一种基于SOC低压低功耗带隙电压源

四川大学 陈 峰 王 志 林 鑫 苏 平

一种基于SOC低压低功耗带隙电压源

四川大学 陈 峰 王 志 林 鑫 苏 平

在模拟电路中，基准电压源为电路里其他模块提供精确、稳定的电压基准偏置或者由其转化而来的电流基准偏置，基准电压源的性能往往直接影响到整个系统的精度和性能，随着集成电路特征尺寸的不断缩小以及SOC在便携产品中应用的迅猛发展，SOC设计不可避免地朝着低压和低功耗的目标前进。本作品采用了自偏置结构，使用华润上华0.18um工艺，在-45℃-120℃温度范围内进行仿真，本作品温度系数为6.6ppm/℃，在1kHz带宽内电源抑制比为46dB，功耗极低，版图面积仅有0.0003。

带隙电压源；低压低功耗；温度系数；面积小；自偏置

一、实验原理

图1 带隙基准源电路图

电路原理图如图1所示，电路由一个三极管和三个self-cascode（SC）结构和电流镜构成。电流镜结构为三极管和SC提供电流，三极管的具有负温度系数，SC结构输出的电压是正温度系数。由三个SC结构的输出电压和M2栅源电压叠加而成，三极管的VBE以一定比例体现在M2栅源电压上，故M2栅源电压与温度负相关，而SC结构输出电压与温度正相关，通过调整三极管的参数和SC中MOSFET的参数完成温度补偿，获得基准电压VREF。

本电路主要改进的地方在于使用了两个pmos 组成的SC结构，同时，如图1所示，将两个“上”pmos的源级与其衬底（即n阱）连接，以抑制衬底调制效应，提高了精度和电源抑制比。

（一）PTAT电压的产生

本电路主要利用self-cascode 结构来产生具有正温度特性的电压分量。

MOS管在亚阈值区的漏电流公式：

PTAT电压由三组自偏置（self-cascode /SC）结构产生，分别为NM3-NM4，PM5-PM6，PM7-PM8三组。

选取PM7-PM8结构，可以得到：

利用公式(1)和(2)可以得到：

其中：

从公式中可以看出，电压为对数函数关系，相对变化比较小，为了得到比较大的温度系数，因此串联多个SC结构，PTAT电压是由NM4、PM5和PM7的漏源电压总和提供：

（二）CTAT电压的产生

由推导可知，发射集电压取决于定义电路平衡点的过程参数，即：MOSFET的阈值电压VTO、特定的电流密度ISQ和结反向饱和电流ISE。

基准电压源：

二、仿真结果

采用华润上华0.18um工艺，利用华大九天公司Aether仿真工具对电路的温度系数、电源抑制比、线性度以及电路的启动时间进行仿真。

1.温度系数仿真

当电源电压为1.2V时，输出基准电压471mV，在-40℃-125℃范围内温度系数为6.65ppm/℃

图2 温度系数

2.电压抑制比仿真

对电路进行交流仿真，电源电压为1.2V，在0.01Hz-1MHz范围内进行仿真，得出波形如下图所示，可以看出在低频范围内（0.01Hz-1kHz）电源抑制比稳定在-46Db。

图3 电压抑制比

3.线性度仿真

将电源电压从0V变化到3V,对电路进行仿真，基准电压和电源电压的关系如图4所示，可以看出，在电源电压为0.7V左右，基准电压源的基准电压输出开始稳定，在0.7-3V范围内，基准电压将比较稳定在0.47V左右,总体来说，该电路的线性度很好。

图4 线性度

4.启动时间仿真

上电后对电路进行瞬态仿真，得到下图5。观察基准电压输出与时间的关系，可以看出，该电路在上电0.18ms之后输出电压才趋于稳定，即启动时间为 0.18ms，该启动时间可以满足大部分电路，为了适应于对启动时间更小的电路，可以牺牲版图面积，给该电路单独加一个启动电路，就可以将启动时间大大的降低。

图5 启动时间

5.功耗仿真

对电路进行仿真，可以测出，在-40℃-125℃范围内电路中电流大小从而可以得出电路的总体功耗。在室温下，电路电流非常小，仅有10.9104nA。

图6 电路功耗

三、版图

版图设计如图7所示，总面积仅有17um*18.2um=309.4=0.0003。左下角为三极管部分，左上部和上面部分为电流镜部分，有显著特点是右边两个pmos对的SC结构，由于n阱电位的不同，需要与其它n阱保持一定距离。

