一款高精度基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計方案

0 引 言

隨著集成電路的發(fā)展，一個高穩(wěn)定、高精度的基準(zhǔn)電壓源變得越來越重要。特別是在D/A,A/D轉(zhuǎn)換以及PLL電路中，溫度穩(wěn)定性和精度之間關(guān)系到整個電路的精確度和性能。

當(dāng)今設(shè)計的基準(zhǔn)電壓源大多數(shù)采用BJT帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)，以及利用MOS晶體管的亞閾特性產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓源;然而，隨著深亞微米CMOS工藝的發(fā)展，尺寸按比例不斷縮小，對芯片面積的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)重，雙極型晶體管以及高精度電阻所占用的面積則成為一個非常嚴(yán)重的問題。在此，提出一種通過兩個工作在飽和區(qū)的MOS管的柵源電壓差原理，產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比(PTAT)的電流，利用這個電流與一個工作在飽和區(qū)的二極管連接的NMOS晶體管的閾值電壓進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了一個低溫漂、高精度的基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計。

1 NMOS晶體管的構(gòu)成

兩個工作在弱反型區(qū)的NMOS晶體管M1和M2的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其輸出電壓V0可以表示為：

式中：UT=kT/q;k為波爾茲曼常數(shù);△V表示實(shí)際中晶體管失配引入的誤差，是個常數(shù)，這里忽略它的影響。由此得到：

式中：

是由溫度決定的倍增因子，后面將對其溫度特性進(jìn)行討論。

對于NMOS晶體管M1和M2,其柵源電壓分別為Vgs1和Vgs2,那么圖3中電壓為：

如果利用前面提到的兩個工作在弱反型區(qū)的MOS管輸出電壓特性來控制兩個工作在飽和區(qū)的NMOS的柵極電壓Vgs1和Vgs2,使得：

式中：λ為比例常數(shù)。

將式(5)代入到式(3)可得：

對于參數(shù)KM1,它主要受晶體管遷移率λ的影響，通常被定義為：

式中：T為絕對溫度;α由工藝決定，典型值為1.5.將式(7)代人式(6)可得：

它為一個與溫度無關(guān)的常數(shù)。

通過上面分析可知，此方法可以得到一個與絕對溫度成正比(PTAT)的電流I1.具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

圖3電路中，M3~M6四個PMOS晶體管工作在飽和區(qū)，它們的寬長比相同。M1和M2兩個NMOS晶體管工作在飽和區(qū)，它們的寬長比為(W/L)2/(W/L)1=m.通過調(diào)節(jié)電路，使得M7~M10四個NMOS晶體管工作在深線性區(qū)?，F(xiàn)在討論電路的工作原理。

對于X點(diǎn)和Y點(diǎn)的對地電壓，可以分別表示為：

通過式(5)和式(15)可以看出，在這個電路中，式(5)的系數(shù)：

它是一個僅與器件尺寸有關(guān)，而與溫度無關(guān)的常數(shù)。

通過式(9)和式(10)可知，此電路可以產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流。[!--empirenews.page--]

2 基準(zhǔn)電壓的設(shè)計

對于一個工作在飽和區(qū)的二極管連接NMOS晶體管，如圖4所示，它的Vgs=Vds流過它的飽和漏電流為：

對于MOS管的閾值電壓Vth,它的一階近似表達(dá)式可以表示為：

式中：Vth0為MOS管工作在絕對零度時的閾值電壓;aVT為一個與溫度無關(guān)的常數(shù);T-T0為溫度變化量。對于一個MOS管的遷移率μn:它的大小可以表示為：

μn=μn0(T/T0)-m (19)

式中：μn0為絕對溫度時MOS管的遷移率值;T0為絕對零度;T為溫度變化量;m為比例變化因子，它的典型值為1.5.

令式(10)中I1為式(17)中的Id,即：I1=Id,將式(10)、式(18)和式(19)代人式(17)整理可得：

從式(21)可看出，如果適當(dāng)調(diào)節(jié)晶體管的寬長比W/L,使得зVgs/зT=0,即：

便可以得到一個高精度、與溫度無關(guān)的Vgs,即Vref=Vgs=Vds.此思想設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。

對圖5進(jìn)行分析，NMOS晶體管M1和M2通過Vgs1和Vgs2產(chǎn)生漏電流Id1,再通過電流源M3和M7,使得它流入二極管連接的NMOS晶體管 M12,產(chǎn)生一個基準(zhǔn)電壓源Vref.在圖5中，M3~M7五個晶體管尺寸相同，M1和M2晶體管的寬長比比例為1:m.式(21)中的W/L為圖5中二極管連接M12管的寬長比。

3 仿真結(jié)果與分析

對圖3PTAT產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真，可以得到圖6仿真結(jié)果。

從圖6仿真結(jié)果可以看出，流過M1管的漏電流與絕對溫度成正比，αI/αT△0.6.

對圖5基準(zhǔn)電壓源電路進(jìn)行仿真，可得如圖7所示結(jié)果。通過對圖7分析可知，在25℃時，基準(zhǔn)電壓源的電壓約為1.094.04 V,在整個溫度范圍(-40~80℃)內(nèi)，其溫度漂移系數(shù)為6.12 ppm/℃，滿足高精度基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

在此，基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，采用一階溫度補(bǔ)償作為基準(zhǔn)電壓補(bǔ)償，提出一種新穎的PTAT電流產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)，以對二極管連接的NMOS晶體管的閾值電壓進(jìn)行補(bǔ)償，得到一個高精度基準(zhǔn)電壓源。該電路占用芯片面積小，精度高，可移植性強(qiáng)，非常適用于當(dāng)今高精度的A/D,D/A和高精度運(yùn)放偏置電路。此電路已成功應(yīng)用于某款高速DAC芯片中。