一种利用体偏置改善温度特性的电流源*

张仁梓， 陈迪平， 陈卓俊

(湖南大学 物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082)

0 引 言

当今，许多高性能模拟集成电路和数模混合电路为了能稳定工作，均需要高稳定、低温度系数的电流源电路[1-2]。随着便携式以及可穿戴电子设备的出现和迅速发展，电流源的研究也正向着低压[3]、低功耗[4]、高精度[5]方向发展。

对此，国内外做出了许多研究。文献[6]提出了一种结构简单的电流源电路，利用两个PNP晶体管和一个电阻进行温度补偿，得到一个低温度系数的基准电流，但是电路采用了双极型晶体管，面积过大，同时电路正常工作时所需电压较高；文献[7]提出了一种新型具有工艺补偿的电流源电路，可以减小制造过程中工艺角变化带来的误差，但是温度系数太大；文献[8]提出了一种可编程的低温度系数电流源，可以精确控制输出电流值，但是电路过于复杂，采用的也不是标准CMOS工艺。

提出了一种利用自适应体偏置改善工艺偏差对温度特性影响的电流源，可以使得电路工作于不同工艺角下均有很好的温度系数，仿真实验结果表明，在-40～85 ℃范围内，工艺偏差使得所提电流源温度系数偏离典型工艺角下的值为22%，而无体偏置电流源偏离达100%之多。所提电流源电路在不同工艺角下输出电流的平均温度系数为91 ppm/℃，这比没有体偏置的电流源电路温度系数降低50%。

1 无体偏置电流源

图1所示为无体偏置的电流源电路，MOS管均工作在弱反型状态，由文献[9]可知，当基准电流I2具有零温度系数时，要求：

mI1(km+(kVTH1-kR1))

(1)

(2)

其中，m=I2/I1，σ=(W/L)3/(W/L)4，kVT，kR1，kR2，kVTH1分别是热电压VT、电阻R1、电阻R2、MOS管T1阈值电压的温度系数。

令式(1)为零，得到：

(3)

根据式(3)，选择适当的σm以及电阻类型，可得到具有一级温度补偿的基准电流。

2 所提有体偏置电流源

2.1 体偏置的器件基础

常见的体硅工艺与SOI工艺的器件剖面图如图2所示：体硅工艺中，NMOS管共用P衬底，PMOS管共用N阱，衬底与阱均接固定电位。当调整衬底电位时，需要给NMOS管单独做深N阱，PMOS管需要单独N阱。这将会大大增加面积。

绝缘体上硅(SOI)技术，采用介质隔离，利用绝缘层将制造器件的单晶硅薄膜从支撑的硅衬底中分离，每个管子之间用浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)分开。各个管子衬底相互分离，调整衬底电位时并不需要体硅工艺中的阱结构，面积大大减小。因此，SOI工艺比体硅工艺更适合用来设计衬底偏置电路。

2.2 体偏置电流源电路图

图1(a)所示无体偏置电流源没有考虑工艺偏差带来的影响，因为MOS管均工作在亚阈值区，当工艺角发生变化时，会带来较大影响。根据式(1)，工艺角发生变化时，km、kVTH1、kR1的温度系数会发生改变，从而基准电流不能很好地进行温度补偿，因此将导致基准电流的温度系数恶化。在此使用如图1(b)所示的简单体偏置结构，可以调整km、kVTH1的值，从而当工艺角发生变化时，使得基准电流的温度系数能一直维持在较理想的状态。

图1(b)所示的简单体偏置电路，是采用电阻分压来完成的，可以使用MOS开关管为T1、T4在不同工艺下提供不同的衬底电压。

T3、T4工作在亚阈值区，其电流[10]由以下表达式决定：

(4)

其中，n是亚阈值斜率因子，IDO是一个与工艺有关的参数。

由式(4)可得：

(5)

图1(b)中：

VGS3-VGS4=I2R2=mI1R2

(6)

将式(5)代入式(6)中化简可得：

ΔVTH-nVTln(σm)=mI1R2

(7)

其中：

ΔVTH=VTH3-VTH4

(8)

体效应对阈值电压的影响为[11]

(9)

其中，VTH0是没有体效应时的阈值电压，其与温度呈负相关；γ为体效应系数；ΦF是半导体静电平衡势垒[12]，对于p型半导体：ΦF=﹣VTIn(NA/Ni)，对于n型半导体：ΦF=VTIn(ND/Ni)，NA，ND均为衬底掺杂浓度；VSB为源衬电压。

