一种低压低功耗的亚阈型CMOS基准电压源

刘宇，王丹

(西南交通大学信息科学与技术学院，四川成都610031)

传统的带隙基准电压源以其良好的温度稳定性和电源抑制特性被广泛应用于A/D转换器、D/A转换器、开关电源以及存储器的数模混合信号集成电路中，其性能好坏直接影响整个电路功能的实现。随着数据转换精度的不断提高，传统带隙基准源的精度已很难满足电路设计的需要。有很多关于设计基准源的文献使用成本较高的工艺，例如BiCMOS工艺。还有一些文献是把具有温度依赖的对数项进行泰勒展开，然后对二阶项甚至高阶项进行补偿，但是这种方法不能全部抵消掉所有高阶项，因此设计的基准源精度很有限。

随着CMOS工艺的不断发展，低电压和低功耗越来越重要。为了满足不断降低的电压和功耗的要求，本文提出了一种新型的CMOS亚阈型基准电压源的设计方法。将MOSFET管偏置在亚阈值工作区已成为一个重要的低压、低功耗设计方法。CMOS亚阈型基准电压源电路设计的关键，是把需要的MOSFET管偏置在可以控制的亚阈工作区，产生一个具有负温度系数的电压，然后与正温度系数的电压进行适当权重的相加，得到一个零温度系数的电压基准。

1 亚阈型基准电压源的工作原理

经典的带隙基准电压源，其工作原理在于利用PN结电压的负温度系数，与不同电流密度下PN结电压差的正温度系数相互补偿，最后得到一个具有零温度系数的电压基准。而亚阈值型基准电压源的工作原理则不同。亚阈值区又被称为弱反型工作区，介于强反型区与截止区之间。Filanorsky和Allam在文献[2]中研究了MOSFET的温度特性，明确指出MOSFET低于一个与温度有关的特定偏置点时，MOSFET的“栅-源”电压随温度的增加而减小，具有负的温度系数。可以利用MOSFET的“栅-源”电压代替三极管的“基-射”电压，来设计一个与温度系数无关的基准电压。在本文的设计中，具有正温度系数的电压是利用PTAT电路产生的，PTAT电路是一个典型的具有正温度系数电流的电路。负温度系数的电压是利用MOSFET的“栅-源”电压产生的。最后把正负电压进行适当的权加，就得到一个具有零温度系数的电压基准。

下面的理论推导将用到以下符号，S=W/L表示CMOS管的宽长比，φB表示表面势，φB表示衬底费米势，NCH表示衬底掺杂浓度，UT=kT/q表示热电势，n=1+Cd/Cox表示亚阈型斜率因子，T0表示室内温度300 K，εsi表示硅的介电常数，Eg表示硅的能隙等。

假设MOSFET的沟道长度足够长，VBS=0，VBS＞4UT，漏电流的等效表示为:

如果φS=φB，则:

VOFF是用于BSIM3v3的一个矫正常数项[6]。因此，比较(1)和(2)，可以得到相同的漏电流:

其中φB和φS与温度有下面的关系式:

因此，可以得到的一个温度函数的表达式:

由于给出的漏电流表达式等价于(3)，所以可以得到下面这个表达式:

假设n(T)随温度有很小的改变(n(T)≈n(T0))，在KT＜0时，阈值电压模型为:

可以得到:

其中:

KT，VOFF，VGS-VTH和KG的典型值都是负数，因此，对任何固定漏电流ID，电压VGS都随温度的增加而减小。所以是一个典型的负温度系数的电压。G.Ciustolisi在文献[3]中通过实验证明理论推导模型表达式(5)与MOSFET的实际行为表现是一致的。经过理论的推导和实验的证明，VGS是个可以用来设计基准电压源的负温度系数电压。因此本文的负温度系数电压就利用VGS来产生。

2 电路结构的设计

综上所述，可以得到:VR=V1+V2+V3+V4

化简为:

于是

使式(7)成立的温度就是温度系数为零时的温度，此时α与β的值可以通过调节M4～M9，MP1～MP4的宽长比以及R1～R4和Rp等电阻来调节，从而可以方便地决定温度系数为零的输出电压值。

3 电路实现及仿真结果

本文所设计的电路采用0.35 μm CMOS工艺实现，主要参数:VTn=0.479 V，VTp=-0.827 V。电路的电源电压1.2 V，显然，采用低门限处理过程能够提供低电源。整个电路的仿真采用Hspice软件仿真，仿真结果如图2所示，温度系数(TCVR=V(T0)-1ΔV/ΔT)在-40℃～+110℃范围内，其值大约为262.6 ppm/℃。低频时电源抑制比为-27 dB。在27℃时，输出电压VR的值为345.36 mV，总电流为5.45 μA。

本文介绍了一种新型的低电压、低功耗、低温度系数和工作在亚阈值区的CMOS基准电压源。一种在温度表现方面类似于三极管的“基-射”电压差的亚阈值型CMOS“栅-源”电压。这个电路是完全的CMOS电路，不需要用到BiCMOS工艺，简单的电路结构也降低了芯片的制造成本。但是电源抑制比不是很高，可以在输出端增加负反馈电路或改进电路结构，来提高电源抑制比。需要指出的是，工作在亚阈值区的电路基本上局限于低速电路，与工作在强反型层电路相比，工作在弱反型层的MOSFET器件沟道尺寸减小了。

[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，FELLRATH 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.