一款高精度基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)方案

　　當(dāng)今設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓源大多數(shù)采用BJT帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)，以及利用MOS晶體管的亞閾特性產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓源；然而，隨著深亞微米CMOS工藝的發(fā)展，尺寸按比例不斷縮小，對(duì)芯片面積的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)重，雙極型晶體管以及高精度電阻所占用的面積則成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問題。在此，提出一種通過兩個(gè)工作在飽和區(qū)的MOS管的柵源電壓差原理，產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比（PTAT）的電流，利用這個(gè)電流與一個(gè)工作在飽和區(qū)的二極管連接的NMOS晶體管的閾值電壓進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低溫漂、高精度的基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)。

　　1 NMOS晶體管的構(gòu)成

　　兩個(gè)工作在弱反型區(qū)的NMOS晶體管M1和M2的結(jié)構(gòu)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(shù)；△V表示實(shí)際中晶體管失配引入的誤差，是個(gè)常數(shù)，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(duì)其溫度特性進(jìn)行討論。

　　對(duì)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(gè)工作在弱反型區(qū)的MOS管輸出電壓特性來控制兩個(gè)工作在飽和區(qū)的NMOS的柵極電壓Vgs1和Vgs2，使得：

　　式中：λ為比例常數(shù)。

　　將式（5）代入到式（3）可得：

　　對(duì)于參數(shù)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(duì)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(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù)。

　　通過上面分析可知，此方法可以得到一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比（PTAT）的電流I1.具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

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

　　對(duì)于X點(diǎn)和Y點(diǎn)的對(duì)地電壓，可以分別表示為：

　　通過式（5）和式（15）可以看出，在這個(gè)電路中，式（5）的系數(shù)：

　　它是一個(gè)僅與器件尺寸有關(guān)，而與溫度無關(guān)的常數(shù)。

　　通過式（9）和式（10）可知，此電路可以產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電流。

　　2 基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于一個(gè)工作在飽和區(qū)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(duì)于MOS管的閾值電壓Vth，它的一階近似表達(dá)式可以表示為：

　　式中：Vth0為MOS管工作在絕對(duì)零度時(shí)的閾值電壓；aVT為一個(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù)；T-T0為溫度變化量。對(duì)于一個(gè)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(duì)溫度時(shí)MOS管的遷移率值；T0為絕對(duì)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：

　　便可以得到一個(gè)高精度、與溫度無關(guān)的Vgs，即Vref=Vgs=Vds.此思想設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。

　　對(duì)圖5進(jìn)行分析，NMOS晶體管M1和M2通過Vgs1和Vgs2產(chǎn)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(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓源Vref.在圖5中，M3~M7五個(gè)晶體管尺寸相同，M1和M2晶體管的寬長(zhǎng)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(zhǎng)比。

　　3 仿真結(jié)果與分析

　　對(duì)圖3PTAT產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真，可以得到圖6仿真結(jié)果。

　　從圖6仿真結(jié)果可以看出，流過M1管的漏電流與絕對(duì)溫度成正比，αI/αT△0.6.

　　對(duì)圖5基準(zhǔn)電壓源電路進(jìn)行仿真，可得如圖7所示結(jié)果。通過對(duì)圖7分析可知，在25℃時(shí)，基準(zhǔn)電壓源的電壓約為1.094.04 V，在整個(gè)溫度范圍（-40~80℃）內(nèi)，其溫度漂移系數(shù)為6.12 ppm/℃，滿足高精度基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)要求。

　　4 結(jié) 語

　　在此，基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，采用一階溫度補(bǔ)償作為基準(zhǔn)電壓補(bǔ)償，提出一種新穎的PTAT電流產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)，以對(duì)二極管連接的NMOS晶體管的閾值電壓進(jìn)行補(bǔ)償，得到一個(gè)高精度基準(zhǔn)電壓源。該電路占用芯片面積小，精度高，可移植性強(qiáng)，非常適用于當(dāng)今高精度的A/D，D/A和高精度運(yùn)放偏置電路。此電路已成功應(yīng)用于某款高速DAC芯片中。