1概述
在便携式设备广泛使用的今天,低电源电压和低功耗已经成为模拟电路设计的主要主题之一。其中电压基准源是模拟电路设计中的关键模块,应用广泛。它一般要求低电源电压敏感性,低温度漂移特性。传统的基准源电路都是基于带隙基准,利用标准CMOS工艺中的垂直PNP管[1][7],但输出电压一般为1.2V左右。随着电路工作电压的继续下降,基准源的输出电压也需要下降。作为可供选择的另一种方案,可以利用阈值电压的不同温度特性产生电压基准。利用有选择的沟道注入[2],不同浓度的栅注入引入功函数之差[3]。但以上均不适用于标准的CMOS工艺。文献[4]提出了一种新的设计思路,利用NMOS管ΔVGS的负温度系数乘上权重与PMOS管的ΔVGS的负温度系数相减后得到与温度无关的基准电压,但MOS管阈值电压温度特性具有较大非线性,故该基准输出电压的温度系数一般大于30ppm/℃,只属于一阶温度补偿技术。因此本文利用衬底电压偏置效应,来减小阈值电压的非线性,改善电压基准源的温度特性,达到二阶曲率温度补偿,满足高精度电路的要求。
2改进的基准电路
2.1核心电路工作原理
图1为改进的基准产生电路,M5-M6,R1及两个PNP晶体管Q1、Q2产生与绝对温度成正比的(PTAT)电流[5];M9和R2为M11提供可变的衬底偏压来消除阈值电压的非线性;M11与M12提供ΔVGS之间的差值产生基准电压;R3和R4为栅源电压的比较提供权重。M10为其提供偏置电流。基准电压的表达式为:
2.2低压运放电路
为了产生PTAT电流,传统的自偏置结果不能适用于低压的情况[5]。因此采用了NMOS差分对输入的低压运放[7],电源电压为1V。电路结构如图2所示:M24-M26为偏置电路,M21-M33为折叠式运放,VN,VP为运放的两个输入端,OUT1为运放的输出,C1进行环路补偿,调节偏置管M25及图1中M5和M6管。
2.3启动电路
为了避免零电流状态加入了M16-M20的启动电路[8]。工作原理为:当PTAT电流源电流为零时,VN端为低电平,M16与M17构成的反相器输出高电平,M19和M20处于线性区,M15导通向图2运放的偏置管提供电流。当PTAT电流源正常工作后,VN使M17导通,关断M19,M20和M15从而不影响主电路的正常工作。具体电路图如图3所示:
3仿真结果
3.1温度特性的仿真
采用0.5CMOS工艺对电路的温度特性、启动特性和电压抑制比进行了仿真分析。图4为温度特性仿真曲线,仿真扫描温度范围为-40℃—125℃。其温度变化幅度约为0.42mV,温度系数约为11ppm/℃。由于μn与μp的温度系数略有不同,使得最后的基准电压还是与温度有关。相比[4],本文实现了温度的二阶补偿。
图5为节点L9(见图1)的电压波形,从结果可以看到电压近似为负温度系数。因此利用它的这一性质在[4]中实现了一阶温度补偿。也证实了在2.1节的分析中,可以用于产生线形特性的电压VBE。
3.2启动电路的仿真
图6为基准电路的启动波形,随着电源电压的身高,基准电压的输出在大约200us后达到稳定值。启动电路能正常工作。
3.3电源抑制比的仿真
图7为电源抑制比波形。仿真激励为在室温下,在直流电源上叠加一个1V的交流信号。测量基准源输出的变化,可以看到在100Hz和10MHz时,电源抑制比分别为-58.6dB和-40dB。对比文献[4]中数据,得到了改善。原因是当电源电压波动时,M11管的衬底电位会跟随变化。该特性满足开关电源和LDO应用要求。
4结论
本文利用NMOS管与PMOS管栅源电压的温度特性及衬底偏置效应,设计了一种带曲率补偿输出电压约为233mv的电压基准源。首先详细分析本文所采用的曲率补偿原理,然后设计基准核心模块、低压运放和启动电路,最后给出了电路性能仿真结果。该电路结构简单,电源抑制特性较好,与传统带隙基准电压的温度特性相似。利用0.5-CMOS工艺对电路进行仿真,仿真结果表明:该电路实现了温度的二阶补偿,并具有较高的电源抑制比;电源电压为1V时,在-40℃至125℃温度范围内,基准源的温度系数约为11ppm/℃;在100Hz和10MHz时电源抑制比分别为-58.6dB和-40dB。
参考文献
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[2]H.Tanaka,Y.Nakagome,J.Etoh,,E.Yamasaki,M.Aoki,andK.Miyazawa,“Sub-1-μAdynamicreferencevoltagegeneratorforbattery-operatedDRAMs,”IEEEJ.Solid-stateCircuits,vol.29,pp,448-453,Apr.1994.
[3]H.J.OgueyandB.Gerber,“MOSvoltagereferencebasedonpolysilicongateworkfunctiondifference,”IEEEJ.Solid-stateCircuits,vol.SC-15,pp,264-269,June.1980.
[4]K.N.LeungandP.K.T.Mok,“ACMOSVoltageReferenceBasedonWeightedΔVGSforCMOSLow-DropoutLinearRegulators.”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.38,pp.146-150,Jan2003
[5]毕查德.拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M]西安:西安交通大学出版社,2003;309-320
[6]S.M.Sze,PhysicsofSemiconductorDevices,Wiley,NewYork,1981,433-453
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[8]A.Cabrini,“A1V,26ExtendedTemperatureRangeBand-gapReferencein130-nmCMOSTechnology.”Solid-stateCircuitsConference,Proceedingsofthe31stEuropean,2005,503-506