基于溫度補(bǔ)償?shù)?V CMOS電流基準(zhǔn)源

1、基于溫度補(bǔ)償?shù)?v cmos電流基準(zhǔn)源隨著亞微米、深亞微米技術(shù)和系統(tǒng)芯片(soc)技術(shù)的日益成熟，便攜式和微型電子產(chǎn)品迅速進(jìn)展和普及，低工作環(huán)境下的芯片研發(fā)日益受到關(guān)注?；鶞?zhǔn)源是模擬中最重要的模塊之一，廣泛應(yīng)用于數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、和單片式中，因此，低壓、低功耗、高精度、穩(wěn)定的電流基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)成為模擬ic設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。目前，國外無數(shù)電流基準(zhǔn)源的電源電壓達(dá)到1v甚至更低。文獻(xiàn)1-2分離用本征mos管和simox工藝實(shí)現(xiàn)低壓下的電流基準(zhǔn)源，但文獻(xiàn)的電源電壓高、基準(zhǔn)電流溫度系數(shù)比較大；文獻(xiàn)的基準(zhǔn)電流溫度系數(shù)比較小，但不是一般的工藝，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大；文獻(xiàn)雖然在1.1 v電源電壓下的功耗很小，但是工作溫度

2、范圍比較小、溫度系數(shù)很大。所以設(shè)計(jì)的難點(diǎn)就是要在一般cmos工藝下實(shí)現(xiàn)低壓、低功耗且結(jié)構(gòu)容易的高性能電流基準(zhǔn)源。1 零溫度系數(shù)偏置點(diǎn)文獻(xiàn)證明了無數(shù)的cmos工藝存在零溫度系數(shù)偏置點(diǎn)，因?yàn)榱銣囟认禂?shù)偏置點(diǎn)的存在，可以通過在mos管柵極加一個(gè)不隨溫度變幻的偏置電壓，得到相應(yīng)的不受溫度影響的電流基準(zhǔn)，1所示。按照mos管平方律公式，nmos管漏電流為式中：n是m0管載流子遷移率；cox為氧化層；vth0為m0的閾值電壓。在公式(1)中，惟獨(dú)n和vth0是和溫度有關(guān)的量。按照文獻(xiàn)，閾值電壓可以表示為把式(2)、(3)代人式(1)，和溫度相關(guān)的電流基準(zhǔn)源iref可以表示成可以看出，載流子遷移率的溫度相關(guān)

3、性和閾值電壓的溫度相關(guān)性正巧相互補(bǔ)償，抵消了溫度對(duì)它們的作用。在tsmc 0.25 m標(biāo)準(zhǔn)工藝條件下，寬長為16 m和8m時(shí)，mos管不同溫度下的跨導(dǎo)特性2所示。由圖可知，mos管在點(diǎn)(vztc，iztc)時(shí)，它的跨導(dǎo)特性幾乎不受溫度的影響。此時(shí)nmos管ztc點(diǎn)相應(yīng)的電流為19.1 a，電壓為765.3 mv，pmos管ztc點(diǎn)的電流為-12.3a，電壓為-1.13 v。因?yàn)閜mos ztc點(diǎn)的電壓值超過了所能提供的電源電壓，所以本文采納nmos管來產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。2 低壓溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)2.1 帶隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)基于tsmc 0.25 m cmos工藝，采納一級(jí)溫度補(bǔ)償、電流反饋技術(shù)設(shè)計(jì)的低壓

4、帶隙基準(zhǔn)電路3所示，其工作原理與傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路相像。為了與cmos標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容，采納pnp管的集電極接地結(jié)構(gòu)。低壓鉗位運(yùn)放使a、b兩點(diǎn)的電壓相等。設(shè)置ma1、ma2、ma3管的寬長比使它們的電流關(guān)系為q2和q1的放射極面積的比為n，r2=r3，流過q1和q2的電流相等，vbe等于vt?ln(n)。流過r1的電流為選取合適的電阻比值使電壓基準(zhǔn)不受溫度影響，調(diào)整m和r4來調(diào)整基準(zhǔn)電壓的大小，得到合適的值。2.2 電壓基準(zhǔn)中運(yùn)放的設(shè)計(jì)運(yùn)算是帶隙電壓基準(zhǔn)源中重要的模塊之一，它主要確保帶隙中兩個(gè)電壓基準(zhǔn)點(diǎn)a與b相等，保證產(chǎn)生ptat電流。本文采納nmos輸入差分對(duì)來解決低壓狀況下pmos差分對(duì)沒有足

5、夠的輸入電壓范圍的問題。用法帶r-c補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)放，提供較高的增益及穩(wěn)定性。同時(shí)為了運(yùn)放能在1 v的電源電壓下正常工作，運(yùn)放的nmos輸入差分對(duì)工作在亞閾值區(qū)域，需要比較大的管子尺寸，加上合理的版圖布局，可以使失調(diào)電壓最小化。m4、m5中的偏置電流比m3中尾電流稍大，以保證電流鏡中有足夠的工作電流。同時(shí)的直流增益和psrr都比較大，正負(fù)psrr分離為-80.07 db和-90.44db，對(duì)帶隙基準(zhǔn)電壓的影響可忽視。運(yùn)放的電路4所示。這里用p型的蔓延層來實(shí)現(xiàn)全部的電阻。3 電路與結(jié)果分析電路采納tsmc 0.25 m標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝，用spectre對(duì)囫圇電路舉行仿真，在電源電壓為1 v時(shí)，低壓

6、工作下電壓基準(zhǔn)提供的基準(zhǔn)電壓為765.4mv，在14 v的電源電壓內(nèi)能夠穩(wěn)定輸出，基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流隨電源電壓的關(guān)系5所示。基準(zhǔn)電壓偏置在nmos管的零溫度系數(shù)點(diǎn)時(shí)，通過nmos的輸出基準(zhǔn)電流為19.06a，溫度系數(shù)僅為18.7×10-6，并能在12.4 v電源電壓時(shí)穩(wěn)定輸出，在2.4 v以上電源電壓時(shí)，隨著電源電壓增強(qiáng)而緩慢增強(qiáng)，這是因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓和vztc沒有完善吻合所導(dǎo)致的。在-20120內(nèi)，vref與vztc最大偏差為0.65，iref與iztc最大偏差2.4。電路基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流的溫度特性曲線6所示。電路的囫圇功耗為53.5w。在0.18m標(biāo)準(zhǔn)工藝下，該電路能在0.8 v超低壓下穩(wěn)定工作。從仿真結(jié)果看，這個(gè)基準(zhǔn)電流源在低壓條件下，-20120溫度內(nèi)能很好地工作，性能比其他傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電流源好。詳細(xì)的性能比較見表1。4 結(jié)論基于零溫度系數(shù)偏置點(diǎn)技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)低壓、低功耗的基準(zhǔn)電流源。用法亞閾值工作的超低壓運(yùn)放實(shí)現(xiàn)帶隙電壓基準(zhǔn)，對(duì)mos管舉行溫度補(bǔ)償，使mos管工作在ztc偏置點(diǎn)；帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓在-20120內(nèi)與ztc點(diǎn)電壓最大偏差為0.65，在765.4 mv的基準(zhǔn)電壓狀