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      超低功耗高精度電壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

      2016-03-10 00:16:35吉林大學(xué)王仁廣李捷菲宮浩然紀(jì)永成
      電子世界 2016年24期
      關(guān)鍵詞:閾值電壓吉林大學(xué)低功耗

      吉林大學(xué) 王仁廣 李捷菲 宮浩然 紀(jì)永成

      超低功耗高精度電壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

      吉林大學(xué) 王仁廣 李捷菲 宮浩然 紀(jì)永成

      本文設(shè)計(jì)了一款適用于超低功耗SoC的高精度電壓基準(zhǔn)模塊。本次設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)模塊創(chuàng)新性的使用了工作于亞閾值區(qū)的MOSFETs來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。除了用做電阻的工作于線性區(qū)的MOS管之外,其余所有的MOS管均工作在亞閾值區(qū)。仿真結(jié)果表明,整體電路(包含啟動(dòng)電路)的功耗僅為210nA,電路版圖面積僅為70,在0.7~1.8V的電源電壓范圍內(nèi),電路都能正常輸出大小為630mV的基準(zhǔn)電壓,在-40~125溫度范圍內(nèi),溫漂系數(shù)TC為16ppm,在1kHz帶寬范圍內(nèi)的電源抑制比PSRR接近50dB。在電源上電以后,電路可以10s內(nèi)快速穩(wěn)定的啟動(dòng)。

      超低功耗;高精度;超小面積;全亞閾值;電壓基準(zhǔn)模塊

      引言

      基準(zhǔn)電壓是所有模擬電路中不可缺少的模塊,在大規(guī)模集成電路中有著廣泛的應(yīng)用。隨著可穿戴電子設(shè)備的普及,對(duì)內(nèi)部電子芯片也提出了更高的要求,超低功耗、超小面積成為了一種趨勢。工作在亞閾值區(qū)的MOSFETs能夠很好地滿足要求。因此本文提出了一款適用于超低功耗SoC的高精度電壓基準(zhǔn)模塊。相比于傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),在面積和功耗方面有著巨大的優(yōu)勢。

      1. 電路原理介紹

      基準(zhǔn)參考電壓產(chǎn)生電路的整體架構(gòu)如圖1所示,左半部分為啟動(dòng)電路,右半部分為基準(zhǔn)偏壓產(chǎn)生電路。除了MOS管之外,電路中所有的晶體管都工作在亞閾值區(qū)。該電路通過將兩路具有相反溫度系數(shù)的電壓加和來獲得具有近零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓。

      圖1中左側(cè)啟動(dòng)電路的工作原理為:在電源上電時(shí),基準(zhǔn)電壓為低電平,此時(shí)管和導(dǎo)通,將的柵端電壓拉高使得管導(dǎo)通,從而和的柵壓被拉至低電平,此時(shí)參考電壓產(chǎn)生電路開始工作,啟動(dòng)電路失去作用。

      圖1中右側(cè)為基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。M3~M6為cascode結(jié)構(gòu),將和的漏端電壓鉗位在相同電位,工作于線性區(qū)的管作為電阻使用,而工作于亞閾值區(qū)的管和實(shí)際上相當(dāng)于型的三極管,它們一起產(chǎn)生電流。M7~M11的柵源電壓與構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

      基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路工作原理:

      工作于亞閾值區(qū)的MOS管漏電流公式為:

      體管的閾值電壓,n為亞閾值斜率因子。一般當(dāng)VDS>0.1V時(shí),亞閾值漏電流公式可以簡化為:

      其中VDSR為晶體管MR漏源兩端的電壓差。因此易得:

      由于晶體管MR作為電阻使用,工作于線性區(qū)(深三極管區(qū)),因此其阻值為:

      進(jìn)而可得:

      由公式8可以看出,基準(zhǔn)參考電壓Vref可以寫成柵源電壓VGS7與熱電勢Vr的倍數(shù)相加的關(guān)系。由于閾值電壓VTH具有負(fù)溫度系數(shù)而熱電勢VT具有正溫度系數(shù),因此可以通過調(diào)整晶體管M8~M10的尺寸來獲得近零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓Vref。

      閾值電壓與溫度之間的關(guān)系為:

      其中VTHO為0K時(shí)晶體管的閾值電壓,a為閾值電壓的溫度系數(shù)。

      因此基準(zhǔn)參考電壓可以寫成:

      進(jìn)而可得VREF的溫度系數(shù):

      因此當(dāng):

