一種低功耗無(wú)運(yùn)放結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)

黃祥林，李富華，宋愛(ài)武

（蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州215000）

1 引言

基準(zhǔn)電壓源一直都是模擬集成電路中不可或缺的電路單元之一，一個(gè)理想的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)該具有良好的溫度系數(shù)、高電源抑制比、低功耗以及低輸出噪聲，具體指標(biāo)的取舍由具體應(yīng)用環(huán)境而定，例如，線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）芯片需要基準(zhǔn)電壓有較高的電源抑制比，基準(zhǔn)電壓的電源抑制比將直接影響LDO輸出電壓的電源抑制比；在模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片中，一般要求帶隙基準(zhǔn)輸出的噪聲盡可能低；在某些低功耗的集成電路中，可能還會(huì)要求基準(zhǔn)電壓具有低壓?jiǎn)?dòng)的功能。

在便攜式電子產(chǎn)品普及的今天，人們對(duì)設(shè)備的續(xù)航能力提出了越來(lái)越高的要求，基準(zhǔn)電壓源是每個(gè)集成芯片中幾乎必不可少的電路單元之一，因此，基準(zhǔn)電壓電路低功耗的實(shí)現(xiàn)成為了一直以來(lái)研究的熱點(diǎn)。近些年，一些學(xué)者也對(duì)低功耗的帶隙基準(zhǔn)進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]使用工作在亞閾值區(qū)的MOS管代替三極管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電路整體功耗很高，電源抑制比很低，不能滿足設(shè)計(jì)要求，文獻(xiàn)[2]使用工作在線性電阻區(qū)的MOS管代替電阻產(chǎn)生正溫度系數(shù)（Proportional to Absolute Temperature，PTAT）電流，實(shí)現(xiàn)了全MOS結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)，但是該結(jié)構(gòu)電源抑制比較低，而且用MOS管代替電阻，阻值不容易控制，溫度系數(shù)也不理想；文獻(xiàn)[3]也是全MOS結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)，其中的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)MOS管的寬長(zhǎng)比來(lái)調(diào)出一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的電壓；文獻(xiàn)[4]提出的基準(zhǔn)電壓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溫度系數(shù)良好，但是需要比較高的電壓才能建立起穩(wěn)定的輸出，電源效率低，電源抑制比也有待提高。為了對(duì)低功耗的基準(zhǔn)電壓源性能做更進(jìn)一步的優(yōu)化，本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、電源抑制比高、電源利用率高的基準(zhǔn)電壓電路。

2 帶隙基準(zhǔn)原理分析

帶隙基準(zhǔn)源的基本思想是通過(guò)兩個(gè)分別呈正、負(fù)溫度系數(shù)的電壓之和來(lái)得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓：

其中V1與V2有著相反的溫度系數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)α1與α2的值，當(dāng)式（1）滿足時(shí)，Vref視為幾乎不受溫度的影響。

傳統(tǒng)的電流模型帶隙基準(zhǔn)源的結(jié)構(gòu)如圖1所示，此電路最大的優(yōu)點(diǎn)是輸出的基準(zhǔn)電壓值可調(diào)以及可以輸出一個(gè)幾乎與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電流。其中運(yùn)用到了一個(gè)工作在深度負(fù)反饋的運(yùn)放，使得VA=VB，從而可以產(chǎn)生一路與溫度呈正相關(guān)的電流，增加了兩路電阻R1，可以產(chǎn)生一路與溫度呈負(fù)相關(guān)的電流，這兩路電流之和為一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電流，通過(guò)調(diào)節(jié)R0、R1和R3的阻值，可以輸出一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。P1與P2的寬長(zhǎng)比一致，三極管Q1與Q2發(fā)射極面積之比為N∶1，流過(guò)P3管的電流表達(dá)式為：

圖1 傳統(tǒng)電流模結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電路

其中VBE2為三極管Q2的基極與發(fā)射極之間的電壓，VT為熱電壓，室溫下約等于26 mV。因此，基準(zhǔn)電壓的輸出表達(dá)式為：

從式（3）可知，調(diào)節(jié)電阻R1與R0的比值，可以用于補(bǔ)償VBE的負(fù)溫度特性，調(diào)節(jié)電阻R1與R2的比值，可以輸出一個(gè)任意大小的基準(zhǔn)電壓。然而，如果需要實(shí)現(xiàn)低功耗，傳統(tǒng)帶隙結(jié)構(gòu)存在眾多缺陷：①運(yùn)放的加入會(huì)消耗許多電流；②運(yùn)放失調(diào)電壓會(huì)使得理論計(jì)算產(chǎn)生一定偏差，從而電阻R的值不能很好地確定；③低功耗需要比較小的正溫度系數(shù)電流，因此電阻R0、R1的阻值必然會(huì)很大；④基準(zhǔn)電壓直接在P3管的漏端輸出，電源抑制比不理想。所以，需要提出新的電路結(jié)構(gòu)，來(lái)解決實(shí)現(xiàn)低功耗過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題。

