基于CMOS閾值電壓的基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

摘要：在數(shù)／?；旌霞?strong>電路設(shè)計(jì)中電壓基準(zhǔn)是重要的模塊之一。針對(duì)傳統(tǒng)電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓易受電源電壓和溫度影響的缺點(diǎn)，提出一種新的設(shè)計(jì)方案，電路中不使用雙極晶體管，利用PMOS和NMOS的閾值電壓產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立于電源電壓和晶體管遷移率的負(fù)溫度系數(shù)電壓，通過將其相減抵消溫度系數(shù)，從而得到任意大小的零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓值。該設(shè)計(jì)方案基于某公司O．5μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，經(jīng)HSpice仿真驗(yàn)證表明，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：CMOS；電壓基準(zhǔn)；閾值電壓；溫度系數(shù)

    電壓基準(zhǔn)是混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的組成單元，它廣泛應(yīng)用于振蕩器、鎖相環(huán)、穩(wěn)壓器、ADC，DAC等電路中。產(chǎn)生基準(zhǔn)的目的是建立一個(gè)與工藝和電源電壓無關(guān)、不隨溫度變化的直流電壓。目前最常見的實(shí)現(xiàn)方式是帶隙(Bandgap)電壓基準(zhǔn)，它是利用一個(gè)正溫度系數(shù)電壓與一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電壓加權(quán)求和來獲得零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。但是，在這種設(shè)計(jì)中，由于正溫度系數(shù)的電壓一般都是通過晶體管的be結(jié)壓差得到的，負(fù)溫度系數(shù)電壓則直接利用晶體管的be 結(jié)電壓。由于晶體管固有的溫度特性使其具有以下局限性：
    (1)CMOS工藝中對(duì)寄生晶體管的參數(shù)描述不十分明確；
    (2)寄生晶體管基極接地的接法使其只能輸出固定的電壓；
    (3)在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，由于Vbe和溫度的非線性關(guān)系，當(dāng)需要輸出精確的基準(zhǔn)電壓時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的曲率補(bǔ)償。
    為了解決這些問題，提出一種基于CMOS閾值電壓的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案。它巧妙利用PMOS和NMOS閾值電壓的溫度特性，合成產(chǎn)生與溫度無關(guān)的電壓基準(zhǔn)，整個(gè)電路不使用雙極晶體管，克服了非線性的溫度因子，并能產(chǎn)生任意大小的基準(zhǔn)電壓值。

1 傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)電路
    圖1為典型帶隙基準(zhǔn)的原理示意圖。

    假設(shè)R1=R2，根據(jù)運(yùn)算放大器兩輸入端電壓相等的原則，可以得到Va=Vb，又Vbe1-Vbe2=VTlnn，因此輸出電壓為：

    Vbe在室溫下的溫度系數(shù)約為-2．0 mV／K，而熱電壓、VT在室溫下的溫度系數(shù)約為0．085 mV／K。合理設(shè)置R2，R3和n的值，可以得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。
    但是，由于前述有關(guān)晶體管溫度特性的缺陷，使得實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)存在很多困難。鑒于此，將對(duì)傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，基于MOS閾值電壓設(shè)計(jì)一款零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電路。

2 新型電壓基準(zhǔn)電路
2．1 MOS器件的溫度特性
    對(duì)長(zhǎng)溝道MOS器件而言，其工作區(qū)域可劃分為飽和區(qū)和線性區(qū)。
    飽和區(qū)的工作電流為：

  
式中：COX為單位面積的柵電容；pN為電子的遷移率；W，L為柵的寬和長(zhǎng)；VTN為NMOS的閾值電壓。在式(3)和式(4)中，有兩項(xiàng)與溫度相關(guān)的參數(shù)：閾值電壓VTN以及遷移率μN(yùn)。
    閾值電壓與溫度關(guān)系式為：

  
    式中：VT(TNOM)是標(biāo)稱溫度下的閾值電壓；KT1是閾值電壓的溫度系數(shù)；KT1l是閾值電壓的溝道調(diào)制系數(shù)；KT2是閾值電壓的襯偏系數(shù)。從該式可以看出，閾值電壓和溫度呈線性關(guān)系。
    相反，遷移率盧N與溫度呈非線性的函數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：

