0 引 言
基準電流源在模擬和混合信號系統中占有非常重要的地位，在A／D轉換器，D／A轉換器以及很多模擬電路如運算放大器、濾波器等電路中起著至關重要的作用。目前出現了幾種基準電流的設計方式。文獻[1]提出的電路測試的溫度系數為50 ppm／℃。文獻[2]是一種非帶隙電路通過二階溫度補償產生基準電流，溫度系數為28 ppm／℃。文獻[3]提出一種低溫漂低電源電壓調整率CMOS基準電流源，其溫度系數為6.9 ppm／℃，但溫度范圍為-40～85℃，相對變化范圍較小。文獻[4]利用帶隙基準電路產生正溫系數基準電壓和遷移率的負溫效應相互抵消，產生基準電流。但溫度系數仍大于15 ppm／℃。在此設計一種CMOS基準電流源，首先通過二階補償的低壓帶隙基準電路得到基準電壓，然后由這個基準電壓偏置NMOS的輸出管得到基準電流。這個輸出管將被設計工作在零溫漂點附近，在零溫漂點上，通過輸出管的閾值電壓和遷移率隨溫度的變化率相互補償，從而減小了溫度對偏置電流的影響。
1 零溫漂偏置點設計
作為一個電流源應有非常高的輸出電阻，所以將電流源設置在輸出管的漏端。如圖1所示，基準電流的穩(wěn)定性主要取決于偏置電壓VREF，M1的閾值電壓VTH1以及遷移率μn。當輸出管M1工作在飽和區(qū)時，基準電流可表示為：
式中：Cox為單位面積的柵氧化層電容；W1和L1分別為溝道的有效寬度和長度；文中的VREF是由一個與溫度基本無關的二階補償的低壓帶隙基準電路得到的。但閾值電壓VTH1以及遷移率μn都和溫度有關，當溫度在0～100℃時，VTH1隨溫度的最大變化值有150 mV左右。從式(1)可以看出，IREF會隨溫度有較大的變化。但當輸出管工作在零溫漂的偏置點上時，就可以得到一個與溫度基本無關的基準電流源，式(2)和式(3)分別給出閾值電壓VTH1以及遷移率μn與溫度的關系：
式中：αμ也是一個負常數。
將式(2)和式(3)代入式(1)得：
由于NMOS的溝道摻雜濃度在1015～1016cm-3左右，這時的負常數αμ將十分接近-2。在這種情況下，如果：
式中：VZTC是當輸出管工作在零溫漂點的偏置電壓。將式(5)代入式(4)就可以得到一個基本與溫度無關的基準電流源。
式中：IZTC是當輸出管工作在零溫漂點的基準電流。
圖2給出在不同的溫度下，輸出管M1的漏電流隨柵電壓變化的特征曲線，結果表明在CSMC 0.5／μmCMOS工藝中，輸出管M1的零溫漂點為(IZTC=215.4μA，VZTC=1．244 4 V)。
現在需要得到一個偏置電壓VREF。VREF不但要與溫度無關，而且必須等于VZTC，使得輸出管M1工作在零溫漂點(ZTC)，產生一個與溫度無關的基準電流IREF。這個偏置電壓可以通過下述的二階補償的低壓帶隙基準電路得到。
2 二階補償的低壓帶隙基準電路
2．1 低壓帶隙基準電路
傳統帶隙基準源設計的基本思想是選擇適當的系數，將具有正溫度特性的熱電壓VT與具有負溫度特性的雙極型晶體管的VBE相加，從而得到一個與溫度無關的近似輸出，但在低壓情況下，這種模式的帶隙基準電路將受到限制。文獻[7]給出一種電流模式，采用電阻分壓得到的一個低壓的帶隙基準電路。如圖3所示，該電路將正溫度系數和負溫度系數兩電流之和通過電流鏡鏡像到輸出端，得到基本與溫度無關的基準電壓。
調整R1的阻值使Va和Vb分別大于0.6 V，晶體管工作在指數區(qū)，同時利用R2B1，R2B2及R2A1，R2A2，進行分壓，得到較小電壓的Vc和Vd作為運放的輸入電平。其中R2B1=R2A1，R2B2=R2A2，所以Va=Vb，Vc=Vd?？梢酝茖С鰣D3中帶隙基準輸出電壓VREF：
2．2 二階溫度補償
由文獻[8]可知，雙極型晶體管的VBE并不是隨著溫度線性變化的，其溫度特性可表示為：
式中：VBG0是在溫度為0 K時外推而得到的PN結二極管電壓；T是絕對溫度；T0是參考溫度；VBE0是在溫度為T0時的發(fā)射結電壓；η是與工藝有關且與溫度無關的常數；α的值與集電極電流Ic的溫度特性有關(當Ic與溫度成正比，即PTAT電流時，α=1；當Ic是與溫度無關的電流時，α=0)。
文獻[9]運用這個原理對電路進行了二階溫度補償，但在低電源電壓的情況下，文獻[8]中的電路將受到限制。在此將這種二階溫度補償的方法運用到圖3的帶隙基準電路中，改進后的電路圖如圖4所示。
從圖4可以發(fā)現若將Vbe3與Vbe1相減可得到隨溫度非線性變化的電壓項：
3 基準電流源的整體電路
圖5為基準電流源的整體電路，由二階補償的低壓帶隙基準電路得到VREF接到輸出管M1的柵端，從而產生一個零溫漂的基準電流源。為了提高對電源噪聲的抑制能力，帶隙基準電路中運算放大器的輸入管使用PMOS的差動對,由于是兩級的運放，所以有必要加一個電容進行補償。
4 測試結果及分析
基于CSMC 0.5μm CMOS工藝，對上述電路進行流片，電路的顯微照片如圖6所示。
在溫度范圍為-40～125℃，電源電壓為2 V的條件下，分別得到了偏置電壓，VREF和基準電流源，IREF的溫度特性曲線。圖7為偏置電壓的溫度特性曲線?？梢钥闯銎秒妷涸?.244 4±0.000 4 V的范圍內變化；圖8為基準電流的溫度特性曲線，可以看出在上述偏置電壓的變化范圍內，基準電流僅有0.3 μA的偏差，溫度系數為8.1 ppm／℃。在2 V的電源電壓下，整個電路的功耗為O.45 mV，電路的功耗主要來自輸出管M4，通過減小輸出管的尺寸，可減小基準電流，同時也減少了電路的功耗。
5 結 語
這里設計了一種低溫漂低電源電壓的基準電流源。通過設置輸出管偏置電壓VREF，使得輸出管的閾值電壓和遷移率隨溫度的變化率相互補償，以降低溫度系數。通過流片驗證得該基準電流源的溫度系數的溫度系數為8.1 ppm／℃。該電路已經應用于12位的sigma-delta ADC中，其在很多模擬及混合系統中都有極其廣泛的應用。
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