肖 本，馮 寧，肖 明

(1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510515;2.德州儀器半導(dǎo)體有限公司 模擬設(shè)計(jì)部，廣東 深圳 518052)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，便攜和低功耗產(chǎn)品已成為電子產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)，例如高精度太陽(yáng)能電子秤、血壓測(cè)試儀等?；鶞?zhǔn)電壓作為集成電路芯片中一個(gè)核心的模擬單元，它的性能直接決定了系統(tǒng)的好壞。性能優(yōu)良的基準(zhǔn)電壓源決定了數(shù)模轉(zhuǎn)換或者模數(shù)轉(zhuǎn)換的最高精度。文中通過(guò)MOS 器件亞閾值工作特性來(lái)降低傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)，同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)化電路降低工作電壓。電路采用Chrt0.35 μmCMOS工藝流片，測(cè)試結(jié)果表明，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)約為1.7×10－6/℃，最低工作電壓為1.2 V。

1 基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)原理

溫度系數(shù)是基準(zhǔn)電壓源的一個(gè)核心指標(biāo)，目前都是采用抵消平衡技術(shù)來(lái)提高其溫度特性。將基準(zhǔn)電壓源中正溫度系數(shù)物理量和負(fù)溫度系數(shù)物理量，采用一定配比來(lái)降低其溫度系數(shù)。因此，分析帶隙基準(zhǔn)電壓中各物理量的溫度特性是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，配比抵消溫度系數(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.1 正溫度系數(shù)電壓分析

當(dāng)NMOS 管的VGS≈VTH時(shí)，器件工作在亞閾狀態(tài)，由于存在弱反型層，漏源之間會(huì)有一定的導(dǎo)通電流ID，根據(jù)亞閾特性，電流ID與VGS成指數(shù)函數(shù)關(guān)系

其中，ζ ＞1，為非理想因子，VT=kT/q。由式(1)得

則

由式(3)可分析出ΔVGS為一個(gè)正溫度系數(shù)的電壓物理量。

1.2 負(fù)溫度系數(shù)電壓分析

雙極晶體管的基極－發(fā)射極電壓(VBE)具有負(fù)溫度系數(shù)。根據(jù)其物理特性，結(jié)電壓VBE與溫度的函數(shù)關(guān)系為

式中，η 和α 分別是與三極管結(jié)構(gòu)和漏源電流有關(guān)的系數(shù);η 通常為4;α 為1 或0，1 代表漏源電流為PTAT電流;0 代表漏源電流為與溫度無(wú)關(guān);T0為參考溫度;VBG為帶隙外推電壓。因此通過(guò)分析VBE的數(shù)學(xué)函數(shù)，可得出VBE與溫度近似成負(fù)比例關(guān)系，即VBE近似為一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電壓物理。

2 一階溫度補(bǔ)償電路

采用配比正、負(fù)溫度系數(shù)的電壓可得到一個(gè)近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。圖1 為采用一階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源電路。

圖1 一階補(bǔ)償電路

圖1 中VCC和VSS分別為電源電壓和地;Mp1、Mp2、Mp3、Mp4為PMOS 晶體管寬，W/L 的寬長(zhǎng)比為1∶1∶M∶N;同時(shí)Mn1、Mn2為NMOS 晶體管寬，W/L 寬長(zhǎng)比為1∶A;而晶體管Mp1、Mn1晶體管寬長(zhǎng)比為1∶B。根據(jù)EKV 的連續(xù)型I－V 模型，強(qiáng)反型－弱反型的臨界電流或轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流定義為標(biāo)稱電流ISo，在0.35 μmCMOS 相關(guān)工藝參數(shù)，計(jì)算得到ISon=87.4 nA，ISop=29.7 nA。為保證NMOS 晶體管工作在亞閾值區(qū)，PMOS 晶體管工作在強(qiáng)反型區(qū)，比值1∶B 應(yīng)該盡量大，以確保MNOS 的漏源電流＜80 nA，可得

根據(jù)節(jié)點(diǎn)S 的電流方程

通過(guò)分析VOUT電壓方程，VOUT為一階函數(shù)，由于VBE為負(fù)溫度系數(shù)而IPTATR3為正溫度系數(shù)，如果調(diào)節(jié)M 為一合適值，則VOUT的溫度系數(shù)可以近似為零，即此電路實(shí)現(xiàn)一階溫度補(bǔ)償，同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)R2、R3來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VOUT的大小調(diào)節(jié)。

3 曲率補(bǔ)償電路

3.1 曲率補(bǔ)償原理

采用一階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓溫度系數(shù)較差，主要原因是只通過(guò)配比抵消一階電壓的溫度系數(shù)，而沒(méi)有對(duì)高階電壓的溫度系數(shù)進(jìn)行抵消。一階溫度補(bǔ)償電路仿真分析可知，基準(zhǔn)源只能在某個(gè)溫度點(diǎn)T0具有零的溫度系數(shù)，在低溫與高溫區(qū)域，溫度系數(shù)則達(dá)到30 ～100×10－6/℃。所以，為得到溫度性能更好的帶隙基準(zhǔn)電壓源，必須進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償。