  
    式中：μN(yùn)(TNOM)為標(biāo)稱溫度下的遷移率；UTE為μN(yùn)的溫度系數(shù)，典型值一般在-2．0～-1．5之間。由于遷移率弘N是溫度的非線性函數(shù)，所以很難利用MOS特性產(chǎn)生精確的基準(zhǔn)電壓。一種方法是利用晶體管產(chǎn)生PTAT電壓進(jìn)行補(bǔ)償。但是，PTAT電壓恒定的溫度系數(shù)使得基準(zhǔn)電壓只能在一個(gè)固定的溫度點(diǎn)上產(chǎn)生零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。因此，在該設(shè)計(jì)中，為了克服遷移率非線性的影響，通過兩個(gè)分別與PMOS和NMOS閾值電壓成正比的電壓相減而進(jìn)行抵消。
2．2 設(shè)計(jì)原理
    圖2為該基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)原理圖。

    如圖2所示，首先產(chǎn)生兩路分別與PMOS和NMOS閾值電壓成正比的電壓VP和VN，通過設(shè)置合理的系數(shù)K1，K2，使得兩者的溫度系數(shù)相抵消，從而得到低溫度系數(shù)或零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓表達(dá)式如式(7)所示：

  
    并且該電壓值可以根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)置。
    圖3為該設(shè)計(jì)原理的模塊示意圖。模塊1為電壓VP的產(chǎn)生電路；模塊2為電壓VN的產(chǎn)生電路；VP與VN再通過模塊3所示的減法器電路進(jìn)行相減，使得兩者的溫度系數(shù)相抵消，從而得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓Vref。

2．3 基于PMOS閾值電壓產(chǎn)生VP電路設(shè)計(jì)
    如圖3中模塊1所示，VP是由PMOS管MP1，MP2產(chǎn)生的一個(gè)隨溫度變化的線性電壓。運(yùn)放A1使MP2的漏極電壓等于Va，通過適當(dāng)調(diào)整R1和R2阻值，使得MP1工作在飽和區(qū)，MP2工作在線性區(qū)。電路中MP1與MP2形成正反饋，而R1與R2形成負(fù)反饋，且負(fù)反饋的作用大于正反饋?？梢钥闯觯诋a(chǎn)生線性電壓VP的過程中，當(dāng)VP為0時(shí)，流過MP1，MP2電流為0，即存在一個(gè)零點(diǎn)。所以增加MOS管MP3作為啟動(dòng)管，通過給MP3的源端提供一個(gè)啟動(dòng)電壓VST1來使其脫離零點(diǎn)，進(jìn)入正常工作。當(dāng)VP=0 V時(shí)，MP3導(dǎo)通，并向MP1灌人電流，使得MP1的源極電壓升高，從而運(yùn)放A1開始工作。當(dāng)正常工作后，MP3關(guān)斷，降低功耗。由于啟動(dòng)電壓VST1并沒有精確的要求，所以可以直接從輸入電壓分壓得到。
    從圖3中模塊1中分析可以得到，經(jīng)過MP1，MP2的電流分別為：

    從結(jié)果可以看到，遷移率μn對(duì)電壓Vp的影響已經(jīng)被消除；Vp是Vtp的線性函數(shù)，并且VP／VTP僅由MP1，MP2的寬長(zhǎng)比和R1，R2的阻值決定。根據(jù)式(5)中VT和溫度之間的線性關(guān)系可得，VP也是隨溫度線性變化的電壓值。圖4所示的是HSpice的仿真波形，從圖中可以看出，當(dāng)溫度從-40℃ 變化到125℃時(shí)，VP隨溫度線形變化。

2．4 基于NMOS閾值電壓產(chǎn)生VN電路設(shè)計(jì)
    如圖3中模塊2所示，VN是由MN1，MN2產(chǎn)生的一個(gè)隨溫度變化的線性電壓。與VP產(chǎn)生電路不同的是，通過合理設(shè)置R3，R4的值，使得MN1與MN2都工作在飽和區(qū)。MP4為啟動(dòng)管，它使得電路盡快擺脫零點(diǎn)進(jìn)入正常工作，然后自行關(guān)閉。經(jīng)過MN1和MN2的電流分別為：

  
    式中：VTN為MN2的閾值電壓；VTNo為Vsb=0的閾值電壓。
    同樣暫時(shí)假設(shè)運(yùn)放A2不存在失調(diào)，則：

    由式(17)可知，VN僅為閾值電壓的函數(shù)，并且，忽略體效應(yīng)對(duì)VN的影響，VN仍然可以看作是溫度的線形函數(shù)。圖5所示的是HSpice的仿真驗(yàn)證波形，同樣，從圖中可以看到，當(dāng)溫度從-40℃變化到125℃時(shí)，VN亦隨溫度線形變化。

