蔣本福

(吉林大學(xué) 珠海學(xué)院，廣東 珠海 519000)

低功耗帶隙基準(zhǔn)電壓源電路設(shè)計(jì)

蔣本福

(吉林大學(xué) 珠海學(xué)院，廣東 珠海 519000)

文章提出一種三層self-cascode管子工作在亞閾值區(qū)的低功耗帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。該電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、溫度系數(shù)小、線性度小和面積小等特點(diǎn)。采用CSMC 0.18 μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，華大九天Aether軟件驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，在tt工藝角下電路的啟動(dòng)時(shí)間為6.64 μs，穩(wěn)定輸出的基準(zhǔn)電壓Vref為 567 mV；當(dāng)溫度在-40℃～125℃范圍內(nèi)時(shí)，tt工藝角下基準(zhǔn)電壓Vref的溫度系數(shù)TC為18.8 ppm/℃；電源電壓在1.2 V～1.8 V范圍內(nèi)時(shí)，tt工藝角下基準(zhǔn)電壓Vref的線性度為2 620 ppm/V；在10 Hz～1 kHz帶寬范圍內(nèi)，tt工藝角下基準(zhǔn)電壓Vref的電源抑制比(PSRR)為51 dB；版圖核心面積為0.001 95 mm2。

Aether軟件；功耗； 溫度系數(shù)；線性度；面積

0 引言

在模擬IC和混合IC中，帶隙基準(zhǔn)電壓是不可缺少的電路模塊。傳統(tǒng)的低壓、低功耗帶隙基準(zhǔn)電路是基于垂直雙極晶體管，在文獻(xiàn)[1-2]中分別提出了多種設(shè)計(jì)方法。然而，這些方法都需要幾百兆歐姆的電阻實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，占用較大芯片面積，浪費(fèi)資源。參考文獻(xiàn)[3]也提出了由幾個(gè)工作在亞閾值區(qū)的MOS管組成的電路，雖然保證了低功耗，但是也出現(xiàn)了溫度補(bǔ)償不夠等問題。為了實(shí)現(xiàn)低溫漂帶隙基準(zhǔn)電壓電路，高階溫度補(bǔ)償技術(shù)[5]必須得到廣泛應(yīng)用，以減小帶隙電壓的溫度系數(shù)。因此本文提出在低功耗的帶隙基準(zhǔn)基礎(chǔ)上增加高階溫度補(bǔ)償電路來實(shí)現(xiàn)低溫漂基準(zhǔn)電壓電路。

1 電路結(jié)構(gòu)分析

電路原理圖如圖1所示，主要由啟動(dòng)電路[4]、電流產(chǎn)生電路[5]和self-cascode[4-5]自偏置電路三部分組成。其中NM0～NM6這7個(gè)NMOS管均工作在亞閾值區(qū)，電流鏡PM1～PM5這5個(gè)PMOS管均工作在飽和區(qū)。啟動(dòng)電路由PM0、PM6、PM7、NM7和NM8組成，當(dāng)電路開始工作時(shí)，它將提供一個(gè)啟動(dòng)電流，使電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。電路正常輸出電壓后，由Vref提供一個(gè)反饋使NM7進(jìn)入線性區(qū)，從而令NM8、PM6截止，使啟動(dòng)電路關(guān)斷，以減小功耗。電流產(chǎn)生電路由Q0、PM1、PM2、NM3和NM6組成，其中NM3、NM6具有相同的W/L，使得VGSN3=VGSN6=VE/2,對(duì)Q0形成一個(gè)鉗位的作用。通過調(diào)整NM3、NM6的W/L，可產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的nA級(jí)電流。Self-cascode自偏置電路由NM0～NM3，NM1～NM4，NM2～NM5組成，利用這種結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生一個(gè)PTAT電壓VPTAT[5]。因?yàn)閂GSN6[1]具有負(fù)的溫度特性，所以由VPTAT和VGSN6可產(chǎn)生一個(gè)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vref。

(1)

