專利名稱：一種cmos分段高階溫度補償?shù)膩嗛撝祷鶞孰妷涸吹闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基準電壓源，尤其涉及一種CMOS分段高階溫度補償?shù)膩嗛撝祷鶞孰妷涸矗瑢儆陔娫醇夹g(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進一步復雜化，對模擬電路基本模塊，如A/D，D/A轉(zhuǎn)化器、濾波器以及鎖相環(huán)等電路提出了更高的精度和速度要求，這就意味著系統(tǒng)對其中的基準電壓源模塊提出了更高的要求。另外，基準電壓源是電壓穩(wěn)壓器中的一個關(guān)鍵電路單元，它也是 DC/DC轉(zhuǎn)化器中不可缺少的組成部分。基準電壓源的穩(wěn)定性直接決定了電路性能的優(yōu)劣。 一般常用的基準電壓源是1971年Widlar首次提出的采用BJT的帶隙基準源，它是利用BJT 的基極-發(fā)射極的電壓具有負溫度系數(shù)和不同發(fā)射結(jié)面積的兩個發(fā)射結(jié)電壓之差具有正溫度系數(shù)，將兩者加權(quán)相加，得到零溫度系數(shù)的基準電壓。但是，由于BJT管與CMOS工藝的兼容性不好，其發(fā)展受到了限制。2001年Filanovsky等指出在低于某一偏置工作點一下， 偏置于固定漏電流的MOSFET的柵源電壓與溫度的關(guān)系是準指數(shù)關(guān)系，基于這一研究成果， 可以用MOSFET的柵源電壓取代BJT的基極-發(fā)射極電壓來設(shè)計基準參考源，實現(xiàn)純CMOS 器件基準參考源的設(shè)計。溫漂系數(shù)是衡量基準參考源精度和穩(wěn)定性的重要指標之一。對于一階溫度補償?shù)募僀MOS帶隙基準源，溫度系數(shù)通?？梢赃_到200ppm/°C。為了進一步降低基準參考源的溫度系數(shù)就必須進行高階溫度曲率補償，目前比較常用的CMOS參考源的高階溫度曲率補償方法主要包括二階曲率補償技術(shù)、基于集成電阻溫度系數(shù)的曲率補償技術(shù)、基于柵源電壓差加權(quán)補償技術(shù)、基于ZTC補償技術(shù)等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種CMOS分段高階溫度補償?shù)膩嗛撝祷鶞孰妷涸?，它是一種基于亞閾值工作，并利用數(shù)字溫度檢測電路和分段高階溫度補償電路實現(xiàn)高精度控制的高階溫度補償基準電壓源。采取如下技術(shù)方案一種CMOS分段高階溫度補償?shù)膩嗛撝祷鶞孰妷涸矗涮卣髟谟谠O(shè)有啟動電路、 基準核心電路、數(shù)字式溫度檢測電路和分段高階溫度補償電路，啟動電路輸出至基準核心電路，利用一階溫度補償產(chǎn)生基準電壓，然后通過數(shù)字式溫度檢測電路使用不同開關(guān)閾值的反相器檢測電路工作的溫度范圍，最后利用分段高階溫度補償電路中MOS管堆疊，在不同溫度范圍分別進行高階溫度補償，耦合到最終的輸出基準電壓中；啟動電路包括四個MOS管ΡΜ0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，ΡΜ0、PM5的源極和襯底以及PM4的襯底都連接到VDD，PM4的柵極和PMO的柵極均連接到地，PMO的漏極連接到PM4 的源極，PM4的漏極與PM5的柵極以及NMO的柵極連接在一起，NMO的源極及漏極和襯底都連接到地；基準核心電路包括11 個 MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、匪1、匪2、匪3、匪4及匪5及四個電阻禮、&、民及R4,其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源極和襯底都連接到VDD，PM7的柵極、NM4的漏極和PM8的柵極連接電阻札的一端，PM7的漏極和PM6的柵極接到電阻隊的另一端，PMl、PM2、PM3的柵極和匪1的漏極均連接到PMl的漏極，PM6、匪3 的漏極以及匪1的柵極、匪2的柵極連接在一起并與啟動電路PM5的漏極連接，PM2的漏極、 