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    超低功耗亞閾值CMOS電壓基準(zhǔn)設(shè)計

    2015-12-29 06:01:14深圳大學(xué)信息工程學(xué)院黎永泉
    電子世界 2015年23期
    關(guān)鍵詞:閾值電壓偏置低功耗

    深圳大學(xué)信息工程學(xué)院 姜 梅 黎永泉 楊 智

    超低功耗亞閾值CMOS電壓基準(zhǔn)設(shè)計

    深圳大學(xué)信息工程學(xué)院 姜 梅 黎永泉 楊 智

    文章提出了一種采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝,基于不同閾值器件的閾值差原理實現(xiàn)的超低功耗電壓基準(zhǔn)電路。電路實現(xiàn)了213mV的低基準(zhǔn)電壓輸出,在原有亞閾值電路研究的基礎(chǔ)上,添加超低功耗運放電路,降低了輸出電壓的線性調(diào)整率。電路中所有器件都工作在亞閾區(qū),實現(xiàn)了超低功耗,在0.8V工作電壓溫度190℃時的功耗僅為80nW。在20至190℃范圍內(nèi),平均溫度系數(shù)約為16.5ppm/℃,在0.8到4V工作電壓范圍內(nèi),線性調(diào)整率為0.044%/V。電源抑制比為73dB@100Hz,核心電路版圖面積約為0.0144mm2。

    亞閾值;CMOS電壓基準(zhǔn);超低功耗;高電源抑制比

    0 引言

    隨著物聯(lián)網(wǎng)以及可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品市場的發(fā)展,對低功耗集成電路設(shè)計帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。低功耗設(shè)計在便攜設(shè)備中很受青睞,例如植入式醫(yī)療電子產(chǎn)品,個人手機(jī),傳感器網(wǎng)絡(luò)和能量收集系統(tǒng)。工作在亞閾區(qū)的MOS器件可以減少系統(tǒng)的能量消耗,尤其是在電壓基準(zhǔn)電路中。但是,工作在亞閾區(qū)的MOS器件對工藝角以及環(huán)境條件的變化會更加敏感,對于電路設(shè)計者來說,設(shè)計出良好性能的亞閾電路是一個不小的挑戰(zhàn)[1]-[5]。

    本文首先介紹了亞閾值電壓基準(zhǔn)電路的基本原理,并對此做了詳細(xì)的器件參數(shù)特性分析,進(jìn)而提出了一個具有更低溫度系數(shù)、更高電源抑制比、低功耗的可用于便攜設(shè)備系統(tǒng)中的電壓基準(zhǔn)電路。

    1 亞閾值電壓基準(zhǔn)電路工作原理

    由電流偏置和電壓偏置兩部分組成的基本亞閾值電壓基準(zhǔn)電路如圖1所示。圖中所有器件都工作在亞閾區(qū),其中高閾值器件M1和標(biāo)準(zhǔn)閾值器件M2、M3構(gòu)成了電流偏置電路,產(chǎn)生一個正溫系數(shù)的電流IP2,然后此電流被鏡像到后級二極管連接的電壓偏置電路中,產(chǎn)生了基準(zhǔn)電壓[5]。

    圖1 電壓基準(zhǔn)電路原理圖

    工作在亞閾區(qū)的CMOS器件的I-V特性可表示為如下形式[1]:

    其中VTH(T0)為閾值電壓參考值(T0≈300.15 °k),VBS為襯底與源端之間的電壓,其中溫度系數(shù)kt1和kt2為負(fù)值。

    其中:

    在電壓偏置子電路中,IP2鏡像給了IP3,所以IP3類似IP2的亞閾值電流表達(dá)式。即圖1中基準(zhǔn)電壓VREF的溫度特性只和熱電勢VT以及器件閾值VTH有關(guān)。利用零溫系數(shù)的條件,最終的基準(zhǔn)電壓表達(dá)式如下:

    根據(jù)亞閾值斜率因子特性,m4約等于Δm,中輸出電壓可簡化近似為不同閾值器件的閾值差??紤]到器件的襯偏效應(yīng)和亞閾值斜率因子的近似性,最終的輸出電壓小于理論計算的閾值電壓差值。

    2 高性能亞閾值電壓基準(zhǔn)電路

    由于亞閾值電壓基準(zhǔn)電路中使用了自偏置電流子電路,容易存在零狀態(tài)簡并點,所以電路正常工作還需要添加啟動電路。完整的帶有啟動電路和運放鉗位的電壓基準(zhǔn)電路如圖2所示。電路主要由三部分組成,包括啟動電路,電流偏置子電路以及基準(zhǔn)電壓子電路。