(2)

其中VDSN為NMOS的漏源電壓，VGSN為NMOS的柵源電壓，VE為BJT的發(fā)射極基極電壓，S為MOS管的寬長(zhǎng)比比值，ΦT為熱電壓，n為亞閾值系數(shù)。

由于BJT的發(fā)射極基極電壓VE具有高階的溫度系數(shù)，因此采用圖1 Q1-Q3和Q2-Q4 部分構(gòu)造指數(shù)型補(bǔ)償電路[5]。其中流經(jīng)Q3、Q4 的集電極電流是一個(gè)與溫度成高階溫度關(guān)系的量，把這一電流引入帶隙基準(zhǔn)源的輸出端可以對(duì)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行高階的溫度補(bǔ)償。

圖1 電路原理圖

2 電路仿真結(jié)果

仿真采用CSMC 0.18 μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，華大九天Aether軟件驗(yàn)證平臺(tái)，各種仿真與分析如下。

2.1 不同工藝角下的啟動(dòng)電路仿真與分析

瞬態(tài)仿真，可得到基準(zhǔn)電壓Vref穩(wěn)定的建立時(shí)間，如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)電壓Vref穩(wěn)定的建立時(shí)間波形(ff tt ss)

由圖2可知，電路在不同工藝角下的啟動(dòng)時(shí)間相差不大。

2.2 不同工藝角下的電路功耗仿真與分析

如圖3所示，各工藝角下電路的總電流分別為：ff 1.45 μA，tt 319.45 nA，ss 67.28 nA。

圖3 瞬態(tài)仿真：電路上電穩(wěn)定后電路的總電流(ff tt ss)

由于在不同的工藝角下，MOS管具有不同的閾值電壓,BJT具有不同的導(dǎo)通電壓，使得在ff工藝角下部分工作在亞閾值區(qū)的管子進(jìn)入飽和區(qū)，從而增大了基準(zhǔn)電流，其中在ss工藝角下所有的電流鏡管子均進(jìn)入亞閾值區(qū)。

因此，在不同工藝角下電路的總電流出現(xiàn)不同的變化，相應(yīng)地也會(huì)對(duì)溫度系數(shù)產(chǎn)生一定的影響。

2.3 不同工藝角下的電路溫度特性曲線仿真與分析

2.3.1 基準(zhǔn)電壓Vref溫度特性曲線仿真與分析

基準(zhǔn)電壓Vref的溫度特性曲線如圖4所示，具體仿真結(jié)果與分析如下：

(1)溫度在-40℃～125℃范圍內(nèi)時(shí)，tt工藝角下基準(zhǔn)電壓Vref的溫度系數(shù)為18.8 ppm/℃；

(2)溫度在20℃～50℃范圍內(nèi)時(shí)，tt工藝角下基準(zhǔn)電壓Vref的溫度系數(shù)為4.0 ppm/℃。

圖4 基準(zhǔn)電壓Vref溫度特性曲線 (tt)

2.3.2 在不同的電源電壓下基準(zhǔn)電壓Vref溫度特性曲線

如圖5所示，電源電壓在1 V～3 V范圍內(nèi)，參數(shù)掃描具體仿真結(jié)果與分析如下：當(dāng)電源電壓為1.2 V～2.8 V時(shí)，在-40℃～125℃溫度范圍內(nèi)，tt工藝角下基準(zhǔn)電壓Vref的溫度系數(shù)TC在18～21 ppm/℃之間。

圖5 在不同的電源電壓下，基準(zhǔn)電壓Vref溫度特性曲線

2.4 不同工藝角下的基準(zhǔn)電壓的線性度仿真與分析

圖6所示為在0.2 V～4 V電源電壓內(nèi)，3個(gè)工藝角的基準(zhǔn)電壓Vref隨電源電壓變化曲線。

圖6 基準(zhǔn)電壓Vref隨電源電壓變化曲線 (ff tt ss)

