一種低電壓低溫漂的基準(zhǔn)電流源

0 引 言
基準(zhǔn)電流源在模擬和混合信號(hào)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，在A／D轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器以及很多模擬電路如運(yùn)算放大器、濾波器等電路中起著至關(guān)重要的作用。目前出現(xiàn)了幾種基準(zhǔn)電流的設(shè)計(jì)方式。文獻(xiàn)[1]提出的電路測(cè)試的溫度系數(shù)為50 ppm／℃。文獻(xiàn)[2]是一種非帶隙電路通過(guò)二階溫度補(bǔ)償產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，溫度系數(shù)為28 ppm／℃。文獻(xiàn)[3]提出一種低溫漂低電源電壓調(diào)整率CMOS基準(zhǔn)電流源，其溫度系數(shù)為6.9 ppm／℃，但溫度范圍為-40～85℃，相對(duì)變化范圍較小。文獻(xiàn)[4]利用帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生正溫系數(shù)基準(zhǔn)電壓和遷移率的負(fù)溫效應(yīng)相互抵消，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。但溫度系數(shù)仍大于15 ppm／℃。在此設(shè)計(jì)一種CMOS基準(zhǔn)電流源，首先通過(guò)二階補(bǔ)償?shù)牡蛪簬痘鶞?zhǔn)電路得到基準(zhǔn)電壓，然后由這個(gè)基準(zhǔn)電壓偏置NMOS的輸出管得到基準(zhǔn)電流。這個(gè)輸出管將被設(shè)計(jì)工作在零溫漂點(diǎn)附近，在零溫漂點(diǎn)上，通過(guò)輸出管的閾值電壓和遷移率隨溫度的變化率相互補(bǔ)償，從而減小了溫度對(duì)偏置電流的影響。

1 零溫漂偏置點(diǎn)設(shè)計(jì)
作為一個(gè)電流源應(yīng)有非常高的輸出電阻，所以將電流源設(shè)置在輸出管的漏端。如圖1所示，基準(zhǔn)電流的穩(wěn)定性主要取決于偏置電壓VREF，M1的閾值電壓VTH1以及遷移率μn。當(dāng)輸出管M1工作在飽和區(qū)時(shí)，基準(zhǔn)電流可表示為：

式中：Cox為單位面積的柵氧化層電容；W1和L1分別為溝道的有效寬度和長(zhǎng)度；文中的VREF是由一個(gè)與溫度基本無(wú)關(guān)的二階補(bǔ)償?shù)牡蛪簬痘鶞?zhǔn)電路得到的。但閾值電壓VTH1以及遷移率μn都和溫度有關(guān)，當(dāng)溫度在0～100℃時(shí)，VTH1隨溫度的最大變化值有150 mV左右。從式(1)可以看出，IREF會(huì)隨溫度有較大的變化。但當(dāng)輸出管工作在零溫漂的偏置點(diǎn)上時(shí)，就可以得到一個(gè)與溫度基本無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電流源，式(2)和式(3)分別給出閾值電壓VTH1以及遷移率μn與溫度的關(guān)系：

式中：αμ也是一個(gè)負(fù)常數(shù)。

將式(2)和式(3)代入式(1)得：

由于NMOS的溝道摻雜濃度在1015～1016cm-3左右，這時(shí)的負(fù)常數(shù)αμ將十分接近-2。在這種情況下，如果：

式中：VZTC是當(dāng)輸出管工作在零溫漂點(diǎn)的偏置電壓。將式(5)代入式(4)就可以得到一個(gè)基本與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電流源。

式中：IZTC是當(dāng)輸出管工作在零溫漂點(diǎn)的基準(zhǔn)電流。
圖2給出在不同的溫度下，輸出管M1的漏電流隨柵電壓變化的特征曲線，結(jié)果表明在CSMC 0.5／μmCMOS工藝中，輸出管M1的零溫漂點(diǎn)為(IZTC=215.4μA，VZTC=1．244 4 V)。