一種結構簡單的寬溫度范圍、高精度CMOS 基準源

楊見輝， 閆 江， 孫建民， 李 寬

（1 貴州大學 大數據與信息工程學院， 貴陽 550025； 2 北方工業大學 電子信息工程學院， 北京 100144）

0 引 言

隨著現代集成電路的迅速發展，微電子設備進入了人類生活的方方面面。 電壓基準源是集成電路中的一個重要單元模塊，集成電路通常利用帶隙電壓基準源模塊來為其他子模塊提供精確的電壓［1］。電壓基準源好壞不僅影響電路系統的性能，甚至會損壞整個電路。 如今的集成電路越來越微型化，電壓也越來越低，一個好的基準電壓源的設計需求正日益凸顯，目前，大部分傳統帶隙基準電壓源只能產生1.25 V 左右的電壓，難以滿足現代微電子行業的低壓要求。 因而，設計一個好的帶隙基準電壓源具有重要的現實意義［2］。 基準源是為了獲得一個與電源電壓、溫度和工藝參數都無關的穩定的輸出［3］。 目前國內外的學者主要研究基準源的溫漂系數、線性調制率及高電源抑制比PSRR等性能。由于傳統banba 結構基準精度差，電源抑制比較低，溫度范圍也比較窄，使得基準電路結構變得復雜化，雖然也可采用校準機制來改善精度問題，但卻會導致成本上升。 針對上述結構的優缺點，本文提出了一種新型基準結構。

本文使用130 nmCMOS 工藝平臺，設計了PTAT電流產生電路和電流鏡核心結構，使整個電路結構變得非常簡單，使用的CMOS 管也比較少，大大節約了芯片面積，同時達到低溫漂要求，實現了超寬頻帶下高電源抑制比以及寬溫度范圍。 本文基準源電路簡單實用，能夠應用到大多數的微型電子設備上。

1 電路原理

為了提高電源抑制比，本文先設計PTAT 電流源作為緩沖，再將PTAT 電流源連接到基準電壓輸出電路，這樣當電源干擾電壓經過PTAT 電流源的緩沖減小，對基準電壓輸出電路的影響就非常小，達到高電源抑制比特性。

傳統帶隙基準源的基本原理是設計具有相反溫度特性的電壓按一定比例求和，往往包含啟動電路、正溫度、負溫度電壓電路、求和電路，極為復雜，為了降低設計結構復雜度，本文中采用反向設計法。 具有電流溫度特性的NMOS 管的連接方式如圖1 所示。以二極管方式連接的NMOS 管漏源電流溫度特性如圖2 所示。 在處于亞閾值區穩壓飽和狀態下（VGS_sub ＝VDS ＝ VDD ＜VTH）， NMOS 管的漏源電流（ID） 在-40 ℃～+155 ℃溫度范圍內與溫度呈現正相關特性。 通過反向設計思想，只要設計出一個與圖2溫度特性相似的、與絕對溫度成正比（proportional to absolute temperature，PATA）的電流ID，再將這種溫度特性的電流流入以二極管方式連接的NMOS 管獲得零溫度系數、高抑制比的柵源電壓（VGS）。

圖1 以二極管方式連接的NMOS 管Fig.1 NMOS tube connected by the diode

圖2 以二極管方式連接的NMOS 管漏源電流溫度特性Fig.2 Drain-source current temperature characteristics of NMOS tube connected by the diode

圖1 中，CMOS 管工作在亞閾值區，其柵源電壓可表示為：

其中，熱電壓VT ＝KT／q；μ為電子遷移率；VTH為閾值電壓；m為亞閾值斜率；T為絕對溫度；W／L是溝道長比；K是玻爾茲曼常數。

PTAT 電流產生電路如圖3 所示。

圖3 PTAT 電流源Fig.3 PTAT current source

在圖3 中，MOS 管均工作于亞閾值區，可得出以下方程：

式（4）中，K為鏡像比例。 因式（2）、式（3）組成的方程為超越方程，一般很難求出IPTAT的解析解，于是本文尋求一種近似解代替。 設計的電流源IPTAT（藍線）與圖1 電流ID（紅線）的溫度特性如圖4 所示。 在圖4 中，可看出相同柵源電壓下本文設計電流源IPTAT的溫度特性與圖1 的電流ID的溫度特性在一定溫度范圍內幾乎一致，因此可以采用式（1） 近似解析式來代替式（4） 電流IPTAT解，可得：

圖4 設計的電流源IPTAT（藍線）與圖1 電流ID（紅線）的溫度特性Fig.4 The temperature characteristics of the designed current source IPTAT（blue line） and the current ID（red line） in Fig.1

2 電路結構

本文設計的CMOS 電路結構如圖5 所示。 僅僅只有3 個部分。 第一個部分為啟動單元，中間部分為PTAT 電流獲得電路，右邊部分為基準電壓輸出電路。整個電路除了一個電阻R1，其余器件均為CMOS 管。可以看出該結構簡單清晰，沒有正負溫度特性電壓產生電路，也無復雜求和電路結構，易于集成實現。

圖5 基準電壓源電路Fig.5 Reference voltage source circuit

2.1 電路啟動分析

由于該PTAT 電流產生電路部分在上電后可能出現電流為零的狀態，導致基準輸出電路不能正常工作。 為了使基準電壓源能夠輸出穩定的基準電壓，在圖5 中，NM1和NM2管組成啟動電路確保整個電路正常工作。

