低功耗CMOS電壓基準源的設計

　　1 引 言

　　電壓基準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應用于實際中，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，但是電池技術發(fā)展相對落后，降低電路的功耗成為IC設計關注的一個焦點；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，加劇硅失效，導致可靠性下降，而快速散熱的要求又會導致封裝和制冷成本提高；同時功耗大將導致溫度高，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，對傳統(tǒng)的帶隙電壓基準源做出改進，設計了一款最大消耗380 nA電流的電壓基準源，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)典型帶隙基準電路的原理與功耗組成，提出改進電路結(jié)構(gòu)，并進行分析，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)帶隙電壓基準源

　　傳統(tǒng)帶隙基準源如圖1所示。

　　由PTAT產(chǎn)生電路，負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)生與溫度無關的電壓基準。運算放大器A是為了保證B，C兩點電壓相等。

　　這種結(jié)構(gòu)需要三極管、運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，同時要達到好的性能運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，對傳統(tǒng)帶隙電壓基準電路進行了改進。工作在弱反型區(qū)的晶體管特性模型假設：

　　(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也可以認為是常數(shù)。由式(1)可以看出，當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 電路實現(xiàn)

　　圖2為本文改進的電壓基準源的原理示意圖。電壓基準電路由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，取代了傳統(tǒng)的三極管PTAT產(chǎn)生電路，且不需要運算放大器，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，與電源電壓無關，是與溫度成正比的PTAT電流。

　　電壓基準輸出電路由晶體管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)生與溫度無關的基準電壓，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)。