一種改進(jìn)的超低壓電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)

1 概述

　　在便攜式設(shè)備廣泛使用的今天，低電源電壓和低功耗已經(jīng)成為模擬電路設(shè)計(jì)的主要主題之一。其中電壓基準(zhǔn)源是模擬電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵模塊，應(yīng)用廣泛。它一般要求低電源電壓敏感性，低溫度漂移特性。傳統(tǒng)的基準(zhǔn)源電路都是基于帶隙基準(zhǔn)，利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的垂直P(pán)NP管，但輸出電壓一般為1.2V左右。隨著電路工作電壓的繼續(xù)下降，基準(zhǔn)源的輸出電壓也需要下降。作為可供選擇的另一種方案，可以利用閾值電壓的不同溫度特性產(chǎn)生電壓基準(zhǔn)。利用有選擇的溝道注入，不同濃度的柵注入引入功函數(shù)之差。但以上均不適用于標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝。文獻(xiàn)[4]提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，利用NMOS管△VGS的負(fù)溫度系數(shù)乘上權(quán)重與PMOS管的△VGS的負(fù)溫度系數(shù)相減后得到與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓，但MOS管閾值電壓溫度特性具有較大非線性，故該基準(zhǔn)輸出電壓的溫度系數(shù)一般大于30ppm／℃，只屬于一階溫度補(bǔ)償技術(shù)。因此本文利用襯底電壓偏置效應(yīng)，來(lái)減小閾值電壓的非線性，改善電壓基準(zhǔn)源的溫度特性，達(dá)到二階曲率溫度補(bǔ)償，滿足高精度電路的要求。

2 改進(jìn)的基準(zhǔn)電路

2.1 核心電路工作原理

　　圖1為改進(jìn)的基準(zhǔn)產(chǎn)生電路，M5-M6，R1及兩個(gè)PNP晶體管Q1、Q2產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成正比的(PTAT)電流；M9和R2為M11提供可變的襯底偏壓來(lái)消除閾值電壓的非線性；M11與M12提供△VGS之間的差值產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓；R3和R4為柵源電壓的比較提供權(quán)重。M10為其提供偏置電流。基準(zhǔn)電壓的表達(dá)式為：

化簡(jiǎn)后可得：

　　其中PMOS有襯底偏置效應(yīng)，由上式可以看到閾值電壓具有非線性，而由(4)可知，φf(shuō)的溫度系數(shù)為線性，如果可以在VBS中引入與φf(shuō)的溫度呈線性而溫度系數(shù)相同的量，則可以消除系數(shù)K的影響，從而消除閾值電壓的非線性。引入PTAT電流后，PMOS管的襯底電壓為正溫度系數(shù)。另外由于PMOS的源電壓出現(xiàn)在根號(hào)下面，所以也可以近似認(rèn)為負(fù)溫度系數(shù)。從仿真波形(圖5)也可以看到假設(shè)是可以接受的。綜合起來(lái)VBS為正溫度系數(shù)。因此可以實(shí)現(xiàn)消除非線性的問(wèn)題。M5-M8及兩個(gè)PNP管產(chǎn)生PTAT電流，得到VBS為：

　　因?yàn)楹髢身?xiàng)遠(yuǎn)小于第一項(xiàng)，因此可以忽略得到：K=P12/P11，令(6)中后兩項(xiàng)為零，有

　　確定了K后，可以根據(jù)(2)令后兩項(xiàng)為零可以得到M11與M12的寬長(zhǎng)比S11／S12為：

2.2 低壓運(yùn)放電路

　　為了產(chǎn)生PTAT電流，傳統(tǒng)的自偏置結(jié)果不能適用于低壓的情況。因此采用了NMOS差分對(duì)輸入的低壓運(yùn)放，電源電壓為1V。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示：M24-M26為偏置電路，M21-M33為折疊式運(yùn)放，VN，VP為運(yùn)放的兩個(gè)輸入端，OUT1為運(yùn)放的輸出，C1進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償，調(diào)節(jié)偏置管M25及圖1中M5和M6管。

2.3 啟動(dòng)電路

　　為了避免零電流狀態(tài)加入了M16-M20的啟動(dòng)電路。工作原理為：當(dāng)PTAT電流源電流為零時(shí)，VN端為低電平，M16與M17構(gòu)成的反相器輸出高電平，M19和M20處于線性區(qū)，M15導(dǎo)通向圖2運(yùn)放的偏置管提供電流。當(dāng)PTAT電流源正常工作后，VN使M17導(dǎo)通，關(guān)斷M19，M20和M15從而不影響主電路的正常工作。具體電路圖如圖3所示：

3 仿真結(jié)果

3.1 溫度特性的仿真

　　采用0.5CMOS工藝對(duì)電路的溫度特性、啟動(dòng)特性和電壓抑制比進(jìn)行了仿真分析。圖4為溫度特性仿真曲線，仿真掃描溫度范圍為-40℃—125℃。其溫度變化幅度約為0.42mV，溫度系數(shù)約為11ppm／℃。由于μn與μp的溫度系數(shù)略有不同，使得最后的基準(zhǔn)電壓還是與溫度有關(guān)。相比，本文實(shí)現(xiàn)了溫度的二階補(bǔ)償。

　　圖5為節(jié)點(diǎn)L9(見(jiàn)圖1)的電壓波形，從結(jié)果可以看到電壓近似為負(fù)溫度系數(shù)。因此利用它的這一性質(zhì)在中實(shí)現(xiàn)了一階溫度補(bǔ)償。也證實(shí)了在2.1節(jié)的分析中，可以用于產(chǎn)生線形特性的電壓VBE。

3.2 啟動(dòng)電路的仿真

　　圖6為基準(zhǔn)電路的啟動(dòng)波形，隨著電源電壓的身高，基準(zhǔn)電壓的輸出在大約200us后達(dá)到穩(wěn)定值。啟動(dòng)電路能正常上作。

3.3 電源抑制比的仿真

　　圖7為電源抑制比波形。仿真激勵(lì)為在室溫下，在直流電源上疊加一個(gè)1V的交流信號(hào)。測(cè)量基準(zhǔn)源輸出的變化，可以看到在100Hz和10MHz時(shí)，電源抑制比分別為-58.6dB和-40dB。對(duì)比文獻(xiàn)[4]中數(shù)據(jù)，得到了改善。原因是當(dāng)電源電壓波動(dòng)時(shí)，M11管的襯底電位會(huì)跟隨變化。該特性滿足開(kāi)關(guān)電源和LDO應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

　　本文利用NMOS管與PMOS管柵源電壓的溫度特性及襯底偏置效應(yīng)，設(shè)訃了一種帶曲率補(bǔ)償輸出電壓約為233mv的電壓基準(zhǔn)源。首先詳細(xì)分析本文所采用的曲率補(bǔ)償原理，然后設(shè)計(jì)基準(zhǔn)核心模塊、低壓運(yùn)放和啟動(dòng)電路，最后給出了電路眭能仿真結(jié)果。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電源抑制特性較好，與傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度特性相似。利用0.5-CMOS工藝對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：該電路實(shí)現(xiàn)了溫度的二階補(bǔ)償，并具有較高的電源抑制比；電源電壓為1V時(shí)，在-40℃至125℃溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)約為11ppm／℃；在100Hz和10MHz時(shí)電源抑制比分別為-58.6 dB和-40dB。