低功耗CMOS电压基准源的设计

摘 要：给出一低功耗、低温度系数的电压基准源电路的设计。其特点是利用工作在弱反型区晶体管的特性，该电压基准源采用CSMC 0.5 μm，两层POLY，一层金属的CMOS工艺实现，芯片面积为0.036 75 mm2。测试结果表明：其最大工作电流不超过380 nA；在2.5~6 V工作电压下，线性调整率为0.025％；4 V输入电压；20~100 ℃范围内，平均温度系数为64 ppm/℃。以更小的面积，更低的功耗实现了电压基准源的性能。

关键词：电压基准源;低功耗;CMOS;POLY

Design of a Low Power CMOS Voltage Reference

GUO Lifang,YAO Ruohe,LI Wenguan

(Physics Science & Technology College,South China University of Technology,Guangzhou,510640,ChinaAbstract：An ultra low power,low temperature coefficient voltage reference is described in this paper.The characteristic of the weak inversion MOS transistor is used in this arichitecture.The voltage reference is implemented in CSMC 0.5 μm,double POLY,single metal CMOS process,the die size is 0.036 75 mm2.Test results show that: the maximum operation current is less than 380 nA,the line regulation from 2.5~6 V is 0.025%,the mean temperature coefficient from 20~100 ℃ is 64 ppm/℃ at 4 V supply voltage.The biggest innovations are smaller die size and lower power consumption than other voltage references.

eywords：bandgap voltage reference;low power;CMOS;POLYオ

1 引 言

电压基准可以在温度及电源电压变化环境中提供稳定的参考电压，被广泛应用于比较器，A/D，D/A转换器，信号处理器等集成电路中。目前已有不少Bipolar工艺和CMOS工艺的电压基准应用于实际中，并且获得了很高的精度和稳定性。然而随着各种便携式移动通信和计算产品的普及，对电池的需求大大加强，但是电池技术发展相对落后，降低电路的功耗成为IC设计关注的一个焦点；电路的功耗会全部转换成热能，过多的热量会产生焦耳热效应，加剧硅失效，导致可靠性下降，而快速散热的要求又会导致封装和制冷成本提高；同时功耗大将导致温度高，载流子速度饱和，IC速度无法再提升；并且功耗降低，散热减少，也能减少对环境的影响。因此，功耗已成为超大规模集成电路设计中除速度，面积之外需要考虑的第三维度［1］。

传统的带隙电压基准源面积大、功耗大、不适应低功耗小面积的要求。本文立足于低功耗、小面积、利用工作于弱反型区晶体管的特点，对传统的带隙电压基准源做出改进，设计了一款最大消耗380 nA电流的电压基准源，大大减小了面积，且与CMOS工艺兼容，同时提出一种新的不耗电的启动电路。本文先介绍传统典型带隙基准电路的原理与功耗组成，提出改进电路结构，并进行分析，最后给出基于0.5 μm CMOS 工艺模型的仿真结果和测试结~果。