蔡超波，凡東東，宋樹(shù)祥，岑明燦

(廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林541004)

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一款帶POR的可校正低功耗電壓基準(zhǔn)源

蔡超波，凡東東，宋樹(shù)祥，岑明燦

(廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林541004)

摘要：為了解決低功耗、深亞微米工藝條件下基準(zhǔn)源的精度問(wèn)題，本文通過(guò)引入工作在亞閾值區(qū)MOS管和數(shù)字微調(diào)技術(shù)，提出一種帶POR的可校正超低功耗電壓基準(zhǔn)源，并采用TSMC 90 nm COMS工藝對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：該基準(zhǔn)源總電流僅為0.876 μA，溫度系數(shù)為24.4 10-6/℃，微調(diào)電壓步進(jìn)為25 mV。本文提出的基準(zhǔn)源與傳統(tǒng)基準(zhǔn)源比，具有低溫漂、可校正、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適用于便攜式低功耗電子產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：基準(zhǔn)源；低功耗；校正；POR

0引言

基準(zhǔn)源在存儲(chǔ)器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電源管理等電路中是應(yīng)用最為廣泛的一種模擬電路。隨著集成電路工藝尺寸的不斷減小以及便攜式設(shè)備的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品對(duì)功耗的要求越來(lái)越高，因此低功耗的基準(zhǔn)源顯得愈發(fā)重要[1-2]。傳統(tǒng)的基準(zhǔn)源利用三極管的基極-發(fā)射極電壓UBE和偏壓ΔUBE以不同的權(quán)重疊加得到零溫漂的基準(zhǔn)電壓[3-4]，但這種類(lèi)型的基準(zhǔn)源功耗較大，另外由于UBE具有溫度的高階項(xiàng)，因此極大地影響了基準(zhǔn)源的溫度特性[5-6]。為了減少基準(zhǔn)源的溫度漂移，許多高階溫度補(bǔ)償技術(shù)被采用，如二次溫度補(bǔ)償、指數(shù)型溫度補(bǔ)償、MOS管襯底補(bǔ)償、電阻溫度補(bǔ)償?shù)萚7-9]。這些技術(shù)都需要使用更多的電阻或運(yùn)放，不僅芯片面積和成本增加，而且電路功耗也會(huì)增加。為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種新型基準(zhǔn)源電路架構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用工作在亞閾值區(qū)MOS管和數(shù)字微調(diào)技術(shù)來(lái)解決基準(zhǔn)源功耗與精度問(wèn)題；另外該結(jié)構(gòu)帶POR(上電復(fù)位)功能，當(dāng)電路欠壓時(shí)可產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，且具有高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

1原理分析

1.1基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)原理

亞閾值區(qū)是MOS管工作在強(qiáng)反型區(qū)和截止區(qū)之間，亞閾值區(qū)MOS管的柵源電壓UGS具有負(fù)溫度系數(shù)[10-11]，它的漏極電流ID傳輸方程為：

(1)

由式(1)可以得到

(2)

本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源原理圖如圖1所示，晶體管M1與M4、M3與M6分別形成共源共柵結(jié)構(gòu)，不僅保持了電流源的恒流特性，還有效地提高了基準(zhǔn)源的電源抑制比。晶體管M5-M6構(gòu)成電流鏡，若尺寸(W/L)5=(W/L)7，則流過(guò)M1、M2的電流相等，即：ID1=ID2。

由式(2)可以得到流過(guò)電阻R1的電流IR1(或M5的電流)為

(3)

電流IR1經(jīng)過(guò)M7電流鏡復(fù)制到輸出端，從而產(chǎn)生輸出基準(zhǔn)電壓UREF，

(4)

將式(3)代入式(4)，且UT=kT/q，輸出基準(zhǔn)電壓為：

(5)

圖1　本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源原理圖Fig.1　Proposed schematic diagram of reference

Trim<2>Trim<1>Trim<0>UREF/V1111.71101.7251011.751001.7750111.80101.8250011.850001.875

1.2基準(zhǔn)源整體電路

本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源主體電路如圖2所示，該結(jié)構(gòu)包括上電復(fù)位電路(POR)、啟動(dòng)電路、偏置電路、基準(zhǔn)源產(chǎn)生電路和輸出緩沖電路。