當電路上電后，啟動電路開始工作。 剛上電時，由于8 個NM1管處于串聯狀態，因此全部導通，每個NM1管的柵源電壓及漏源電流都一樣。 同樣在剛上電時，NM2的源極和NM3的漏極處于同一零電位。 由于NM1導通后分壓，使得連接的NM2柵極存在一定電壓，進而NM2導通，NM2的漏源電流流入NM3的漏極和NM4的柵極，因為NM4柵源之間存在電容，NM4的柵源電壓隨著電流的流入會逐漸升高到VTH4，導致NM4導通，NM4的漏源電流流過電阻R1，使R1兩端電壓升高到VTH3，NM3導通。 在NM3和NM4導通后，整個IPTAT產生電路處于正常工作狀態。 因NM3管的漏源電壓VDS3存在，使得NM2管的源極電壓上升，柵源電壓VGS2＜VTH2，NM2不再工作。

2.2 PTAT 電流獲得電路

在圖5 中，電阻R1與PM1，PM2，NM3，NM4管一起組成了PTAT 電流獲得電路。 此四個MOS 管全部工作在亞閾值區，因而產生電流IPTAT可用式（5）表示。

2.3 電流鏡技術

由圖5 可知，PM1和PM3管構成電流鏡。 因此，PM3和NM5管是PM1和PM2管電流的K倍，忽略溝道調制效應，因此可得：

通過設置合適的鏡像比例，一個具有正溫度特性的電流被轉移到NM5管中。

2.4 核心基準電路分析

PM1-PM3，NM3-NM5和R1組成了核心基準電路。 基準源的基本原理是將IPTAT通過電流鏡技術轉移到以二極管方式連接的NM5管，再調整NM5管的W／L值，獲得與溫度系數為零的基準源。 電路工作時，整個IPTAT產生電路處于負反饋工作狀態。 當電源電壓上升，NM3和NM4的漏源電流增大，則VGS3增大，NM4的源極電位上升，帶來VGS4減小，使得NM4的漏源電流減小，達到負反饋效果，使電流穩定，利于提高抑制比。

以二極管方式連接的NM5管工作在亞閾值區時的VGS的表達式可由式（1） 推得：

將式（5）帶入式（8）可得：

可見在式（9）中，VREF≈VGS_sub， 其中VGS_sub為圖1 中固定不變的電壓。 于是根據式（9）只要慢慢調整PM1，PM2，PM3和NM5管的W／L，一個穩定的VREF就可以得到實現。VREF受IPTAT控制，電源的交流干擾途徑為：電源電壓—IPTAT—VREF。 因IPTAT本身對電源有很高的抑制，所以在基準電壓輸出處，電源的交流干擾能被更好地抑制。

3 仿真結果

本文基準電壓電路在130 nm CMOS 工藝平臺下進行設計和仿真驗證。

3.1 溫度特性

在電源電壓為2.3 V、-40 ℃～155 ℃條件下，圖6 展示了該電路輸出電壓的變化情況。 該輸出電壓平均值為562 mV，可以看出輸出電壓最大波動幅度只有1.32 mV，溫漂系數為12.0×10-6／℃。

圖6 基準輸出電壓的溫度特性曲線Fig.6 Temperature characteristic curve of reference output voltage

3.2 電源電壓特性

基準輸出電壓隨電源電壓的變化如圖7 所示。由圖7 可知，在電路為27 ℃的溫度下，當電源電壓是2.2～2.5 V 的某一電壓時，輸出電壓也在561.5 mV 至560.9 mV 的范圍，相應的線性調整率為2 mV／V。

圖7 基準輸出電壓隨電源電壓的變化Fig.7 Reference output voltage changes with power supply voltage

3.3 電源抑制比PSRR

圖8 為本文提出的基準電壓源電路的PSRR仿真曲線。 由圖8 可以看出，在很寬的頻帶范圍內PSRR保持穩定且擁有極為理想的數值，PSRR一直低于-53 dB，直到頻率高于100 KHz。 當頻率達到1 MHz時，PSRR也能達到-44 dB。 因此，本文基準電壓實現了寬頻帶高電源抑制比特性。

圖8 基準電壓的電源抑制比的變化曲線Fig.8 The variation curve of the power supply rejection ratio of the reference voltage

本文基準電路的仿真結果與其它文獻的關鍵參數對比見表1。 由表1 可知，將其它相關文獻結果與本文基準源電路仿真結果進行對比。 明顯看出，無論在溫度漂移系數、還是其它關鍵指標上，本文的結果顯著優于其它文獻電路。

表1 本文基準電路的仿真結果與其它文獻的關鍵參數對比Tab.1 Comparison of the simulation results of the benchmark circuit in this article with the key parameters of other documents

4 結束語

本文設計了一種新型的簡單的CMOS 結構的電壓基準源，通過反向設計法與傳統的利用加法電路將相反溫度系數的電壓按一定系數比例相加的原理不同。 本文利用電流鏡技術將正溫度系數電流導入工作在亞閾值區的NMOS 管，使VGS在一定溫度范圍內實現低溫度漂移，得到了基準電壓。 文獻［1-13］中，雖然在溫度系數、電源抑制比等參數上能夠達到不錯的效果，但是其結構均比本文結構復雜，甚至有的需要運放、高阻值電阻等器件結構，導致在芯片中占了較大面積，壓縮其他模塊空間。

與文獻［4］對比，除了本文結構簡單外，本文電路電源抑制比在高頻處比文獻［4］高；文獻［5］雖然在溫度漂移性能方面稍微優于本文，但其結構復雜，且使用了很多電阻、電容以及三極管等復雜器件；文獻［6］雖然低頻電源抑制比高于本文，但當頻率高于100 Hz 后，文獻［6］電源抑制比遠不如本文，且溫度系數及范圍都不及本文。

本文基準電路結構簡單穩定，易于設計集成，采用PTAT 電流源作為緩沖級，提高電源抑制比，同時保證了低輸出電壓、低溫漂特性以及很寬的溫度范圍等諸多優點，可廣泛應用于低壓微型電子電路領域。