[发明专利]工艺自补偿CMOS电压基准源及其设计方法

权利要求书

1.工艺自补偿CMOS电压基准源，其特征在于，包括本征NMOS晶体管M_N1、本征NMOS晶体管M_N2、普通阈值电压NMOS晶体管M₀、普通阈值电压NMOS晶体管M₁、普通阈值电压NMOS晶体管M₂、高阈值电压NMOS晶体管M₃和高阈值电压NMOS晶体管M₄；其中：

所述本征NMOS晶体管M_N1漏极接电源V_DD，其栅极与所述本征NMOS晶体管M_N2栅极、普通阈值电压NMOS晶体管M₀栅极、普通阈值电压NMOS晶体管M₁栅极、普通阈值电压NMOS晶体管M₀源极、普通阈值电压NMOS晶体管M₁漏极电性连接，本征NMOS晶体管M_N1栅极与普通阈值电压NMOS晶体管M₀源极的连接节点作为输出电压V_REF；所述本征NMOS晶体管M_N1源极与所述本征NMOS晶体管M_N2漏极电性连接；

所述本征NMOS晶体管M_N2源极与所述普通阈值电压NMOS晶体管M₀漏极电性连接；

所述普通阈值电压NMOS晶体管M₀的衬底与高阈值电压NMOS晶体管M₃的源极电性连接后，连接到高阈值电压NMOS晶体管M₄栅极；

所述普通阈值电压NMOS晶体管M₁源极与所述普通阈值电压NMOS晶体管M₂的漏极和栅极电性连接；所述普通阈值电压NMOS晶体管M₁的衬底与普通阈值电压NMOS晶体管M₁的源极电性连接；

所述普通阈值电压NMOS晶体管M₂源极与所述高阈值电压NMOS晶体管M₃的漏极和栅极电性连接；所述普通阈值电压NMOS晶体管M₂的衬底与普通阈值电压NMOS晶体管M₂的源极电性连接；

所述高阈值电压NMOS晶体管M₃源极与所述高阈值电压NMOS晶体管M₄漏极电性连接；所述高阈值电压NMOS晶体管M₃的衬底与高阈值电压NMOS晶体管M₃的源极电性连接；

所述高阈值电压NMOS晶体管M₄源极接地；所述高阈值电压NMOS晶体管M₄的衬底与高阈值电压NMOS晶体管M₄的源极电性连接。

2.根据权利要求1所述的工艺自补偿CMOS电压基准源，其特征在于，为了增加所述普通阈值电压NMOS晶体管M₀衬底所能选择的电位数量，普通阈值电压NMOS晶体管M₀选择普通阈值电压NMOS晶体管M₁的源极、普通阈值电压NMOS晶体管M₂的源极、高阈值电压NMOS晶体管M₃的源极或高阈值电压NMOS晶体管M₄的源极为衬底。

3.根据权利要求1所述的工艺自补偿CMOS电压基准源，其特征在于，所述本征NMOS晶体管M_N1、本征NMOS晶体管M_N2用于提高电压基准源的电源抑制比和线性调整率。

4.根据权利要求2所述的工艺自补偿CMOS电压基准源，其特征在于，所述普通阈值电压NMOS晶体管M₀作为电流驱动器件利用衬底与源极的PN结反偏所产生的漏电流使得电压基准源工作。

5.根据权利要求1所述的工艺自补偿CMOS电压基准源，其特征在于，所述高阈值电压NMOS晶体管M₃和高阈值电压NMOS晶体管M4作为高阈值电压器件使得输出电压为非负值。

6.工艺自补偿CMOS电压基准源的设计方法，设计得到如权利要求1～5任一项所述的工艺自补偿CMOS电压基准源；其特征在于，包括以下步骤：

S1：计算MOS晶体管在无衬底偏置效应下的阈值电压V_T0；

S2：将阈值电压V_T0在SS工艺角到FF工艺角的变化拟合为线性方程；

S3：计算MOS晶体管在有衬底偏置效应下的阈值电压V_TH；

S4：将阈值电压V_TH在SS工艺角到FF工艺角的变化拟合为线性方程；

S5：计算普通阈值电压NMOS晶体管M₀与普通阈值电压NMOS晶体管M₁、普通阈值电压NMOS晶体管M₂、高阈值电压NMOS晶体管M₃、高阈值电压NMOS晶体管M₄的阈值电压差之和产生的CTAT电压；