1.2.1校正電路

由于MOS管和電阻失配以及工藝角的影響，輸出的基準(zhǔn)電壓會(huì)偏離理想的基準(zhǔn)值，從而使得輸出電壓產(chǎn)生誤差。為了消除輸出電壓產(chǎn)生的誤差，將圖1中的M8b改為圖3所示的MC1～MC8，并由三位數(shù)字編碼控制MOS管導(dǎo)通與關(guān)斷，從而形成輸出電壓校正機(jī)制。校正編碼與輸出電壓的對(duì)照表格如表1所示，該電路可實(shí)現(xiàn)輸出電壓微調(diào)，微調(diào)步進(jìn)為25 mV，從而可獲得更精確的基準(zhǔn)電壓。電路正常工作時(shí)默認(rèn)編碼為011，輸出基準(zhǔn)電壓為1.8 V。

1.2.2啟動(dòng)電路

在電源上電過(guò)程中，為避免零電流(簡(jiǎn)并)狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路[12-13]，本次設(shè)計(jì)的啟動(dòng)電路如圖2所示，由M13～M17、C1和C2組成。上電瞬間，晶體管電流為零，M13和M14柵極為低電平，而M13和M14的源級(jí)為高電平，故M13和M14開(kāi)始導(dǎo)通為基準(zhǔn)源主體電路提供電流，使電路慢慢脫離零狀態(tài)，最終正常工作。上電過(guò)程中M17復(fù)制M5的電流給C1充電，最終會(huì)使得C1上極板電壓達(dá)到UDD，由于M13和M14柵極變?yōu)楦唠娖?，源極也為高電平，因此M13和M14關(guān)閉。同時(shí)M15和M16組成的反相器輸出VDET為低電平信號(hào)，代表基準(zhǔn)源進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

圖2　帶POR的可校正低功耗電壓基準(zhǔn)源Fig.2　Correcting low-power voltage reference with POR

圖3　數(shù)字控制校正模塊Fig.3　Digital control correcting module

圖4　POR信號(hào)檢測(cè)模塊Fig.4　POR signal detection module

1.2.3POR(上電復(fù)位)電路

1.2.4輸出緩沖器電路

緩沖電路如圖2所示，該緩沖器采用帶有密勒補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器，運(yùn)放接成單位增益緩沖器，極大地提高了輸出的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了基準(zhǔn)源帶負(fù)載能力。

2仿真驗(yàn)證

本次設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源采用TSMC90nm工藝庫(kù)，經(jīng)cadencespectre仿真驗(yàn)證。在3.3V電源電壓下，從-40 ℃至100 ℃進(jìn)行溫度掃描，得到的溫度特性仿真結(jié)果如圖5所示，由仿真結(jié)果可以得出基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)為24.4 10-6/℃。基準(zhǔn)源輸出電壓校正仿真結(jié)果圖6所示，輸入校正編碼：000～111，可實(shí)現(xiàn)以步長(zhǎng)25mV對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓進(jìn)行校正，從而減少輸出電壓誤差，提高基準(zhǔn)源的精度。POR仿真結(jié)果如圖7所示，上電翻轉(zhuǎn)電壓為1.3V，下電翻轉(zhuǎn)電壓為1.2V，實(shí)現(xiàn)了100mV的遲滯，避免了電源電壓在復(fù)位電壓附近波動(dòng)使得復(fù)位信號(hào)不斷翻轉(zhuǎn)?；鶞?zhǔn)源電源抑制比仿真結(jié)果如圖8所示，其在低頻為-68dB?；鶞?zhǔn)源的主要性能參數(shù)如表2所示，與同類(lèi)型的基準(zhǔn)源(文獻(xiàn)[3-5，8])性能相比，本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源溫度系數(shù)、功耗、電源抑制比均具有較好的特性，而且輸出基準(zhǔn)電壓可校正，因此具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖5　基準(zhǔn)電壓溫漂Fig.5　Temperature coefficient of the voltage reference

圖6　輸出電壓校正碼Fig.6　The correcting code of output voltage

圖7　上電復(fù)位遲滯窗口Fig.7　The hysteresis window of power-on-reset

圖8　電源抑制比特性Fig.8　The power supply rejection ratio responses

參數(shù)本文文獻(xiàn)[3]文獻(xiàn)[4]文獻(xiàn)[5]文獻(xiàn)[8]工藝/nm9090350130130溫度范圍/℃-40～100-40～805～95-20～850～100電源電壓/V1.9～51.05～1.350.9～3.50.75～51～2.3溫度系數(shù)/(10-6/℃)24.628.3204048電源抑制比/dB-68.7--47.6-50-51.4電流消耗/μA0.876230.5160.2008.1