3 本文提出的基準(zhǔn)電壓源

傳統(tǒng)的帶隙結(jié)構(gòu)使用三極管來(lái)產(chǎn)生正溫度系數(shù)的電流和一路負(fù)溫度系數(shù)的電流，由于三極管在流過(guò)納安級(jí)別電流的情況下，VBE也可以達(dá)到500 mV以上，為了使R1上的電流也為納安級(jí)別，R1的阻值將需要幾兆歐姆，這樣的大電阻會(huì)占用很大的版圖面積。為此，本文提出了一種無(wú)三極管結(jié)構(gòu)、無(wú)需運(yùn)放的低功耗基準(zhǔn)電壓，電路原理如圖2所示。

圖2 本文提出的基準(zhǔn)電壓電路

3.1 啟動(dòng)電路

本文所使用的電流基準(zhǔn)電路存在簡(jiǎn)并點(diǎn)，簡(jiǎn)并點(diǎn)會(huì)使得PM3管的柵極一直處于高電平，NM6的柵極一直處于低電平，如果電路穩(wěn)定在這種狀態(tài)，那么電路基準(zhǔn)電路將不能輸出一個(gè)設(shè)計(jì)者所需要的偏置電流，為了消除這種隱患，需要加入啟動(dòng)電路，使電路脫離簡(jiǎn)并點(diǎn)。設(shè)置NM1、PM1的尺寸，使得工作在亞閾值區(qū)的NM1產(chǎn)生的電流小于也工作在亞閾值區(qū)PM1的電流，因此，在啟動(dòng)階段時(shí)，PM0的柵極為低電平，PM0被導(dǎo)通，NM3有電流流過(guò)，NM4的漏極被拉至低電平，電流基準(zhǔn)電路脫離簡(jiǎn)并點(diǎn)正常工作；當(dāng)基準(zhǔn)電壓電路啟動(dòng)完畢時(shí)，由于PM2沒(méi)有電流通路，PM0柵極最終會(huì)被拉至高電平，PM0截止，NM3、NM4也截止，啟動(dòng)電路不消耗額外的靜態(tài)電流。

3.2 基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路

基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生的電流給基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路提供電流偏置，該結(jié)構(gòu)增加了PM3所在的支路，不僅能在電阻R0阻值盡可能小的情況下產(chǎn)生納安級(jí)的偏置電流，還具有增加環(huán)路穩(wěn)定性的作用。電路中的NM6、NM7都工作在亞閾值區(qū)，工作在亞閾值區(qū)的MOS管電流表達(dá)式為：

其中μ0為載流子遷移率，Cox為單位面積柵氧電容，n=1+CD/Cox，CD為襯底與溝道之間的耗盡層電容，n的取值一般為1～2，W/L為MOS管的寬長(zhǎng)比。當(dāng)Vds＞4VT時(shí)，由于e-4≈0.018315，式（4）可以簡(jiǎn)化為：

由式（5）可知，工作在亞閾值區(qū)的MOS管的柵極與源極之間的電壓VGS可表示為：

加在電阻R上的電壓為VGS_NM7-VGS_NM6，VGS_NM7為NM7的柵極與源極之間的電壓，VGS_NM6為NM6的柵極與源極之間的電壓，電路中流過(guò)PM3、PM5、PM7的電流之比為K∶1∶1，NM7、NM6的寬長(zhǎng)比為1∶N，故可以求出流過(guò)NM7的最小基準(zhǔn)電流I為：

3.3 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路

該基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的核心是使用工作在亞閾值區(qū)的增強(qiáng)型和耗盡型的NMOS管，運(yùn)用兩個(gè)NMOS管的VGS之差來(lái)產(chǎn)生一個(gè)與溫度近似無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。NM11管為增強(qiáng)型的NMOS管，NM12管為耗盡型的NMOS管，它們的唯一區(qū)別是：增強(qiáng)型的NMOS管閾值電壓Vth為正值，耗盡型的NMOS管的閾值電壓Vth為負(fù)值。兩個(gè)不同類型的NMOS管的VGS之差可以表示為：

式（8）中，第一項(xiàng)為負(fù)溫度特性的電壓，第二項(xiàng)為正溫度特性的電壓，可以調(diào)節(jié)流過(guò)NM11和NM12管的電流以及它們的寬長(zhǎng)比來(lái)修正Vth11和|Vth12|在溫度系數(shù)上的偏差，使兩個(gè)NMOS管的VGS之差為一個(gè)與溫度幾乎無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vref。

