一种带热滞回功能的CMOS温度保护电路

2009-12-22 17:57:02来源: 现代电子技术

0 引 言

    随着集成电路技术的广泛应用及集成度的不断增加,超大规模集成电路(VLSI)的功耗、芯片内部的温度不断提高,温度保护电路已经成为了众多芯片设计中必不可少的一部分。本文在CSMC 0.5/μm CMOS工艺下,设计一种适用于音频功放的高精度带热滞回功能温度保护电路。

1 电路结构设计

    整个电路结构可分为启动电路、PTAT电流产生电路、温度比较及其输出电路。下面详细介绍各部分电路的设计以及实现。文中所设计的温度保护整体电路图如图1所示。

1.1 启动电路

    在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题,那就是“简并”偏置点的存在,每条支路的电流可能为零,即电路不能进入正常工作状态,故必须添加启动电路,以便电源上电时摆脱简并偏置点。上电瞬间,电容C上无电荷,M7极呈现低电压,M7~M9导通,PD(低功耗引脚)为低电平,M3将M6栅压拉高,由于设计中M2宽长比较小,而此时又不导通,Q1~Q4支路导通,电路脱离“简并点”;随着M6栅电位的继续升高,M2导通,M3源电位急剧降低,某时刻M3被关断,启动电路与偏置电路实现隔离,电容C两端电压恒定,为M7提供合适的栅压,偏置电路正常工作。然而,当PD为高电平时,M4导通,将M6,M10的栅电位拉低,使得整个电路处于低功耗状态。

1.2 PTAT电流产生电路

    在这一部分,M11,M12,M14,M15组成低压共源共栅电流镜,并且有相同的宽长比,使两条支路电流相等。该结构与一般的共源共栅结构相比,可以提高等效沟道长度,从而增大输出电阻,提高电路的PSRR性能;并且这种两管组合结构可消耗较低的电压压降,从而增大输出电压摆幅,改善芯片低压工作特性。如图1所示,为了使共源共栅电流镜正常工作,必须满足M14和M15同时工作在饱和区,设M15的栅极偏置电压为Vb,M14和M15的漏端电压分别为VA和VB,即:

    选择M15的尺寸,使它的过驱动电压始终小于一个阈值电压,确保不等式成立,则选择合适的Vb,即可使M11,M12和M14,M15消耗的电压余度最小,值为两个过驱动电压。

    与此同时,M7~M10这条支路为偏置电路提供了负反馈,以减小电源电压对偏置电流的影响,使得电路在平衡状态时保证X,Y两点电压相等。然而,反馈的引入也为偏置电路引入了不稳定的因素,这里M13和M7构成了一个两级闭环运放,为保证偏置电路的稳定,必须进行补偿。通过电容C将主极点设置在第一级运放M13的输出端,从而保证了电路的稳定性。若Q3发射区的面积是Q4发射区面积的n倍,流过的电流大小均为I,则:

式中:Vbe=VTln(Ic/Is)=(kT/q)ln(IC/IS);k是波尔兹曼常数;T是绝对温度;q是电子电荷。饱和电流IS与发射区面积成正比,即IS3=nIS4。

    因此:

   

    由式(9)可知,流经R1的电流与电源无关,只与绝对温度成正比,即得到PTAT电流。

1.3 温度比较及输出电路

    由于晶体管的BE结正向导通电压具有负温度系数;PTAT电流进行I-V变换产生电压具有正温度特性;利用这两路电压不同的温度特性来实现温度检测,产生过温保护信号的输出。

    M26~M30,M33,M34构成一个两级开环比较器,反相器的接入是为了满足高转换速率的要求。M31,M32是低功耗管,M23~M25的作用是构成一个正反馈回路,以防止在临界状态发生不稳定性,同时又为电路产生了滞回区间。

    比较器的两个输入端电压分别记为VQ和VR;M17~M22用来镜像基准源电路产生的PTAT电流,这里它们与M14有着相同的宽长比。因此流经这三条支路的电流都为IPTAT。在常温下,M25截止,R2完成对PTAT电流的I-V变换,即VR=2IPTATR2,此时VR

2 仿真结果及分析

    以下是对各部分电路进行仿真的结果,仿真工具是Candence Spectre,模型采用华润上华公司的0.5μm的n阱CMOS工艺。

    图2是PTAT电流随温度变化曲线。仿真结果表明,该曲线线性度较好,符合PTAT电流特性。常温下,在电源为5 V的情况下,功耗仅为0.4 mW。可见,其功耗非常低。

    图3是在电源电压为5 V时,VR和VQ随温度变化的曲线。图中,VR上的电压有一个小的阶跃,是因为在比较器翻转时由于正反馈的作用电流突然增大的结果。

    图4是温度分别从0~150℃和150~0℃扫描时比较器输出状态的变化。由图可见,当温度由低到高上升至84.1℃时,电路输出状态由低电平翻转成高电平,实现了芯片的过温保护;只有当温度回落到72℃时,电路才恢复原状态,实现了约12℃的滞回温度。改变图1中R2的阻值可以调节温度范围,以满足不同的需求。

3 结 语

    为保证芯片在工作时不因温度过高而被损坏,温度保护电路是必须的。这里所设计的温度保护电路对温度灵敏性高,功耗低,其热滞回功能能有效防止热振荡现象的发生,相比一般单独使用晶体管BE结的温度保护电路具有更高的灵敏度和精度,可广泛用于各种功率芯片内部。

关键字:CMOS  保护  滞回温度

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/1222/article_1945.html
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