      成立時(shí),可以得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考電壓。

      圖1 整體電路原理圖

      2. 電路仿真結(jié)果

      仿真結(jié)果表明,啟動(dòng)電路支路電流,參考電流,因此整體電路總電流。輸出電壓與溫度關(guān)系如圖2所示,在-40~125溫度范圍內(nèi),輸出基準(zhǔn)電壓僅變化了,溫漂系數(shù)TC為。

      輸出基準(zhǔn)電壓vref隨電源電壓的變化關(guān)系如圖3所示,在0.7~1.8V電源電壓范圍內(nèi),電路能夠正常輸出670mV的基準(zhǔn)電壓,線性調(diào)整率為3.21mV/V。

      在室溫電源供電時(shí)的電源抑制比如圖4所示,由圖中可以看出,在帶寬范圍內(nèi)的電源抑制比PSRR超過了。

      電源上電時(shí)輸出基準(zhǔn)電壓的建立過程如圖5所示,由于電路中正反饋環(huán)的存在,使得基準(zhǔn)電壓的建立時(shí)間得到很大程度的降低。由圖中可以看出,電路在10s內(nèi)可以穩(wěn)定快速的啟動(dòng)。

      圖2 基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化關(guān)系

      圖3 基準(zhǔn)電壓隨電源電壓的變化關(guān)系

      圖4 在室溫電源供電時(shí)的電源抑制比

      圖5 電源上電時(shí)的建立過程

      基準(zhǔn)參考電壓產(chǎn)生電路的版圖如圖6所示,版圖尺寸面積僅為:7070m2,本次設(shè)計(jì)只采用MOSFETs管,未采用電阻和電容等,使用cascode結(jié)構(gòu)代替運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)了電壓的鉗位,很大程度上減小了整體芯片的面積。

      圖6 整體芯片的版圖設(shè)計(jì)

      3. 總結(jié)

      本次設(shè)計(jì)采用華大九天自主EDA軟件Aether,結(jié)合華潤上華0.18m工藝設(shè)計(jì)了一款適用于超低功耗SoC的高精度電壓基準(zhǔn)模塊。本次設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)模塊創(chuàng)新性的使用了工作于亞閾值區(qū)的MOSFETs來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電路結(jié)構(gòu),巧妙的利用具有負(fù)溫度系數(shù)的MOS管閾值電壓與具有正溫度系數(shù)MOS管柵源電壓相加的方法,來得到近零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。除了用做電阻的工作于線性區(qū)的MOS管之外,其余所有的MOS管均工作在亞閾值區(qū)。避免使用了大面積的三極管和電阻,有效的減小了整體芯片的面積和系統(tǒng)功耗。仿真結(jié)果表明,整體電路(包含啟動(dòng)電路)的功耗僅為210nA,電路版圖面積僅為70,在0.7~1.8V的電源電壓范圍內(nèi),電路都能正常輸出大小為630mV的基準(zhǔn)電壓,在-40~125溫度范圍內(nèi),溫漂系數(shù)TC為16ppm,在1kHz帶寬范圍內(nèi)的電源抑制比PSRR超過48dB。在電源上電以后,電路可以10s內(nèi)快速穩(wěn)定的啟動(dòng)。

      [1] Chen, Hung-Wei, and Hsuan-Lun Kuo. “A low power supply CMOS bandgap reference voltage generator used current differential amplifier and DTMOST diode.” 2016 International Conference on Applied System Innovation (ICASI). IEEE, 2016.

      [2] Shrivastava, Aatmesh, et al. “5.4 A 32nW bandgap reference voltage operational from 0.5 V supply for ultra-low power systems.”2015 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC) Digest of Technical Papers. IEEE, 2015.

      [3] Lee, Chu-Liang, et al. “A low power bandgap voltage reference for Low-Dropout Regulator.” Micro and Nanoelectronics (RSM), 2015 IEEE Regional Symposium on. IEEE, 2015.

      [4] Abbasi, Mohammad Usaid, et al. “A high PSRR, ultra-low power 1.2 V curvature corrected Bandgap reference for wearable EEG application.” New Circuits and Systems Conference (NEWCAS), 2015 IEEE 13th International. IEEE, 2015.

      [5]Ivanov,Vadim,Ralf Brederlow,and Johannes Gerber.“An ultra low power bandgap operational at supply from 0.75 V.”IEEE Journal of Solid-State Circuits 47.7(2012): 1515-1523.

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      王仁廣(1993-),安徽人,吉林大學(xué)碩士研究生。

      李捷菲(1994-),女,陜西人,吉林大學(xué)碩士研究生。

      宮浩然(1994-),男,遼寧人,吉林大學(xué)本科生。

      紀(jì)永成【通訊作者】(1981-),男,吉林人,吉林大學(xué)碩士研究生,工程師。

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