2．5 減法器電路設(shè)計(jì)
    從式(12)、式(17)可以看出，VP與VN均為負(fù)溫度系數(shù)，所以可以通過VP與VN相減得到一個(gè)近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。減法器的電路設(shè)計(jì)如圖3中模塊3所示。從圖中可以得到，減法器的傳輸函數(shù)為：

   
    通過合理設(shè)置(1+R5／R6+R5／R7)可以抵消VP與VN的溫度系數(shù)，而R7／R5可以用來設(shè)置設(shè)計(jì)者需要的基準(zhǔn)電壓值。可見，通過這種方式設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓不一定是一個(gè)固定的1．25 V電壓，而是可以通過調(diào)整R7和R5的阻值來達(dá)到設(shè)計(jì)者需要的基準(zhǔn)電壓。
2．6 運(yùn)放設(shè)計(jì)
    為了提高基準(zhǔn)電路的特性，設(shè)計(jì)電路中的運(yùn)放A1，A2，A3均采用折疊式的共源共柵結(jié)構(gòu)，具有很高的電壓增益與寬的線性區(qū)間，保證了較高的基準(zhǔn)精度與較大的調(diào)整空間，電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。在輸出端采用一個(gè)：PMOS源跟隨器M14以提高運(yùn)放的輸出擺幅。經(jīng)HSpice仿真驗(yàn)證，該運(yùn)放開環(huán)增益105 dB，CMRR和PSRR均在150 dB以上，保證了較好的電源特性和共模特性，仿真波形如圖7所示。

    由于工藝及實(shí)際生產(chǎn)中存在偏差，運(yùn)放通常會(huì)受到輸入“失調(diào)”的影響。假設(shè)失調(diào)電壓為Vos，以A1為例，原來的式(10)與式(12)變?yōu)椋?/p>

  
    因?yàn)閂OS1《VTP，所以含有VOS1的多項(xiàng)式的值也很小，其對(duì)于VP的影響也小。同理對(duì)A2，A3，式(17)，式(18)變?yōu)椋?/p>

   
    同樣，由于VOS2《VTN，VOS3《VP，所以A2，A3的失調(diào)電壓對(duì)于VN和Vref的影響也很小，并且，其對(duì)于Vref的作用還可以通過R7／R5來補(bǔ)償。

3 電路設(shè)計(jì)
    基于上面分析，該電路基于某公司O．5 μm工藝設(shè)計(jì)，表1所示的是圖3中部分器件的設(shè)計(jì)參數(shù)。

    為了減小運(yùn)放的失調(diào)電壓，MP1，MP2對(duì)和MN1，MN2對(duì)均采用相同的寬度以確保較好的匹配性。另外，由式(11)、式(16)分析可以看出，閾值電壓也需要一定的匹配，因此設(shè)計(jì)中使用一些大尺寸的器件，并在版圖中將它們放置在相鄰的位置，以消除失調(diào)。

4 仿真結(jié)果
    根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)，電路采用hSpice進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如圖8(a)～(c)所示分別為該電路輸出O．6 V，1．2 V以及2．95 V的仿真結(jié)果?？梢钥闯觯?50～+125℃之間，輸出的基準(zhǔn)電壓只有零點(diǎn)幾個(gè)毫伏的波動(dòng)，明顯降低了傳統(tǒng)電路中由于雙極晶體管帶來的溫度系數(shù)，并且輸出并不再像帶隙基準(zhǔn)那樣，只能輸出l.25 V的基準(zhǔn)電壓，而是可以通過調(diào)整減法器的比例來達(dá)到設(shè)計(jì)者需要的基準(zhǔn)電壓。

5 結(jié) 語(yǔ)
    依據(jù)CMOS閾值電壓和溫度的線性關(guān)系，利用閾值電壓產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立于電源電壓和晶體管遷移率的負(fù)溫度系數(shù)電壓VP和VN，通過將其相減，抵消溫度系數(shù)，從而得到任意大小的基準(zhǔn)電壓值。設(shè)計(jì)電路中不涉及雙極晶體管，從而避免了其帶來的溫度影響。電路基于某公司O．5 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，利用HSpice進(jìn)行仿真驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并已成功應(yīng)用于一款高精度的ADC電路中，且實(shí)際測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合，驗(yàn)證了該方案的正確性與可行性。目前正在將其應(yīng)用于鎖相環(huán)等電路中，使該基準(zhǔn)電路得到更廣泛的應(yīng)用。