(yùn)算放大器在圖1中的虛線方框中標(biāo)出，與運(yùn)放反相輸入端相連的有三極 管Ql的發(fā)射極、電阻Rl的一端、電阻R4的一端和PMOS管Ma2的漏極，與運(yùn)放同相輸入端 相連的有電阻RO的一端、電阻R2的一端、電阻R5的一端以及PMOS管Mb2的漏極，運(yùn)放的 輸出端與電流鏡Mal 2、Mbl 2、和Mcl 2這六個(gè)PMOS管的柵極相連。此外，運(yùn)放的 正反相輸入端在運(yùn)放內(nèi)部分別與兩個(gè)原生匪OS管Mil和Mi2的柵極相連，如圖2所示。所述的溫度系數(shù)補(bǔ)償電路，包括Ql、Q2兩個(gè)三極管和R0、RU R2三個(gè)電阻和8個(gè) 低閾值電壓的PMOS管。Ql和Q2是PNP襯底三極管，其中Q2的發(fā)射區(qū)-基區(qū)面積是Ql的 N倍，它們的基極和集電極均接地，Ql與Rl并聯(lián)，Q2的發(fā)射極與RO相連，再與R2并聯(lián)。所述的基準(zhǔn)輸出級(jí)電路包括一個(gè)電阻R3，它將自級(jí)聯(lián)電流鏡復(fù)制過來的溫度系數(shù) 補(bǔ)償?shù)碾娏鬓D(zhuǎn)換為基準(zhǔn)源輸出電壓VMf。該實(shí)施例的相關(guān)原理闡釋如下啟動(dòng)電路的工作原理是，當(dāng)核心電路電流為零時(shí)，電阻Rl兩端電壓為零，電阻Rs 和NMOS管Mn2使得NMOS管Mnl的柵源電壓大于其閾值電壓，則Mnl導(dǎo)通，向核心電路注入 電流。當(dāng)核心電路達(dá)到正常工作點(diǎn)后，Mnl源極電壓上升到0. 7V左右，迫使Mnl管截止，啟 動(dòng)電路就與核心電路隔離開來，不會(huì)再對(duì)核心電路造成影響。對(duì)于溫度補(bǔ)償電路，其工作原理為首先，負(fù)反饋連接的運(yùn)放使得它的兩個(gè)輸入端 虛短路，在運(yùn)放增益很大的條件下，兩點(diǎn)電壓可認(rèn)為相等。其次，相同尺寸的自級(jí)聯(lián)電流鏡 Mal 2、Mbl 2和Mcl 2使得三個(gè)支路的電流相等，在此條件下，RO上的電流正比于熱 電壓Vt，而R2上的電流正比于Vbe，兩者具有相反的溫度系數(shù)，選擇合適比例的N、Rl和R2， 就得到了一階溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)碾娏鳌＿@樣，通過電流鏡Mcl 2和電阻R3，就實(shí)現(xiàn)了溫度系 數(shù)高階補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓VMf。如圖3所示，發(fā)明中的電流鏡采用了自流聯(lián)結(jié)構(gòu)。自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是一個(gè)由兩個(gè)MOS 管組成的結(jié)構(gòu)，如圖30，此結(jié)構(gòu)可以看作一個(gè)復(fù)合晶體管，如圖31。這個(gè)復(fù)合晶體管的等效 溝道長(zhǎng)度Le比普通單管要大很多，即圖中的Le > L。由MOS管的溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)可知，溝長(zhǎng) 調(diào)制系數(shù)λ ~1^，而輸出電阻1~。00 λ、可得出r。oc L，因此這種結(jié)構(gòu)提高了電流源的輸 出電阻，使得偏置電流受電源電壓波動(dòng)的影響變小，即提高了電源抑制。設(shè)MOS單管的跨導(dǎo)為gm，圖30中的NMOS管的過驅(qū)動(dòng)電壓分別為Vdsatl和Vdsat2。經(jīng) 小信號(hào)模型計(jì)算可知，單管電流源的輸出電阻為r0量級(jí)，而自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸出電阻為gmr。2 量級(jí)，與普通的共源共柵結(jié)構(gòu)的電流源的輸出電阻相當(dāng)，但卻只消耗了 Vdsatl+Vdsat2的電壓余 度，比普通共源共柵節(jié)約了一個(gè)閾值電壓|Vthp|。因此，這種結(jié)構(gòu)同時(shí)克服了普通共源共柵 電流源消耗電壓余度大和單管電流源輸出電阻小的不足，實(shí)現(xiàn)了在低壓電路中提高電源 抑制的目標(biāo)。在實(shí)際使用時(shí)，M2的寬長(zhǎng)比W/L應(yīng)該為Ml的寬長(zhǎng)比的η倍，η > 1，則此結(jié)構(gòu)復(fù)合晶體管的等效跨導(dǎo)為gM2/n = gM1。對(duì)于NM0S，流過復(fù)合晶體管的電流為Peff (Vin-Vtta)2/2， 其中，^eff = β J2Ai^1+β 2)，當(dāng) η >> 1 時(shí)，^eff 約為 β10自級(jí)聯(lián)電流鏡使用的低閾值電壓的MOS管減小了閃爍噪聲。