帶熱滯回功能的CMOS溫度保護電路

　　隨著集成電路技術的廣泛應用及集成度的不斷增加，超大規模集成電路（VLSI）的功耗、芯片內部的溫度不斷提高，溫度保護電路已經成為了眾多芯片設計中必不可少的一部分。本文在CSMC 0．5／μm CMOS工藝下，設計一種適用于音頻功放的高精度帶熱滯回功能溫度保護電路。

　　電路結構設計

　　整個電路結構可分為啟動電路、PTAT電流產生電路、溫度比較及其輸出電路。下面詳細介紹各部分電路的設計以及實現。文中所設計的溫度保護整體電路圖如圖1所示。

　　啟動電路

　　在與電源無關的偏置電路中有一個很重要的問題，那就是“簡并”偏置點的存在，每條支路的電流可能為零，即電路不能進入正常工作狀態，故必須添加啟動電路，以便電源上電時擺脫簡并偏置點。上電瞬間，電容C上無電荷，M7柵極呈現低電壓，M7～M9導通，PD（低功耗引腳）為低電平，M3將M6柵壓拉高，由于設計中M2寬長比較小，而此時又不導通，Q1～Q4支路導通，電路脫離“簡并點”；隨著M6柵電位的繼續升高，M2導通，M3源電位急劇降低，某時刻M3 被關斷，啟動電路與偏置電路實現隔離，電容C兩端電壓恒定，為M7提供合適的柵壓，偏置電路正常工作。然而，當PD為高電平時，M4導通，將M6，M10 的柵電位拉低，使得整個電路處于低功耗狀態。

　　溫度比較及輸出電路

　　由于晶體管的BE結正向導通電壓具有負溫度系數；PTAT電流進行I-V變換產生電壓具有正溫度特性；利用這兩路電壓不同的溫度特性來實現溫度檢測，產生過溫保護信號的輸出，M26～M30，M33，M34構成一個兩級開環比較器，反相器的接入是為了滿足高轉換速率的要求。M31，M32是低功耗管，M23～M25的作用是構成一個正反饋回路，以防止在臨界狀態發生不穩定性，同時又為電路產生了滯回區間。

　　比較器的兩個輸入端電壓分別記為VQ和VR；M17～M22用來鏡像基準源電路產生的PTAT電流，這里它們與M14有著相同的寬長比。因此流經這三條支路的電流都為IPTAT。在常溫下，M25截止，R2完成對PTAT電流的I-V變換，即VR=2IPTATR2，此時VRVQ，比較器輸出為低電平。隨著溫度的升高，IPTAT不斷增大，VR也隨之增大。與此同時，晶體管BE結正向導通電壓VQ以2．2 mV／℃的速度下降。當VR=VQ的瞬間，比較器發生翻轉，使得輸出為高電平，從而啟動溫度保護。在溫度保護啟動的同時，M25開始導通。此時，流過R2 上的電流變為兩部分，一部分是原來就存在的M19～M22提供的偏置電流，另一部分就是新引入的由M23～M25提供的電流。這樣做的好處是在溫度下降時，只有在溫度低于開始的關斷溫度一定值時才能重新工作，相當于在關斷點附近形成熱遲滯，有效地防止了熱振蕩現象的發生。

　　為保證芯片在工作時不因溫度過高而被損壞，溫度保護電路是必須的。這里所設計的溫度保護電路對溫度靈敏性高，功耗低，其熱滯回功能能有效防止熱振蕩現象的發生，相比一般單獨使用晶體管BE結的溫度保護電路具有更高的靈敏度和精度，可廣泛用于各種功率芯片內部。