匪3及NM4的柵極連接到電阻&的一端，電阻&的另一端連接到電阻R3及R4的一端，R3的另一端連接到匪5的柵極和PM3、PM8的漏極，電阻R4的另一端與匪1、匪3、NM4的源極和襯底、匪2、匪5的源極、漏極和襯底都連接在一起并接地；數(shù)字式溫度檢測電路包括MOS管NM6、14個反相器invl、inv2、inv3、inv4、inv5、 inv6、inv7、inv8、inv9、invlO、invll、invl2、invl3、invl4、2 個兩輸入與非門 nandl、 nand2、一個四輸入與非門nand3及兩個電阻，其中，電阻&的一端連接到VDD，電阻& 的另一端連接電阻&的一端，電阻&的另一端連接NM6的漏極并與反相器invl、inv5、inv8 及invll的輸入端連接在一起，NM6的源極和襯底連接到地，invl的輸出端連接到inv2的輸入端，irw2的輸出端連接到irw3的輸入端，irw3的輸出端連接到irw4的輸入端，irw4 的輸出端連接到與非門nandl的一個輸入端及與非門nand3的一個輸入端；inv5的輸出端連接到inv6的輸入端，inv6的輸出端連接到irw7的輸入端，inv7的輸出端連接到反向器 nand2的一個輸入端及與非門nand3的第二個輸入端；irw8的輸出端連接到irw9的輸入端，inv9的輸出端連接到invlO的輸入端，invlO的輸出端連接到與非門nandl的另一個輸出端，與非門nandl的輸出端連接到與非門nand3的第三個輸入端；invll的輸出端連接到 invl2的輸入端，invl2的輸出端連接到invl3的輸入端，invl3的輸出端連接到invl4的輸入端，invl4的輸出端連接到與非門nand2的另一個輸入端，與非門nand2的輸出端連接到與非門nand3的第四個輸入端，數(shù)字式溫度檢測電路的輸入端為NM6的柵極，與基準核心電路NM4的柵極連接；分段高階溫度補償電路包括14 個MOS 管PM9、PM10、PM11、PM12、PM13、PM14、PM15、 PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、PM22，其中，PM14、PM18、PM20、PM22 的柵極與基準核心電路中PM1、PM2、PM3的柵極連接在一起，PMl5, PM16、PMl7, PM19、PM21的柵極與基準核心電路中 PM7、PM8 的柵極連接在一起，PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、 PM22的源極和襯底以及PM9、PM10、PM11、PM12、PM13的襯底都連接到VDD，PM14、PM15的漏極連接到PM9的源極，PM16的漏極連接到PMlO的源極，PMl7, PM18的漏極連接到PMll的源極，PM19、PM20的漏極連接到PM12的源極，PM21、PM22的漏極連接到PM13的源極，PM9、 PM10、PMlU PMl2, PMl3的柵極分別連接到數(shù)字式溫度檢測電路中反向器inv7、inv4、與非門nand3、nand2、nandl的輸出端，PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3的漏極與基準核心電路中 PM3、PM8的漏極連接在一起，為基準電壓輸出端。本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果(1)本發(fā)明利用亞閾值NMOS柵源電壓Vgs偏置產(chǎn)生的CTAT電流與亞閾PMOS柵源電壓差產(chǎn)生的PTAT補償電流疊加得到電流?；鶞孰妷?，并將該電壓通過分段高階溫度補償電路耦合到最終的輸出基準電壓之中，從而得到高階溫度補償?shù)幕鶞孰妷海?2)本發(fā)明使用不同開關(guān)閾值的反相器檢測電路工作的溫度范圍，然后利用MOS 管堆疊在不同溫度范圍分別進行高階溫度補償，可以達到非常低的溫度系數(shù)。(3)本發(fā)明的基準核心電路中使用了負反饋的方法提高了整體電路的電源電壓抑制比。