基于亞閾值區的CMOS帶隙基準電壓源設計

郭俊　郭小平　詹國斌　葉晨宇

關鍵詞：帶隙基準；CMOS；二階補償；溫漂系數

中圖分類號：TN432 文獻標識碼：A

1 研究背景

芯片根據其實現的功能，通常被劃分為不同的電路模塊進行設計。其中，電源管理模塊能夠為整個系統提供精確穩定的電壓和電流基準，其性能優劣能直接影響產品的可靠性，是整個系統正常工作的首要保障，也是所有芯片的基本核心模塊之一。因此，研究高性能的基準源電路具有十分重要的意義。

本文提出一種基于晶體管亞閾值區間工作特性的新型帶隙基準電壓源。該電路采用互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxidesemiconductor，CMOS）結構來產生正溫度系數和負溫度系數電流，擺脫了對經典結構中雙極結型晶體管（bipolar junction transistor，BJT）的依賴，這與當前主流的深亞微米芯片制造工藝更契合。同時在低溫段和高溫段分別施加二階溫度補償，可在較寬的工作溫度范圍內保持較低的溫漂系數，大幅提升了基準源的精度。

5 仿真結果

本文設計的所有電路均在Cadence 軟件上進行實現和仿真，所用工藝為臺積電65 nm，實驗溫度為-40℃ 至125℃。

由圖4 可以看出，正溫度系數和負溫度系數電壓生成的電流隨溫度的變化情況與輸出求和曲線接近，但是由于高階項的存在以及深亞微米器件特性產生的非理想效應，輸出求和曲線存在中間低、兩邊高的情況，因此需要二階補償來進行修正。

二階補償電路仿真結果如圖5 所示。仿真結果與設計初衷相吻合，即圖2c 的電路在低溫段抽取I_CTAT—I_PTAT的電流差，但在25℃ 以后基本不起作用。圖2d 電路效果則正好相反。兩者相結合，恰好能夠實現補償效果。

圖6 為補償前后全電路仿真結果。表1 統計了由該帶隙結構產生的參考電壓驅動后續電流鏡所得到的電流值。由表1 可知，二階補償后可以有效減小高低溫段與帶隙基準最低點的差值，溫漂系數降低約80%，電路穩定性得到大幅改善。

6結論

電源管理模塊是芯片的核心電路之一，其性能直接影響系統的穩定。本文介紹了經典電源結構，提出一種基于亞閾值工作特性的CMOS 帶隙基準電壓源，能夠更好地兼容深亞微米工藝制程。仿真結果顯示，通過增加二階補償電路，該電路能有效減少低溫段和高溫段的溫漂系數，較好地改善了輸出偏差。