文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)12-0069-03
0 引言
基準(zhǔn)源在模擬和混合集成電路中應(yīng)用非常廣泛，如電源管理芯片、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器和鎖相環(huán)等電路中[1]。理想的電壓基準(zhǔn)是一個與溫度、電源電壓和負(fù)載無關(guān)的量，為系統(tǒng)提供精確的基準(zhǔn)參考量，其精度和穩(wěn)定性直接決定整個系統(tǒng)的性能。目前在集成電路中，有3種常用的基準(zhǔn)源：掩埋齊納(Zener)基準(zhǔn)源、XFET 基準(zhǔn)源和帶隙(Bandgap)基準(zhǔn)源[2]。
隨著片上系統(tǒng)(SoC)的迅速發(fā)展,系統(tǒng)要求模擬集成模塊能兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝, 因此帶隙基準(zhǔn)源得到了廣泛的研究與應(yīng)用。伴隨CMOS工藝特征尺寸不斷縮小，芯片的最小工作電壓也在不斷降低，由于硅材料的帶隙電壓為1.2 V，當(dāng)電源電壓低于1.2 V時，電路顯然無法正常工作，因此亞閾值CMOS電壓基準(zhǔn)源成為近幾年的研究熱點，以滿足芯片面積減少和低壓低功耗的需求[3-5]。
基于利用亞閾值CMOS管的工作特性實現(xiàn)對三級管VBE電壓負(fù)溫度系數(shù)進行正溫度補償的原理，本文提出了一種使用6級亞閾值CMOS管搭建的緩沖運放實現(xiàn)溫度補償?shù)幕鶞?zhǔn)源結(jié)構(gòu)，輸出1 V基準(zhǔn)電壓，并能獲得高精度和低功耗的良好性能。
1 基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)與原理分析
1.1 基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)
如圖1所示為所提出的基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)圖，主要包括負(fù)溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生部分和正溫度系數(shù)電壓補償部分：M1、M2、N1、R1、R2和運放OPA共同組成負(fù)溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生部分，OPA用于提高負(fù)溫度系數(shù)電壓驅(qū)動能力，調(diào)節(jié)R1和R2的比例可以調(diào)整負(fù)溫度系數(shù)電壓VBEIN大小；PTC為正溫度系數(shù)電壓補償部分。外圍啟動電路在電源上電時驅(qū)動基準(zhǔn)源使其擺脫“簡并”的零偏置點，當(dāng)電路正常工作后，啟動電路會與基準(zhǔn)源斷開，避免影響其正常工作或使電路的性能變壞[6]。偏置電路為整個基準(zhǔn)源提供必需的電壓偏置IBIASP，EN_REF為控制基準(zhǔn)源的使能信號。
該基準(zhǔn)源的工作方式是：負(fù)溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生部分輸出信號VBEIN，經(jīng)過PTC進行正溫度補償后，輸出基準(zhǔn)信號VREF。
圖2所示為所提出的正溫度系數(shù)電壓補償部分PTC的結(jié)構(gòu)示意圖，它由6級PTCCORE逐級實現(xiàn)所需的正溫度補償系數(shù)。
圖3所示為負(fù)溫度系數(shù)電壓提供電壓驅(qū)動能力的經(jīng)典單級折疊Cascode運放電路原理圖，M1和M2為運放輸入對管，INP和INN分別為運放正負(fù)兩個輸入端口，OUT為運放輸出。
1.2 原理分析
1.2.1 PTCCORE原理分析
圖4所示為正溫度系數(shù)電壓補償部分PTC的核心單元PTCCORE電路原理圖，可簡單看作一個單位增益負(fù)反饋的緩沖器運放。M1和M2串聯(lián)與M3構(gòu)成工作在亞閾值區(qū)的緩沖器運放輸入對管，尺寸之比為1/2：2；M4和M5為輸入對管的電流鏡負(fù)載，流過電流之比為4：1。
根據(jù)亞閾值區(qū)MOS管的I-V指數(shù)特性，M1和M2流過的電流I1及M3流過的電流I2均與各自的柵源電壓VGS成指數(shù)關(guān)系，其I-V曲線特性符合指數(shù)關(guān)系，因此流過一定比例電流且尺寸不同的M1、M2管和M3管產(chǎn)生的失調(diào)電壓ΔVGS與溫度成正比關(guān)系，即輸出信號PTCOUT對輸入信號PTCIN能實現(xiàn)一定程度的正溫度補償，逐級迭代補償，最終獲得零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓VREF。
