基于CMOS閾值電壓的基準電路設(shè)計

摘要：在數(shù)／模混合集成電路設(shè)計中電壓基準是重要的模塊之一。針對傳統(tǒng)電路產(chǎn)生的基準電壓易受電源電壓和溫度影響的缺點，提出一種新的設(shè)計方案，電路中不使用雙極晶體管，利用PMOS和NMOS的閾值電壓產(chǎn)生兩個獨立于電源電壓和晶體管遷移率的負溫度系數(shù)電壓，通過將其相減抵消溫度系數(shù)，從而得到任意大小的零溫度系數(shù)基準電壓值。該設(shè)計方案基于某公司O．5μm CMOS工藝設(shè)計，經(jīng)HSpice仿真驗證表明，各項指標均已達到設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：CMOS；電壓基準；閾值電壓；溫度系數(shù)

電壓基準是混合信號電路設(shè)計中一個非常重要的組成單元，它廣泛應(yīng)用于振蕩器、鎖相環(huán)、穩(wěn)壓器、ADC，DAC等電路中。產(chǎn)生基準的目的是建立一個與工藝和電源電壓無關(guān)、不隨溫度變化的直流電壓。目前最常見的實現(xiàn)方式是帶隙(Bandgap)電壓基準，它是利用一個正溫度系數(shù)電壓與一個負溫度系數(shù)電壓加權(quán)求和來獲得零溫度系數(shù)的基準電壓。但是，在這種設(shè)計中，由于正溫度系數(shù)的電壓一般都是通過晶體管的be結(jié)壓差得到的，負溫度系數(shù)電壓則直接利用晶體管的be 結(jié)電壓。由于晶體管固有的溫度特性使其具有以下局限性：
(1)CMOS工藝中對寄生晶體管的參數(shù)描述不十分明確；
(2)寄生晶體管基極接地的接法使其只能輸出固定的電壓；
(3)在整個溫度區(qū)間內(nèi)，由于Vbe和溫度的非線性關(guān)系，當需要輸出精確的基準電壓時要進行相應(yīng)的曲率補償。
為了解決這些問題，提出一種基于CMOS閾值電壓的基準設(shè)計方案。它巧妙利用PMOS和NMOS閾值電壓的溫度特性，合成產(chǎn)生與溫度無關(guān)的電壓基準，整個電路不使用雙極晶體管，克服了非線性的溫度因子，并能產(chǎn)生任意大小的基準電壓值。

1 傳統(tǒng)帶隙電壓基準電路
圖1為典型帶隙基準的原理示意圖。

假設(shè)R1=R2，根據(jù)運算放大器兩輸入端電壓相等的原則，可以得到Va=Vb，又Vbe1-Vbe2=VTlnn，因此輸出電壓為：

Vbe在室溫下的溫度系數(shù)約為-2．0 mV／K，而熱電壓、VT在室溫下的溫度系數(shù)約為0．085 mV／K。合理設(shè)置R2，R3和n的值，可以得到零溫度系數(shù)的基準電壓。
但是，由于前述有關(guān)晶體管溫度特性的缺陷，使得實際設(shè)計中會存在很多困難。鑒于此，將對傳統(tǒng)帶隙基準進行改進，基于MOS閾值電壓設(shè)計一款零溫度系數(shù)的基準電路。

2 新型電壓基準電路
2．1 MOS器件的溫度特性
對長溝道MOS器件而言，其工作區(qū)域可劃分為飽和區(qū)和線性區(qū)。
飽和區(qū)的工作電流為：

式中：COX為單位面積的柵電容；pN為電子的遷移率；W，L為柵的寬和長；VTN為NMOS的閾值電壓。在式(3)和式(4)中，有兩項與溫度相關(guān)的參數(shù)：閾值電壓VTN以及遷移率μN。
閾值電壓與溫度關(guān)系式為：