一种改进的超低压电压基准源设计

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:423

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

　　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：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。

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。

　　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

　　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。<