具體仿真結(jié)果與分析如表1所示。

表1 電路工作電源電壓范圍和基準(zhǔn)電壓線性度

2.5 不同工藝角下的電路電源抑制比仿真與分析

如圖7所示，頻率在低頻范圍內(nèi)，3個(gè)工藝角下基準(zhǔn)電壓Vref的PSRR均大于50 dB。

圖7 基準(zhǔn)電壓Vref的PSRR變化曲線 (ff tt ss)

具體仿真結(jié)果與分析如表2、表3所示。

表2 不同工藝角下基準(zhǔn)電壓PSRR(100Hz)工藝角頻率/HzPSRR/dBff100-50．59tt100-51．39ss100-51．70表3 不同工藝角下基準(zhǔn)電壓PSRR(1kHz)工藝角頻率/kHzPSRR/dBff1-50．59tt1-51．36ss1-50．96

由表2、表3可知，在10 Hz～1 kHz范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓Vref在3個(gè)工藝角下的PSRR均在-51 dB左右。

由圖7可知，當(dāng)頻率為10 kHz時(shí)，在ff和tt工藝角下基準(zhǔn)電壓Vref仍具有-50 dB和-49 dB的PSRR。

3 版圖設(shè)計(jì)

版圖的整體設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 電路整體版圖設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于溫度補(bǔ)償?shù)腃MOS低壓、低功耗的帶隙基準(zhǔn)電壓源。利用MOS管工作在亞閾值區(qū)域過驅(qū)動(dòng)電壓低、飽和電流小的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)在輸入較低的電源電壓范圍內(nèi)，功耗降低到nW級(jí)帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，在輸出級(jí)增加溫度補(bǔ)償電路，提高電路的溫度補(bǔ)償能力。本電路還有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、線性度好、溫度系數(shù)小、PSRR較好、芯片面積小等特點(diǎn)。

[1] UENO K, HIROSE T, ASAI T, et al.A 300 nw, 15 ppm/℃,20 ppm/v cmos voltage reference circuit consisting of subthreshold mosfets[J]. Solid-StateCircuits, IEEE Journal of, 2009,44(7):2047-2054.

[2] Li Yongquan, Jiang Mei. Ultra-low power CMOS multiple voltage reference with 3.9 ppm/℃ temperatutre coefficient[C]. ICCE-IW，2015.

[3] 陳新弼,張慶中,陳勇.微電子器件[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[4] SAINT C, SAINT J.集成電路掩膜設(shè)計(jì)[M]. 周潤(rùn)德,金申美,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[5] Alan Hastings.模擬電路版圖的藝術(shù)(第二版)[M].張為，等譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2011.

Design of low power bandgap reference voltage source circuit

Jiang Benfu

(Zhuhai College, Jilin University, Zhuhai 519000， China)

This paper presents a low power bandgap reference voltage source circuit with three layers of self-cascode tubes operating in the sub threshold region. The circuit has the characteristics of simple structure, low power consumption, small temperature coefficient, small linearity and small area. Using the CSMC 0.18 μm standard CMOS process, Hua Da Jiu Tian Aether software verification platform to simulate, and the simulation results show that, in the corner of the TT process,the starting time of the circuit is 6.64 μs and the stabilizing output reference voltageVrefis 567 mV. When the temperature is in the range of -40℃ to 125℃，the reference voltageVreftemperature coefficient (TC) is 18.8 ppm /℃ at TT process; when the supply voltage is in the range of 1.2 V to 1.8 V，the reference voltageVreflinearity is 2 620 ppm/V at TT process ; when the bandwidth is in the range of 10 Hz to 1 kHz, the reference voltageVrefpower inhibition ratio (PSRR) is 51 dB at TT process; core area of territory for cross-section is 0.001 95 mm2.

Aether software; power consumption; temperature coefficient; linearity; area

TN432

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.012

蔣本福.低功耗帶隙基準(zhǔn)電壓源電路設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(3)：39-41.

2016-10-05)

蔣本福(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：模擬射頻集成電路設(shè)計(jì)。