上述公式中：I、I1、I2為圖4中相應(yīng)支路電流；VPTCIN和VPTCOUT為PTCCORE輸入/輸出節(jié)點電壓；VGSM1和VGSM3分別為M1和M3的柵源電壓；VG(M1)和VG(M3)分別為M1和M3的柵級電壓。W和L是MOS管的寬和長；VT是MOS管的熱電壓；ID0是橫向三極管的飽和電流，與工藝有關(guān)；n是亞閾值斜率因子，用以描述柵極電壓在柵氧化層電容與耗盡區(qū)電容之間分壓關(guān)系的一個參量[7]。
1.2.2 基準(zhǔn)源原理分析
根據(jù)圖1所示為所提出基準(zhǔn)源的整體結(jié)構(gòu)：
VBE1=VBE2=VBE(4)
經(jīng)電阻R1和R2分壓得到：
式中，VBE是三極管基極和發(fā)射極間電壓差；R1和R2是分壓電阻值；K是波爾茲曼常數(shù)；q是電荷量。選擇合適的參數(shù)，將式(7)中VT和VBE的溫度系數(shù)抵消，即可得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VREF。
2 基準(zhǔn)源仿真驗證
2.1 仿真驗證
上述第1節(jié)中所提出的基準(zhǔn)源在中芯國際SMIC 0.18 ?滋m CMOS工藝平臺電路實現(xiàn)并流片。
2.2 VBEIN負(fù)溫度系數(shù)仿真
仿真內(nèi)容：設(shè)置電源電壓為1.8 V，溫度從-40 ℃～125 ℃線性變化，直流掃描負(fù)溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生部分輸出信號VBEIN的溫度系數(shù)。
仿真結(jié)果：圖5所示為直流掃描VBEIN仿真結(jié)果，VBEIN為負(fù)溫度系數(shù)電壓，全溫區(qū)變化幅度為224 mV，溫度系數(shù)為-1.35 mV/℃。
2.3 PTCCORE正溫度系數(shù)仿真
仿真內(nèi)容：設(shè)置溫度從-40 ℃～125 ℃線性變化，給PTCCORE提供450 mV輸入電平，直流掃描PTCCORE輸出電壓的溫度系數(shù)。
仿真結(jié)果：如圖6所示為直流掃描PTCCORE仿真結(jié)果，PTCIN為450 mV輸入信號，PTCOUT為輸出正溫度系數(shù)電壓，全溫區(qū)變化幅度36 mV，溫度系數(shù)約為+0.22 mV/℃。
2.4 基準(zhǔn)源整體仿真
仿真分析：根據(jù)2.2和2.3小節(jié)仿真結(jié)果所示，6級PTCCORE得到的正溫度系數(shù)與VBEIN的負(fù)溫度系數(shù)基本可以抵消，從而得到零溫度系數(shù)輸出基準(zhǔn)電壓VREF。
仿真內(nèi)容：設(shè)置溫度從-40 ℃～125 ℃變化，直流掃描6級PTCCORE輸出電壓的溫度系數(shù)。
仿真結(jié)果：如圖7所示為直流掃描6級PTCCORE輸入/輸出信號仿真結(jié)果，VBEIN為PTC輸入負(fù)溫度系數(shù)電壓；netA、netB、netC、netD和netE分別為第1級～第5級PTCCORE的輸出信號，對VBEIN逐級進行正溫度補償；VREF為最后一級輸出1 V的零溫度系數(shù)電壓。
如圖8所示為直流掃描輸出信號VREF溫度系數(shù)仿真結(jié)果：全溫區(qū)變化幅度0.95 mV。
該基準(zhǔn)源版圖實現(xiàn)面積為220 m×110 m。
綜上，所提出的基準(zhǔn)源工作電壓為1.8 V，典型條件下功耗為4.5 ?滋A，-40 ℃～125 ℃全溫區(qū)范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓VREF變化小于1 mV，可實現(xiàn)良好的溫度性能，版圖面積小于0.025 mm2。
3 結(jié)論
溫度補償是保證基準(zhǔn)源精度的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文基于利用亞閾值CMOS管工作特性實現(xiàn)對三級管VBE電壓負(fù)溫度系數(shù)補償?shù)脑恚岢隽艘环N使用6級PTCCORE進行正溫度補償?shù)母呔鹊凸幕鶞?zhǔn)源。該基準(zhǔn)源可以獲得1 V的基準(zhǔn)電壓，全溫區(qū)變化范圍小于1 mV，因此對其補償策略的研究是非常有意義的；但該基準(zhǔn)源仍存在一些有待進一步深入探討的地方，例如圖8所示的VREF曲線顯示出高階補償影響因子的作用力，這與亞閾值器件模型緊密相關(guān)，是今后需努力深入研究的方向。
參考文獻
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