阅读说明：本技术 一种低温度系数快速电压检测电路 (Low-temperature coefficient rapid voltage detection circuit ) 是由 吴建辉 周全才 谢祖帅 吴志强 瞿剑 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了应用于能量采集领域的一种低温度系数快速电压检测电路,该电压检测电路包括CTAT偏置电路、正反馈偏置电路和电压检测电路；供电电压即输入信号端(V<Sub>in</Sub>),电路整体输出信号端(V<Sub>out</Sub>)；CTAT偏置电路的输出端(V<Sub>bias</Sub>)接电压检测电路的输入端,电压检测电路的输出端即电路整体输出信号端(V<Sub>out</Sub>)与正反馈偏置电路的输入端相连。电压检测电路由两个cascode MOS管构成,当上拉网络电流和下拉网络电流相等时,达到检测电压。通过CTAT基准电路为电压检测电路的上检测管提供偏置,从而降低了温度对检测电压值的影响。通过正反馈偏置电路为电压检测电路的下检测管提供偏置,当达到检测电压时通过反馈网络减小下拉网络的电流,从而加快输出端触发信号的建立。(The invention discloses a low-temperature coefficient rapid voltage detection circuit applied to the field of energy collection, which comprises a CTAT bias circuit, a positive feedback bias circuit and a voltage detection circuit; supply voltage, i.e. input signal terminal (V) in ) Output signal terminal (V) of circuit out ) (ii) a Output terminal (V) of CTAT bias circuit bias ) Is connected with the input end of the voltage detection circuit and the output end of the voltage detection circuit, namely the output signal end (V) of the whole circuit out ) Connected to the input of the positive feedback bias circuit. The voltage detection circuit is composed of two cascode MOS tubes, and when the pull-up network current and the pull-down network current are equal, the voltage detection circuit achieves detection voltage. The upper detection tube of the voltage detection circuit is provided with bias through the CTAT reference circuit, so that the influence of temperature on the detection voltage value is reduced. The positive feedback bias circuit provides bias for a lower detection tube of the voltage detection circuit, and when the detection voltage is reached, the current of the pull-down network is reduced through the feedback network, so that the establishment of the output end trigger signal is accelerated.)

一种低温度系数快速电压检测电路

技术领域

本发明属于能量采集领域，特别涉及一种能够实现低温度系数快速的电压检测电路。

背景技术

随着物联网技术的发展，从环境中获得能量为设备供电是当前的一个重要的研究方向，能量采集电路通过转换电路将能量源产生的电压转换到系统所需要的电压值。由于环境的变化会使得能量源产生的电压值发生波动，为实现能量采集系统输出电压的稳定，需要对输入或者输出电压进行检测。由于能量源产生的功率一般比较低，因此能量采集电路中各个模块的功耗需要最小化。并且物联网节点的工作环境比较复杂，因此电压检测电路需要由良好的温度隔离性，使检测电压不受温度影响。另外，电压检测电路的快速响应有利于保持能量采集系统输出电压的稳定，因此本发明提出一种低温度系数快速的电压检测电路。

通常使用带隙基准(BGR)和比较器来检测电压，由于带隙基准电路工作电压比较高，并且使用直流偏置电阻，因此它功耗会比较大。而能量采集电路一般需要在低电压低功耗下工作，有人提出一种由两个cascode结构的MOS管构成电压检测电路，通过比较上拉网络的电流和下拉网络的电流来确定检测电压，其中上拉网络电流随输入电压增大而增大，下拉网络的电流保持不变，通过设置MOS管的宽长比可以实现不同的检测电压。但是这种方法需要非常大的宽长比，并且检测电压值会随温度升高而增大，导致在不同环境下电压检测的结果会出现较大偏差，而且在输入电压与检测电压比较接近时，输出端的触发信号建立速度非常慢。所以本发明提出一种低温度系数快速的电压检测电路，设计的主要思想是通过给上检测管提供具有温度系数的偏置来实现检测电压的低温度系数；通过反馈降低下拉网络的电流，加快触发信号的建立。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种应用于能量采集电路的低温度系数快速电压检测电路，该电路作为模拟电路的基本单元，可以实现在不同环境下对电压进行检测。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种低温度系数快速电压检测电路采用如下技术方案：

该电压检测电路包括CTAT偏置电路、正反馈偏置电路和电压检测电路；供电电压即输入信号端，电路整体输出信号端；CTAT(负温度系数(complementary to absolutetemperature，CTAT))偏置电路的输出端接电压检测电路的输入端，电压检测电路的输出端即电路整体输出信号端与正反馈偏置电路的输入端相连。

所述的CTAT偏置电路部分由第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管组成；正反馈偏置电路由第六晶体管和第七晶体管组成；电压检测电路部分由级联的第八晶体管和第九晶体管组成。

所述的第一晶体管、第二晶体管、第八晶体管为PMOS晶体管，第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第九晶体管为NMOS晶体管。

