一种低功耗多输出带隙电压基准源电路的设计

张珂铭

摘 要：文章提出了一种基于带隙原理的多路输出的基准电压电路设计。该电路采用标准CMOS工艺，工作电压为1.8～3.3 V，输出基准电压为1.5 V、1.1 V、0.9 V，温度系数为75.86 ppm/℃。由于采用了MOS管亚阈值原理，功耗低至4.29 μW。在室温27 ℃和频率为10 Mhz处的电源抑制比为22.5 dB。

关键词：带隙；电压基准；多输出；低功耗；亚阈值

中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）27-0007-02

1 电路原理图及原理分析

总电路设计原理图，如图1所示。

一般来说，带隙基准产生基准电压是基于两种电压之和：一个二极管电压和一个适当系数的PTAT电压。PTAT电压是与绝对温度成正比的电压。基准电压可以表示为公式（1）：

VREF=VD+KPTAT·UT （1）

式中，热电压UT的值为（k·T/q），其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子电荷量。热电压通常是由两个双极晶体管的基极-发射极电压的差值产生。

常数KPTAT是与温度无关（在一阶情况下）的增益因子。由于（1）式中VD为负温度系数的电压，因此调整KPTAT到合适值便可达到合适的温度补偿的目的。KPTAT的值约为10，通常是由具有同样温度系数的两个电阻的比值决定的。

通常在CMOS工艺中，（1）式中的VD是由寄生的纵向或横向双极性晶体管实现的。但是一些标准的数字CMOS工艺的器件库中并没有这些特性的器件可供使用。一种PN结的替代的实现方法是利用P衬底的CMOS工艺实现的。该MOS管的栅、源、漏端被连载一起作为阳极，而N阱则作为阴极。对于一个357 nA的电流来说，该管的VGB有一个负的温度系数，约为-1.69 mV/℃。（本电路中，电流取值并不为357 nA，故其负温度系数也并不等于-1.69 mV/℃，设计过程中有其仿真结果。）

如上文所言，ΔVD可以用来产生热电压UT。而一种替代的方法是，可以用两个工作在亚阈值的两个MOS管的栅源电压差来产生UT。对于工作在亚阈值晶体管，若其漏源电压（VDS）大于0.1 V，则其漏源电流（IDS）由公式（2）给出：

IDS=2mμ0COXSU 2T·exp[（VGS-VT）/m·UT] （2）

式中，S=（W/L）是晶体管的宽长比；

m是亚阈值斜率因子；

μ是有效沟道迁移率；

COX是单位面积的栅氧电容。

正如寄生三极管可以产生的热电压UT，亚阈值电流与栅源电压的指数关系也可以被用来产生UT。一个自级联复合晶体管的Δ VGS由公式（3）给出：

Δ VGS=VGSM1-VGSM2=VDS1

=n·UT·ln[（nM2·IDS1）/（SM1·IDS2） （3）

可以发现，公式（3）表现出PTAT的特性，两个器件必须工作在亚阈值区。

我们的初始电路设计如图1所示。正如传统的带隙基准一样：一个二极管电压加上了一个合适系数的PTAT电压。

晶体管M1、M2、M11和M12用来产生带隙基准的偏置电流（IBIAS）。令SM1=SM2=SM3，偏置电流由公式（4）给出：

IBIAS =（VGSM11-VGSM12）/RPTAT （4）

对于我们的电路而言，我们选择了357 nA的偏置电流，这要求RPTAT约为100 kΩ。这个电阻可以用一个工作在深三极管区的MOS管替代。

输出电压VREF由公式（5）给出：

VREF =VD14+VDS7+VDS9 （5）

通过M4、M5、M6的电流分别为：（S4/S2）·IBIAS、（S5/S2）·IBIAS 和（S6/S2）·IBIAS。

当体效应可以忽略时，用公式（3）和电流镜的各晶体管的尺寸比，公式（5）可以被写为式（6）：

VREF =VD14+

UT·n·ln （6）

通过公式（6）我们发现，通过M4～M10合适的尺寸选择，可以对VREF进行合意的温度补偿。

在公式（6）中，将VREF对温度T求导，令其等于0，我们可以得到公式（7）：

TCVD /（TCUT）=ln （7）

在电路进行仿真后，我们发现其功率超过指标，为了降低功率，我们要降低管子的电流，这又造成了输出很难维持在1.5 V，于是我们在提供负温度系数的管子（M14）上，叠加了一个电阻，以提高输出电压。

电路采用1.8 V的电源电压。

如总电路图中的M13，在我们选取的电流下，其栅极电压呈现负的温度系数，同时，在其至上叠加的电阻的压降呈正温度系数，两者叠加后，再加上M7～M10组成的电路网络上的正温度系数的电压，最后调节参数，即得到较好的主输出1.5 V。

在实现了1.5 V（Vref）的基准输出后，我们用其分压实现1.1 V（Vref11）与0.9 V（Vref09）输出，由于本基准不是利用基准电路流过电阻生成的，所以用电阻网络分压会对前级电路造成影响，使输出不准确。

在分压网络中，采用了PMOS Cascode 结构的源极跟随器，隔离对前级输出的影响，并进行电压跟随与分压，而M01、M02、M03三个管子构成启动电路。

2 电路设计指标总览

电路设计指标总览，见表1。

参考文献：

[1] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2002.

[2] C.J.Fayomi，G.Wirth，H.Achigui，etc.Sub 1 V CMOS Bandgap references design techniques：a surVey[J].Urnal of Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2010，（62）.

[3] A.E.Buck，C.L.McDonald，S.H.Lewis，etc.A CMOS bandgap reference without resistors[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2002，（37）.