摘 要：提出了一種全MOS管結(jié)構(gòu)的低壓低功耗電壓基準(zhǔn)源，他利用一個(gè)工作在亞閾值區(qū)的MOS管具有負(fù)溫度特性的柵-源電壓與一對(duì)工作在亞閾值區(qū)的MOS管所產(chǎn)生的具有正溫度特性的電壓差進(jìn)行補(bǔ)償。電路采用標(biāo)準(zhǔn)的0.6 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，已成功應(yīng)用于一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)中，具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，在-40~+120 ℃范圍內(nèi)能達(dá)到37.4 ppm/℃，并可以在供電電壓為1.4~5.5 V下工作，其總電流僅為4 μA。

關(guān)鍵詞：電壓基準(zhǔn)；亞閾值區(qū)；低壓低功耗；MOS管

中圖分類號(hào)：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0115603

Design of a Low-voltage Low-power MOSFET-only Voltage Reference

ZHANG Changxuan，XIE Guangjun

(Microelectronics and Solid-State College，Hefei University of Technology，Hefei，230009，China)

Abstract：A low-voltage low-power MOSFET-only voltage reference circuit is proposed，which has a better temperature stability，it is 37.4 ppm/℃ from -40 ℃ to 120 ℃.It is based on compensating a PTAT of a pair sub-threshold MOSFETs with the gate-source voltage of a sub-threshold MOSFET.The reference circuit is implemented in a standard 0.6 μm CMOS process，used in a low dropout regulator.The circuit supply voltage is 1.4~5.5 V and the quiescent current is 4 μA.

Keywords：voltage reference;sub-threshold region;low-voltage low-power;MOS

近幾年來，隨著無線通信業(yè)的高速成長(zhǎng)，采用電池供電的模擬或模數(shù)混合電子產(chǎn)品得到迅猛發(fā)展，尤其是采用CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝的低電壓、低功耗模擬電路受到越來越多的重視。低電壓的模擬電路不但能大幅度降低電路功耗，而且能增強(qiáng)電路穩(wěn)定性。在電子設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)有一種說法：電源電壓越低越好。盡管電源電壓并不是決定電路功耗的惟一因素，但其影響居于主導(dǎo)地位。

傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源是根據(jù)雙極型晶體管的VBE和ΔVBE的溫度特性來設(shè)計(jì)的，在CMOS工藝中采用了寄生的PNP管進(jìn)行設(shè)計(jì)，其帶隙基準(zhǔn)電壓為^[1]：

是溫度為T0時(shí)的基準(zhǔn)電壓，VG0是帶隙電壓(1.205 V)，對(duì)于典型值γ=3.2，α=1，Vref=1.262 V^[1]。所以一般的帶隙基準(zhǔn)電路其基準(zhǔn)電壓都大于帶隙電壓，難以實(shí)現(xiàn)低壓。本文采用全MOS管結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓不再受帶隙電壓的限制，很容易達(dá)到1 V以下，便于為一些低壓模擬電路提供基準(zhǔn)源，且無需引入放大器，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路，所設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)源已成功應(yīng)用于一個(gè)手機(jī)電源管理的LDO芯片之中。

1 電路描述

該電路的基本原理是，將具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓VGS和具有正溫度系數(shù)的電壓ΔVGS按照一定比例加和起來，實(shí)現(xiàn)了零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓Vref。如圖1所示，一個(gè)亞閾值MOS管的VGS電壓與溫度成反比，而處于亞閾值的兩個(gè)MOS管VGS之差ΔVGS與溫度成正比，通過IVGS和I-V轉(zhuǎn)換電路將兩種溫度特性的電壓加和，即可得到一個(gè)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。該電路包含了一個(gè)利用亞閾值特性產(chǎn)生的偏置電路，為整個(gè)電路提供偏置。 

2 偏置電流的產(chǎn)生

該偏置電路的特別之處在于：也是采用MOS管的亞閾值特性設(shè)計(jì)的，滿足低壓工作條件，其產(chǎn)生的偏置電流雖然有正溫度特性，但是并不影響零溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生。以下是電流IR1的推導(dǎo)過程：

4 仿真結(jié)果

該基準(zhǔn)用于一個(gè)手機(jī)電源管理的LDO芯片中，芯片正常工作時(shí)基準(zhǔn)電壓為356.5 mV，電池電壓的典型值為3.6 V。本電路采用標(biāo)準(zhǔn)的0.6 μm CMOS工藝，在Cadence SPECTRE軟件上，按電源電壓為3.6 V，溫度由-40~+120 ℃變化進(jìn)行仿真。仿真波形如圖4所示，從圖4結(jié)果中可以計(jì)算出溫度系數(shù)為37.4 ppm/℃，此溫度范圍比文獻(xiàn)[6]范圍增大。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種低壓低功耗的電壓基準(zhǔn)源， IVGS及I-V轉(zhuǎn)換電路巧妙地把正溫度與負(fù)溫度特性的電壓加和，產(chǎn)生了基準(zhǔn)電壓，與文獻(xiàn)[6]比較，本文中基準(zhǔn)電壓只受到電阻比值的影響，但是與電阻的絕對(duì)值是沒有關(guān)系的，所以其溫度特性不受電阻溫度性能影響，比文獻(xiàn)[6]溫度特性更加穩(wěn)定，該電路提高了溫度范圍，由-20~+80 ℃提高到了-40~+120 ℃，電源抑制比也有所改善。仿真結(jié)果表明，該電壓基準(zhǔn)有較高的溫度穩(wěn)定性、低的工作電壓和功耗，且電路簡(jiǎn)單，僅用MOS管就實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)的產(chǎn)生，電壓精度高達(dá)0.2%，完全可以滿足低功耗、高精度LDO線性穩(wěn)壓器的性能要求。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Allen P E，Douglas R H.CMOS Analog Circuit Design.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2005:126-127.

［2］石偉韜，蔣國(guó)平.一種高穩(wěn)定低功耗CMOS過熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[J].電子器件，2006，29(2):330-334.

［3］張屏英，周佑謨.晶體管原理[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.

［4］朱正涌.半導(dǎo)體集成電路[M].北京:清華大學(xué)出版社， 2001.

［5］Yannis P T，Richard W U.A CMOS Reference Voltage Source.ISSCC，1978:48-49.

［6］Bedeschi F，Bonizzoni E，F(xiàn)antini A，et al.A Low-power Low-voltage MOSFET only Voltage Reference.ISCAS，2004:57-60.

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作者簡(jiǎn)介

張昌璇 女，1983年出生，合肥工業(yè)大學(xué)微電子與固體電子學(xué)碩士研究生。主要從事模擬電路設(shè)計(jì)及其研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>