    圖2 改進(jìn)后亞閾值基準(zhǔn)電壓電路原理圖

    其中啟動電路利用M14的MOS電容上電充電作用,令M15導(dǎo)通,將電路PMOS電流鏡電壓拉低使其導(dǎo)通,從而將電路拉出零電流偏置狀態(tài),讓電路正常工作。電流偏置子電路中添加運放電路,改進(jìn)M5與M6的電流鏡像能力,從而降低電路的線性調(diào)整率,相比無運放電路,線性調(diào)整的性能提高一個數(shù)量級。電流偏置子電路和基準(zhǔn)電壓子電路工作原理如第一部分所述,最終電路輸出接近零溫系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VREF。

    3 仿真結(jié)果

    采用華潤上華0.18um混合信號CMOS工藝實現(xiàn)的版圖如下圖3所示,包含PAD的整體面積為0.09mm2。

    基于華大九天Aether集成電路設(shè)計平臺,得到基準(zhǔn)電壓版圖后仿真的一系列結(jié)果如下:

    如圖4所示,為室溫下輸出基準(zhǔn)電壓與工作電壓關(guān)系曲線,在0.8至4V電壓范圍內(nèi),輸出為213mV,變化約為0.3mV,達(dá)到了0.044%/V的線性調(diào)整率;圖5為工作溫度范圍內(nèi)消耗電流與工作電壓的關(guān)系,可看到消耗電流變化為2-70nA,且與電壓基本無關(guān),與溫度成一定的正相關(guān);圖6為不同工作電壓下,輸出電壓的溫度特性曲線,可得到平均的溫度系數(shù)約為16.5ppm/℃;圖7為啟動時間與工作電壓關(guān)系曲線,可看到0.8V電壓時啟動時間約為12mS,其他較高電壓時,啟動時間約為4mS;圖8為輸出基準(zhǔn)電壓的電源抑制比曲線,在接1pF負(fù)載電容情況下,低頻處達(dá)到了73dB,由于采用低功耗運放,在5KHz頻率附近產(chǎn)生了peaking現(xiàn)象,此處的電源抑制比最小。約為38dB。

    圖3 電壓基準(zhǔn)電路版圖

    圖4 輸出基準(zhǔn)與電源電壓關(guān)系圖

    圖5 不同電壓下消耗電流溫度曲線圖

    圖6 不同電壓下輸出基準(zhǔn)電壓溫度曲線圖

    圖7 不同電壓下啟動時間曲線圖

    圖8 輸出基準(zhǔn)電壓電源抑制比@VDD=2V

    4 結(jié)論

    本文基于0.18umCMOS混合信號工藝實現(xiàn)了一個超低功耗,高電源抑制比,低溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn),電路中全部器件都工作在亞閾區(qū)。使用低壓低功耗運放減小了電路的線性調(diào)整率。最大的電流消耗約為70nA。此電路可應(yīng)用于便攜系統(tǒng)的處理器或者電源管理芯片中,比如手機(jī),植入式醫(yī)療設(shè)備和智能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

    [1]Ueno K,Hirose T,Asai T,et al.A 300 nW,15 ppm/C,20 ppm/V CMOS voltage reference circuit consisting of subthreshold MOSFETs[J].Solid-State Circuits, IEEE Journal of,2009,44(7):2047-2054.

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    [3]Magnelli L,Crupi F, Corsonello P,et al.A 2.6 nW, 0.45 V temperature-compensated subthreshold CMOS voltage reference[J].Solid-State Circuits, IEEE Journal of,2011, 46(2): 465-474.

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    [5]Li Y,Jiang M.Ultra-low power CMOS multiple voltage reference with 3.9ppm/°C temperature coefficient[C].Consumer Electronics-Taiwan (ICCE-TW), 2015 IEEE International Conference on.IEEE,2015:74-75.

    [6]Filanovsky I M,Allam A.Mutual compensation of mobility and threshold voltage temperature effects with applications in CMOS circuits[J].Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications,IEEE Transactions on, 2001,48(7): 876-884.

    圖3.2 各個電源電壓下的效率匯總

    4 結(jié)語

    本文設(shè)計了一個超低功耗高效率的BUCK型能量收集芯片。該能量收集芯片在CSMC 0.35μm CMOS工藝下進(jìn)行電路設(shè)計和版圖設(shè)計。仿真顯示,在工作電壓為5.5V時,電路欠壓時功耗為360nA,在無負(fù)載正常輸出時功耗為530nA,峰值效率為96%。

    參考文獻(xiàn)

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    [3]Zhang X,Maksimovic D.Digital PWM/PFM controller with input voltage feed-forward for synchronous buck converters[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2008.APEC 2008.Twenty-Third Annual IEEE.IEEE,2008:523-528.

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    姜梅(1976-),女,深圳大學(xué)信息工程學(xué)院講師,碩士生導(dǎo)師。

    黎永泉(1991-),男,深圳大學(xué)信息工程學(xué)院集成電路工程專業(yè)研究生,主要研究低功耗電源管理芯片系統(tǒng)建模與實現(xiàn)。

    楊智(1989-),男,深圳大學(xué)信息工程學(xué)院集成電路工程專業(yè)研究生,主要研究低功耗電源管理芯片系統(tǒng)設(shè)計。

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