一种改进的超低压电压基准源设计

1 概述

在便携式设备广泛使用的今天，低电源电压和低功耗已经成为模拟电路设计的主要主题之一。其中电压基准源是模拟电路设计中的关键模块，应用广泛。它一般要求低电源电压敏感性，低温度漂移特性。传统的基准源电路都是基于带隙基准，利用标准CMOS工艺中的垂直PNP管，但输出电压一般为1.2V左右。随着电路工作电压的继续下降，基准源的输出电压也需要下降。作为可供选择的另一种方案，可以利用阈值电压的不同温度特性产生电压基准。利用有选择的沟道注入，不同浓度的栅注入引入功函数之差。但以上均不适用于标准的CMOS工艺。文献[4]提出了一种新的设计思路，利用NMOS管△VGS的负温度系数乘上权重与PMOS管的△VGS的负温度系数相减后得到与温度无关的基准电压，但MOS管阈值电压温度特性具有较大非线性，故该基准输出电压的温度系数一般大于30ppm／℃，只属于一阶温度补偿技术。因此本文利用衬底电压偏置效应，来减小阈值电压的非线性，改善电压基准源的温度特性，达到二阶曲率温度补偿，满足高精度电路的要求。

2 改进的基准电路

2.1 核心电路工作原理

图1为改进的基准产生电路，M5-M6，R1及两个PNP晶体管Q1、Q2产生与绝对温度成正比的(PTAT)电流；M9和R2为M11提供可变的衬底偏压来消除阈值电压的非线性；M11与M12提供△VGS之间的差值产生基准电压；R3和R4为栅源电压的比较提供权重。M10为其提供偏置电流。基准电压的表达式为：

化简后可得：

其中PMOS有衬底偏置效应，由上式可以看到阈值电压具有非线性，而由(4)可知，φf的温度系数为线性，如果可以在VBS中引入与φf的温度呈线性而温度系数相同的量，则可以消除系数K的影响，从而消除阈值电压的非线性。引入PTAT电流后，PMOS管的衬底电压为正温度系数。另外由于PMOS的源电压出现在根号下面，所以也可以近似认为负温度系数。从仿真波形(图5)也可以看到假设是可以接受的。综合起来VBS为正温度系数。因此可以实现消除非线性的问题。M5-M8及两个PNP管产生PTAT电流，得到VBS为：

因为后两项远小于第一项，因此可以忽略得到：K=P12/P11，令(6)中后两项为零，有

确定了K后，可以根据(2)令后两项为零可以得到M11与M12的宽长比S11／S12为：

2.2 低压运放电路

为了产生PTAT电流，传统的自偏置结果不能适用于低压的情况。因此采用了NMOS差分对输入的低压运放，电源电压为1V。电路结构如图2所示：M24-M26为偏置电路，M21-M33为折叠式运放，VN，VP为运放的两个输入端，OUT1为运放的输出，C1进行环路补偿，调节偏置管M25及图1中M5和M6管。

2.3 启动电路

为了避免零电流状态加入了M16-M20的启动电路。工作原理为：当PTAT电流源电流为零时，VN端为低电平，M16与M17构成的反相器输出高电平，M19和M20处于线性区，M15导通向图2运放的偏置管提供电流。当PTAT电流源正常工作后，VN使M17导通，关断M19，M20和M15从而不影响主电路的正常工作。具体电路图如图3所示：

3 仿真结果

3.1 温度特性的仿真

采用0.5CMOS工艺对电路的温度特性、启动特性和电压抑制比进行了仿真分析。图4为温度特性仿真曲线，仿真扫描温度范围为-40℃—125℃。其温度变化幅度约为0.42mV，温度系数约为11ppm／℃。由于μn与μp的温度系数略有不同，使得最后的基准电压还是与温度有关。相比，本文实现了温度的二阶补偿。

图5为节点L9(见图1)的电压波形，从结果可以看到电压近似为负温度系数。因此利用它的这一性质在中实现了一阶温度补偿。也证实了在2.1节的分析中，可以用于产生线形特性的电压VBE。

3.2 启动电路的仿真

图6为基准电路的启动波形，随着电源电压的身高，基准电压的输出在大约200us后达到稳定值。启动电路能正常上作。

3.3 电源抑制比的仿真

图7为电源抑制比波形。仿真激励为在室温下，在直流电源上叠加一个1V的交流信号。测量基准源输出的变化，可以看到在100Hz和10MHz时，电源抑制比分别为-58.6dB和-40dB。对比文献[4]中数据，得到了改善。原因是当电源电压波动时，M11管的衬底电位会跟随变化。该特性满足开关电源和LDO应用要求。

4 结论

本文利用NMOS管与PMOS管栅源电压的温度特性及衬底偏置效应，设讣了一种带曲率补偿输出电压约为233mv的电压基准源。首先详细分析本文所采用的曲率补偿原理，然后设计基准核心模块、低压运放和启动电路，最后给出了电路眭能仿真结果。该电路结构简单，电源抑制特性较好，与传统带隙基准电压的温度特性相似。利用0.5-CMOS工艺对电路进行仿真，仿真结果表明：该电路实现了温度的二阶补偿，并具有较高的电源抑制比；电源电压为1V时，在-40℃至125℃温度范围内，基准源的温度系数约为11ppm／℃；在100Hz和10MHz时电源抑制比分别为-58.6 dB和-40dB。