(4)本發(fā)明采用工作于亞閾值的峰值電流鏡，使電路可以在低電源電壓下工作，而且具有高的電源電壓抑制比和溫度穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明的電原理圖；圖2是本發(fā)明中數(shù)字式溫度檢測電路的原理圖；圖3是本發(fā)明中分段高階溫度補償電路的原理圖；圖4是沒有使用分段高階溫度補償電路的亞閾值基準輸出電壓隨溫度變化的仿真結(jié)果圖；圖5是三段高階溫度補償?shù)膩嗛撝祷鶞瘦敵鲭妷弘S溫度的變化的仿真結(jié)果圖；圖6是五段高階溫度補償?shù)膩嗛撝祷鶞瘦敵鲭妷弘S溫度的變化的仿真結(jié)果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明進行詳細說明本發(fā)明的原理圖如圖1所示，包括啟動電路、基準核心電路、數(shù)字式溫度檢測電路和分段高階溫度補償電路。啟動電路包括四個MOS管ΡΜ0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，PMO、PM5的源極和襯底以及PM4的襯底都連接到VDD，PM4的柵極和PMO的柵極均連接到地，PMO的漏極連接到PM4 的源極，PM4的漏極與PM5的柵極以及NMO的柵極連接在一起，NMO的源極及漏極和襯底都連接到地。啟動電路的工作原理為總體電路剛上電啟動時，PMO、PM4、PM5導通，PM5漏極電壓上升，使匪1導通，基準核心電路正常工作，NMO柵極電壓逐漸上升，最終PM5截止，啟動過程完成?；鶞屎诵碾娐钒?1 個 MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、匪1、匪2、匪3、匪4 及匪5及四個電阻禮、&、民及R4,其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源極和襯底都連接到VDD，PM7的柵極、NM4的漏極和PM8的柵極連接電阻札的一端，PM7的漏極和PM6的柵極接到電阻隊的另一端，PMl、PM2、PM3的柵極和匪1的漏極均連接到PMl的漏極，PM6、匪3 的漏極以及匪1的柵極、匪2的柵極連接在一起并與啟動電路PM5的漏極連接，PM2的漏極、 匪3及NM4的柵極連接到電阻&的一端，電阻&的另一端連接到電阻R3及R4的一端，R3的另一端連接到匪5的柵極和PM3、PM8的漏極，電阻R4的另一端與匪1、匪3、NM4的源極和襯底、匪2、匪5的源極、漏極和襯底都連接在一起并接地?；鶞屎诵碾娐返墓ぷ髟頌殡娐穯雍螅琍M1、PM2、PM3、匪1工作在飽和區(qū)，PM6、 PM7、PM8、W3、NM4工作在亞閾值區(qū)。亞閾值區(qū)是指當Vgs ( Vth時，但是有足夠大可以使硅表面產(chǎn)生一個耗盡區(qū)時的工作區(qū)域，此時MOSFET的漏源電流不為零，漏源電流稱為“亞閾值電流”。亞閾值電流是MOSFET的源/漏端載流子的“濃度差”產(chǎn)生的擴散電流，與雙極型晶體管類似，跟柵源電壓呈準指數(shù)變化。工作在亞閾值區(qū)的M0SFET，其溝道處于弱反型態(tài)， 大部分界面態(tài)都沒有“中和”，與之相關(guān)的電容會隨溝道的表面勢變化，表現(xiàn)出充放電的電容效應，因此推導I-V特性公式很復雜。這里直接引用求解泊松方程的結(jié)果得到亞閾值電流的表達式為
權(quán)利要求
1. 一種CMOS分段高階溫度補償?shù)膩嗛撝祷鶞孰妷涸矗涮卣髟谟谠O(shè)有啟動電路、基準核心電路、數(shù)字式溫度檢測電路和分段高階溫度補償電路，啟動電路輸出至基準核心電路，利用一階溫度補償產(chǎn)生基準電壓，然后通過數(shù)字式溫度檢測電路使用不同開關(guān)閾值的反相器檢測電路工作的溫度范圍，最后利用分段高階溫度補償電路中MOS管堆疊，在不同溫度范圍分別進行高階溫度補償，耦合到最終的輸出基準電壓中；啟動電路包括四個MOS管PM0、PM4、PM5及ΝΜ0，其中，PM0、PM5的源極和襯底以及PM4 的襯底都連接到VDD，PM4的柵極和PMO的柵極均連接到地，PMO的漏極連接到PM4的源極， PM4的漏極與PM5的柵極以及NMO的柵極連接在一起，NMO的源極及漏極和襯底都連接到地；基準核心電路包括 11 個 MOS 管PM1、PM2、PM3、PM6、PM7、PM8、NM1、NM2、NM3、NM4 及匪5及四個電阻禮、R2> R2及民，其中，PM7、PM6、PM1、PM2、PM3、PM8的源極和襯底都連接到 VDD, PM7的柵極、NM4的漏極和PM8的柵極連接電阻隊的一端，PM7的漏極和PM6的柵極接到電阻隊的另一端，PMl、PM2、PM3的柵極和匪1的漏極均連接到PMl的漏極，PM6、匪3的漏極以及匪1的柵極、匪2的柵極連接在一起并與啟動電路PM5的漏極連接，PM2的漏極、 