基于溫度補償的1V CMOS電流基準源

　　0 引言

　　隨著亞微米、深亞微米技術和系統芯片(SOC)技術的日益成熟，便攜式電子和微型電子產品快速發展和普及，低電壓工作環境下的芯片研發日益受到關注。電流基準源是模擬集成電路中最重要的模塊之一，廣泛應用于數模、模數轉換器、濾波器和單片式傳感器中，因此，低壓、低功耗、高精度、穩定的電流基準源的設計成為模擬IC設計的熱點。

　　目前，國外很多電流基準源的電源電壓達到1V甚至更低。文獻[1-2]分別用本征MOS管和SIMOX工藝實現低壓下的電流基準源，但文獻[1]的電源電壓高、基準電流溫度系數比較大；文獻[2]的基準電流溫度系數比較小，但不是普通的CMOS工藝，結構復雜，功耗大；文獻[3]雖然在1.1 V電源電壓下的功耗很小，但是工作溫度范圍比較小、溫度系數很大。所以設計的難點就是要在普通CMOS工藝下實現低壓、低功耗且結構簡單的高性能電流基準源。

　　1 零溫度系數偏置點

　　文獻[4]證實了很多的CMOS工藝存在零溫度系數偏置點，由于零溫度系數偏置點的存在，可以通過在MOS管柵極加一個不隨溫度變化的偏置電壓，得到相應的不受溫度影響的電流基準，如圖1所示。

　　根據MOS管平方律公式，NMOS管漏電流為

　　式中：μn是M0管載流子遷移率；Cox為氧化層電容；VTH0為M0的閾值電壓。在公式(1)中，只有μn和VTH0是和溫度有關的量。根據文獻[5]，閾值電壓可以表示為

　　把式(2)、(3)代人式(1)，和溫度相關的電流基準源IREF可以表示成

　　可以看出，載流子遷移率的溫度相關性和閾值電壓的溫度相關性正好互相補償，抵消了溫度對它們的作用。在TSMC 0.25 μm標準工藝條件下，寬長為16 μm和8μm時，MOS管不同溫度下的跨導特性如圖2所示。由圖可知，MOS管在點(VZTC，IZTC)時，它的跨導特性幾乎不受溫度的影響。此時NMOS管ZTC點相應的電流為19.1 μA，電壓為765.3 mV，PMOS管ZTC點的電流為-12.3μA，電壓為-1.13 V。由于PMOS ZTC點的電壓值超過了所能提供的電源電壓，所以本文采用NMOS管來產生基準電流。

　　2 低壓溫度補償電壓基準電路

　　2.1 帶隙基準電路結構

　　基于TSMC 0.25 μm CMOS工藝，采用一級溫度補償、電流反饋技術設計的低壓帶隙基準電路如圖3所示，其工作原理與傳統的帶隙基準電路相似。為了與CMOS標準工藝兼容，采用PNP管的集電極接地結構。低壓鉗位運放使a、b兩點的電壓相等。設置Ma1、Ma2、Ma3管的寬長比使它們的電流關系為

　　Q2和Q1的發射極面積的比為N，R2=R3，流過Q1和Q2的電流相等，△VBE等于VT?ln(N)。流過電阻R1的電流為

　　選取合適的電阻比值使電壓基準不受溫度影響，調節m和R4來調節基準電壓的大小，得到合適的值。

　　2.2 電壓基準中運放的設計

　　運算放大器是帶隙電壓基準源中重要的模塊之一，它主要確保帶隙中兩個電壓基準點a與b相等，保證產生PTAT電流。本文采用NMOS輸入差分對來解決低壓情況下PMOS差分對沒有足夠的輸入電壓范圍的問題。使用帶R-C補償的兩級運放，提供較高的增益及穩定性。同時為了運放能在1 V的電源電壓下正常工作，運放的NMOS輸入差分對工作在亞閾值區域，需要比較大的管子尺寸，加上合理的版圖布局，可以使失調電壓最小化。M4、M5中的偏置電流比M3中尾電流稍大，以保證電流鏡中有足夠的工作電流。

　　同時運算放大器的直流增益和PSRR都比較大，正負PSRR分別為-80.07 dB和-90.44dB，對帶隙基準電壓的影響可忽略。運放的電路如圖4所示。這里用p型的擴散層來實現所有的電阻。

　　3 電路仿真與結果分析

　　電路采用TSMC 0.25 μm標準CMOS工藝，用Spectre對整個電路進行仿真，在電源電壓為1 V時，低壓工作下電壓基準提供的基準電壓為765.4mV，在1～4 V的電源電壓內能夠穩定輸出，基準電壓和基準電流隨電源電壓的關系如圖5所示。

　　基準電壓偏置在NMOS管的零溫度系數點時，通過NMOS的輸出基準電流為19.06μA，溫度系數僅為18.7×10-6，并能在1～2.4 V電源電壓時穩定輸出，在2.4 V以上電源電壓時，隨著電源電壓增加而緩慢增加，這是由于基準電壓源產生的基準電壓和VZTC沒有完美吻合所導致的。在-20～120℃內，VREF與VZTC最大偏差為0.65‰，IREF與IZTC最大偏差2.4‰。電路基準電壓和基準電流的溫度特性曲線如圖6所示。電路的整個功耗為53.5μw。在0.18μm標準工藝下，該電路能在0.8 V超低壓下穩定工作。

　　從仿真結果看，這個基準電流源在低壓條件下，-20～120℃溫度內能很好地工作，性能比其他傳統的基準電流源好。具體的性能比較見表1。

　　4 結論

　　基于零溫度系數偏置點技術和溫度補償技術設計了一個低壓、低功耗的基準電流源。使用亞閾值工作的超低壓運放實現帶隙電壓基準，對MOS管進行溫度補償，使MOS管工作在ZTC偏置點；帶隙基準的輸出電壓在-20～120℃內與ZTC點電壓最大偏差為0.65‰，在765.4 mV的基準電壓情況下，產生的基準電流為19.06μA；在-20～120℃的溫度內，溫度系數僅為18.7×10-6。因此這個電路很適合為低壓下工作的數模、模數轉換器、濾波器、運算放大器等提供穩定的電流源。