所述的其中第五晶体管为厚栅NMOS管，具有较高的阈值电压。

所述的CTAT偏置电路中，第一晶体管源级连供电电压即输入信号端，第一晶体管的栅极分别与第一晶体管的漏极和第二晶体管的栅极相连，第一晶体管的漏极与第三晶体管的漏极相连；第二晶体管的源级接供电电压即输入信号端，第二晶体管的漏极与第四晶体管的漏极相连构成CTAT偏置电路的输出端；第四晶体管的栅极与第四晶体管的漏极以及第五晶体管的栅极相连，第四晶体管的源级与第五晶体管的漏极相连接入第三晶体管的栅极，为第三晶体管的栅极提供偏置；第五晶体管和第三晶体管的漏极接地。

所述的正反馈偏置电路中，第六晶体管漏极与供电电压即输入信号端相连，第六晶体管的栅极与源级相连，第六晶体管的源级与第七晶体管的栅极相连；第七晶体管的源级接地。

所述的电压检测电路部分由第八晶体管和第九晶体管组成，第八晶体管的源级接供电电压即输入信号端，第八晶体管的栅极与CTAT偏置电路的输出端；相连，第八晶体管的漏极和第九晶体管的漏极相连构成电路整体输出信号端，同时该电路整体输出信号端与正反馈偏置电路中第七晶体管的栅极相连；第九晶体管的栅极与正反馈偏置电路中第六晶体管的栅极相连，构成正反馈回路，第九晶体管的源级接地。

有益效果：与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

通过CTAT基准电路为电压检测电路的上检测管提供偏置，从而降低了温度对检测电压值的影响，来实现检测电压的低温度系数。通过正反馈偏置电路为电压检测电路的下检测管提供偏置，当达到检测电压时通过反馈网络减小下拉网络的电流，从而加快输出端触发信号的建立。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑图；

图2为采用本发明实现的低温度系数快速电压检测电路在不同温度(-20℃-80℃)下的输入电压与输出电压的关系曲线。

图3为采用本发明实现的低温度系数快速电压检测电路在不同温度(-20℃-80℃)下的输入电压与输出电压的关系曲线局部放大图。

图4为采用本发明实现的低温度系数快速电压检测电路的检测电压V_detect与温度的关系曲线。

图5为采用本发明实现的低温度系数快速电压检测电路的瞬态特性曲线。

图中有：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9；供电电压即输入信号端V_in、CTAT偏置电路的输出端V_bias、电路整体输出信号端V_out。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的低温度系数快速电压检测电路由CTAT偏置电路、正反馈偏置电路和电压检测电路构成。

电路供电电压以及输入信号为V_in，电路整体输出信号为V_out。

电压检测电路部分由级联的第八晶体管M8、第九晶体管M9组成，CTAT偏置电路部分由第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5组成，正反馈偏置电路由第六晶体管M6、第七晶体管M7组成，其中第一晶体管M1、第二晶体管M2、第八晶体管M8为PMOS，第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第九晶体管M9为NMOS，其中第五晶体管M5为厚栅NMOS管，具有较高的阈值电压。

CTAT偏置电路由第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5组成，将第一晶体管M1管源级连供电电压即输入信号端V_in，第一晶体管M1的栅极分别与第一晶体管M1的漏极和第二晶体管M2的栅极相连，第一晶体管M1的漏极与第三晶体管M3的漏极相连；第二晶体管M2的源级连供电电压即输入信号端V_in，第二晶体管M2的漏极与第四晶体管M4的漏极相连构成CTAT偏置电路的输出端V_bias；第四晶体管M4的栅极与第四晶体管M4的漏极以及第五晶体管M5的栅极相连，第四晶体管M4的源级与第五晶体管M5的漏极相连，为第三晶体管M3的栅极提供偏置，接入第三晶体管的栅极；第三晶体管M5和第三晶体管M3的漏极接地。

正反馈偏置电路由第六晶体管M6和第七晶体管M7组成，第六晶体管M6漏极与连供电电压即输入信号端V_in相连，第六晶体管M6的栅极与源级相连，第六晶体管M6的源级与第七晶体管M7的栅极相连；第七晶体管M7的源级接地。电压检测电路部分由第八晶体管M8和第九晶体管M9组成，第八晶体管M8的源级接供电电压即输入信号端V_in，第八晶体管M8的栅极与CTAT偏置的输出V_bias相连，第八晶体管M8的漏极和第九晶体管M9的漏极相连构成整体电路的输出端V_out，同时该输出端与正反馈偏置电路中第七晶体管M7的栅极相连；第九晶体管M9的栅极与正反馈偏置电路中第六晶体管M6的栅极相连，构成正反馈回路，第九晶体管M9的源级接地。

本发明提出的通过CTAT基准电路为电压检测电路的上检测管提供偏置，从而降低了温度对检测电压值的影响，来实现检测电压的低温度系数。通过正反馈偏置电路为电压检测电路的下检测管提供偏置，当达到检测电压时通过反馈网络减小下拉网络的电流，从而加快输出端触发信号的建立。下面结合具体电路和仿真结果对其工作原理进行详细说明。

