基于CMOS阈值电压的基准电路设计

　　在数／模混合集成电路设计中电压基准是重要的模块之一。针对传统电路产生的基准电压易受电源电压和温度影响的缺点，提出一种新的设计方案，电路中不使用双极晶体管，利用PMOS和NMOS的阈值电压产生两个独立于电源电压和晶体管迁移率的负温度系数电压，通过将其相减抵消温度系数，从而得到任意大小的零温度系数基准电压值。该设计方案基于某公司0.5μm CMOS工艺设计，经HSpice仿真验证表明，各项指标均已达到设计要求。

　　电压基准是混合信号电路设计中一个非常重要的组成单元，它广泛应用于振荡器、锁相环、稳压器、ADC，DAC等电路中。产生基准的目的是建立一个与工艺和电源电压无关、不随温度变化的直流电压。目前最常见的实现方式是带隙（Bandgap）电压基准，它是利用一个正温度系数电压与一个负温度系数电压加权求和来获得零温度系数的基准电压。但是，在这种设计中，由于正温度系数的电压一般都是通过晶体管的be结压差得到的，负温度系数电压则直接利用晶体管的be 结电压。由于晶体管固有的温度特性使其具有以下局限性：

　　（1）CMOS工艺中对寄生晶体管的参数描述不十分明确；

　　（2）寄生晶体管基极接地的接法使其只能输出固定的电压；

　　（3）在整个温度区间内，由于Vbe和温度的非线性关系，当需要输出精确的基准电压时要进行相应的曲率补偿。

　　为了解决这些问题，提出一种基于CMOS阈值电压的基准设计方案。它巧妙利用PMOS和NMOS阈值电压的温度特性，合成产生与温度无关的电压基准，整个电路不使用双极晶体管，克服了非线性的温度因子，并能产生任意大小的基准电压值。

　　1 传统带隙电压基准电路

　　图1为典型带隙基准的原理示意图。

　　

　　假设R1=R2，根据运算放大器两输入端电压相等的原则，可以得到Va=Vb，又Vbe1-Vbe2=VTlnn，因此输出电压为：

　　

　　Vbe在室温下的温度系数约为-2．0 mV／K，而热电压、VT在室温下的温度系数约为0．085 mV／K。合理设置R2，R3和n的值，可以得到零温度系数的基准电压。

　　但是，由于前述有关晶体管温度特性的缺陷，使得实际设计中会存在很多困难。鉴于此，将对传统带隙基准进行改进，基于MOS阈值电压设计一款零温度系数的基准电路。

　　2 新型电压基准电路

　　2．1 MOS器件的温度特性

　　对长沟道MOS器件而言，其工作区域可划分为饱和区和线性区。

　　饱和区的工作电流为：

　　

　　式中：COX为单位面积的栅电容；pN为电子的迁移率；W，L为栅的宽和长；VTN为NMOS的阈值电压。在式（3）和式（4）中，有两项与温度相关的参数：阈值电压VTN以及迁移率μN。

　　阈值电压与温度关系式为：

　　

　　式中：VT（TNOM）是标称温度下的阈值电压；KT1是阈值电压的温度系数；KT1l是阈值电压的沟道调制系数；KT2是阈值电压的衬偏系数。从该式可以看出，阈值电压和温度呈线性关系。

　　相反，迁移率卢N与温度呈非线性的函数关系，表达式为：

　　

　　式中：μN（TNOM）为标称温度下的迁移率；UTE为μN的温度系数，典型值一般在-2．0～-1．5之间。由于迁移率弘N是温度的非线性函数，所以很难利用MOS特性产生精确的基准电压。一种方法是利用晶体管产生PTAT电压进行补偿。但是，PTAT电压恒定的温度系数使得基准电压只能在一个固定的温度点上产生零温度系数的基准电压。因此，在该设计中，为了克服迁移率非线性的影响，通过两个分别与PMOS和NMOS阈值电压成正比的电压相减而进行抵消。