一款高基准电压源的设计方案

　　摘要：随着深亚微米CMOS工艺的发展，尺寸按比例不断缩小，对芯片面积的挑战越来越严重，双极型晶体管以及高电阻所占用的面积则成为一个非常严重的问题。鉴于此，本文提出了一款高的基准电压源的设计方案，经证实，该电路具备占用芯片面积小，高，可移植性强的优势特性。

　　0 引 言

　　随着集成电路的发展，一个高稳定、高的基准电压源变得越来越重要。特别是在D/A,A/D转换以及PLL电路中，温度稳定性和之间关系到整个电路的度和性能。

　　当今设计的基准电压源大多数采用BJT带隙基准电压源结构，以及利用MOS晶体管的亚阈特性产生基准电压源；然而，随着深亚微米CMOS工艺的发展，尺寸按比例不断缩小，对芯片面积的挑战越来越严重，双极型晶体管以及高电阻所占用的面积则成为一个非常严重的问题。在此，提出一种通过两个工作在饱和区的MOS管的栅源电压差原理，产生一个与温度成正比（PTAT）的电流，利用这个电流与一个工作在饱和区的二极管连接的NMOS晶体管的阈值电压进行补偿，实现了一个低温漂、高的基准电压源的设计。

　　1 NMOS晶体管的构成

　　两个工作在弱反型区的NMOS晶体管M1和M2的结构如图1所示。

　　其输出电压V0可以表示为：

　　

　　式中：UT=kT/q;k为波尔兹曼常数；△V表示实际中晶体管失配引入的误差，是个常数，这里忽略它的影响。由此得到：

　　

　　式中：是由温度决定的倍增因子，后面将对其温度特性进行讨论。

　　对于NMOS晶体管M1和M2,其栅源电压分别为Vgs1和Vgs2,那么图3中电压为：

　　

　　如果利用前面提到的两个工作在弱反型区的MOS管输出电压特性来控制两个工作在饱和区的NMOS的栅极电压Vgs1和Vgs2,使得：

　　

　　式中：λ为比例常数。

　　将式（5）代入到式（3）可得：

　　

　　对于参数KM1,它主要受晶体管迁移率λ的影响，通常被定义为：

　　

　　式中：T为温度；α由工艺决定，典型值为1.5.将式（7）代人式（6）可得：

　　

　　它为一个与温度无关的常数。

　　通过上面分析可知，此方法可以得到一个与温度成正比（PTAT）的电流I1.具体实现电路如图3所示。

　　

　　图3电路中，M3~M6四个PMOS晶体管工作在饱和区，它们的宽长比相同。M1和M2两个NMOS晶体管工作在饱和区，它们的宽长比为（W/L）2/（W/L）1=m.通过调节电路，使得M7~M10四个NMOS晶体管工作在深线性区。现在讨论电路的工作原理。

　　对于X点和Y点的对地电压，可以分别表示为：

　　

　　通过式（5）和式（15）可以看出，在这个电路中，式（5）的系数：

　　

　　它是一个仅与器件尺寸有关，而与温度无关的常数。

　　通过式（9）和式（10）可知，此电路可以产生一个与温度成正比的电流。

　　2 基准电压的设计

　　对于一个工作在饱和区的二极管连接NMOS晶体管，如图4所示，它的Vgs=Vds流过它的饱和漏电流为：

　　

　　对于MOS管的阈值电压Vth,它的一阶近似表达式可以表示为：

　　

　　式中：Vth0为MOS管工作在零度时的阈值电压；aVT为一个与温度无关的常数；T-T0为温度变化量。对于一个MOS管的迁移率μn:它的大小可以表示为：

　　μn=μn0（T/T0）-m （19）

　　式中：μn0为温度时MOS管的迁移率值；T0为零度；T为温度变化量；m为比例变化因子，它的典型值为1.5.

　　令式（10）中I1为式（17）中的Id,即：I1=Id,将式（10）、式（18）和式（19）代人式（17）整理可得：

　　

　　从式（21）可看出，如果适当调节晶体管的宽长比W/L,使得зVgs/зT=0,即：

　　

　　便可以得到一个高、与温度无关的Vgs,即Vref=Vgs=Vds.此思想设计的具体实现电路如图5所示。

　　

　　对图5进行分析，NMOS晶体管M1和M2通过Vgs1和Vgs2产生漏电流Id1,再通过电流源M3和M7,使得它流入二极管连接的NMOS晶体管 M12,产生一个基准电压源Vref.在图5中，M3~M7五个晶体管尺寸相同，M1和M2晶体管的宽长比比例为1:m.式（21）中的W/L为图5中二极管连接M12管的宽长比。

　　3 仿真结果与分析

　　对图3PTAT产生电路进行仿真，可以得到图6仿真结果。

　　

　　从图6仿真结果可以看出，流过M1管的漏电流与温度成正比，αI/αT△0.6.

　　对图5基准电压源电路进行仿真，可得如图7所示结果。通过对图7分析可知，在25℃时，基准电压源的电压约为1.094.04 V,在整个温度范围（-40~80℃）内，其温度漂移系数为6.12 ppm/℃，满足高基准电压源的设计要求。

　　

　　4 结 语

　　在此，基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，采用一阶温度补偿作为基准电压补偿，提出一种新颖的PTAT电流产生电路结构，以对二极管连接的NMOS晶体管的阈值电压进行补偿，得到一个高基准电压源。该电路占用芯片面积小，高，可移植性强，非常适用于当今高的A/D,D/A和高运放偏置电路。此电路已成功应用于某款高速DAC芯片中。