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

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)。

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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。