[发明专利]无BJT结构的新型CMOS电压基准源

说明书

技术领域

本发明属于模拟集成基准源电路技术领域，具体涉及一种无BJT结构的CMOS电压基准源。

技术背景

传统的带隙基准由于其精准的输出电压绝对值，低温度系数和较好的电源抑制比在各种模拟集成电路及混合信号电路中得到广泛应用[1]。随着CMOS工艺越来越成为主流的IC制造工艺，人们也期望整个系统，包括模拟基准源，都可以使用CMOS技术来实现。虽然CMOS工艺中可以利用寄生的三极管来实现带隙基准，但也存在着诸如面积过大，功耗较高等问题。因此，利用纯CMOS技术来实现电压或电流基准的研究已经开展并取得一些成果[2，3，4]。

目前无BJT结构的电压基准大致可分为两种：一是基于MOS管亚阈值指数特性的基准电压源[2]；二是基于MOS管的阈值电压，比如文献[3]提出的基于增强型和耗尽型NMOS管阈值电压差值的；前者要求某些MOS管工作在亚阈值区，对电路设计的要求比较高，结构也较复杂；而后者由于需要在同一硅片上实现增强和耗尽型MOS管，对工艺要求高，因而成本高，同时，这两种结构得到的电压绝对值均与仿真值偏差较大，因此均未得到广泛的应用。文献[4]提出的基于MOS管权重栅源电压差的基准结构，电路简单，对工艺无特殊要求，且相对精度高，在电源和温度特性上已经可以和传统的带隙基准源相比，代表了纯MOS基准结构的最新进展，但其输出电压的绝对值在不同的工艺角下偏差仍然较大。

可见，相对于传统带隙基准，纯MOS结构的基准最大的缺陷在于其所依赖的工艺参数波动较大，因此对输出电压绝对值难以准确的控制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种无需利用寄生三极管，就可以输出准确电压的纯MOS结构电压基准源，其性能指标可以满足中等精度要求的应用。

本发明提出的电压基准源其整体电路如图1所示，它由启动电路1，偏置电路2和基准电路3构成，其中启动电路1由MOS管MS1～MS3构成；偏置电路2由MOS管MB1-MB9和电阻Rb构成；基准电路3由PMOS管MP和NMOS管MN构成，其中PMOS管MP的栅极和漏极相连并接地，源极和NMOS管MN的漏极相连并一起连接到偏置电路2的PMOS管MB8的漏极，NMOS管MN的栅极和漏极相连并一起连接到PMOS管MP的源极，源极接到偏置电路2的NMOS管MB9的漏极，即电路的输出节点。

启动电路1中的NMOS管MS2和MS3分别与偏置电路2中的NMOS管MB1和PMOS管MB3相连，用来使电路上电时能够正常启动；偏置电路2中的NMOS管MB8和MB9分别与基准电路3的PMOS管MP和NMOS管MN相连，用来提供所需的偏置电流。启动电路1和偏置电路2为常规模拟单元电路。

通过电流镜技术我们可以使得流过PMOS管MP和NMOS管MN的电流近似相等，设此电流为I_b，V_ref为电路的输出电压，即基准电压，它的值可以由下式给出：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{gsp}}-V_{\mathrm{gsn}}$