匪3及NM4的柵極連接到電阻&的一端，電阻&的另一端連接到電阻R3及R4的一端，R3的另一端連接到匪5的柵極和PM3、PM8的漏極，電阻R4的另一端與匪1、匪3、NM4的源極和襯底、匪2、匪5的源極、漏極和襯底都連接在一起并接地；數(shù)字式溫度檢測電路包括MOS管NM6、14個反相器inv 1、inv2、inv3、inv4、inv5、inv6、 inv7、inv8、inv9、invl0、invll、invl2、invl3、invl4、2 個兩輸入與非門 nandl、nand2、一個四輸入與非門nand3及兩個電阻，其中，電阻&的一端連接到VDD，電阻&的另一端連接電阻&的一端，電阻&的另一端連接NM6的漏極并與反相器invl、inv5、inv8及invll 的輸入端連接在一起，NM6的源極和襯底連接到地，invl的輸出端連接到irw2的輸入端， inv2的輸出端連接到irw3的輸入端，inv3的輸出端連接到irw4的輸入端，irw4的輸出端連接到與非門nandl的一個輸入端及與非門nand3的一個輸入端；inv5的輸出端連接到 inv6的輸入端，inv6的輸出端連接到inv7的輸入端，inv7的輸出端連接到反向器nand2 的一個輸入端及與非門nand3的第二個輸入端；irw8的輸出端連接到irw9的輸入端，inv9 的輸出端連接到invlO的輸入端，invlO的輸出端連接到與非門nandl的另一個輸出端，與非門nandl的輸出端連接到與非門nand3的第三個輸入端；invll的輸出端連接到invl2的輸入端，irwl2的輸出端連接到irwl3的輸入端，irwl3的輸出端連接到irwl4的輸入端， invl4的輸出端連接到與非門nand2的另一個輸入端，與非門nand2的輸出端連接到與非門 nand3的第四個輸入端，數(shù)字式溫度檢測電路的輸入端為NM6的柵極，與基準核心電路NM4 的柵極連接；分段高階溫度補償電路包括14個MOS管PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3, PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、PM22，其中，PM14、PM18、PM20、PM22 的柵極與基準核心電路中PM1、PM2、PM3的柵極連接在一起，PMl5, PM16、PMl7, PM19、PM21的柵極與基準核心電路中 PM7、PM8 的柵極連接在一起，PM14、PMl5, PM16、PMl7, PM18、PM19、PM20、PM21、 PM22的源極和襯底以及PM9、PM10、PM11、PM12、PM13的襯底都連接到VDD，PM14、PM15的漏極連接到PM9的源極，PM16的漏極連接到PMlO的源極，PMl7, PM18的漏極連接到PMll的源極，PM19、PM20的漏極連接到PM12的源極，PM21、PM22的漏極連接到PM13的源極，PM9、PM10、PMlU PMl2, PMl3的柵極分別連接到數(shù)字式溫度檢測電路中反向器inv7、inv4、與非門nand3、nand2、nandl的輸出端，PM9、PM10、PMl 1、PMl2, PMl3的漏極與基準核心電路中 PM3、PM8的漏極連接在一起，為基準電壓輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS分段高階溫度補償?shù)膩嗛撝祷鶞孰妷涸?，包括啟動電路、基準核心電路、?shù)字式溫度檢測電路和分段高階溫度補償電路，利用亞閾值NMOS柵源電壓VGS偏置產(chǎn)生的CTAT電流與亞閾PMOS柵源電壓差產(chǎn)生的PTAT補償電流疊加得到電流?；鶞孰妷?，并將該電壓通過分段高階溫度補償電路耦合到最終的輸出基準電壓之中，從而得到高階溫度補償?shù)幕鶞孰妷?。本發(fā)明具有較低的溫度系數(shù)和較高的電源電壓抑制比，采用SMIC 65nm標準工藝庫仿真得到溫度系數(shù)為5.2ppm/℃。
文檔編號G05F1/56GK102411391SQ201110122679
公開日2012年4月11日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者孫偉鋒, 徐申, 時龍興, 楊淼, 王益峰, 陸生禮, 高慶 申請人:東南大學