一種新穎不帶電阻的基準電壓源電路設計

在此，提出一種通過兩個工作在飽和區的MOS管的柵源電壓差原理，產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的二極管連接的NMOS晶體管的閾值電壓進行補償，得到了一個低溫漂、高精度的基準電壓源。

1 PTAT電流的產生

兩個工作在弱反型區的NMOS晶體管M1和M2的結構如圖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；△V表示實際中晶體管失配引入的誤差，是個常數，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的MOS管輸出電壓特性來控制兩個工作在飽和區的NMOS的柵極電壓Vgs1和Vgs2，使得：

式中：λ為比例常數。

將式(5)代入到式(3)可得：

對于參數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的常數。

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。具體實現電路如圖3所示。

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

對于X點和Y點的對地電壓，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：

它是一個僅與器件尺寸有關，而與溫度無關的常數。

通過式(9)和式(10)可知，此電路可以產生一個與絕對溫度成正比的電流。

2 基準電壓的產生

對于一個工作在飽和區的二極管連接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為一個與溫度無關的常數；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，如果適當調節晶體管的寬長比W／L，使得зVgs／зT=0，即：

便可以得到一個高精度、與溫度無關的Vgs,即Vref=Vgs=Vds。此思想設計的具體實現電路如圖5所示。

對圖5進行分析，NMOS晶體管M1和M2通過Vgs1和Vgs2產生漏電流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,產生一個基準電壓源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 仿真結果

對圖3PTAT產生電路進行仿真，可以得到圖6仿真結果。

從圖6仿真結果可以看出，流過M1管的漏電流與絕對溫度成正比，αI／αT△0．6。

對圖5基準電壓源電路進行仿真，可得如圖7所示結果。通過對圖7分析可知，在25℃時，基準電壓源的電壓約為1．094．04 V，在整個溫度范圍(-40～80℃)內，其溫度漂移系數為6．12 ppm／℃，滿足高精度基準電壓源的設計要求。

4 結 語

在此，基于SMIC 0．18μm CMOS工藝，采用一階溫度補償作為基準電壓補償，提出一種新穎的PTAT電流產生電路結構，以對二極管連接的NMOS晶體管的閾值電壓進行補償，得到一個高精度基準電壓源。該電路占用芯片面積小，精度高，可移植性強，非常適用于當今高精度的A／D，D／A和高精度運放偏置電路。此電路已成功應用于某款高速DAC芯片中。