劉宇，王丹

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610031)

傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源以其良好的溫度穩(wěn)定性和電源抑制特性被廣泛應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源以及存儲器的數(shù)模混合信號集成電路中，其性能好壞直接影響整個電路功能的實現(xiàn)。隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度的不斷提高，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的精度已很難滿足電路設(shè)計的需要。有很多關(guān)于設(shè)計基準(zhǔn)源的文獻(xiàn)使用成本較高的工藝，例如BiCMOS工藝。還有一些文獻(xiàn)是把具有溫度依賴的對數(shù)項進(jìn)行泰勒展開，然后對二階項甚至高階項進(jìn)行補償，但是這種方法不能全部抵消掉所有高階項，因此設(shè)計的基準(zhǔn)源精度很有限。

隨著CMOS工藝的不斷發(fā)展，低電壓和低功耗越來越重要。為了滿足不斷降低的電壓和功耗的要求，本文提出了一種新型的CMOS亞閾型基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計方法。將MOSFET管偏置在亞閾值工作區(qū)已成為一個重要的低壓、低功耗設(shè)計方法。CMOS亞閾型基準(zhǔn)電壓源電路設(shè)計的關(guān)鍵，是把需要的MOSFET管偏置在可以控制的亞閾工作區(qū)，產(chǎn)生一個具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓，然后與正溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行適當(dāng)權(quán)重的相加，得到一個零溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)。

1 亞閾型基準(zhǔn)電壓源的工作原理

經(jīng)典的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其工作原理在于利用PN結(jié)電壓的負(fù)溫度系數(shù)，與不同電流密度下PN結(jié)電壓差的正溫度系數(shù)相互補償，最后得到一個具有零溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)。而亞閾值型基準(zhǔn)電壓源的工作原理則不同。亞閾值區(qū)又被稱為弱反型工作區(qū)，介于強反型區(qū)與截止區(qū)之間。Filanorsky和Allam在文獻(xiàn)[2]中研究了MOSFET的溫度特性，明確指出MOSFET低于一個與溫度有關(guān)的特定偏置點時，MOSFET的“柵-源”電壓隨溫度的增加而減小，具有負(fù)的溫度系數(shù)?？梢岳肕OSFET的“柵-源”電壓代替三極管的“基-射”電壓，來設(shè)計一個與溫度系數(shù)無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。在本文的設(shè)計中，具有正溫度系數(shù)的電壓是利用PTAT電路產(chǎn)生的，PTAT電路是一個典型的具有正溫度系數(shù)電流的電路。負(fù)溫度系數(shù)的電壓是利用MOSFET的“柵-源”電壓產(chǎn)生的。最后把正負(fù)電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋?quán)加，就得到一個具有零溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)。

下面的理論推導(dǎo)將用到以下符號，S=W/L表示CMOS管的寬長比，φB表示表面勢，φB表示襯底費米勢，NCH表示襯底摻雜濃度，UT=kT/q表示熱電勢，n=1+Cd/Cox表示亞閾型斜率因子，T0表示室內(nèi)溫度300 K，εsi表示硅的介電常數(shù)，Eg表示硅的能隙等。

假設(shè)MOSFET的溝道長度足夠長，VBS=0，VBS＞4UT，漏電流的等效表示為:

如果φS=φB，則:

VOFF是用于BSIM3v3的一個矯正常數(shù)項[6]。因此，比較(1)和(2)，可以得到相同的漏電流:

其中φB和φS與溫度有下面的關(guān)系式:

因此，可以得到的一個溫度函數(shù)的表達(dá)式:

由于給出的漏電流表達(dá)式等價于(3)，所以可以得到下面這個表達(dá)式:

假設(shè)n(T)隨溫度有很小的改變(n(T)≈n(T0))，在KT＜0時，閾值電壓模型為:

可以得到:

其中:

KT，VOFF，VGS-VTH和KG的典型值都是負(fù)數(shù)，因此，對任何固定漏電流ID，電壓VGS都隨溫度的增加而減小。所以是一個典型的負(fù)溫度系數(shù)的電壓。G.Ciustolisi在文獻(xiàn)[3]中通過實驗證明理論推導(dǎo)模型表達(dá)式(5)與MOSFET的實際行為表現(xiàn)是一致的。經(jīng)過理論的推導(dǎo)和實驗的證明，VGS是個可以用來設(shè)計基準(zhǔn)電壓源的負(fù)溫度系數(shù)電壓。因此本文的負(fù)溫度系數(shù)電壓就利用VGS來產(chǎn)生。

2 電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計

綜上所述，可以得到:VR=V1+V2+V3+V4

化簡為:

于是

使式(7)成立的溫度就是溫度系數(shù)為零時的溫度，此時α與β的值可以通過調(diào)節(jié)M4～M9，MP1～MP4的寬長比以及R1～R4和Rp等電阻來調(diào)節(jié)，從而可以方便地決定溫度系數(shù)為零的輸出電壓值。

3 電路實現(xiàn)及仿真結(jié)果

本文所設(shè)計的電路采用0.35 μm CMOS工藝實現(xiàn)，主要參數(shù):VTn=0.479 V，VTp=-0.827 V。電路的電源電壓1.2 V，顯然，采用低門限處理過程能夠提供低電源。整個電路的仿真采用Hspice軟件仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，溫度系數(shù)(TCVR=V(T0)-1ΔV/ΔT)在-40℃～+110℃范圍內(nèi)，其值大約為262.6 ppm/℃。低頻時電源抑制比為-27 dB。在27℃時，輸出電壓VR的值為345.36 mV，總電流為5.45 μA。

本文介紹了一種新型的低電壓、低功耗、低溫度系數(shù)和工作在亞閾值區(qū)的CMOS基準(zhǔn)電壓源。一種在溫度表現(xiàn)方面類似于三極管的“基-射”電壓差的亞閾值型CMOS“柵-源”電壓。這個電路是完全的CMOS電路，不需要用到BiCMOS工藝，簡單的電路結(jié)構(gòu)也降低了芯片的制造成本。但是電源抑制比不是很高，可以在輸出端增加負(fù)反饋電路或改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，來提高電源抑制比。需要指出的是，工作在亞閾值區(qū)的電路基本上局限于低速電路，與工作在強反型層電路相比，工作在弱反型層的MOSFET器件溝道尺寸減小了。

[1]RAZAVI B.Design of analog CMOS-Circuit design，Layout and Simulation.Piscataway，NJ:IEEE Press，1997.

[2]FILANOVSKY I M，ALLIAM A.Mutual compensation and threshold voltage temperature effects with application in CMOS circuits[J].IEEE trans，Circuit Syst I，2001，48(7):876-884.

[3]GIUSTOLISI G，PALUMBO G.A low-voltage low-power voltage reference based on subthreshold MOSFETs[J].IEEE JSSC，2003，38(1):151-154.

[4]PALUMBO G，PENNISI S.Feedback Ampilfiers:Theory and Design，New York:Kluwer，2001.

[5]VITTOZ E A，F(xiàn)ELLRATH J.CMOS analog integrated circuits based on weak inversion operation[J].IEEE JSSC，1977，SC 12(3):634-643.

[6]CHENG Y，HU C.MOSFET Modeling&BSIM3 User’s Guide，New York:Kluwer,1999.