将式(9)代入式(8)得：

(10)

(11)

由式(10)知，dΔVTH/dT是与源衬电压VSB4相关的，因此改变VSB4大小，可以改变dΔVTH/dT的大小，从而改变km的值。又：

(12)

可知，改变VSB1大小，也可以改变kVTH1的值。

因此，当电路工艺角发生变化而导致km、kVTH1、kR1改变时，由式(11)(12)知，可以通过调节T1、T4的衬底电压，重新调节km、kVTH1的大小，使得电路的基准电流能始终维持较理想的温度系数。

2.3 电阻开关电路控制信号

由仿真可知，为了在TT、FF、SS、FS、SF工艺角下电流源均有较好的温度系数，T4与T1衬底分别所需接入的电压如表1所示。为了实现电路可以在不同工艺角下自动切换开关信号以接入不同的衬底电压，需要设计一个能检测工艺角变化的基准源电路，其电路图如图3所示，NM1为低阈值管，NM2为高阈值管。

由文献[13]可知，图3所示的基准源输出为：

(13)

其中，ΔVTH=VTH,NM2-VTH,NM1，η为亚阈值斜率因子。△VTH具有负温度系数，VT具有正温度系数，选择合适的NM1与NM2的宽长比，便可得到具有零温度系数的基准输出电压。公式(13)中的第二项值较小，VREF≈△VTH=VTH,NM2-VTH,NM1。当工艺角发生变化时，VTH2，VTH1变化值不同，导致△VTH会随之变化，得到的VREF便会跟随工艺角变化。基准输出电压不同工艺角下仿真结果如图4所示。

由仿真图可以看出，不同工艺角的仿真曲线之间电压值约相差10 mV。因此，可以得到4个参考电压值，分别为相邻两种曲线的平均电压值V4、V3、V2、V1。将VREF分别与V4、V3、V2、V1进行比较，从而判断电路所处的工艺角。然后将比较器输出值B3、B2、B1、B0送入逻辑电路得到相应的控制信号控制SP1、SP2、SN1、SN2、SN3，使得不同工艺角下，T4与T1衬底能接入正确的电压。所提电流源电路完整示意图如图5所示。

3 仿真验证

采用Cadence Spectre仿真工具，基于130 nm SOI工艺，对所提结构在-40～85℃温度范围内进行了仿真验证。图6所示为所提电流源输出随电源电压变化曲线。图7(a)与(b)分别为无体偏置电流源与有体偏置电流源的输出电流在不同工艺角下随温度变化的曲线。为了体现衬底电压对km、kVTH1的调节，仿真时，只改变MOS管的工艺角，电阻的工艺角保持不变。两种不同电流源电路不同工艺角下的温度系数对比如表2 所示。

表2 两种电流源温度系数对比Table 2 Comparison of temperature coefficients between two circuits

从表2看出：无体偏置电流源的输出电流温度系数在不同工艺角下波动很大，有体偏置电路电流源可以较好地使输出电流的温度系数能在不同工艺角下维持在100左右。工艺偏差使得所提电流源温度系数偏离典型工艺角下的值为22%，而无体偏置电流源偏离达100%之多。显而易见，体偏置电路可以大幅度改善工艺偏差对电流源温度系数带来的影响。所提电流源电路在不同工艺角下的平均温度系数为91 ppm/℃，这比没有体偏置的电流源电路温度系数降低50%。

表3给出了电流源电路与近几年同类型电流源电路的关键参数比较。从表3可以看出，4个电路中，电流源电路具有适中的芯片面积。此外，与文献[3]中的电路相比，具有更大的工作温度范围和更低的温度系数；与文献[6]中的电路相比，具有更低的工作电压；与文献[9]中的电路相比，具有更小的温度系数。

表3 与文献所提电流源性能比较Table 3 Comparison of the proposed current references in literatures

4 结 论

针对基本的交叉耦合电流镜，加入自适应体偏置电路，在130 nm SOI工艺下，设计了一种能检测工艺角变化自动调整温度特性的电流源电路。仿真结果表明，在-40～85 ℃的范围内，工艺偏差使得所提电流源温度系数偏离典型工艺角下的值为22%，而无体偏置电流源偏离达100%之多。所提电流源在不同工艺角下的平均温度系数为91 ppm/℃，这比没有体偏置的电流源降低50%。所加入自适应体偏置电路能大幅改善工艺偏差对输出电流温度系数带来的影响，这使得电路在需要低压、低温度系数的基准电流源领域具有很强的竞争力。