帶熱滯回功能的CMOS溫度保護(hù)電路

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

　　電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　整個(gè)電路結(jié)構(gòu)可分為啟動(dòng)電路、PTAT電流產(chǎn)生電路、溫度比較及其輸出電路。下面詳細(xì)介紹各部分電路的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。文中所設(shè)計(jì)的溫度保護(hù)整體電路圖如圖1所示。

　　啟動(dòng)電路

　　在與電源無(wú)關(guān)的偏置電路中有一個(gè)很重要的問(wèn)題，那就是“簡(jiǎn)并”偏置點(diǎn)的存在，每條支路的電流可能為零，即電路不能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，故必須添加啟動(dòng)電路，以便電源上電時(shí)擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)。上電瞬間，電容C上無(wú)電荷，M7柵極呈現(xiàn)低電壓，M7～M9導(dǎo)通，PD（低功耗引腳）為低電平，M3將M6柵壓拉高，由于設(shè)計(jì)中M2寬長(zhǎng)比較小，而此時(shí)又不導(dǎo)通，Q1～Q4支路導(dǎo)通，電路脫離“簡(jiǎn)并點(diǎn)”；隨著M6柵電位的繼續(xù)升高，M2導(dǎo)通，M3源電位急劇降低，某時(shí)刻M3 被關(guān)斷，啟動(dòng)電路與偏置電路實(shí)現(xiàn)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(dāng)PD為高電平時(shí)，M4導(dǎo)通，將M6，M10 的柵電位拉低，使得整個(gè)電路處于低功耗狀態(tài)。

　　溫度比較及輸出電路

　　由于晶體管的BE結(jié)正向?qū)妷壕哂胸?fù)溫度系數(shù)；PTAT電流進(jìn)行I-V變換產(chǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)，產(chǎn)生過(guò)溫保護(hù)信號(hào)的輸出，M26～M30，M33，M34構(gòu)成一個(gè)兩級(jí)開(kāi)環(huán)比較器，反相器的接入是為了滿足高轉(zhuǎn)換速率的要求。M31，M32是低功耗管，M23～M25的作用是構(gòu)成一個(gè)正反饋回路，以防止在臨界狀態(tài)發(fā)生不穩(wěn)定性，同時(shí)又為電路產(chǎn)生了滯回區(qū)間。

　　比較器的兩個(gè)輸入端電壓分別記為VQ和VR；M17～M22用來(lái)鏡像基準(zhǔn)源電路產(chǎn)生的PTAT電流，這里它們與M14有著相同的寬長(zhǎng)比。因此流經(jīng)這三條支路的電流都為IPTAT。在常溫下，M25截止，R2完成對(duì)PTAT電流的I-V變換，即VR=2IPTATR2，此時(shí)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(shí)，晶體管BE結(jié)正向?qū)妷篤Q以2．2 mV／℃的速度下降。當(dāng)VR=VQ的瞬間，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得輸出為高電平，從而啟動(dòng)溫度保護(hù)。在溫度保護(hù)啟動(dòng)的同時(shí)，M25開(kāi)始導(dǎo)通。此時(shí)，流過(guò)R2 上的電流變?yōu)閮刹糠?，一部分是原?lái)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(shí)，只有在溫度低于開(kāi)始的關(guān)斷溫度一定值時(shí)才能重新工作，相當(dāng)于在關(guān)斷點(diǎn)附近形成熱遲滯，有效地防止了熱振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。

　　為保證芯片在工作時(shí)不因溫度過(guò)高而被損壞，溫度保護(hù)電路是必須的。這里所設(shè)計(jì)的溫度保護(hù)電路對(duì)溫度靈敏性高，功耗低，其熱滯回功能能有效防止熱振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，相比一般單獨(dú)使用晶體管BE結(jié)的溫度保護(hù)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(nèi)部。