本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及模擬集成電路技術(shù)領(lǐng)域中的一種低溫漂的全金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)基準(zhǔn)電壓源。本發(fā)明可以作為模擬電路和數(shù)?；旌想娐返闹匾糠?，可用于為振蕩器、LDO等模塊提供穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)電壓。

背景技術(shù)：

集成電路工藝飛速發(fā)展，在集成電路設(shè)計(jì)中，基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)關(guān)鍵模塊，并被廣泛應(yīng)用于模擬電路、數(shù)字電路以及模數(shù)混合電路中。傳統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源通常采用“帶隙”技術(shù)，結(jié)構(gòu)上離不開(kāi)大面積的電阻、運(yùn)放及雙極型晶體管，而且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗和溫漂都較高，占用芯片面積較大。為了滿足基準(zhǔn)電壓源的高穩(wěn)定性要求，基準(zhǔn)電壓源必須具有低溫度系數(shù)。

電子科技大學(xué)擁有的專利技術(shù)“一種基于兩種閾值電壓MOS器件的帶隙基準(zhǔn)電路”(專利號(hào)ZL 201110440384.5，授權(quán)公告號(hào)CN 102495661 B)中公開(kāi)了一種基于兩種閾值電壓MOS器件的帶隙基準(zhǔn)電路。該專利技術(shù)主要包括：負(fù)溫度系數(shù)電流源電路的啟動(dòng)電路，用于啟動(dòng)與溫度成負(fù)比例關(guān)系的電流源電路；與溫度成負(fù)比例關(guān)系的電流源電路，用于產(chǎn)生與溫度成負(fù)比例關(guān)系的電流；基準(zhǔn)電壓輸出電路，用于輸出帶有零溫度特性的基準(zhǔn)電壓；與溫度成正比例關(guān)系的電流源電路，用于產(chǎn)生與溫度成正比例關(guān)系的電流；偏置電路，用于為電流鏡電路的共源共柵管提供偏置電壓；正溫度系數(shù)電流源電路的啟動(dòng)電路，用于啟動(dòng)與溫度成正比例關(guān)系的電流源電路。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行二階補(bǔ)償，但是，該專利技術(shù)仍然存在的不足之處是，每一路與溫度成比例關(guān)系的電流源電路都需要額外的啟動(dòng)電路，使得電路結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。

池上升，胡煒，許育森在其發(fā)表的論文“一種全MOS低功耗基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)”(《電子技術(shù)應(yīng)用》，2014年，第40卷，第5期)中公開(kāi)了一種全MOS低功耗基準(zhǔn)電壓源。該基準(zhǔn)電壓源主要包括：ΔV_th產(chǎn)生電路，利用兩個(gè)不同閾值電壓的NMOSFET產(chǎn)生具有負(fù)溫度特性的電壓；V_T產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生一路帶有正溫度特性的電壓；ΔV_th與V_T補(bǔ)償電路，將具有負(fù)溫度特性的電壓ΔV_th與具有正溫度特性的電壓V_T進(jìn)行補(bǔ)償，得到具有零溫度特性的基準(zhǔn)電壓。該方法雖然利用兩個(gè)MOSFET閾值電壓差與熱電壓V_T相互補(bǔ)償?shù)玫搅司哂辛銣囟忍匦缘幕鶞?zhǔn)電壓，但是，該基準(zhǔn)電壓源仍然存在的不足之處在于，一是將MOSFET器件偏置在亞閾值區(qū)域會(huì)使電路的響應(yīng)速度變慢，從而降低電路的工作頻率，增大基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)，使得當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)基準(zhǔn)電壓的變化比較明顯；二是缺少零極點(diǎn)補(bǔ)償電路，使得基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低溫漂的全MOSFET基準(zhǔn)電壓源。

本發(fā)明的具體思路是，采用全MOS結(jié)構(gòu)，利用帶有正溫度特性的電壓與核心電路產(chǎn)生的電壓相互補(bǔ)償，產(chǎn)生零溫度特性的基準(zhǔn)電壓。利用耗盡型NMOS管啟動(dòng)正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路，無(wú)需額外的啟動(dòng)電路，降低電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使基準(zhǔn)電壓在很寬的溫度范圍內(nèi)保持較低的溫度系數(shù)。利用零極點(diǎn)補(bǔ)償電路對(duì)輸出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行零極點(diǎn)補(bǔ)償，提高基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性，滿足基準(zhǔn)電壓源性能指標(biāo)的要求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路、核心電路、零極點(diǎn)補(bǔ)償電路，正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路包括兩個(gè)P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMOSFET、兩個(gè)增強(qiáng)型N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOSFET、兩個(gè)耗盡型N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOSFET，正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的輸出端與核心電路的輸入端連接。核心電路包括兩個(gè)P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMOSFET、兩個(gè)增強(qiáng)型N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOSFET，核心電路的輸入端與正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的輸出端連接，核心電路的輸出端與零極點(diǎn)補(bǔ)償電路的輸入端連接。零極點(diǎn)補(bǔ)償電路包括一個(gè)增強(qiáng)型N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOSFET、兩個(gè)電容、三個(gè)電阻，零極點(diǎn)補(bǔ)償電路的輸入端與核心電路的輸出端連接，零極點(diǎn)補(bǔ)償電路的輸出端經(jīng)電阻連接至核心電路，為核心電路提供偏置電壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第1，本發(fā)明利用正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路，產(chǎn)生一路帶有正溫度系數(shù)的電壓，利用耗盡型NMOS管啟動(dòng)正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路，無(wú)需額外的啟動(dòng)電路，克服了現(xiàn)有技術(shù)中每一路與溫度成比例關(guān)系的電流源電路都需要額外的啟動(dòng)電路造成的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，極大地簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。

