一種低電壓低溫漂的基準電流源

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)。