如图1所示，在本发明提出的结构中，电压检测电路由PMOS第八晶体管M8和NMOS第九晶体管M9级联组成，第八晶体管M8的栅极与CTAT偏置电路的输出端V_bias相连，第九晶体管M9的栅极与正反馈偏置电路的V_x节点相连。检测电压值V_detect定义为使电压检测电路输出端V_out电压从低变高的输入供电电压即输入信号端V_in值，此时上拉网络的电流即流经第八晶体管M8的电流I_M8与下拉网络的电流I_M9相等，第八晶体管M8和第九晶体管M9工作在亚阈值区，假设V_ds＞100mV，根据亚阈值区电流的表达式，可以得到公式1：

其中μ₈，μ₉表示第八晶体管M8，第九晶体管M9的迁移率，C_ox表示单位面积的氧化物电容，m₈，m₉表示第八晶体管M8，第九晶体管M9的亚阈值斜率因子，V_T表示热电压，其值与绝对温度成正比，(W/L)₈，(W/L)₉表示M8，M9的宽长比，V_th8，V_th9表示第八晶体管M8，第九晶体管M9的阈值电压，V_detect表示检测电压值，V_bias表示CTAT偏置电路输出为第八晶体管M8栅极提供的偏置电压，V_x表示正反馈偏置电路为第九晶体管M9栅极提供的偏置电压。

假设第八晶体管M8和第九晶体管M9的亚阈值斜率因子和阈值电压近似相等，即m＝m₈＝m₉，V_th8＝V_th9，化简可以得到检测电压值V_detect的表达式为公式2：

其中V_detect表达式中包括与温度相关的项，其中

与绝对温度成正比，通过调整V_bias和V_x来实现正负温度系数相抵消，可以实现V_detect的低温度系数。

正反馈偏置电路由第六晶体管M6、第七晶体管M7组成，当V_in＜V_detect时，V_out接近为0，此时第六晶体管M6、第七晶体管M7的V_gs＝0，因此V_x点电压为第六晶体管M6、第七晶体管M7管分压，通过设置第六晶体管M6、第七晶体管M7管的宽长比，可以设定V_x点的分压值。当V_in>V_detect时，V_out电压会逐渐抬升到V_in，使得第七晶体管M7管的V_gs增大，使V_x点电位降低，减小第九晶体管M9管的V_gs，使得电压检测支路下拉网络电流减小，加快输出端V_out电压抬升的速度，加快触发信号的建立。

CTAT偏置电路由第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5组成，第四晶体管M4、第五晶体管M5工作在亚阈值区，其中第五晶体管M5为高阈值电压的MOS管，为了使电路在尽可能低的电流下工作，偏置电流由输出电压V_y通过反馈路径，为第三晶体管M3管提供偏置，形成自偏置结构。V_y点偏置电压如公式3所示：

其中V_gs4，V_gs5分别表示第四晶体管M4、第五晶体管M5的栅源电压，V_th4，V_th5分别表示第四晶体管M4、第五晶体管M5的阈值电压，m表示亚阈值斜率因子，μ₄，μ₅分别表示第四晶体管M4、第五晶体管M5的迁移率，(W/L)₄，(W/L)₅分别表示第四晶体管M4、第五晶体管M5的宽长比。

第一晶体管M1、第二晶体管M2构成电流镜，将自偏置确定的电流复制到、第二晶体管M2支路，偏置输出电压V_bias即为第四晶体管M4、第五晶体管M5的栅极电压，如公式4所示：

其中I_M5表示流经第五晶体管M5的电流。第五晶体管M5的阈值电压V_th5随温度升高而降低，为负温度系数，公式4的第二项中可以通过调整第五晶体管M5的宽长比实现正温度系数或负温度系数，在本次应用中，通过调整第五晶体管M5管的宽长比，可以得到需要的CTAT偏置电压。使其与检测电压V_detect表达式中与温度相关的项的温度系数相互抵消，来实现检测电压的低温度系数。CTAT偏置电路工作在亚阈值区，可以在低电压下正常工作。

图2为采用本发明实现的低温度系数快速电压检测电路在不同温度(-20℃-80℃)下的输入电压与输出电压的关系曲线，从图中可以明显的看出在不同温度下检测电压随温度变化很小。

图3为采用本发明实现的低温度系数快速电压检测电路在不同温度(-20℃-80℃)下的输入电压与输出电压的关系曲线局部放大图，在此温度范围内，检测电压变化范围在546.5mV-548.5mV之间。

图4为采用本发明实现的低温度系数快速电压检测电路的检测电压V_detect与温度的关系曲线，本发明实现检测电压的温度系数为0.016mV/℃。

图5为采用本发明实现的低温度系数快速电压检测电路的瞬态特性曲线，当检测电压V_detect为547.5mV，供电电压即输入信号端V_in为550mV时，经过0.2ms输出电压V_out抬升到V_in。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。