基于温度补偿的1V CMOS电流基准源
0 引言
随着亚微米、深亚微米技术和系统芯片(SOC)技术的日益成熟，便携式电子和微型电子产品快速发展和普及，低电压工作环境下的芯片研发日益受到关注。电流基准源是模拟集成电路中最重要的模块之一，广泛应用于数模、模数转换器、滤波器和单片式传感器中，因此，低压、低功耗、高精度、稳定的电流基准源的设计成为模拟IC设计的热点。
目前，国外很多电流基准源的电源电压达到1V甚至更低。文献[1-2]分别用本征MOS管和SIMOX工艺实现低压下的电流基准源，但文献[1]的电源电压高、基准电流温度系数比较大；文献[2]的基准电流温度系数比较小，但不是普通的CMOS工艺，结构复杂，功耗大；文献[3]虽然在1.1 V电源电压下的功耗很小，但是工作温度范围比较小、温度系数很大。所以设计的难点就是要在普通CMOS工艺下实现低压、低功耗且结构简单的高性能电流基准源。
1 零温度系数偏置点
文献[4]证实了很多的CMOS工艺存在零温度系数偏置点，由于零温度系数偏置点的存在，可以通过在MOS管栅极加一个不随温度变化的偏置电压，得到相应的不受温度影响的电流基准，如图1所示。
根据MOS管平方律公式，NMOS管漏电流为
式中：μn是M0管载流子迁移率；Cox为氧化层电容；VTH0为M0的阈值电压。在公式(1)中，只有μn和VTH0是和温度有关的量。根据文献[5]，阈值电压可以表示为
把式(2)、(3)代人式(1)，和温度相关的电流基准源IREF可以表示成
可以看出，载流子迁移率的温度相关性和阈值电压的温度相关性正好互相补偿，抵消了温度对它们的作用。在TSMC 0.25 μm标准工艺条件下，宽长为16 μm和8μm时，MOS管不同温度下的跨导特性如图2所示。由图可知，MOS管在点(VZTC，IZTC)时，它的跨导特性几乎不受温度的影响。此时NMOS管ZTC点相应的电流为19.1 μA，电压为765.3 mV，PMOS管ZTC点的电流为-12.3μA，电压为-1.13 V。由于PMOS ZTC点的电压值超过了所能提供的电源电压，所以本文采用NMOS管来产生基准电流。
2.1 带隙基准电路结构
基于TSMC 0.25 μm CMOS工艺，采用一级温度补偿、电流反馈技术设计的低压带隙基准电路如图3所示，其工作原理与传统的带隙基准电路相似。为了与CMOS标准工艺兼容，采用PNP管的集电极接地结构。低压钳位运放使a、b两点的电压相等。设置Ma1、Ma2、Ma3管的宽长比使它们的电流关系为
Q2和Q1的发射极面积的比为N，R2=R3，流过Q1和Q2的电流相等，△VBE等于VT?ln(N)。流过电阻R1的电流为
选取合适的电阻比值使电压基准不受温度影响，调节m和R4来调节基准电压的大小，得到合适的值。
运算放大器是带隙电压基准源中重要的模块之一，它主要确保带隙中两个电压基准点a与b相等，保证产生PTAT电流。本文采用NMOS输入差分对来解决低压情况下PMOS差分对没有足够的输入电压范围的问题。使用带R-C补偿的两级运放，提供较高的增益及稳定性。同时为了运放能在1 V的电源电压下正常工作，运放的NMOS输入差分对工作在亚阈值区域，需要比较大的管子尺寸，加上合理的版图布局，可以使失调电压最小化。M4、M5中的偏置电流比M3中尾电流稍大，以保证电流镜中有足够的工作电流。
同时运算放大器的直流增益和PSRR都比较大，正负PSRR分别为-80.07 dB和-90.44dB，对带隙基准电压的影响可忽略。运放的电路如图4所示。这里用p型的扩散层来实现所有的电阻。
3 电路仿真与结果分析
电路采用TSMC 0.25 μm标准CMOS工艺，用Spectre对整个电路进行仿真，在电源电压为1 V时，低压工作下电压基准提供的基准电压为765.4mV，在1～4 V的电源电压内能够稳定输出，基准电压和基准电流随电源电压的关系如图5所示。
基准电压偏置在NMOS管的零温度系数点时，通过NMOS的输出基准电流为19.06μA，温度系数仅为18.7×10-6，并能在1～2.4 V电源电压时稳定输出，在2.4 V以上电源电压时，随着电源电压增加而缓慢增加，这是由于基准电压源产生的基准电压和VZTC没有完美吻合所导致的。在-20～120℃内，VREF与VZTC最大偏差为0.65‰，IREF与IZTC最大偏差2.4‰。电路基准电压和基准电流的温度特性曲线如图6所示。电路的整个功耗为53.5μw。在0.18μm标准工艺下，该电路能在0.8 V超低压下稳定工作。
从仿真结果看，这个基准电流源在低压条件下，-20～120℃温度内能很好地工作，性能比其他传统的基准电流源好。具体的性能比较见表1。
4 结论
基于零温度系数偏置点技术和温度补偿技术设计了一个低压、低功耗的基准电流源。使用亚阈值工作的超低压运放实现带隙电压基准，对MOS管进行温度补偿，使MOS管工作在ZTC偏置点；带隙基准的输出电压在-20～120℃内与ZTC点电压最大偏差为0.65‰，在765.4 mV的基准电压情况下，产生的基准电流为19.06μA；在-20～120℃的温度内，温度系数仅为18.7×10-6。因此这个电路很适合为低压下工作的数模、模数转换器、滤波器、运算放大器等提供稳定的电流源。
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