基于温度补偿的1V CMOS电流基准源

2008-06-26 11:07:54来源: 中电网

 

  0 引言

  随着亚微米、深亚微米技术和系统芯片(SOC)技术的日益成熟,便携式电子和微型电子产品快速发展和普及,低电压工作环境下的芯片研发日益受到关注。电流基准源是模拟集成电路中最重要的模块之一,广泛应用于数模、模数转换器、滤波器和单片式传感器中,因此,低压、低功耗、高精度、稳定的电流基准源的设计成为模拟IC设计的热点。

  目前,国外很多电流基准源的电源电压达到1V甚至更低。文献[1-2]分别用本征MOS管和SIMOX工艺实现低压下的电流基准源,但文献[1]的电源电压高、基准电流温度系数比较大;文献[2]的基准电流温度系数比较小,但不是普通的CMOS工艺,结构复杂,功耗大;文献[3]虽然在1.1 V电源电压下的功耗很小,但是工作温度范围比较小、温度系数很大。所以设计的难点就是要在普通CMOS工艺下实现低压、低功耗且结构简单的高性能电流基准源。

  1 零温度系数偏置点

  文献[4]证实了很多的CMOS工艺存在零温度系数偏置点,由于零温度系数偏置点的存在,可以通过在MOS管极加一个不随温度变化的偏置电压,得到相应的不受温度影响的电流基准,如图1所示。

  

  根据MOS管平方律公式,NMOS管漏电流为

  式中:μn是M0管载流子迁移率;Cox为氧化层电容;VTH0为M0的阈值电压。在公式(1)中,只有μn和VTH0是和温度有关的量。根据文献[5],阈值电压可以表示为

  把式(2)、(3)代人式(1),和温度相关的电流基准源IREF可以表示成

  

  可以看出,载流子迁移率的温度相关性和阈值电压的温度相关性正好互相补偿,抵消了温度对它们的作用。在TSMC 0.25 μm标准工艺条件下,宽长为16 μm和8μm时,MOS管不同温度下的跨导特性如图2所示。由图可知,MOS管在点(VZTC,IZTC)时,它的跨导特性几乎不受温度的影响。此时NMOS管ZTC点相应的电流为19.1 μA,电压为765.3 mV,PMOS管ZTC点的电流为-12.3μA,电压为-1.13 V。由于PMOS ZTC点的电压值超过了所能提供的电源电压,所以本文采用NMOS管来产生基准电流。

  

  

  2 低压温度补偿电压基准电路

  2.1 带隙基准电路结构

  基于TSMC 0.25 μm CMOS工艺,采用一级温度补偿、电流反馈技术设计的低压带隙基准电路如图3所示,其工作原理与传统的带隙基准电路相似。为了与CMOS标准工艺兼容,采用PNP管的集电极接地结构。低压钳位运放使a、b两点的电压相等。设置Ma1、Ma2、Ma3管的宽长比使它们的电流关系为

  

  Q2和Q1的发射极面积的比为N,R2=R3,流过Q1和Q2的电流相等,△VBE等于VT?ln(N)。流过电阻R1的电流为

  

  选取合适的电阻比值使电压基准不受温度影响,调节m和R4来调节基准电压的大小,得到合适的值。

  2.2 电压基准中运放的设计

  运算放大器是带隙电压基准源中重要的模块之一,它主要确保带隙中两个电压基准点a与b相等,保证产生PTAT电流。本文采用NMOS输入差分对来解决低压情况下PMOS差分对没有足够的输入电压范围的问题。使用带R-C补偿的两级运放,提供较高的增益及稳定性。同时为了运放能在1 V的电源电压下正常工作,运放的NMOS输入差分对工作在亚阈值区域,需要比较大的管子尺寸,加上合理的版图布局,可以使失调电压最小化。M4、M5中的偏置电流比M3中尾电流稍大,以保证电流镜中有足够的工作电流。

  同时运算放大器的直流增益和PSRR都比较大,正负PSRR分别为-80.07 dB和-90.44dB,对带隙基准电压的影响可忽略。运放的电路如图4所示。这里用p型的扩散层来实现所有的电阻。

  

  3 电路仿真与结果分析

  电路采用TSMC 0.25 μm标准CMOS工艺,用Spectre对整个电路进行仿真,在电源电压为1 V时,低压工作下电压基准提供的基准电压为765.4mV,在1~4 V的电源电压内能够稳定输出,基准电压和基准电流随电源电压的关系如图5所示。

  

  基准电压偏置在NMOS管的零温度系数点时,通过NMOS的输出基准电流为19.06μA,温度系数仅为18.7×10-6,并能在1~2.4 V电源电压时稳定输出,在2.4 V以上电源电压时,随着电源电压增加而缓慢增加,这是由于基准电压源产生的基准电压和VZTC没有完美吻合所导致的。在-20~120℃内,VREF与VZTC最大偏差为0.65‰,IREF与IZTC最大偏差2.4‰。电路基准电压和基准电流的温度特性曲线如图6所示。电路的整个功耗为53.5μw。在0.18μm标准工艺下,该电路能在0.8 V超低压下稳定工作。

  从仿真结果看,这个基准电流源在低压条件下,-20~120℃温度内能很好地工作,性能比其他传统的基准电流源好。具体的性能比较见表1。

  

  

  4 结论

  基于零温度系数偏置点技术和温度补偿技术设计了一个低压、低功耗的基准电流源。使用亚阈值工作的超低压运放实现带隙电压基准,对MOS管进行温度补偿,使MOS管工作在ZTC偏置点;带隙基准的输出电压在-20~120℃内与ZTC点电压最大偏差为0.65‰,在765.4 mV的基准电压情况下,产生的基准电流为19.06μA;在-20~120℃的温度内,温度系数仅为18.7×10-6。因此这个电路很适合为低压下工作的数模、模数转换器、滤波器、运算放大器等提供稳定的电流源。

 

关键字:基准电压  电流源  电流反馈  温度补偿  温度系数  电压基准  运放  差分对  CMOS

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/0626/article_911.html
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