為了提高基準(zhǔn)電壓電路對(duì)電源電壓的抗干擾能力，在耗盡管NM13的上方加入了一個(gè)同為耗盡型、隔離型的NMOS管NM14，使得NM13的漏極不直接接在電源電壓上，起到隔離作用，同時(shí)NM13、NM14構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，使得電源上的擾動(dòng)在基準(zhǔn)的輸出端得到衰減。由式（8）可知，建立一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓與ID6和ID8的大小并無(wú)關(guān)系，只要電路中電流鏡正常工作即可，又由于NM13為耗盡管，其柵極電壓始終小于源極電壓，在電源電壓上電過(guò)程中，NM13的柵極只需上升至Vref-|VGS_PM13|，就可以輸出一個(gè)Vref了，所以，本文提出的基準(zhǔn)電壓電路的壓差非常小，大大提高了電源利用率。

4 仿真結(jié)果與分析

采用0.18 μm CMOS工藝，使用5 V電源電壓供電，在TT工藝下，對(duì)此基準(zhǔn)電壓電路進(jìn)行溫度系數(shù)仿真，仿真的溫度范圍為-40～125℃，仿真結(jié)果如圖3所示，可以看到在全溫度范圍內(nèi)，輸出電壓僅變化了1.6 mV，溫度系數(shù)為9.56×10-6/℃，該結(jié)果表明，在穩(wěn)定輸出1.03 V電壓的同時(shí)，此基準(zhǔn)電壓電路還具有良好的溫度系數(shù)。

圖3 溫度系數(shù)仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證此基準(zhǔn)電壓電路的抗電源紋波干擾能力，對(duì)其電源抑制比進(jìn)行仿真。圖4為電源抑制比的仿真結(jié)果，可以看到電源紋波頻率在100 Hz時(shí)，電源抑制比可達(dá)-72.11 dB，電源紋波頻率為1 kHz時(shí)，電源抑制比仍可保持在-67.70 dB，相對(duì)于傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，本文提出的基準(zhǔn)電壓電路電源抑制比有所提高。

圖4 電源抑制比仿真結(jié)果

通過(guò)DC掃描電源電壓VDD從0.00至5.00 V的變化，得到的仿真結(jié)果如圖5所示（2 V后基準(zhǔn)電壓保持不變，圖中省略），當(dāng)VDD上升至1.12 V時(shí)，即可輸出一個(gè)1.03 V的基準(zhǔn)電壓，壓差為92 mV，故該基準(zhǔn)電壓電路的電源利用效率很高。

圖5 壓差仿真結(jié)果

對(duì)電源電壓從0上升至5 V（1 μs電源快上電與100 ms慢上電兩種情況下）進(jìn)行Tran仿真，觀察最后基準(zhǔn)電壓源是否能夠穩(wěn)定建立起來(lái)，仿真結(jié)果如圖6、7所示，結(jié)果表明，在兩種情況下，基準(zhǔn)電壓都能夠穩(wěn)定輸出大約1.03 V的電壓。

圖6 1 μs電源快上電過(guò)程Tran仿真結(jié)果

圖7 100 ms慢上電過(guò)程Tran仿真結(jié)果

最后，在TT、FF、SS、SF、FS幾種工藝的組合下，對(duì)此基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)、整體的電流消耗進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖8、9所示。結(jié)果顯示，該基準(zhǔn)電壓電路可以穩(wěn)定工作，在考慮極端條件下，基準(zhǔn)電壓最高為1.1479 V，最低為0.9135 V，可以作為修調(diào)的參考范圍，基準(zhǔn)電壓變化最小913.9 μV，最大為11.65 mV，電源抑制比在最壞時(shí)，整體的電流消耗在常溫的TT工藝下只有164.8 nA，最壞時(shí)，電流消耗也僅有214.9 nA。

圖8 不同工藝下的溫度系數(shù)仿真結(jié)果

表1 給出了本文與參考文獻(xiàn)中各電路性能的對(duì)比，可以明顯看出，本文解決了文獻(xiàn)[1]中電路功耗大的問(wèn)題，電源抑制比也高得多；相對(duì)于文獻(xiàn)[2]，電路在實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)，溫度系數(shù)和電源抑制比也得到了很好的改善；同時(shí)，本文提出電路的結(jié)構(gòu)也比文獻(xiàn)[3-4]有更好的溫度系數(shù)和更高的電源抑制比。

表1 參考文獻(xiàn)與本文提出的電路性能對(duì)比

5 結(jié)論

本文使用了兩種不同類型且工作在亞閾值區(qū)的NMOS管，通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)它們的電流以及寬長(zhǎng)比，得到了一個(gè)溫度系數(shù)良好的基準(zhǔn)電壓源，該基準(zhǔn)電壓電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有很高的電源抑制比，仿真結(jié)果顯示，該電路可以穩(wěn)定地輸出一個(gè)1.03 V的基準(zhǔn)電壓，整體只消耗了164.8 nA的電流，在5 V電源供電下，功耗僅為0.824 μW，低頻電源抑制比可達(dá)-72.11 dB，滿足了業(yè)界對(duì)基準(zhǔn)電路低功耗高電源抑制比的設(shè)計(jì)要求。

圖9 不同工藝下的整體電流消耗仿真結(jié)果