3.2 曲率校正

為了改善圖1 一階溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓VOUT的溫度性能，進(jìn)一步分析式(4)的VBE方程，如果抵消方程中第3 項(xiàng)所帶來(lái)的溫度影響，則基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)將降低，其溫度性能也將改善。通過(guò)曲率校正可以實(shí)現(xiàn)消除高階項(xiàng)的溫度影響。曲率校正電路如圖2 所示，Mp1的偏置電壓VPTAT是一個(gè)正溫度系數(shù)電壓，即流過(guò)Mn1的電流IPTAT為正溫度系數(shù)電流。圖2 電路的電源和地分別為Vcc和Vss。電路中電流鏡Mn1和Mn，使得流過(guò)Mn2的電流為IPTAT。電流鏡Mn3和Mn4，使得流過(guò)Q5的電流為IOUT。流過(guò)Q1、Q2、Q3、Q4電流分別為IPTAT、IPTAT、IPTAT/A、(IPTAT/A+ICTAT)。電壓VBE=VTln(IC/ISS)，IC為集極的電流，Iss為反向飽和電流;VT是熱電壓，且VT=kT/q，其中k 為波爾茲曼常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度;q 為電子電量;A 為Q2與Q3的發(fā)射極面積比;R 為電阻;電流ICTAT=VBE5/R。由此可以計(jì)算出X、Y、Z 這3 點(diǎn)的電壓值。

圖2 曲率校正電路

由電流ICTAT=VBE5/R 得ICTAT具有負(fù)溫度系數(shù);IPTAT為正溫度系數(shù)電流，即調(diào)節(jié)A 和R(ICTAT)可以使得電流(IPTAT/A+ICTAT)的和為常數(shù)K，且溫度系數(shù)趨于0。

由式(11)可知，產(chǎn)生的輸出電流IOUT(K 為常數(shù))為溫度的高階函數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)面積比例系數(shù)A 和電阻R(或ICTAT)來(lái)調(diào)節(jié)高階溫度補(bǔ)償。

4 電路前仿真

(1)采用曲率校正的一階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源電路如圖3 所示。

圖3 曲率校正一階補(bǔ)償電路

分別仿真分析非曲率校正基準(zhǔn)電壓和曲率校正基準(zhǔn)電壓。仿真時(shí)電源電壓VCC為1.2 V，溫度范圍為－20 ～120 ℃。圖4 為溫度特性仿真結(jié)果。圖4(a)為非曲率校正一階溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源溫度特性曲線，基準(zhǔn)電壓在－20 ～40 ℃范圍內(nèi)平均溫度系數(shù)約為2.1×10－6/℃，40 ～120 ℃范圍內(nèi)為17.1 ×10－6/℃，所以有必要在高溫部分進(jìn)行曲率溫度補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)曲率校正的溫度曲線如圖4(b)所示。在－20 ～120 ℃范圍內(nèi)平均溫度系數(shù)為1.7×10－6/℃，在溫度為60 ℃時(shí)，存在一個(gè)突變點(diǎn)，主要原因是:系數(shù)K 不是與溫度完全無(wú)關(guān)，在60 ℃是I2PTAT由二次曲線向更高次曲線變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如圖4(b)所示。

圖4 為溫度特性仿真結(jié)果

圖5 溫度仿真結(jié)果

5 芯片測(cè)試結(jié)果

5.1 溫度特性測(cè)試

取30 顆樣片分別進(jìn)行溫度動(dòng)態(tài)掃描測(cè)試和靜態(tài)缺陷測(cè)試。動(dòng)態(tài)溫度掃描測(cè)試范圍為－40 ～125 ℃，測(cè)試步進(jìn)為1 ℃，測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，單樣片的動(dòng)態(tài)溫度系數(shù)均＜2×10－6/℃，與上述電路仿真結(jié)果基本一致。

圖6 溫度特性測(cè)試

5.2 靜態(tài)缺陷測(cè)試

分別在－40 ℃、25 ℃、85 ℃、125 ℃下測(cè)試30 顆樣片的基準(zhǔn)電壓并記錄數(shù)據(jù)，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布分析，記錄數(shù)據(jù)如表1 所示，統(tǒng)計(jì)分布如圖7 所示，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，芯片性能一致性高，服從正態(tài)分布規(guī)律，正品率達(dá)到99.99%以上，符合6 西格瑪質(zhì)量要求。

表1 基準(zhǔn)電壓統(tǒng)計(jì)

圖7 統(tǒng)計(jì)分布分析

6 結(jié)束語(yǔ)

基于Chrt0.35 μmCMOS 工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于亞閾值區(qū)工作的一階溫度補(bǔ)償電路和一個(gè)采用正溫度系數(shù)電壓作為偏置電壓的I2PTAT電流產(chǎn)生電路，獲得了一個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高性能的帶隙基準(zhǔn)電壓源。經(jīng)過(guò)樣片測(cè)試結(jié)果表明;電路可以獲得穩(wěn)定的輸出基準(zhǔn)電壓400 mV，在－20 ～120 ℃范圍內(nèi)溫度系數(shù)約2×10－6/℃。該基準(zhǔn)源的最低工作電壓為1.2 V，適合于低電源工作，可用于太陽(yáng)能供電的集成系統(tǒng)中，同時(shí)該電路具有較強(qiáng)的移植性，可為各種數(shù)字或模擬芯片提供精準(zhǔn)的參考電壓。

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