3結(jié)論

本文提出了一種低功耗可校正電壓基準(zhǔn)源，該基準(zhǔn)源利用負(fù)溫度特性的MOS管柵源電壓UGS與一個(gè)正溫度特性電壓疊加求和，從而獲得較低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓；該基準(zhǔn)源采用了數(shù)字修調(diào)技術(shù)，可大大降低基準(zhǔn)電壓誤差，提高了輸出基準(zhǔn)電壓的精度；此外，該基準(zhǔn)源添加了帶遲滯窗口的上電復(fù)位電路，當(dāng)電源欠壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，并避免了電源電壓在復(fù)位電壓附近波動(dòng)時(shí)使得復(fù)位信號(hào)來(lái)回翻轉(zhuǎn)。該基準(zhǔn)源總體功耗僅為2.89 μW，因此特別適用于低功耗芯片中。

參考文獻(xiàn)：

[1]MAGNELLI L，CRUPI F，CORSONELLO P，et al.A 2.6 nW，0.45 V temperature-compensated subthreshold CMOS voltage reference[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2011，46(2)： 465-474.

[2]凡東東，宋樹(shù)祥，蔣品群，等.新型高增益CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，32(4)：6-10.

[3]LEE S，LEE H，WOO J K.Low-voltage bandgap reference with output-regulated current mirror in 90 nm CMOS[J]. Electronics Letters，2010，46(14)： 976-977.

[4]LAM Y H，KI W H. CMOS bandgap references with self-biased symmetrically matched current-voltage mirror and extension of sub-1-V design[J]. IEEE Transactions on， Very Large Scale Integration Systems，2010，18(6)： 857-865.

[5]IVANOV V，BREDERLOW R，GERBER J. An ultra low power bandgap operational at supply from 0.75 V[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2012，47(7)： 1515-1523.

[6]HE J，CHEN D，GEIGER R. Systematic characterization of subthreshold-MOSFETs-based voltage references for ultra low power low voltage applications[C]// 53rd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems. IEEE, 2010： 280-283.

[7]LEUNG K N，MOK P K T，LEUNG C Y. A 2-V 23-μA 5.3-ppm/℃ curvature-compensated CMOS bandgap voltage reference[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits，2003，38(3)： 561-564.

[8]LUO Hao，HAN Yan，ZHANG Zesong，et al.Subthreshold CMOS voltage reference circuit with body bias compensation for process variation[J]. IET Circuits，Devices and Systems，2012，6(3)： 198-203.

[9]ANDREOU C M，KOUDOUNAS S，GEORGIOU J.A novel wide-temperature-range 3.9 ppm/oC CMOS bandgap reference circuit[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits，2012，47(2)： 574-581.

[10]王會(huì)杰，王春華，何海珍，等.一種基于MOS亞閾值特性的低功耗電壓基準(zhǔn)源[J]. 微電子學(xué)，2011，41(5)： 654-657.

[11]ALLEN P E，HOLBERG D R. CMOS analog circuit design[M]. Oxford: Oxford Univ Press，2002： 96-99.

[12]董大偉.一種高精度基準(zhǔn)電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(6)：46-50.

[13]陳文韜，鄧婉玲，黃君凱.一種高精度二階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2014，34(5)：470-475.

(責(zé)任編輯李小玲)

A Correctable Low-power Voltage Reference with POR

CAI Chaobo，F(xiàn)AN Dongdong，SONG Shuxiang，CEN Mingcan

(College of Electronic Engineering，Guangxi Normal University，Guilin Guangxi 541004，China)

Abstract:In order to solve the problem of accuracy problem of voltage reference in low power and deep sub-micron process，a correctable ultra low power voltage reference with power on reset (POR) is proposed，by introducing the MOS tube working in the sub-threshold region and digital trimming technology. The voltage reference is simulated by Spectre in TSMC90 nm COMS technology. Simula-tion results show that，the designen reference achieve total current of only 0.876 μA，temperature drift coefficient of 24.4 10-6/℃ and tunable voltage with 25 mV steps. Compared with traditional voltage reference，the proposed voltage reference has the advantages of low temperature drift coefficient， easy correction and low power consumption， and can be applied to low-power and portable electronic devices.

Keywords:voltage reference； low-power； correction； POR

中圖分類(lèi)號(hào)：TN432

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6600(2016)01-0026-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61361011)；廣西高校優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(GXQG022014002)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014jjAA70058)；廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(LX2014032)

收稿日期：2015-05-04

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.01.004

通信聯(lián)系人：宋樹(shù)祥(1970—)，男，湖南雙峰人，廣西師范大學(xué)教授，博士。E-mail:songshuxiang@mailbox.gxnu.edu.cn