基于溫度補償?shù)?V CMOS電流基準源

1、基于溫度補償?shù)?v cmos電流基準源隨著亞微米、深亞微米技術和系統(tǒng)芯片(soc)技術的日益成熟，便攜式和微型電子產(chǎn)品迅速進展和普及，低工作環(huán)境下的芯片研發(fā)日益受到關注?；鶞试词悄M中最重要的模塊之一，廣泛應用于數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、和單片式中，因此，低壓、低功耗、高精度、穩(wěn)定的電流基準源的設計成為模擬ic設計的熱點。目前，國外無數(shù)電流基準源的電源電壓達到1v甚至更低。文獻1-2分離用本征mos管和simox工藝實現(xiàn)低壓下的電流基準源，但文獻的電源電壓高、基準電流溫度系數(shù)比較大；文獻的基準電流溫度系數(shù)比較小，但不是一般的工藝，結(jié)構(gòu)復雜，功耗大；文獻雖然在1.1 v電源電壓下的功耗很小，但是工作溫度

2、范圍比較小、溫度系數(shù)很大。所以設計的難點就是要在一般cmos工藝下實現(xiàn)低壓、低功耗且結(jié)構(gòu)容易的高性能電流基準源。1 零溫度系數(shù)偏置點文獻證明了無數(shù)的cmos工藝存在零溫度系數(shù)偏置點，因為零溫度系數(shù)偏置點的存在，可以通過在mos管柵極加一個不隨溫度變幻的偏置電壓，得到相應的不受溫度影響的電流基準，1所示。按照mos管平方律公式，nmos管漏電流為式中：n是m0管載流子遷移率；cox為氧化層；vth0為m0的閾值電壓。在公式(1)中，惟獨n和vth0是和溫度有關的量。按照文獻，閾值電壓可以表示為把式(2)、(3)代人式(1)，和溫度相關的電流基準源iref可以表示成可以看出，載流子遷移率的溫度相關

3、性和閾值電壓的溫度相關性正巧相互補償，抵消了溫度對它們的作用。在tsmc 0.25 m標準工藝條件下，寬長為16 m和8m時，mos管不同溫度下的跨導特性2所示。由圖可知，mos管在點(vztc，iztc)時，它的跨導特性幾乎不受溫度的影響。此時nmos管ztc點相應的電流為19.1 a，電壓為765.3 mv，pmos管ztc點的電流為-12.3a，電壓為-1.13 v。因為pmos ztc點的電壓值超過了所能提供的電源電壓，所以本文采納nmos管來產(chǎn)生基準電流。2 低壓溫度補償電壓基準2.1 帶隙基準電路結(jié)構(gòu)基于tsmc 0.25 m cmos工藝，采納一級溫度補償、電流反饋技術設計的低壓

4、帶隙基準電路3所示，其工作原理與傳統(tǒng)的帶隙基準電路相像。為了與cmos標準工藝兼容，采納pnp管的集電極接地結(jié)構(gòu)。低壓鉗位運放使a、b兩點的電壓相等。設置ma1、ma2、ma3管的寬長比使它們的電流關系為q2和q1的放射極面積的比為n，r2=r3，流過q1和q2的電流相等，vbe等于vt?ln(n)。流過r1的電流為選取合適的電阻比值使電壓基準不受溫度影響，調(diào)整m和r4來調(diào)整基準電壓的大小，得到合適的值。2.2 電壓基準中運放的設計運算是帶隙電壓基準源中重要的模塊之一，它主要確保帶隙中兩個電壓基準點a與b相等，保證產(chǎn)生ptat電流。本文采納nmos輸入差分對來解決低壓狀況下pmos差分對沒有足

5、夠的輸入電壓范圍的問題。用法帶r-c補償?shù)膬杉夁\放，提供較高的增益及穩(wěn)定性。同時為了運放能在1 v的電源電壓下正常工作，運放的nmos輸入差分對工作在亞閾值區(qū)域，需要比較大的管子尺寸，加上合理的版圖布局，可以使失調(diào)電壓最小化。m4、m5中的偏置電流比m3中尾電流稍大，以保證電流鏡中有足夠的工作電流。同時的直流增益和psrr都比較大，正負psrr分離為-80.07 db和-90.44db，對帶隙基準電壓的影響可忽視。運放的電路4所示。這里用p型的蔓延層來實現(xiàn)全部的電阻。3 電路與結(jié)果分析電路采納tsmc 0.25 m標準cmos工藝，用spectre對囫圇電路舉行仿真，在電源電壓為1 v時，低壓

6、工作下電壓基準提供的基準電壓為765.4mv，在14 v的電源電壓內(nèi)能夠穩(wěn)定輸出，基準電壓和基準電流隨電源電壓的關系5所示?；鶞孰妷浩迷趎mos管的零溫度系數(shù)點時，通過nmos的輸出基準電流為19.06a，溫度系數(shù)僅為18.7×10-6，并能在12.4 v電源電壓時穩(wěn)定輸出，在2.4 v以上電源電壓時，隨著電源電壓增強而緩慢增強，這是因為基準電壓源產(chǎn)生的基準電壓和vztc沒有完善吻合所導致的。在-20120內(nèi)，vref與vztc最大偏差為0.65，iref與iztc最大偏差2.4。電路基準電壓和基準電流的溫度特性曲線6所示。電路的囫圇功耗為53.5w。在0.18m標準工藝下，該電路能在0.8 v超低壓下穩(wěn)定工作。從仿真結(jié)果看，這個基準電流源在低壓條件下，-20120溫度內(nèi)能很好地工作，性能比其他傳統(tǒng)的基準電流源好。詳細的性能比較見表1。4 結(jié)論基于零溫度系數(shù)偏置點技術和溫度補償技術設計了一個低壓、低功耗的基準電流源。用法亞閾值工作的超低壓運放實現(xiàn)帶隙電壓基準，對mos管舉行溫度補償，使mos管工作在ztc偏置點；帶隙基準的輸出電壓在-20120內(nèi)與ztc點電壓最大偏差為0.65，在765.4 mv的基準電壓狀