一種超低功耗亞閾值型帶隙基準電壓源的設計

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引言

近些年來，低功耗設計已經成為當前SOC芯片發展的一個重要方向。低功耗SOC設計，對于系統中每個模塊的功耗都要求盡可能地小，尤其是always on的模塊。帶隙基準，是每個芯片中電壓參考來源，是必不可少的一個關鍵模塊。本文提出了一種不使用BJT管，且不需誤差放大器，降低功耗切實可行方法。其中之一的技術，是采用與傳統的強反型電路設計不同的方法，將關鍵的MOS管偏置在亞閾值區，亞閾值設計的關鍵之處在于有選擇地將所需要的MOS管偏置在可控的亞閾值區。

一、系統方案設計

本文提出的超低功耗亞閾值帶隙基準系統方案，包括啟動電路，核心主體電路，參考生成電路三個部分組成。其中，啟動電路是針對電路中存在一個零狀態的簡并點，使主體電路在工作過程中可以擺脫簡并的零狀態，并且在系統正常工作之后自動關閉。核心主體電路作用是產生PTAT(與絕對溫度成正比)電流，最后流過電阻產生PTAT(與絕對溫度成正比)電壓。輸出級參考生成電路，是將核心部分電路產生的PTAT 電流以一定比例鏡像，然后流過電阻產生PTAT 電壓，與呈CTAT(與絕對溫度成反比，負溫度系數)特性的工作在亞閾值MOS管的柵-源電壓Vgs相加權，最終得到近似ZTAT(零溫度系數，與溫度變化無關)的參考電壓Vref。

二、整體電路設計

如Figure1所示，為本文提出的新型超低功耗亞閾值帶隙基準電路架構圖。最左邊部分為系統的啟動電路，中間部分為核心主體電路，最后邊部分為輸出級Vref生成電路。進過分析計算，每個部分所消耗的功耗分配分別：啟動電路20nA，核心主體電路500nA，Vref參考生成電路250nA，總功耗為770n A，達到業界先進水平。

Figure 1 超低功耗亞閾值帶隙基準電路架構圖

由于帶隙基準是電路本質上是一個自偏置電路，它天然地存在兩個簡并點：一個簡并點是零狀態，即電路中無電流流過；另一個才是我們真正需要的正常工作態。如圖Figure1所示，當電源電壓VDD上電時候，MPS1，MPS2，MPS3，MPS4串連形成的倒比二級管，等效為電阻，對MN3管的Gate電容進行充電。當晶體管MN3的柵-源電壓Vgs達到一定值時(即節點A的電壓超過MN3管的閾值電壓一定值)時，MN3管導通，將節點B拉低，電流鏡管MP1，MP2，MP3，MP4導通，向 MN1，MN2注入電流，MN1和 MN2管導通，電路開始建立直流工作狀態。同時，鏡像電流流過輸出級MP5和MP6，產生參考電壓Vref，當Vref電壓達到穩定狀態時，啟動電路中的下拉管MN4導通，節點A被拉低，將MN3管關斷，至此為止，整個電路完成啟動過程，啟動電路和核心主體電路徹底剝離開，互相不影響。

如圖Figure1中間部分，核心主體電路主要由偽cascode電流鏡管，和下面的PTAT 電流產生電路組成。PTAT 產生電路主要原理：設計上讓MN1，MN2工作在亞閾值區，且選擇合適的比例關系，MN1和MN2的個數比為8：1，根據亞閾值區 MOS管的I-V特性，，MN1和MN2二者的柵-源電壓Vgs差值(Vgs為PTAT 正溫度特性，即電阻R1兩端的電壓為PTAT 電壓；同時因為電阻的溫度系數很小，可以近似地認為電阻是零溫度特性，因此流過電阻R1的電流為PTAT 電流，根據電流鏡的鏡像關系，MP1，MP3和MP5流過相同的PTAT 電流。另外，本設計中的一個創新點在于，R1的位置在晶體管的漏極，避免了R1處在MN2管的源極和地之間，對其產生的襯底偏置效應。同時，電流鏡管采用偽cascode結構，有效提高對電源上的紋波抑制能力。

如圖Figure1最右邊部分，Vref產生電路是本設計的另一個創新點。考慮到bjt的面積較大和匹配性問題，沒有采用傳統的bjt的VBE作為CTAT(與溫度成反比)電壓，而是采用工作在亞閾值區的MOS管的柵-源電壓Vgs得到CTAT電壓。核心主體電路產生的PTAT 電流，鏡像流過MP5，MP6，和R2，在電阻R2上產生PTAT 電壓，和處于亞閾值區的二極管連接方式的MN5的Vgs電壓加權疊加，得到零溫度系數的參考電壓Vref。

三、設計仿真結果

最后通過cadence工具仿真，得到該電路的工作特性。該電路總功耗約770n A，可以支持輸入VDD電源電壓范圍為1.8—3.6V，輸出參考的線性度為50.2ppm。當電源電壓為3.0V，Typical corner，常溫(T=25℃)條件時，輸出參考電壓為1.176V，低頻(f=1k Hz)時，電源抑制比為-66dB，當溫度在-40℃與125℃之間變化時，輸出電壓的變化小于+/-2%。

四、總結

本文提出的新型超低功耗亞閾值型帶隙基準電路，滿足了實際應用中的對功耗的迫切需求，同時具備良好的線性度和低溫漂性能和小面積等優點，在SOC系統設計中具有很高的實用價值，可以廣泛應用到各類便攜式電子產品中。