无电阻全CMOS亚阈值电压基准电路及工作方法与流程

本发明涉及集成电路的，尤其涉及一种无电阻全cmos亚阈值电压基准电路，以及一种无电阻全cmos亚阈值电压基准电路的工作方法。

背景技术：

1、基准电路是集成电路设计中必不可少的一个核心模块，在数模转换器、模数转换器、传感器等模拟电路或数模混合电路中广泛应用。基准源根据功能分为电流基准源和电压基准源，主要为系统中其他电路结构提供标准的电流或电压。产生基准源的技术一般有稳压管和带隙基准源结构等。

2、稳压管作为电压基准源，静态电流大、精度低、稳定性差，不适合低压工作，目前较少使用。带隙基准源常常被使用，但是带隙基准源需要二极管或双极型晶体管（bjt），由于硅材料的带隙电压为 1.2v，当电源电压低于 1.2v 时，电路显然无法正常工作。同时由于传统的带隙基准源采用大面积的电阻，功耗大、占用面积大，且与cmos工艺不兼容。

3、因此，亚阈值 cmos 电压基准源由于其与各种标准cmos工艺兼容，并因其低压低功耗、低成本等优点，应用范围广泛，近几年来成为研究热点，以满足减少芯片面积和降低电源电压的要求。

4、在基准电路中，电阻作为一个重要的元件其主要缺点是温度敏感性，即电阻阻值通常会随着温度的变化而变化，温度的变化可能导致电阻值的偏移，进而影响基准电路的输出精度和稳定性。同时电阻的精度受到制造工艺和材料的限制，即使在高精度电阻中，也存在一定的偏差，对于需要高精度的基准电路来说，这些偏差可能对输出电压的准确性产生影响，此外电阻的阻值可能与电源电压有关，当电源电压发生变化时，电阻值也可能会发生变化。这将导致基准电路输出的参考电压随着电源电压的变化而变化，影响电路的稳定性和可靠性。另一个缺点是电阻在集成电路中需要占用大量的空间。

5、全mos亚阈值电压基准电路中，一般使用在深三极管区域工作的晶体管作为有源电阻器代替无源电阻器，虽然解决了无电阻的问题，但为了匹配工作在亚阈值状态的晶体管的电流，深三极管区晶体管则需要多个晶体管串联以降低电流，或使用较大面积的晶体管。而设计中若折中考虑深三极管区晶体管与亚阈值区晶体管的面积，则会导致较大的电流、较高的功耗。

6、此外，无电阻全cmos亚阈值电路原理是通过阈值电压 v th的负温度系数与热电压 v t的正温度系数构造零温度系数基准电压 v ref，即 v ref  = v th  + kv t ，因此 v th的负温度系数较高的情况下会导致基准的温漂系数较大。

技术实现思路

1、为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种无电阻全cmos亚阈值电压基准电路，其具有低功耗、高电源抑制比、工艺简单、占用面积小、易集成的优点。

2、本发明的技术方案是：这种无电阻全cmos亚阈值电压基准电路，其包括无电阻电流源电路、电压基准电路、high psrr偏置电路、启动电路；

3、无电阻电流源电路包括：电流产生源部分和第一电流镜像部分，通过电流产生源部分生成参考电流 i ref，通过第一电流镜像部分将参考电流 i ref 镜像到电压基准电路中，电流产生源部分的晶体管均工作在亚阈值区，并在生成的参考电流 i ref中引入nmos晶体管的阈值电压 v thn；

4、电压基准电路包括：电压产生源部分和第二电流镜像部分，电压产生源部分采用pmos亚阈值晶体管，使其通过电流 i ref之后，在参考电压 v ref的表达式中得到正负阈值电压相减 v thp -  v thn的形式，从而得到取值小的负温度系数；

5、high psrr偏置电路是由晶体管构成的反馈电路，形成high psrr偏置；

6、启动电路由三个晶体管组成，一个晶体管以二极管形式连接，一个晶体管的源极、漏极、衬底连接至地构成mos电容，电源电压vdd在上电过程中，另一个晶体管的栅极初始时刻电压为0，漏极电压为vdd，该晶体管处于导通状态，将high psrr偏置电路中晶体管的栅极电平拉低，从而使无电阻电流源电路产生电流脱离兼并零状态。

7、本发明利用无电阻电流源电路生成参考电流，将参考电流 i ref 镜像到电压基准中通过亚阈值晶体管生成参考电压 v ref，电流产生源部分的晶体管均工作在亚阈值区，并在生成的参考电流 i ref中引入nmos晶体管的阈值电压 v thn ，而在电压基准电路中主要使用的亚阈值晶体管为pmos，使其通过电流 i ref之后，在参考电压 v ref的表达式中得到正负阈值电压相减即 v thp -  v thn的形式，从而得到取值较小的负温度系数。利用反馈电路构成high psrr偏置以提高基准电路的电源抑制比，相比于使用运放更加节省功耗与面积。利用启动电路消除电路简并点，使电路上电时脱离兼并零状态。

8、还提供了一种无电阻全cmos亚阈值电压基准电路的工作方法，其包括以下步骤：

9、（1）第一晶体管至第八晶体管均工作在亚阈值状态，流过晶体管的电流i与其栅源电压 v gs满足

10、（1）

11、其中，为工艺相关的电流常数，为载流子迁移率，为亚阈值斜率因子，为单位面积栅氧电容，为热电压，k = 1.380649×10-23 j/k为玻尔兹曼常量，为温度，q = 1.602×10-19 c为电子的电量，为晶体管尺寸系数，w为栅宽、l为有效栅长， v gs为晶体管栅源电压， v th为晶体管阈值电压，  v ds为晶体管漏源电压；

12、令流过第一晶体管、第二晶体管电流为 i 1，流过第三晶体管至第五晶体管电流为 i 2 ，

13、（2）

14、（3）

15、（4）

16、（5）

17、其中，、、、分别为第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第五晶体管的栅源电压，、、、分别为第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第五晶体管的阈值电压，、分别为pmos晶体管、nmos晶体管的亚阈值斜率因子，为热电压，、分别为pmos晶体管、nmos晶体管的电流常数，、、、分别为第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第五晶体管的尺寸系数；

18、对于第四晶体管的栅源电压：

19、（6）

20、其中，为第四晶体管的栅源电压；

21、第十一晶体管至第二十晶体管构成的共源共栅电流镜使每一条支路电流镜像相等，因此 i 1  = i 2  = i ref， i ref为参考电流，同时 v thn2和 v thn3相等，计算得到 v gs4：

22、（7）

23、其中为第四晶体管的尺寸系数，将其代入流过第四晶体管的电流中，假设vthp1和vthp4相等，得到关系式：

24、（8）

25、计算得到无电阻电流源电路的 i ref：

26、（9）

27、（2）将 i ref代入第八晶体管栅源电压中，得到

28、（10）

29、其中，为第八晶体管的阈值电压，为第八晶体管的尺寸系数，从而得到参考电压表达式 v ref

30、（11）

31、其中，，，、为与工艺相关的常量，且有，参考电压表达式中第一项为负温度系数项，第二项为正温度系数项，通过调节第一晶体管至第八晶体管的尺寸系数，得到相应的正温度系数，使得

32、（12）

33、从而得到零温度系数的参考电压 v ref 。