[发明专利]一种CMOS亚阈值基准电压源

说明书

一种CMOS亚阈值基准电压源，属于模拟集成电路技术领域。包括启动电路、自偏置负温度系数电压产生电路和正温度系数电压产生电路，启动支路在电路初始化阶段使电路脱离零状态，一段时间后启动支路退出工作；自偏置负温度系数电压产生电路利用PMOS与NMOS阈值电压差，得到负温度系数电压，同时利用PMOS与NMOS的迁移率温度系数差异，引入高阶温度项，用于对亚阈值斜率因子的高阶温度特性进行补偿；正温度系数电压产生电路的偏置电流由自偏置负温度系数电压产生电路提供，采用亚阈值偏置的MOSFET的栅源电压V_GS之差，得到正温度系数电压，叠加在副温度系数电压上，得到最终的基准电压。本发明具有较低的静态功耗和较低的工作电压，同时实现了极高精度的基准电压输出。

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种基于亚阈值MOSFET的无电阻基准电压源。

背景技术

基准电压源在模拟集成电路及数模混合信号集成电路设计领域中，是一种非常重要且常用的模块，用于向电路的其他模块提供稳定的参考电压，其设计精度直接决定了整个系统的精度。随着电子技术的发展，电子产品向体积更小、成本更低、电池寿命更长的方向发展，因此要求系统的供电电源电压越来越低，功耗越来越小。传统的带隙电压基准源架构输出电压只能在1.2V左右，且在设计过程中需要使用电阻或者BJT晶体管来产生PTAT电流而使集成电路工艺限制，且增加了芯片的设计成本。

与传统带隙基准一样，CMOS亚阈值基准产生最终的输出基准电压需要两部分电压，即具有正温系数的电压以及具有负温度系数的电压，这两部分电压按一定比例叠加之后，产生近似零温度系数的基准电压。与带隙不同的是正温度系数电压由二极管的基极-发射极电压ΔV_BE变为了MOS管的栅源电压ΔV_GS，而负温度系数电压通常利用阈值电压V_TH产生。

正温度系数电压(即ΔV_GS)产生电路的原理如下：

亚阈值MOSFET的漏源电流具有如下形式：

其中μ是迁移率，C_OX是单位面积栅电容，W/L是MOSFET的宽长比，m是亚阈值斜率因子，V_T为热电压，V_TH为MOSFET的阈值电压，V_GS是MOSFET的的栅源电压，V_DS是MOSFET的的漏源电压。当MOSFET漏源之间的电压V_DS大于0.1V时可以将最后一部分近似成为1，则此时亚阈值区MOSFET的漏源电流表达式为指数关系，如下：

其中S为MOSFET的宽长比，I_SQ为MOSFET单位面积漏衬电流，通过上式可以推断，利用漏源电流成比例关系的两个亚阈值区MOSFET的栅源电压V_GS之差就能得到与热电压V_T相关的线性表达式，即正温度系数(PTAT)电压，该电压的表达式如下：

ΔV_GS＝mV_T lnN (3)

式中N为两个亚阈值MOSFET的电流值及尺寸比。实际上m在温度变化的过程中并不是维持恒定的，m在高温下呈现正温特性，传统意义的亚阈值基准电路忽略m的变化，导致其温度特性并没有得到优化。

发明内容

针对上述不足之处，本发明提出了一种CMOS亚阈值基准电压源，能够将降低供电电压且具有较低的静态功耗，同时实现了极高精度的基准电压输出。

本发明的技术方案为：

一种CMOS亚阈值基准电压源，包括启动电路、自偏置负温度系数电压产生电路和正温度系数电压产生电路，