- 基于CMOS阈值电压的基准电路设计

　　2．2 设计原理

　　图2为该基准电路的设计原理图。

　　

　　如图2所示，首先产生两路分别与PMOS和NMOS阈值电压成正比的电压VP和VN，通过设置合理的系数K1，K2，使得两者的温度系数相抵消，从而得到低温度系数或零温度系数的基准电压。产生的基准电压表达式如式（7）所示：

　　

　　并且该电压值可以根据要求进行设置。

　　图3为该设计原理的模块示意图。模块1为电压VP的产生电路；模块2为电压VN的产生电路；VP与VN再通过模块3所示的减法器电路进行相减，使得两者的温度系数相抵消，从而得到零温度系数的基准电压Vref。

　　

　　2．3 基于PMOS阈值电压产生VP电路设计

　　如图3中模块1所示，VP是由PMOS管MP1，MP2产生的一个随温度变化的线性电压。运放A1使MP2的漏极电压等于Va，通过适当调整R1和R2阻值，使得MP1工作在饱和区，MP2工作在线性区。电路中MP1与MP2形成正反馈，而R1与R2形成负反馈，且负反馈的作用大于正反馈。可以看出，在产生线性电压VP的过程中，当VP为0时，流过MP1，MP2电流为0，即存在一个零点。所以增加MOS管MP3作为启动管，通过给MP3的源端提供一个启动电压VST1来使其脱离零点，进入正常工作。当VP=0 V时，MP3导通，并向MP1灌人电流，使得MP1的源极电压升高，从而运放A1开始工作。当正常工作后，MP3关断，降低功耗。由于启动电压VST1并没有精确的要求，所以可以直接从输入电压分压得到。

　　从图3中模块1中分析可以得到，经过MP1，MP2的电流分别为：

　　

　　从结果可以看到，迁移率μn对电压Vp的影响已经被消除；Vp是Vtp的线性函数，并且VP／VTP仅由MP1，MP2的宽长比和R1，R2的阻值决定。根据式（5）中VT和温度之间的线性关系可得，VP也是随温度线性变化的电压值。图4所示的是HSpice的仿真波形，从图中可以看出，当温度从-40℃ 变化到125℃时，VP随温度线形变化。

　　

　　2．4 基于NMOS阈值电压产生VN电路设计

　　如图3中模块2所示，VN是由MN1，MN2产生的一个随温度变化的线性电压。与VP产生电路不同的是，通过合理设置R3，R4的值，使得MN1与MN2都工作在饱和区。MP4为启动管，它使得电路尽快摆脱零点进入正常工作，然后自行关闭。经过MN1和MN2的电流分别为：

　　

　　式中：VTN为MN2的阈值电压；VTNo为Vsb=0的阈值电压。

　　同样暂时假设运放A2不存在失调，则：

　　

　　由式（17）可知，VN仅为阈值电压的函数，并且，忽略体效应对VN的影响，VN仍然可以看作是温度的线形函数。图5所示的是HSpice的仿真验证波形，同样，从图中可以看到，当温度从-40℃变化到125℃时，VN亦随温度线形变化。

　　

　　2．5 减法器电路设计

　　从式（12）、式（17）可以看出，VP与VN均为负温度系数，所以可以通过VP与VN相减得到一个近似零温度系数的基准电压。减法器的电路设计如图3中模块3所示。从图中可以得到，减法器的传输函数为：

　　

　　通过合理设置（1+R5／R6+R5／R7）可以抵消VP与VN的温度系数，而R7／R5可以用来设置设计者需要的基准电压值。可见，通过这种方式设计的基准电压不一定是一个固定的1.25 V电压，而是可以通过调整R7和R5的阻值来达到设计者需要的基准电压。