图7 电路版图

四、结论

我们设计了一种基于SOC的低压低功耗的带隙基准源，采用华润上华0.18um工艺，并用Aether软件对我们的设计进行了验证。我们的电路采用自偏置结构，所以在没有启动电路的额情况下仍能自启动，这大大减小了电路的面积，可以降低成本，我们对自偏置结构进行了改进，使自偏置结构的衬底结统一的某一电位，以抑制衬偏效应，实验仿真证明，该改进的确提高了电路温度系数、电源抑制比等方面的性能。在电源电压为1.2V下，基准输出稳定在0.47V左右，且温度系数为6.6ppm/℃，该电路总体功耗为10nA,版图面积很小，仅有0.0003。由于低压低功耗，该基准电压源可应用的范围很广，如可穿戴智能设备等。

[1]Oscar E Mattia, Hamilton Klimach. 0.7 V Supply, 8 nW, 8 ppm/ oC Resistorless Sub-Bandgap Voltage Reference 05 June 2016.

[2]李燕霞,龚敏,高博.基于0.18 μm 的无电阻无运放低功耗带隙基准源设计[J].电子与封装,2015(1).

[3]吕阳,王春雷,朱杰,邱成军 一种极低功耗自偏置CMOS带隙基准源[j]电子世界.

陈峰（1995-），江西抚州人，大学本科，现就读于四川大学。

王志（1994-），四川成都人，大学本科，现就读于四川大学。

林鑫（1994-），福建人，大学本科，现就读于四川大学。

指导老师：苏平。

图2.3 总电路版图

3 总结

本文基于CSMC 0.18um CMOS工艺，设计了一款12位、200kS/s高精度低功耗SAR ADC。本文优化了电容型SAR ADC结构，采用改进型分段电容全差分结构，大大减小电路总电容值，节省电路面积，并提出非单调开关切换方案，降低功耗；选用栅压自举开关实现采样开关电路，提高了ADC的采样精度；采用动态比较器，降低电路功耗；提出改进型异步时序，减小关键路径延时。仿真结果表明：采样频率为200kS/s时，有效位数为11.1bit，信号噪声失真比为68.5dB，平均电流为11.7uA。

参考文献

[1]张理振.10Bit 30MSs低功耗SAR ADC设计[D].[硕士学位论文].南京:东南大学,2013.

[2]Michiel van Elzakker,Ed van Tuijl, Paul Geraedts, et al. A 10-bit Charge-Redistribution ADC Consuming 1.9uW at 1 MS/s[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2010,45(5):1007-1015.

[3]He-Gong Wei, U-Fat Chio,Sai-Weng Sin, et al. A 0.024mm2 4.9fJ 10-bit 2MS/s SAR ADC in 65nm CMOS[C]. IEEE European Solid-State Circuits Conference,2012:377-380.

[4]Guo Wei,Mirabbasi S.A Low-Power 10-bit 50MS/s SAR ADC Using a Parasitic-Compensated Split Capacitor DAC[C].IEEE International Symposium on Circuits and Systems,2012:1275-1278.

[5]W Y Pang,C S Wang,Y K Chang,et al.A 10b 500KS/s low power SAR ADC with splitting capacitor[C],IEEE ASSCC Dig Tech Papers,2009:149-15.

[6]Guan-Ying Huang, Soon-Jyh Chang, Chun-Cheng Liu, et al. 10-bit 30MS/s SAR ADC Using a Switchback Switching Method[J]. IEEE Transactions on VLSI Systems, 2012, 21(3):584-588.

[7]Sang-Hyun Cho, Chang-Kyo Lee, Jong-Kee Kwon, et al. A 550uW 10b 40MS/s SAR ADC with Multistep Addition-Only Digital Error Correction [J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2011, 46(8):1-11.

[8]Jen-Huan Tsai,Yen-Ju Chen,Meng-Huang Shen et al.A. 1-V 8b 40MS/s 113uW charge-recycling SAR ADC with a 14uW asynchronous controller[C].IEEE Symposium on VLSI Circuits,2011:264-265.

[9]Jeon, Heung Jun, “Low-power high-speed low-offset fully dynamic CMOS latched comparator”, Master’s Thesis, Northeastern University,2010.

作者简介：

李晓兴（1993-），女，江苏扬州人，硕士，东南大学。

杨丽娟（1992-），女，江苏南通人，硕士，东南大学。

杨靖文（1992-），男，河南平顶山人，硕士，东南大学。