[发明专利]一种低功耗宽电压范围的超低压基准源电路

说明书

本发明公开了低功耗宽电压范围的超低压基准源电路，属于集成电路技术领域。包括基准产生电路、自偏置电路、启动电路和DIBL效应补偿电路。其中基准产生电路利用厚栅、薄栅MOS管的阈值电压差产生具有零温度系数的基准输出电压；自偏置电路用于为基准产生电路提供偏置电流；启动电路为基准源电路提供启动信号；DIBL效应补偿电路提供具有正电压系数的补偿电流，与自偏置电路产生的具有正电压系数的电流相减，获得零电压系数的偏置电流，以此获得低线性敏感度的基准输出电压。基准产生电路、自偏置电路和DIBL效应补偿电路均工作在亚阈值区，因此所发明的低压基准源电路具有超低功耗特性。本发明能够实现电源电压在较宽范围内变化时，基准输出电压仍保持稳定。

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，更具体地，涉及一种低功耗宽电压范围的超低压基准源电路。

背景技术

在包括能量采集、自主供能、可穿戴/植入、智能传感器、边缘计算、智能物联网等电子设备中的电源系统中，为提高电子设备系统的续航能力，可采用环境能量采集系统(例如太阳能、风能、热能、电磁能和生物动能)进行供电。这类应用通常具有能量受限的特点，因此对此类电子设备系统中的集成电路芯片提出了低功耗的要求。对低功耗集成电路芯片而言，电源管理电路的低功耗设计至关重要。电压基准源是电源管理电路中非常重要的组成部分之一，其功能是输出一个稳定的电压基准信号，这一基准信号要求与电源电压、温度及工艺的变化无关，即具有良好的工艺、电压、温度(PVT)稳定性。针对以上所述的电子设备系统能量受限的特点，对所采用的电压基准源有以下要求：

(1)极低功耗；

(2)可在低电源电压下工作；

(3)具有较宽的电源电压工作范围；

(4)基准输出电压低并对PVT变化具有良好的稳定性。

带隙基准(BGR)是一种传统的电压基准源，可以输出具有良好PVT特性的基准电压，但其难以满足低电源电压工作以及低功耗的要求。亚阈值CMOS电压基准源利用工作在亚阈值区的MOS管，工作电流极小，因此消耗的功耗极低，可以在低电源电压下工作，具有较宽的电源电压工作范围。这些优势使得亚阈值CMOS电压基准源相比BGR而言更适用于能量受限的电子设备系统。亚阈值CMOS电压基准源的基本电路结构如图1所示，此基本电路利用两个具有阈值电压差的MOS管产生基准电压。N1为低阈值电压的薄栅MOS管、N2为高阈值电压的厚栅MOS管，N1栅极和漏极相连，N2的栅极与N1的栅极相连，N1、N2的偏置电流由电流源提供，以保证N1、N2工作在亚阈值区。其基准输出电压与电源电压无关，只需调节两管的尺寸，使得阈值电压差的负温度系数与V_T的正温度系数互补即可得到零温度系数的电压基准。基于上述电路结构的亚阈值电压基准源采用自偏置电流为N1和N2提供偏置。但是在这一电路中并没有分析和解决MOS器件漏端引入的势垒降低(Drain Induced BarrierLowering，DIBL)效应所导致的偏置电流随电源电压变化而变化的问题，这也间接影响了基准输出电压的线性敏感度(Line Sensitivity，LS)性能。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种低功耗宽电压范围的超低压基准源电路，旨在解决现有的电压基准源由于MOS器件的DIBL效应会引起偏置电流随电源电压变化而变化，最终导致基准输出电压线性敏感度差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种低功耗宽电压范围的超低压基准源电路，包括基准产生电路、自偏置电路、DIBL效应补偿电路和启动电路，自偏置电路和启动电路分别为基准产生电路提供偏置电流和启动信号，DIBL效应补偿电路提供具有正电压系数的补偿电流，补偿电流和偏置电流相减后得到零电压系数的偏置电流流入基准产生电路，在启动信号的作用下获得具有低线性敏感度的基准输出电压。

优选地，基准产生电路包括第一NMOS管N1和第二NMOS管N2，N1的栅极和漏极与N2的栅极相连，N1的源极与N2的漏极相连，N2的源极和衬底、N1的衬底都接地，N2的漏极电压为基准输出电压。