低功耗CMOS電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計

　　1 引 言

　　電壓基準(zhǔn)可以在溫度及電源電壓變化環(huán)境中提供穩(wěn)定的參考電壓，被廣泛應(yīng)用于比較器，A／D，D／A轉(zhuǎn)換器，信號處理器等集成電路中。目前已有不少和工藝的電壓基準(zhǔn)應(yīng)用于實(shí)際中，并且獲得了很高的精度和穩(wěn)定性。然而隨著各種便攜式移動通信和計算產(chǎn)品的普及，對電池的需求大大加強(qiáng)，但是電池技術(shù)發(fā)展相對落后，降低電路的功耗成為IC設(shè)計關(guān)注的一個焦點(diǎn)；電路的功耗會全部轉(zhuǎn)換成熱能，過多的熱量會產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)，加劇硅失效，導(dǎo)致可靠性下降，而快速散熱的要求又會導(dǎo)致封裝和制冷成本提高；同時功耗大將導(dǎo)致溫度高，載流子速度飽和，IC速度無法再提升；并且功耗降低，散熱減少，也能減少對環(huán)境的影響。因此，功耗已成為超大規(guī)模集成電路設(shè)計中除速度，面積之外需要考慮的第三維度。

　　傳統(tǒng)的帶隙面積大、功耗大、不適應(yīng)低功耗小面積的要求。本文立足于低功耗、小面積、利用工作于弱反型區(qū)晶體管的特點(diǎn)，對傳統(tǒng)的帶隙電壓基準(zhǔn)源做出改進(jìn)，設(shè)計了一款最大消耗380 nA電流的電壓基準(zhǔn)源，大大減小了面積，且與CMOS工藝兼容，同時提出一種新的不耗電的啟動電路。本文先介紹傳統(tǒng)典型帶隙基準(zhǔn)電路的原理與功耗組成，提出改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行分析，最后給出基于0.5μm CMOS工藝模型的仿真結(jié)果和測試結(jié)果。

　　2 傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)源

　　傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源如圖1所示。

　　由PTAT產(chǎn)生電路，負(fù)PTAT產(chǎn)生電路，放大器，加法器組成。原理是由Q1，Q2兩個PNP三極管和電阻R3產(chǎn)生PTAT電流，流過電阻R2產(chǎn)生PTAT電壓，再疊加上Q2的負(fù)PTAT電壓Vbe，通過合理調(diào)整電阻R2和R3的比例產(chǎn)生與溫度無關(guān)的電壓基準(zhǔn)。運(yùn)算放大器A是為了保證B，C兩點(diǎn)電壓相等。

　　這種結(jié)構(gòu)需要三極管、運(yùn)算放大器以及若干電阻，面積比較大。其工作時電流由3部分組成：Q1支路的集電極電流；Q2支路的集電極電路，運(yùn)算放大器A的工作電流。其中Q1，Q2支路的電流為VTln N／R3，其中VT=kT／q；q是電荷常量；k是波爾滋曼常數(shù)；T是絕對溫度；N是三極管Q2與Q1的比值，通常為8，同時要達(dá)到好的性能運(yùn)算放大器的電流不能太小以使晶體管工作于飽和區(qū)。通常傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)源消耗電流不小于10μA。

　　3 弱反型區(qū)晶體管模型

　　本文利用了工作在弱反型區(qū)晶體管的特點(diǎn)，對傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)電路進(jìn)行了改進(jìn)。工作在弱反型區(qū)的晶體管特性模型假設(shè)：

　　(1)晶體管溝道長度足夠長，溝道長度近似成立，并且溝道長度調(diào)制效應(yīng)可以忽略；

　　(2)空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流可以忽略；

　　(3)表面態(tài)密度和表面勢的波動可以忽略。

　　在這些假設(shè)之下，工作在弱反型區(qū)的晶體管的I-V特性可以表示為：

　　ID0是特征電流；S是晶體管的寬長比；n是斜率因子；VG，VS，VD分別為晶體管柵、源、漏端與襯底的電壓差。當(dāng)晶體管由相同的VS電壓偏置時，斜率因子n是常數(shù)，ID0也可以認(rèn)為是常數(shù)。由式(1)可以看出，當(dāng)VD-VS》0時，弱反型工作的MOS晶體管與三極管的直流傳輸特性一致。

　　4 電路實(shí)現(xiàn)

　　圖2為本文改進(jìn)的電壓基準(zhǔn)源的原理示意圖。電壓基準(zhǔn)電路由3部分組成：啟動電路、PTAT產(chǎn)生電路和輸出電路。輸出電路包括電流放大和電壓疊加。

　　PTAT電路由M6-M13和R1構(gòu)成，利用其工作在弱反型區(qū)晶體管的特點(diǎn)，取代了傳統(tǒng)的三極管PTAT產(chǎn)生電路，且不需要運(yùn)算放大器，面積大大減小，弱反型區(qū)晶體管特性令工作功耗大大降低。P型晶體管M6與M7組成第一對電流鏡，增益為S7／S6，N型晶體管M12與M13組成第二對電流鏡，增益為S12／S13，只要2路電流足夠小，電阻R1的影響就可以忽略，2路電流相等。M6～M13組成一個閉合環(huán)路，環(huán)路的增益為2組電流鏡增益的乘積。其中晶體管M6與M7的寬長比要足夠大，工作在弱反型區(qū)，M12與M13溝道長度要足夠長，工作在飽和區(qū)。M8，M9和M10，M11分別與M6，M7和M12，M13構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，增大阻抗，提高基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比。環(huán)路的起始增益大于1令兩支路的電流增加，直到平衡則增益降為1，電阻R1上的壓降為VR1。根據(jù)公式(1)，VR1可以表示為：

　　則流過電阻R1的電流為：

　　由式(3)可以看出，電流IR只與晶體管寬長比，電阻R1，斜率因子n；波爾滋曼常數(shù)k，絕對溫度T有關(guān)，與電源電壓無關(guān)，是與溫度成正比的PTAT電流。

　　電壓基準(zhǔn)輸出電路由晶體管M14～M19，以及電阻R2，三極管Q1，電容C2組成。M18與M19鏡像PTAT電流同時M15與M17鏡像M18，M19支路的PTAT電流，組成電流放大，采用共源共柵結(jié)構(gòu)是為了鏡像更準(zhǔn)確。PTAT電流流過電阻R2，產(chǎn)生與溫度成正比的PTAT電壓，此PTAT電壓和二極管方式連接的三極管Q1的Vbe電壓疊加，產(chǎn)生與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓，電容C2是為了濾波，降低噪聲。

　　其中Eg為硅的帶隙能量；m為遷移率的溫度系數(shù)常數(shù)。