一種帶熱滯回功能的CMOS溫度保護(hù)電路

湯 洵 張 濤

摘 要:基于 CSMC 0.5 μm CMOS工藝設(shè)計了一種帶熱滯回功能的高精度溫度保護(hù)電路,利用晶體管PN結(jié)和PTAT電流相反的溫度特性,極大地提高了溫差鑒別的靈敏度。Cadence Spectre 仿真結(jié)果表明,該電路對溫度靈敏度高,功耗低,且其熱滯回功能可有效防止熱振蕩。比普通單PN結(jié)的溫度保護(hù)電路具有更高的靈敏度和精度,可廣泛用于各種功率芯片內(nèi)部。

關(guān)鍵詞:CMOS;溫度保護(hù);PTAT電流;熱滯回

中圖分類號:TN43

0 引 言

隨著集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用及集成度的不斷增加,超大規(guī)模集成電路(VLSI)的功耗、芯片內(nèi)部的溫度不斷提高,溫度保護(hù)電路已經(jīng)成為了眾多芯片設(shè)計中必不可少的一部分。本文在CSMC 0.5 μm CMOS工藝下,設(shè)計一種適用于音頻功放的高精度帶熱滯回功能溫度保護(hù)電路。

1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個電路結(jié)構(gòu)可分為啟動電路、PTAT電流產(chǎn)生電路、溫度比較及其輸出電路。下面詳細(xì)介紹各部分電路的設(shè)計以及實現(xiàn)。文中所設(shè)計的溫度保護(hù)整體電路圖如圖1所示。

[BT3]1.1 啟動電路

在與電源無關(guān)的偏置電路中有一個很重要的問題,那就是“簡并”偏置點的存在,每條支路的電流可能為零,即電路不能進(jìn)入正常工作狀態(tài),故必須添加啟動電路,以便電源上電時擺脫簡并偏置點。上電瞬間,電容獵上無電荷,M7柵極呈現(xiàn)低電壓,M7~M9導(dǎo)通,PD(低功耗引腳)為低電平,M3將M6柵壓拉高,由于設(shè)計中M2寬長比較小,而此時又不導(dǎo)通,Q1~Q4支路導(dǎo)通,電路脫離“簡并點”;隨著M6柵電位的繼續(xù)升高,M2導(dǎo)通,M3源電位急劇降低,某時刻M3被關(guān)斷,啟動電路與偏置電路實現(xiàn)隔離,電容獵兩端電壓恒定,為M7提供合適的柵壓,偏置電路正常工作。然而,當(dāng)PD為高電平時,M4導(dǎo)通,將M6,M10的柵電位拉低,使得整個電路處于低功耗狀態(tài)。

在這一部分,M11,M12,M14,M15組成低壓共源共柵電流鏡,并且有相同的寬長比,使兩條支路電流相等。該結(jié)構(gòu)與一般的共源共柵結(jié)構(gòu)相比,可以提高等效溝道長度,從而增大輸出電阻,提高電路的PSRR性能;并且這種兩管組合結(jié)構(gòu)可消耗較低的電壓壓降,從而增大輸出電壓擺幅,改善芯片低壓工作特性。

與此同時,M7~M10這條支路為偏置電路提供了負(fù)反饋,以減小電源電壓對偏置電流的影響,使得電路在平衡狀態(tài)時保證X,Y兩點電壓相等。然而,反饋的引入也為偏置電路引入了不穩(wěn)定的因素,這里M13和M7構(gòu)成了一個兩級閉環(huán)運放,為保證偏置電路的穩(wěn)定,必須進(jìn)行補償。通過電容獵將主極點設(shè)置在第一級運放M13的輸出端,從而保證了電路的穩(wěn)定性[7]。若Q3發(fā)射區(qū)的面積是Q4發(fā)射區(qū)面積的玭倍,流過的電流大小均為獻(xiàn),則:

由式(9)可知,流經(jīng)R1У牡緦饔氳繚次薰,只與絕對溫度成正比,即得到PTAT電流。

[BT3]1.3 溫度比較及輸出電路[8]

由于晶體管的BE結(jié)正向?qū)妷壕哂胸?fù)溫度系數(shù);PTAT電流進(jìn)行獻(xiàn)[CD*2]V變換產(chǎn)生電壓具有正溫度特性;利用這兩路電壓不同的溫度特性來實現(xiàn)溫度檢測,產(chǎn)生過溫保護(hù)信號的輸出[9]。

M26獈M30,M33,M34構(gòu)成一個兩級開環(huán)比較器,反相器的接入是為了滿足高轉(zhuǎn)換速率的要求。M31,M32是低功耗管,M23獈M25的作用是構(gòu)成一個正反饋回路,以防止在臨界狀態(tài)發(fā)生不穩(wěn)定性,同時又為電路產(chǎn)生了滯回區(qū)間。

比較器的兩個輸入端電壓分別記為玍璔和玍璕;玀17獈M22用來鏡像基準(zhǔn)源電路產(chǎn)生的PTAT電流,這里它們與M14有著相同的寬長比。因此流經(jīng)這三條支路的電流都為獻(xiàn)㏄TAT。在常溫下,M25截止,玆2完成對PTAT電流的獻(xiàn)[CD*2]V變換,即玍璕=2獻(xiàn)㏄TAT玆2,此時玍璕<玍璔,比較器輸出為低電平。隨著溫度的升高,獻(xiàn)㏄TAT不斷增大,玍璕也隨之增大。與此同時,晶體管BE結(jié)正向?qū)妷韩V璔以2.2 mV/℃的速度下降。當(dāng)玍璕=玍璔的瞬間,比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn),使得輸出為高電平,從而啟動溫度保護(hù)。在溫度保護(hù)啟動的同時,M25開始導(dǎo)通。此時,流過玆2上的電流變?yōu)閮刹糠?一部分是原來就存在的M19獈M22提供的偏置電流,另一部分就是新引入的由㎝23獈狹25提供的電流。這樣做的好處是在溫度下降時,只有在溫度低于開始的關(guān)斷溫度一定值時才能重新工作,相當(dāng)于在關(guān)斷點附近形成熱遲滯,有效地防止了熱振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。

2 仿真結(jié)果及分析

以下是對各部分電路進(jìn)行仿真的結(jié)果,仿真工具是Candence Spectre,模型采用華潤上華公司的0.5 μm的玭阱CMOS工藝[10]。

圖2是PTAT電流隨溫度變化曲線。仿真結(jié)果表明,該曲線線性度較好,符合PTAT電流特性。常溫下,在電源為5 V的情況下,功耗僅為0.4mW?？梢?其功耗非常低。

[JP2]圖4是溫度分別從0~150 ℃和150~0 ℃掃描時比較器輸出狀態(tài)的變化。由圖可見,當(dāng)溫度由低到高上升至84.1 ℃時,電路輸出狀態(tài)由低電平翻轉(zhuǎn)成高電平,實現(xiàn)了芯片的過溫保護(hù);只有當(dāng)溫度回落到72 ℃時,電路才恢復(fù)原狀態(tài),實現(xiàn)了約12 ℃的滯回溫度。改

3 結(jié) 語

為保證芯片在工作時不因溫度過高而被損壞,溫度保護(hù)電路是必須的。這里所設(shè)計的溫度保護(hù)電路對溫[LL]度靈敏性高,功耗低, 其熱滯回功能能有效防止熱振蕩現(xiàn)象的發(fā)生,相比一般單獨使用晶體管BE結(jié)的溫度保護(hù)電路具有更高的靈敏度和精度,可廣泛用于各種功率芯片內(nèi)部。

參 考 文 獻(xiàn)

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