在該發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的 基準(zhǔn)源中，電流鏡是閃爍噪聲的一個(gè)主要來源。在現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)CMOS的工藝中一般會(huì)提供低閾 值的MOS管，這種器件仍是增強(qiáng)型MOS管，但是閾值電壓的絕對(duì)值比標(biāo)準(zhǔn)MOS管低，依工藝 不同，低閾值電壓MOS管的閾值電壓的絕對(duì)值為標(biāo)準(zhǔn)MOS管的50 % 75 %。閃爍噪聲是MOS器件中產(chǎn)生機(jī)理最不明確的一種噪聲，但是普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是， 該噪聲與載流子在氧化物_硅界面的俘獲_釋放現(xiàn)象相關(guān)。低閾值MOS管在制造時(shí)注入的 雜質(zhì)比標(biāo)準(zhǔn)MOS管少，其氧化物_硅界面更為光潔，使得載流子被俘獲和釋放的概率降低， 所以在溝道面積相同的情況下，具有更低的閃爍噪聲。由于運(yùn)放的輸入管是基準(zhǔn)源閃爍噪聲的另一主要來源，在運(yùn)放輸入管中使用原生 MOS管進(jìn)一步減小了閃爍噪聲，如圖2中所示的原生MOS管Mil和Mi2，兩個(gè)原生MOS管的 柵極分別接到運(yùn)放的兩個(gè)輸入端。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS的工藝流程中，可以制造這種原生MOS管。相比標(biāo)準(zhǔn)MOS管，原生MOS 管是沒有經(jīng)過閾值調(diào)整工藝步驟的MOS管因?yàn)樗鼪]有經(jīng)過閾值調(diào)整注入，其氧化物-硅界 面相比低閾值電壓MOS管更加光潔，具有更好的抑制閃爍噪聲的效果。由于原生MOS管在 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中就能實(shí)現(xiàn)，相比背景技術(shù)中所提到的方法，采用這種方式減小閃爍噪聲使 得設(shè)計(jì)和制造都得到了簡(jiǎn)化。由于原生NMOS的閾值電壓一般略小于零，也就是耗盡型器件，因而在產(chǎn)生同樣 電流的情況下，其柵源電壓Ves壓降要比標(biāo)準(zhǔn)MOS管小一個(gè)閾值電壓Vtta左右，在低電壓應(yīng) 用中還節(jié)約了電壓余度。實(shí)施例2如圖4所示，一種低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源，包括啟動(dòng)電路、自級(jí)聯(lián) 電流鏡、運(yùn)算放大器、高階溫度系數(shù)補(bǔ)償電路和基準(zhǔn)輸出級(jí)電路，其中啟動(dòng)電路、運(yùn)算放 大器和基準(zhǔn)輸出級(jí)電路與實(shí)施例1相同；所述的自級(jí)聯(lián)電流鏡增加了一路自級(jí)聯(lián)電流源 Msl 2，其實(shí)現(xiàn)與連接方法與實(shí)施例1中的三組電流源一致；所述的高階溫度系數(shù)補(bǔ)償電 路，相比實(shí)施例1中的溫度系數(shù)補(bǔ)償電路增加了一個(gè)三極管Q3和兩個(gè)電阻R4、R5。所增加 的三極管Q3的發(fā)射區(qū)-基區(qū)面積與Ql的相同，Q3的基極和集電極接地，發(fā)射極接新增的 一路自級(jí)聯(lián)電流源，電阻R4、R5分別跨接在運(yùn)放的兩個(gè)輸入端和Q3的發(fā)射極之間，這兩個(gè) 電阻上流過的電流Im補(bǔ)償了 Vbe溫度系數(shù)的非線性項(xiàng)，使Q3—路電流實(shí)現(xiàn)了溫度系數(shù)的高 階補(bǔ)償。這樣，通過電流鏡和電阻R3，就實(shí)現(xiàn)了溫度系數(shù)高階補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓V&。高階溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)脑矸治鋈缦乱话愕兀龢O管的基極_發(fā)射極電壓Vbe與溫度之間的非理想關(guān)系可以表示為
T… ”、， 、… Γ
Vbe (T) = Vbg --(Vbg - Vbeq) -(η- m)VT In
rj-1 \ IJKJUJZ wzV Iy 1rj-1
其中T是絕對(duì)溫度，T0是一個(gè)確定的參考溫度，Vbg是硅的帶隙電壓，η是一個(gè)依 賴于摻雜濃度的常數(shù)，m是依賴于三極管發(fā)射極電流溫度特性的一個(gè)常數(shù)。這種補(bǔ)償?shù)幕?本思想是，通過具有一階溫度補(bǔ)償?shù)腣be (m 0)和正比于溫度的VbeOii= 1)的適當(dāng)組合，來 到達(dá)高階補(bǔ)償?shù)哪康?。則Q3和Ql 2的Vbe電壓可以分別表示為
