四川大學 陳 峰 王 志 林 鑫 蘇 平

一種基于SOC低壓低功耗帶隙電壓源

四川大學 陳 峰 王 志 林 鑫 蘇 平

在模擬電路中，基準電壓源為電路里其他模塊提供精確、穩(wěn)定的電壓基準偏置或者由其轉化而來的電流基準偏置，基準電壓源的性能往往直接影響到整個系統(tǒng)的精度和性能，隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小以及SOC在便攜產品中應用的迅猛發(fā)展，SOC設計不可避免地朝著低壓和低功耗的目標前進。本作品采用了自偏置結構，使用華潤上華0.18um工藝，在-45℃-120℃溫度范圍內進行仿真，本作品溫度系數為6.6ppm/℃，在1kHz帶寬內電源抑制比為46dB，功耗極低，版圖面積僅有0.0003。

帶隙電壓源；低壓低功耗；溫度系數；面積??；自偏置

一、實驗原理

圖1 帶隙基準源電路圖

電路原理圖如圖1所示，電路由一個三極管和三個self-cascode（SC）結構和電流鏡構成。電流鏡結構為三極管和SC提供電流，三極管的具有負溫度系數，SC結構輸出的電壓是正溫度系數。由三個SC結構的輸出電壓和M2柵源電壓疊加而成，三極管的VBE以一定比例體現在M2柵源電壓上，故M2柵源電壓與溫度負相關，而SC結構輸出電壓與溫度正相關，通過調整三極管的參數和SC中MOSFET的參數完成溫度補償，獲得基準電壓VREF。

本電路主要改進的地方在于使用了兩個pmos 組成的SC結構，同時，如圖1所示，將兩個“上”pmos的源級與其襯底（即n阱）連接，以抑制襯底調制效應，提高了精度和電源抑制比。

（一）PTAT電壓的產生

本電路主要利用self-cascode 結構來產生具有正溫度特性的電壓分量。

MOS管在亞閾值區(qū)的漏電流公式：

PTAT電壓由三組自偏置（self-cascode /SC）結構產生，分別為NM3-NM4，PM5-PM6，PM7-PM8三組。

選取PM7-PM8結構，可以得到：

利用公式(1)和(2)可以得到：

其中：

從公式中可以看出，電壓為對數函數關系，相對變化比較小，為了得到比較大的溫度系數，因此串聯多個SC結構，PTAT電壓是由NM4、PM5和PM7的漏源電壓總和提供：

（二）CTAT電壓的產生

由推導可知，發(fā)射集電壓取決于定義電路平衡點的過程參數，即：MOSFET的閾值電壓VTO、特定的電流密度ISQ和結反向飽和電流ISE。

基準電壓源：

二、仿真結果

采用華潤上華0.18um工藝，利用華大九天公司Aether仿真工具對電路的溫度系數、電源抑制比、線性度以及電路的啟動時間進行仿真。

1.溫度系數仿真

當電源電壓為1.2V時，輸出基準電壓471mV，在-40℃-125℃范圍內溫度系數為6.65ppm/℃

圖2 溫度系數

2.電壓抑制比仿真

對電路進行交流仿真，電源電壓為1.2V，在0.01Hz-1MHz范圍內進行仿真，得出波形如下圖所示，可以看出在低頻范圍內（0.01Hz-1kHz）電源抑制比穩(wěn)定在-46Db。

圖3 電壓抑制比

3.線性度仿真

將電源電壓從0V變化到3V,對電路進行仿真，基準電壓和電源電壓的關系如圖4所示，可以看出，在電源電壓為0.7V左右，基準電壓源的基準電壓輸出開始穩(wěn)定，在0.7-3V范圍內，基準電壓將比較穩(wěn)定在0.47V左右,總體來說，該電路的線性度很好。

圖4 線性度

4.啟動時間仿真

上電后對電路進行瞬態(tài)仿真，得到下圖5。觀察基準電壓輸出與時間的關系，可以看出，該電路在上電0.18ms之后輸出電壓才趨于穩(wěn)定，即啟動時間為 0.18ms，該啟動時間可以滿足大部分電路，為了適應于對啟動時間更小的電路，可以犧牲版圖面積，給該電路單獨加一個啟動電路，就可以將啟動時間大大的降低。

圖5 啟動時間

5.功耗仿真

對電路進行仿真，可以測出，在-40℃-125℃范圍內電路中電流大小從而可以得出電路的總體功耗。在室溫下，電路電流非常小，僅有10.9104nA。

圖6 電路功耗

三、版圖

版圖設計如圖7所示，總面積僅有17um*18.2um=309.4=0.0003。左下角為三極管部分，左上部和上面部分為電流鏡部分，有顯著特點是右邊兩個pmos對的SC結構，由于n阱電位的不同，需要與其它n阱保持一定距離。

圖7 電路版圖

四、結論

我們設計了一種基于SOC的低壓低功耗的帶隙基準源，采用華潤上華0.18um工藝，并用Aether軟件對我們的設計進行了驗證。我們的電路采用自偏置結構，所以在沒有啟動電路的額情況下仍能自啟動，這大大減小了電路的面積，可以降低成本，我們對自偏置結構進行了改進，使自偏置結構的襯底結統(tǒng)一的某一電位，以抑制襯偏效應，實驗仿真證明，該改進的確提高了電路溫度系數、電源抑制比等方面的性能。在電源電壓為1.2V下，基準輸出穩(wěn)定在0.47V左右，且溫度系數為6.6ppm/℃，該電路總體功耗為10nA,版圖面積很小，僅有0.0003。由于低壓低功耗，該基準電壓源可應用的范圍很廣，如可穿戴智能設備等。

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[3]呂陽,王春雷,朱杰,邱成軍 一種極低功耗自偏置CMOS帶隙基準源[j]電子世界.

陳峰（1995-），江西撫州人，大學本科，現就讀于四川大學。

王志（1994-），四川成都人，大學本科，現就讀于四川大學。

林鑫（1994-），福建人，大學本科，現就讀于四川大學。

指導老師：蘇平。

圖2.3 總電路版圖

3 總結

本文基于CSMC 0.18um CMOS工藝，設計了一款12位、200kS/s高精度低功耗SAR ADC。本文優(yōu)化了電容型SAR ADC結構，采用改進型分段電容全差分結構，大大減小電路總電容值，節(jié)省電路面積，并提出非單調開關切換方案，降低功耗；選用柵壓自舉開關實現采樣開關電路，提高了ADC的采樣精度；采用動態(tài)比較器，降低電路功耗；提出改進型異步時序，減小關鍵路徑延時。仿真結果表明：采樣頻率為200kS/s時，有效位數為11.1bit，信號噪聲失真比為68.5dB，平均電流為11.7uA。

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作者簡介：

李曉興（1993-），女，江蘇揚州人，碩士，東南大學。

楊麗娟（1992-），女，江蘇南通人，碩士，東南大學。

楊靖文（1992-），男，河南平頂山人，碩士，東南大學。