基于不同VTH值的新型CMOS電壓基準(zhǔn)

摘要：傳統(tǒng)基準(zhǔn)電路主要采用帶隙基準(zhǔn)方案，利用二級(jí)管PN結(jié)具有負(fù)溫度系數(shù)的正向電壓和具有正溫度系數(shù)的VBE電壓得出具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)。針對(duì)BJT不能與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容的缺陷，利用NMOS和PMOS管的兩個(gè)閾值電壓VTHN和VTHP具有相同方向但不同數(shù)量的溫度系數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于不同VTH值的新型CMOS基準(zhǔn)。該電路具有沒有放大器、沒有BJT、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適宜于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成。在此給出了詳細(xì)的原理分析和電路實(shí)現(xiàn)。該電路通過HSpice驗(yàn)證，其輸出基準(zhǔn)電壓為1．22 V，在-40～+85℃內(nèi)溫度系數(shù)僅為30 ppm／℃，電源電壓為2．6～5．5 V時(shí)，電源電壓調(diào)整率為1．996 mV／V。
關(guān)鍵詞：CMOS；溫度補(bǔ)償；閾值電壓；放大器；BJT

0 引言
基準(zhǔn)電壓源廣泛應(yīng)用于各種模擬集成電路、數(shù)／模混合信號(hào)集成電路和系統(tǒng)集成芯片(SoC)中，是集成電路的一個(gè)基本元件，其穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度。然而，傳統(tǒng)的高性能基準(zhǔn)電路普遍采用帶隙基準(zhǔn)電路，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容。為了解決帶隙基準(zhǔn)電路與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容問題，一些學(xué)者提出了一定的解決方法，例如：利用N阱的寄生二極管設(shè)計(jì)帶隙基準(zhǔn)，利用CMOS管的亞閾值區(qū)工作原理設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，利用載流子和閾值電壓在不同溫度下的特性設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等。但是他們的電源抑制比普遍偏低，且溫度系數(shù)較大。
本文利用高電源抑制比電路設(shè)計(jì)的和式偏置電流源進(jìn)一步提高了電源抑制比，并利用NMOS和PMOS管的兩個(gè)閾值電壓VTHN和VTHP具有相同方向但不同數(shù)量的溫度系數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于不同VTH值的新型CMOS基準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)充分利用CMOS器件高輸入阻抗、低功耗的特點(diǎn)，利用相同電流減少了載流子遷移率對(duì)溫度性能的影響，利用VRHN和VTHP溫度系數(shù)抵消原理和高電源抑制比和式電流源，大大降低了基準(zhǔn)的溫度系數(shù)，提高了電源抑制特性，使電路的性能得到優(yōu)化。

1 傳統(tǒng)帶隙電路原理
如圖1所示，傳統(tǒng)的帶隙電路主要是利用雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，而兩個(gè)不同電流密度的雙極型晶體管之間的基極一發(fā)射極電壓差△VBE具有正溫度系數(shù)，將其乘以合適的系數(shù)K后，再與前者進(jìn)行加權(quán)，即：VREF=VBE+K△VBE，從而在一定范圍內(nèi)就可以抵消VBE的溫度漂移效應(yīng)，得到低溫漂的輸出電壓VREF。K值將通過把VBE的表達(dá)式帶入VREF中，在參考溫度T0處令求得。

但是使用BJT管會(huì)占用很大的芯片面積且與在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中不能很好的兼容。

2 新型CMOS基準(zhǔn)電路原理
對(duì)于CMOS器件，其閾值電壓VTH和載流子遷移率μ是主要的受溫度因數(shù)影響的參量。雖然閾值電壓VTH和載流子遷移率μ的值都隨著溫度的升高而減小，但是MOS器件閾值電壓VTH和載流子遷移率μ的下降對(duì)于MOS管的漏電流ID有著完全相反的效果：閾值電壓VTH越低，漏電流ID越大；而載流子遷移率μ越小，漏電流ID越小。
由文獻(xiàn)可知，閾值電壓VTH與環(huán)境溫度有著近似的線性關(guān)系：

式中：aVT是閾值電壓VTH的溫度系數(shù)，其值介于1～4 mV／℃之間，對(duì)NMOS和PMOS是相互獨(dú)立且不同的。
載流子遷移率μ和環(huán)境溫度的關(guān)系為：

式中：μ(T0)是某基準(zhǔn)溫度時(shí)的載流子遷移率，且m介于1～2．5之間。
由式(1)可知，VTHN和VTHP具有不同的負(fù)溫度系數(shù)，只要取合適的系數(shù)K時(shí)：

就可以得到不隨溫度變化的基準(zhǔn)電壓VREF。