一種新型的nA量級CMOS基準電流源

基準電流源是指在模擬集成電路中用來作為其他電路電流基準的高精度、低溫度系數(shù)的電流源[1]。作為模擬集成電路的關(guān)鍵電路單元，基準電流源被廣泛應(yīng)用于振蕩器、PLL、運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路中。而在低功耗應(yīng)用領(lǐng)域,nA量級的基準電流源是模擬電路必不可少的基本部件，它的性能直接影響著電路的功耗、電源抑制比、開環(huán)增益以及溫度等特性。本文提出了一種結(jié)構(gòu)比較新穎的基準電流源電路，具有較低的溫度系數(shù)和較高的電源抑制比。此外，該電路不需要采用電阻，大大節(jié)省了芯片的面積。
1 傳統(tǒng)基準電流源
基準電流通常由一個基準電壓作用在一個合適的電阻上得到[2]，圖1所示的電路[3]是一種應(yīng)用最普遍的基準電流源，它由MOS管和電阻構(gòu)成，通過向電阻上施加一個合適的電壓獲得理想的電流值，其產(chǎn)生的基準電流Iref為：



電路三部分組成。其中，晶體管M8、M9和電容C構(gòu)成了一個簡單的啟動電路，用以消除上電過程中電路中存在的“簡并”偏置點[3]問題；Mn1、Mn2、Mp1、Mp2 4支管組成一個簡單的差分輸入、單端輸出的運算放大器，用以提高基準電流源的電源抑制比；剩余管構(gòu)成了基準電流源電路的主體電路。
4 仿真結(jié)果分析
基于TSMC 0.18 μm CMOS厚柵工藝, 在Cadence Spectre下對電路進行了仿真,分別獲得了基準電流源的溫度特性曲線和電源電壓特性曲線。圖5是電源電壓為2.5 V、輸出電流為46 nA時得到的溫度特性曲線，在
-40 ℃~85 ℃的溫度范圍內(nèi)，基準電流僅有1.5 nA的偏差，溫度系數(shù)為24.33 ppm/℃。在室溫下，基準電流隨電源電壓變化的特性曲線如圖6所示?？梢钥吹?，在1.8 V~3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi),輸出電流大約變化0.02 nA, 輸出電流變化率僅為0.028 9%/V。在頻域分析中,該電路也表現(xiàn)出了良好的性能,如圖7所示,其在低頻段的PSRR最大可以達到-85 dB。

本文提出了一種新穎的nA量級CMOS基準電流源。該電路不需要使用電阻，大大節(jié)省了芯片面積。仿真結(jié)果顯示，該電路的溫度系數(shù)為24.33 ppm/℃，輸出電流變化率僅為0.028 9%/V, PSRR為-85 dB，電路消耗的總電流小于200 nA。該電路已成功應(yīng)用在ETC喚醒接收機中的OSC中，并可望應(yīng)用于對溫度特性和電源電壓調(diào)整率有嚴格要求的模擬/混合系統(tǒng)中。
參考文獻
[1] 何樂年，王憶.模擬集成電路設(shè)計與仿真[M].北京：科學(xué)出版社，2008.
[2] De La Plaza A.Nanoampere supply independent low-voltage current reference[C].Marrakeeh：IEEE 2011 Faible Tension Fabile Consommation(FTFC)，2011：9-11.
[3] 畢查德·拉扎維，著.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳貴燦，程軍，張瑞智，等譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.
[4] HENRI J O，DANIEL A.CMOS current reference without resistance[J].IEEE Solid-State Circuits，1997，32(7)：1132-1135.
[5] BUCK A E，MCDONALD C L，LEWIS S H，et al.A CMOS bandgap reference without resistors[J].IEEE Solid-State Circuits，2002，37(1)：81-83.
[6] Wang Yi，He Lenain，Yan Xiaolang.All CMOS temperature，supply voltage and process independent current reference[C].IEEE International Conference on ASIC，2007：600-663.
[7] VITTOZ E，F(xiàn)ELLRATH J.CMOS analog integrated circuits based on weak inversion operation[J].IEEE Solid-State Circuits，1977，12(3)：224-231.