第2，本發(fā)明利用核心電路補(bǔ)償正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路，電路中MOSFET器件工作在飽和區(qū)或線性區(qū)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中將MOSFET器件偏置在亞閾值區(qū)域會(huì)使電路的響應(yīng)速度變慢，從而降低電路的工作頻率，增大基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)的缺點(diǎn)，使得電路的工作頻率得到提高，且當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)基準(zhǔn)電壓的變化很小。

第3，本發(fā)明利用零極點(diǎn)補(bǔ)償電路對(duì)輸出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行零極點(diǎn)補(bǔ)償，克服了現(xiàn)有技術(shù)中缺少零極點(diǎn)補(bǔ)償電路的缺點(diǎn)，使得本發(fā)明的輸出保持穩(wěn)定。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的電原理圖；

圖2為本發(fā)明的溫度特性仿真圖；

圖3為本發(fā)明的瞬態(tài)仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

參照?qǐng)D1，對(duì)本發(fā)明的具體電路作進(jìn)一步的描述。

由本發(fā)明的電原理圖圖1中的虛線將本發(fā)明的電原理圖分為正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路、核心電路、零極點(diǎn)補(bǔ)償電路三部分。

本發(fā)明的電原理圖圖1中的虛線部分所描述的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路，包括兩個(gè)P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMOSFET 8與9、兩個(gè)增強(qiáng)型N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOSFET 2與7、兩個(gè)耗盡型N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOSFET 3與5，正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的輸出端與核心電路的輸入端連接。

正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路中的第一個(gè)NMOS管5的源極分別與其柵極、公共地端GND連接。第一個(gè)NMOS管5的漏極分別與第二個(gè)NMOS管7的源極、第一個(gè)PMOS管8的柵極、第二個(gè)PMOS管9的柵極、核心電路中第一個(gè)PMOS管10的柵極、核心電路中第二個(gè)PMOS管11的柵極連接。第二個(gè)NMOS管7的漏極與電源電壓VDD連接，第二個(gè)NMOS管7的柵極分別與第三個(gè)NMOS管2的漏極、第二個(gè)PMOS管9的漏極連接。第三個(gè)NMOS管2的源極與第四個(gè)NMOS管3的漏極連接，第三個(gè)NMOS管2的柵極分別與核心電路中第一個(gè)NMOS管1的柵極、核心電路中第二個(gè)NMOS管4的柵極連接。第四個(gè)NMOS管3的柵極分別與其源極、公共地端GND連接。第一個(gè)PMOS管8的源極與電源電壓VDD連接，第一個(gè)PMOS管8的漏極與第二個(gè)PMOS管9的源極連接。

本發(fā)明的電原理圖圖1中的虛線部分所描述的核心電路，包括兩個(gè)P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMOSFET 10與11、兩個(gè)增強(qiáng)型N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOSFET 1與4，核心電路的輸入端與正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的輸出端連接，核心電路的輸出端與零極點(diǎn)補(bǔ)償電路的輸入端連接。

核心電路中的第一個(gè)PMOS管10的源極與電源電壓VDD連接，第一個(gè)PMOS管10的柵極分別與第二個(gè)PMOS管11的柵極、正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路中第一個(gè)PMOS管8的柵極、正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路中第二個(gè)PMOS管9的柵極、正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路中第二個(gè)NMOS管7的源極、正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路中第一個(gè)NMOS管5的漏極連接，第一個(gè)PMOS管10的漏極與第二個(gè)PMOS管11的源極連接。第二個(gè)PMOS管11的漏極分別與第一個(gè)NMOS管1的漏極、零極點(diǎn)補(bǔ)償電路中NMOS管6的柵極連接。第一個(gè)NMOS管1的源極與第二個(gè)NMOS管4的漏極連接，第一個(gè)NMOS管1的柵極分別與第二個(gè)NMOS管4的柵極、正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路中第三個(gè)NMOS管2的柵極、零極點(diǎn)補(bǔ)償電路中電阻R₂、零極點(diǎn)補(bǔ)償電路中電阻R3連接。第二個(gè)NMOS管4的源極與公共地端GND連接。

