一种全MOS管结构低压低功耗电压基准源的设计

摘 要：提出了一种全MOS管结构的低压低功耗电压基准源，他利用一个工作在亚阈值区的MOS管具有负温度特性的栅-源电压与一对工作在亚阈值区的MOS管所产生的具有正温度特性的电压差进行补偿。电路采用标准的0.6 μm CMOS工艺设计，已成功应用于一个低压差线性稳压器(LDO)中，具有优良的温度稳定性，在-40~+120 ℃范围内能达到37.4 ppm/℃，并可以在供电电压为1.4~5.5 V下工作，其总电流仅为4 μA。

关键词：电压基准；亚阈值区；低压低功耗；MOS管

中图分类号：TN432 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0115603オ

Design of a Low-voltage Low-power MOSFET-only Voltage Reference

ZHANG Changxuan,XIE Guangjun

(Microelectronics and Solid-State College,Hefei University of Technology,Hefei,230009,China)オ

Abstract：A low-voltage low-power MOSFET-only voltage reference circuit is proposed,which has a better temperature stability,it is 37.4 ppm/℃ from -40 ℃ to 120 ℃.It is based on compensating a PTAT of a pair sub-threshold MOSFETs with the gate-source voltage of a sub-threshold MOSFET.The reference circuit is implemented in a standard 0.6 μm CMOS process,used in a low dropout regulator.The circuit supply voltage is 1.4~5.5 V and the quiescent current is 4 μA.

Keywords：voltage reference;sub-threshold region;low-voltage low-power;MOSオ

近几年来,随着无线通信业的高速成长,采用电池供电的模拟或模数混合电子产品得到迅猛发展，尤其是采用CMOS标准工艺的低电压、低功耗模拟电路受到越来越多的重视。低电压的模拟电路不但能大幅度降低电路功耗,而且能增强电路稳定性。在电子设计行业内有一种说法：电源电压越低越好。尽管电源电压并不是决定电路功耗的惟一因素,但其影响居于主导地位。

传统的带隙基准源是根据双极型晶体管的VBE和ΔVBE的温度特性来设计的，在CMOS工艺中采用了寄生的PNP管进行设计，其带隙基准电压为[1]：

是温度为T0时的基准电压，VG0是带隙电压(1.205 V)，对于典型值γ=3.2，α=1，VИref=1.262 V[1]。所以一般的带隙基准电路其基准电压都大于带隙电压，难以实现低压。本文采用全MOS管结构，所设计的基准电压不再受带隙电压的限制，很容易达到1 V以下，便于为一些低压模拟电路提供基准源，且无需引入放大器，进一步简化了电路，所设计的电压基准源已成功应用于一个手机电源管理的LDO芯片之中。

1 电路描述

该电路的基本原理是，将具有负温度系数的电压V┆GS和具有正温度系数的电压ΔV┆GS按照一定比例加和起来，实现了零温度系数基准电压V┆ref。如图1所示，一个亚阈值MOS管的V┆GS电压与温度成反比，而处于亚阈值的两个MOS管V┆GS之差ΔV┆GSв胛露瘸烧比，通过IVGS和I-V转换电路将两种温度特性的电压加和，即可得到一个与温度无关的基准电压。该电路包含了一个利用亚阈值特性产生的偏置电路，为整个电路提供偏置。

2 偏置电流的产生

该偏置电路的特别之处在于：也是采用MOS管的亚阈值特性设计的，满足低压工作条件，其产生的偏置电流虽然有正温度特性，但是并不影响零温度系数电压的产生。以下是电流IR1的推导过程：

4 仿真结果

该基准用于一个手机电源管理的LDO芯片中，芯片正常工作时基准电压为356.5 mV，电池电压的典型值为3.6 V。本电路采用标准的0.6 μm CMOS工艺，在Cadence SPECTRE软件上，按电源电压为3.6 V，温度由-40~+120 ℃变化进行仿真。仿真波形如图4所示，从图4结果中可以计算出温度系数为37.4 ppm/℃，此温度范围比文献[6]范围增大。

5 结 语

本文设计了一种低压低功耗的电压基准源， IVGS及I-V转换电路巧妙地把正温度与负温度特性的电压加和，产生了基准电压，与文献[6]比较，本文中基准电压只受到电阻比值的影响，但是与电阻的绝对值是没有关系的，所以其温度特性不受电阻温度性能影响，比文献[6]温度特性更加稳定，该电路提高了温度范围，由-20~+80 ℃提高到了-40~+120 ℃，电源抑制比也有所改善。仿真结果表明，该电压基准有较高的温度稳定性、低的工作电压和功耗，且电路简单，仅用MOS管就实现了基准的产生，电压精度高达0.2%，完全可以满足低功耗、高精度LDO线性稳压器的性能要求。

参 考 文 献

［1］Allen P E,Douglas R H.CMOS Analog Circuit Design.2版.北京:电子工业出版社,2005:126-127.

［2］石伟韬,蒋国平.一种高稳定低功耗CMOS过热保护电路的设计[J].电子器件,2006,29(2):330-334.

［3］张屏英,周佑谟.晶体管原理[M].上海:上海科学技术出版社,1985.

［4］朱正涌.半导体集成电路[M].北京:清华大学出版社, 2001.

［5］Yannis P T,Richard W U.A CMOS Reference Voltage Source.ISSCC,1978:48-49.

［6］Bedeschi F,Bonizzoni E,Fantini A,et al.A Low-power Low-voltage MOSFET only Voltage Reference.ISCAS,2004:57-60.

作者简介

张昌璇 女，1983年出生，合肥工业大学微电子与固体电子学硕士研究生。主要从事模拟电路设计及其研究。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”