阅读说明：本技术 一种输出电压可调的超低功耗电压基准源电路 (Ultra-low power consumption voltage reference source circuit with adjustable output voltage ) 是由 杜凯旋 彭春雨 卢文娟 吴秀龙 蔺智挺 黎轩 高珊 陈军宁 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种输出电压可调的超低功耗电压基准源电路,包括：依次连接的偏置电流模块、阈值电压差产生模块、以及输出电压调节模块；其中：所述偏置电流模块通过NMOS管实现,NMOS管的阈值电压低于设定值,且NMOS管工作在亚阈值区；所述阈值电压差产生模块,采用了NMOS管阈值电压差来产生基准电压；所述输出电压调节模块,通过宽长比调节电路降低输出的基准电压。其具有超低功耗、面积小和输出基准电压可调的优点。(The invention discloses an ultra-low power consumption voltage reference source circuit with adjustable output voltage, which comprises: the bias current module, the threshold voltage difference generation module and the output voltage regulation module are connected in sequence; wherein: the bias current module is realized through an NMOS (N-channel metal oxide semiconductor) tube, the threshold voltage of the NMOS tube is lower than a set value, and the NMOS tube works in a sub-threshold region; the threshold voltage difference generation module generates a reference voltage by adopting the threshold voltage difference of the NMOS tube; and the output voltage regulating module reduces the output reference voltage through the width-to-length ratio regulating circuit. The circuit has the advantages of ultra-low power consumption, small area and adjustable output reference voltage.)

一种输出电压可调的超低功耗电压基准源电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种输出电压可调的超低功耗电压基准源电路。

背景技术

电压基准电路是所有电子系统中必不可少的一部分，在物联网和大多数无线通讯领域中，由于都是电池供电或者自供能，系统对于功耗的要求非常高，开发出超低功耗的模块已经迫在眉睫。传统基准源电路使用双极性晶体管来提供基准电压，存在面积大、功耗高的缺点。

近年来，为了降低功耗，多采用工作在亚阈值区的场效应管来替代双极性晶体管。而场效应管的阈值电压随工艺的影响较大，直接应用到电路中会导致基准电压不准，所以还需要根据实际需求对输出的基准电压进行调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种输出电压可调的超低功耗电压基准源电路，具有超低功耗、面积小和输出基准电压可调的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种输出电压可调的超低功耗电压基准源电路，包括：依次连接的偏置电流模块、阈值电压差产生模块、以及输出电压调节模块；其中：

所述偏置电流模块通过NMOS管实现，NMOS管的阈值电压低于设定值，且NMOS管工作在亚阈值区；

所述阈值电压差产生模块，采用了NMOS管阈值电压差来产生基准电压；

所述输出电压调节模块，通过可调宽长比电路实现了对基准电压的调节。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)偏置电流模块的NMOS管工作在亚阈值区，因此整体工作电流仅为纳安级；2)为了降低工艺对低阈值NMOS管阈值电压的影响，阈值电压差产生模块采用了NMOS管的阈值电压差而不是阈值电压来产生基准电压，抵消了工艺的影响；3)输出电压可调模块，其核心为宽长比调节电路，可以调节基准电压。4)由于电路全部由NMOS管构成，未使用电阻、电容等无源器件，大大节省了面积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种输出电压可调的超低功耗电压基准源电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的输出基准电压随电源电压变化而变化的曲线图；

图3为本发明实施例提供的输出基准电压随温度变化而变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种输出电压可调的超低功耗电压基准源电路，如图1所示，其主要包括：依次连接的偏置电流模块、阈值电压差产生模块、以及输出电压调节模块。

1、偏置电流模块。

本发明实施例中，所述偏置电流模块通过NMOS管实现，NMOS管的阈值电压低于设定值，且NMOS管工作在亚阈值区。

如图1所示，第一NMOS管NM1构成偏置电流模块，第一NMOS管NM1的栅极接地，漏极接VDD，衬底接地，源极接阈值电压差产生模块，具体为源极接第二NMOS管MN2的漏极。

所述第一NMOS管NM1为低阈值电压管，示例性的，其阈值电压只有几十毫伏，因而即便第一NMOS管NM1的栅极接地，仍能保证第一NMOS管NM1工作在亚阈值区。因此产生的电流I_D仅为纳安级。

2、阈值电压差产生模块。

本发明实施例中，所述阈值电压差产生模块，采用了NMOS管阈值电压差来产生基准电压。

如图1所示，所述阈值电压差产生模块主要包括：第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、以及第四NMOS管MN4；其中：

第二NMOS管MN2的栅极和第三NMOS管MN3以及第四NMOS管MN4的栅极连一起，然后连到第二NMOS管MN2的漏极；

第二NMOS管MN2的源极和第三NMOS管MN3以及第四NMOS管MN4的漏极接到一起，构成基准电压V_ref输出端；

第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、以及第四NMOS管MN4的衬底接地。

示例性的，第二NMOS管MN2为低阈值电压NMOS管，第三NMOS管MN3与以及第四NMOS管MN4为中阈值电压NMOS管；所述的低阈值与中阈值均为用户设定的阈值标准。

3、输出电压调节模块

所述输出电压调节模块，通过可调宽长比电路实现了对基准电压的调节。

如图1所示，所述输出电压调节模块包括：第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、以及阈值电压差产生模块中的第三NMOS管MN3与以及第四NMOS管MN4；其中：

第五NMOS管MN5与第六NMOS管MN6均为开关管；

第三NMOS管MN3的源极接第五NMOS管MN5的漏极；第四NMOS管MN4的源极接第六NMOS管MN6的漏极；

第五NMOS管MN5的栅极接外部输入S0；第六NMOS管MN6的栅极接外部输入S1；由S0与S1控制输出基准电压的值；

第五NMOS管MN5与第六NMOS管MN6的源极与衬底均接地。

以上主要介绍了电路的组成与结构，下面针对工作原理进行介绍。

如图1所示，当S0接低电平(S0＝0)，S1接高电平(S1＝1)时，即只有第四NMOS管MN4作用时，输出的基准电压V_ref为第四NMOS管MN4的栅源电压V_GS4减去第二NMOS管MN2的栅源电压V_GS2，则基准电压V_ref表示为：

其中，η为亚阈值斜率因子，V_T是热电压，k₄为第四NMOS管MN4的宽长比，k₂为第二NMOS管MN2的宽长比，ΔV_TH＝V_TH4-V_TH2，V_TH4、V_TH2分别为第四NMOS管MN4、第二NMOS管MN2的阈值电压；由于V_TH4、V_TH2具有负的温度系数，而V_T有着正的温度系数，所以可以通过调节NMOS管的尺寸，可以得到与温度无关的基准电压。

同理，当S0和S1同时接高电平(S0＝1,S1＝1)时，第三NMOS管MN3与第四NMOS管MN4并联，并联后的宽长比变为第四NMOS管MN4的一半，使得输出的基准电压V_ref下降。

如图2所示，为输出基准电压(V_ref)随电源电压(VDD)变化而变化的曲线图。提出的基准源最低可在0.3V电源电压下工作，在0.3～1.8V内只产生了4mV的变化。

如图3所示，为输出基准电压随温度(T)变化而变化的曲线图。提出的基准源电路在-40～85℃范围内的温度系数为30.8ppm/℃。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。