本發(fā)明的電原理圖圖1中的虛線部分所描述的零極點(diǎn)補(bǔ)償電路，包括一個(gè)增強(qiáng)型N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOSFET 6、兩個(gè)電容C₁與C₂、三個(gè)電阻R₁、R₂與R₃，零極點(diǎn)補(bǔ)償電路的輸入端與核心電路的輸出端連接，零極點(diǎn)補(bǔ)償電路的輸出端經(jīng)電阻R₂連接至核心電路，為核心電路提供偏置電壓。

零極點(diǎn)補(bǔ)償電路中的NMOS管6的柵極分別與電阻R₁、核心電路中第二個(gè)PMOS管11的漏極、核心電路中第一個(gè)NMOS管1的漏極連接，NMOS管6的漏極與電源電壓VDD連接，NMOS管6的源極分別與電容C₂、電阻R₂連接。電阻R₁與電容C₁串聯(lián)，分別與NMOS管6的柵極、公共地端GND連接。電阻R₂與電阻R₃串聯(lián)，再與電容C₂并聯(lián)，分別與NMOS管6的源極、公共地端GND連接。

下面結(jié)合仿真圖對(duì)本發(fā)明的效果作進(jìn)一步的描述。

1.仿真條件：

本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)是基于MaxChip_0.18μm CMOS工藝，應(yīng)用Cadence軟件的HspiceD仿真工具。仿真時(shí)分別進(jìn)行溫度特性仿真及瞬態(tài)仿真。溫度特性仿真時(shí)，電源電壓設(shè)定為5V，仿真溫度為-40℃～125℃；瞬態(tài)仿真時(shí)，仿真時(shí)間設(shè)置為1ms，仿真溫度設(shè)置為常溫(25℃)，電源電壓上升至5V。

2.仿真內(nèi)容：

在LINUX操作系統(tǒng)下，基于MaxChip_0.18μm CMOS工藝，應(yīng)用Cadence軟件的HspiceD仿真工具對(duì)該基準(zhǔn)電壓源分別進(jìn)行溫度特性仿真及瞬態(tài)仿真。溫度特性仿真時(shí)，電源電壓設(shè)置為5V，仿真溫度范圍從-40℃～125℃，合理設(shè)置器件參數(shù)，使基準(zhǔn)電壓在該溫度范圍內(nèi)滿足零溫度特性的要求；瞬態(tài)仿真時(shí)，仿真時(shí)間設(shè)置為1ms，仿真溫度設(shè)置為常溫(25℃)，電源電壓上升至5V，合理設(shè)置器件參數(shù)，使基準(zhǔn)電壓在該過(guò)程中能有快速的響應(yīng)。合理設(shè)置零極點(diǎn)補(bǔ)償電路各器件的參數(shù)，使基準(zhǔn)電壓始終保持穩(wěn)定。

3.仿真結(jié)果分析：

本發(fā)明的仿真圖圖2為溫度特性仿真圖。圖2中的橫坐標(biāo)軸代表溫度，縱坐標(biāo)軸代表電壓。由本發(fā)明的仿真圖圖2可見(jiàn)，點(diǎn)M0的橫坐標(biāo)為-82.85℃，表示當(dāng)溫度在-40℃～125℃范圍內(nèi)變化時(shí)基準(zhǔn)電壓的最大值與最小值兩點(diǎn)處溫度的差值為82.85℃，點(diǎn)M0的縱坐標(biāo)為999.5μV，表示當(dāng)溫度在-40℃～125℃范圍內(nèi)變化時(shí)基準(zhǔn)電壓的最大值與最小值兩點(diǎn)處電壓的差值為999.5μV。點(diǎn)M2的橫坐標(biāo)為25℃，縱坐標(biāo)為1.313V，表示當(dāng)溫度為25℃時(shí)，基準(zhǔn)電壓的大小為1.313V。經(jīng)計(jì)算，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為4.6ppm/℃，滿足基準(zhǔn)電壓零溫度特性的要求。

本發(fā)明的仿真圖圖3為瞬態(tài)仿真的仿真圖。圖3中的橫坐標(biāo)軸代表時(shí)間，縱坐標(biāo)軸代表電壓。由本發(fā)明的仿真圖圖3可見(jiàn)，點(diǎn)M0的橫坐標(biāo)為17.69μs，縱坐標(biāo)為1.313V，表示在17.69μs時(shí)，基準(zhǔn)電壓的大小為1.313V。本發(fā)明的仿真圖圖3表明，在電源電壓上升至5V的過(guò)程中，基準(zhǔn)電壓具有快速響應(yīng)，迅速上升至1.313V，且始終保持穩(wěn)定，滿足基準(zhǔn)電壓快速響應(yīng)的要求及穩(wěn)定性要求。經(jīng)計(jì)算，在電源電壓為5V時(shí)，該基準(zhǔn)電壓的功耗為15.7μW，滿足基準(zhǔn)電壓低功耗的要求。

上述仿真結(jié)果表明，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、溫度系數(shù)較高、電路響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，在很寬的溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的變化小、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高、功耗低，滿足基準(zhǔn)電壓源性能指標(biāo)的要求。