一種全ＭＯＳ管結構低壓低功耗電壓基準源的設計

摘 要：提出了一種全MOS管結構的低壓低功耗電壓基準源，他利用一個工作在亞閾值區的MOS管具有負溫度特性的柵-源電壓與一對工作在亞閾值區的MOS管所產生的具有正溫度特性的電壓差進行補償。電路采用標準的0.6 μm CMOS工藝設計，已成功應用于一個低壓差線性穩壓器(LDO)中，具有優良的溫度穩定性，在-40~+120 ℃范圍內能達到37.4 ppm/℃，并可以在供電電壓為1.4~5.5 V下工作，其總電流僅為4 μA。

關鍵詞：電壓基準；亞閾值區；低壓低功耗；MOS管

中圖分類號：TN432 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0115603

Design of a Low-voltage Low-power MOSFET-only Voltage Reference

ZHANG Changxuan，XIE Guangjun

(Microelectronics and Solid-State College，Hefei University of Technology，Hefei，230009，China)

Abstract：A low-voltage low-power MOSFET-only voltage reference circuit is proposed，which has a better temperature stability，it is 37.4 ppm/℃ from -40 ℃ to 120 ℃.It is based on compensating a PTAT of a pair sub-threshold MOSFETs with the gate-source voltage of a sub-threshold MOSFET.The reference circuit is implemented in a standard 0.6 μm CMOS process，used in a low dropout regulator.The circuit supply voltage is 1.4~5.5 V and the quiescent current is 4 μA.

Keywords：voltage reference;sub-threshold region;low-voltage low-power;MOS

近幾年來，隨著無線通信業的高速成長，采用電池供電的模擬或模數混合電子產品得到迅猛發展，尤其是采用CMOS標準工藝的低電壓、低功耗模擬電路受到越來越多的重視。低電壓的模擬電路不但能大幅度降低電路功耗，而且能增強電路穩定性。在電子設計行業內有一種說法：電源電壓越低越好。盡管電源電壓并不是決定電路功耗的惟一因素，但其影響居于主導地位。

傳統的帶隙基準源是根據雙極型晶體管的VBE和ΔVBE的溫度特性來設計的，在CMOS工藝中采用了寄生的PNP管進行設計，其帶隙基準電壓為^[1]：

是溫度為T0時的基準電壓，VG0是帶隙電壓(1.205 V)，對于典型值γ=3.2，α=1，Vref=1.262 V^[1]。所以一般的帶隙基準電路其基準電壓都大于帶隙電壓，難以實現低壓。本文采用全MOS管結構，所設計的基準電壓不再受帶隙電壓的限制，很容易達到1 V以下，便于為一些低壓模擬電路提供基準源，且無需引入放大器，進一步簡化了電路，所設計的電壓基準源已成功應用于一個手機電源管理的LDO芯片之中。

1 電路描述

該電路的基本原理是，將具有負溫度系數的電壓VGS和具有正溫度系數的電壓ΔVGS按照一定比例加和起來，實現了零溫度系數基準電壓Vref。如圖1所示，一個亞閾值MOS管的VGS電壓與溫度成反比，而處于亞閾值的兩個MOS管VGS之差ΔVGS與溫度成正比，通過IVGS和I-V轉換電路將兩種溫度特性的電壓加和，即可得到一個與溫度無關的基準電壓。該電路包含了一個利用亞閾值特性產生的偏置電路，為整個電路提供偏置。 

2 偏置電流的產生

該偏置電路的特別之處在于：也是采用MOS管的亞閾值特性設計的，滿足低壓工作條件，其產生的偏置電流雖然有正溫度特性，但是并不影響零溫度系數電壓的產生。以下是電流IR1的推導過程：

4 仿真結果

該基準用于一個手機電源管理的LDO芯片中，芯片正常工作時基準電壓為356.5 mV，電池電壓的典型值為3.6 V。本電路采用標準的0.6 μm CMOS工藝，在Cadence SPECTRE軟件上，按電源電壓為3.6 V，溫度由-40~+120 ℃變化進行仿真。仿真波形如圖4所示，從圖4結果中可以計算出溫度系數為37.4 ppm/℃，此溫度范圍比文獻[6]范圍增大。

5 結 語

本文設計了一種低壓低功耗的電壓基準源， IVGS及I-V轉換電路巧妙地把正溫度與負溫度特性的電壓加和，產生了基準電壓，與文獻[6]比較，本文中基準電壓只受到電阻比值的影響，但是與電阻的絕對值是沒有關系的，所以其溫度特性不受電阻溫度性能影響，比文獻[6]溫度特性更加穩定，該電路提高了溫度范圍，由-20~+80 ℃提高到了-40~+120 ℃，電源抑制比也有所改善。仿真結果表明，該電壓基準有較高的溫度穩定性、低的工作電壓和功耗，且電路簡單，僅用MOS管就實現了基準的產生，電壓精度高達0.2%，完全可以滿足低功耗、高精度LDO線性穩壓器的性能要求。

參 考 文 獻

［1］Allen P E，Douglas R H.CMOS Analog Circuit Design.2版.北京:電子工業出版社，2005:126-127.

［2］石偉韜，蔣國平.一種高穩定低功耗CMOS過熱保護電路的設計[J].電子器件，2006，29(2):330-334.

［3］張屏英，周佑謨.晶體管原理[M].上海:上海科學技術出版社，1985.

［4］朱正涌.半導體集成電路[M].北京:清華大學出版社， 2001.

［5］Yannis P T，Richard W U.A CMOS Reference Voltage Source.ISSCC，1978:48-49.

［6］Bedeschi F，Bonizzoni E，Fantini A，et al.A Low-power Low-voltage MOSFET only Voltage Reference.ISCAS，2004:57-60.

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作者簡介

張昌璇 女，1983年出生，合肥工業大學微電子與固體電子學碩士研究生。主要從事模擬電路設計及其研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”