S6：将CTAT电压与由不同MOS晶体管的宽长比与热电压的乘积产生的PTAT电压相加得到一个与温度系数无关的电压；

S7：结合步骤S2和步骤S4得到的线性方程对步骤S6得到的电压进行分析，实现对工艺偏差影响的消除；

其中，在所述步骤S1中，所述阈值电压V_T0的计算过程具体为：

其中，V_SB＝0；C_OX＝ε_OX/t_OX，V_FB为平带电压，k为玻尔兹曼常数，ε_si为硅的介电常数，N_SUB为衬底掺杂浓度，q为电子电荷，n_i为未掺杂硅中的电子密度，T为温度，C_OX为单位面积的栅氧化层电容，ε_OX为栅氧化层电容面积，t_OX为栅氧化层厚度；在上式中，栅氧厚度t_ox和衬底掺杂浓度N_SUB为主要工艺参数，因此主要考虑这两个参数对于工艺偏差的影响；在极端的FF工艺角下MOS晶体管具有较低的阈值电压，较薄的栅氧层以及较高的衬底掺杂浓度，在SS工艺角下的情况与FF工艺角相反，SS工艺角到FF工艺角的V_T0变化近似线性关系；因此：

在所述步骤S2中，将阈值电压V_T0在SS工艺角到FF工艺角的变化拟合为线性方程，其关系式具体表示为：

V_T0＝V_T0,TT-c₁V_T0,diff (3)

其中，c₁为工艺变化参数，其值为-1到1之间，其中-1表示在SS工艺角下，0表示在TT工艺角下，1表示在FF工艺角下；V_T0,diff表示V_T0曲线斜率；

在所述步骤S3中，所述阈值电压V_TH的计算过程具体为：

其中，V_Tbody为衬底偏置效应产生的阈值电压增量；由式(4)可知，受到工艺偏差的影响，V_Tbody也会受到栅氧厚度以及衬底掺杂浓度的影响；此处，注意到SS工艺角到FF工艺角的V_Tbody变化近似线性关系；因此，在步骤S4中，将V_Tbody在SS工艺角到FF工艺角的变化也拟合为线性方程，其关系式为：

V_Tbody＝V_Tbody,TT-c₁V_Tbody,diff (5)

其中，V_Tbody,diff表示V_Tbody曲线斜率；

在所述步骤S6中，所述的与温度系数无关的电压具体表示为：

其中，V_t＝kT/q，V_t为热电压，η为亚阈值斜率因子，W/L为各器件栅宽与栅长比，V_TH为各器件的阈值电压；

在所述步骤S7中，其分析过程具体为：

考虑工艺偏差的影响，令式(4)在SS工艺角与FF工艺角下作差，并将式(3)与式(5)代入得到：

当V_SB变化时，由于V_T0,diff与衬底偏置效应无关，因此V_T0,diff不变；结合式(7)了解到，由于V_T0,diff不变，而V_TH,SS-V_TH,FF会随着V_SB的改变而改变，且V_TH,SS-V_TH,FF与V_SB的变化成正比关系，因此V_Tbody,diff与V_SB的变化成正比关系；因此改变V_SB会通过改变V_Tbody,diff而对工艺偏差产生影响；

接着，在式(6)的基础上，结合式(3)和式(5)得到：

在上式c₁的系数中，V_Tbody,diff,1，V_Tbody,diff,2、V_Tbody,diff,3、V_Tbody,diff,4、4V_Tbody,diff,0通过V_SB来改变，使c₁项的乘积为0，从而消除工艺偏差的影响；由于M₃、M₄为高阈值电压器件，因此V_T0,diff,3和V_T0,diff,4会更大，使得c₁的系数为正；由于c₁项的系数为正，因此V_TH,SS-V_TH,FF0，为了c₁项的系数能够变得更小，需要提高V_Tbody,diff,0，又因为V_Tbody,diff,0与V_SB的变化成正比关系，因此可以提高M₀的V_SB来降低c₁项的系数；

然后通过改变(W₁/L₁)/(W₀/L₀)、(W₂/L₂)/(W₀/L₀)、(W₃/L₃)/(W₀/L₀)、(W₄/L₄)/(W₀/L₀)来调整PTAT电压，使得与CTAT电压互补，由此来获得零温度系数的基准电压。