權(quán)利要求
一種低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源，包括啟動(dòng)電路、自級(jí)聯(lián)電流鏡、運(yùn)算放大器、溫度系數(shù)補(bǔ)償電路和基準(zhǔn)輸出級(jí)電路，其特征在于所述的啟動(dòng)電路與溫度系數(shù)補(bǔ)償電路連接，為其他電路提供啟動(dòng)電流，并在電路啟動(dòng)后切斷與其他電路的聯(lián)系；所述的自級(jí)聯(lián)電流鏡包括三個(gè)自級(jí)聯(lián)電流源，為三個(gè)支路提供相同的電流，每個(gè)自級(jí)聯(lián)電流源由兩個(gè)PMOS管串聯(lián)組成，它們的柵極相連，其余一端與電源相連，另一端與溫度補(bǔ)償電路或基準(zhǔn)輸出電路相連，三個(gè)自級(jí)聯(lián)電流源的柵極也相接；所述的運(yùn)算放大器用于使溫度補(bǔ)償電路中的兩點(diǎn)電壓相等，它的正反相輸入端分別連接在溫度系數(shù)補(bǔ)償電路的兩條支路上，輸出端連接在自級(jí)聯(lián)電流鏡的柵極上；所述的溫度系數(shù)補(bǔ)償電路，含有兩個(gè)發(fā)射區(qū) 基區(qū)面積不同的PNP三極管和三個(gè)電阻，其中兩個(gè)三極管的基極和集電極接地，發(fā)射極接自級(jí)聯(lián)電流鏡，面積較小的三極管與一個(gè)電阻并聯(lián)，面積較大的三極管與一個(gè)電阻串聯(lián)，再與一個(gè)電阻并聯(lián)；所述的基準(zhǔn)輸出級(jí)電路包括一個(gè)電阻，將自級(jí)聯(lián)電流鏡復(fù)制過來的電流轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)源輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源，其特征在于所述的 運(yùn)算放大器中的MOS管采用原生NMOS管，兩個(gè)原生MOS管的柵極分別接到運(yùn)放的兩個(gè)輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源，其特征在于所述的 電流鏡的PMOS管采用低閾值電壓MOS管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源，其特征在于所述的 溫度補(bǔ)償電路還包括一個(gè)支路，該支路包含一個(gè)由兩個(gè)PMOS管串聯(lián)組成自級(jí)聯(lián)電流源和 一個(gè)三極管，所述的自級(jí)聯(lián)電流源的柵極相連，一端與電源相連，另一端與基準(zhǔn)輸出電路相 連，與所述的自級(jí)聯(lián)電流鏡的三個(gè)自級(jí)聯(lián)電流源的柵極也相接；三極管的基極和集電極接 地，發(fā)射極接自級(jí)聯(lián)電流源；在該三極管的發(fā)射極和運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間跨接兩個(gè)等值 的電阻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低閃爍噪聲、高電源抑制的低壓基準(zhǔn)源，包括啟動(dòng)電路、自級(jí)聯(lián)電流鏡、運(yùn)算放大器、溫度系數(shù)補(bǔ)償電路和基準(zhǔn)輸出級(jí)電路，所述的電流鏡包括三個(gè)自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流源，利用低閾值電壓PMOS管實(shí)現(xiàn)的自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)電流鏡，在低壓基準(zhǔn)源中提高了電源抑制，降低了閃爍噪聲，同時(shí)運(yùn)算放大器由中的輸入MOS管采用原生MOS管，進(jìn)一步減小了閃爍噪聲，同時(shí)在低壓電路中節(jié)省了電壓余度，所述的溫度系數(shù)補(bǔ)償電路擴(kuò)展為高階溫度系數(shù)補(bǔ)償電路后，進(jìn)一步減小了基準(zhǔn)源輸出電壓隨溫度的變化，提高了基準(zhǔn)輸出電壓的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G05F1/567GK101980097SQ20101029954
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者張昊, 王昊 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)