一種超低功耗亞閾值型帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)

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引言

近些年來(lái)，低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)前SOC芯片發(fā)展的一個(gè)重要方向。低功耗SOC設(shè)計(jì)，對(duì)于系統(tǒng)中每個(gè)模塊的功耗都要求盡可能地小，尤其是always on的模塊。帶隙基準(zhǔn)，是每個(gè)芯片中電壓參考來(lái)源，是必不可少的一個(gè)關(guān)鍵模塊。本文提出了一種不使用BJT管，且不需誤差放大器，降低功耗切實(shí)可行方法。其中之一的技術(shù)，是采用與傳統(tǒng)的強(qiáng)反型電路設(shè)計(jì)不同的方法，將關(guān)鍵的MOS管偏置在亞閾值區(qū)，亞閾值設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處在于有選擇地將所需要的MOS管偏置在可控的亞閾值區(qū)。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文提出的超低功耗亞閾值帶隙基準(zhǔn)系統(tǒng)方案，包括啟動(dòng)電路，核心主體電路，參考生成電路三個(gè)部分組成。其中，啟動(dòng)電路是針對(duì)電路中存在一個(gè)零狀態(tài)的簡(jiǎn)并點(diǎn)，使主體電路在工作過(guò)程中可以擺脫簡(jiǎn)并的零狀態(tài)，并且在系統(tǒng)正常工作之后自動(dòng)關(guān)閉。核心主體電路作用是產(chǎn)生PTAT(與絕對(duì)溫度成正比)電流，最后流過(guò)電阻產(chǎn)生PTAT(與絕對(duì)溫度成正比)電壓。輸出級(jí)參考生成電路，是將核心部分電路產(chǎn)生的PTAT 電流以一定比例鏡像，然后流過(guò)電阻產(chǎn)生PTAT 電壓，與呈CTAT(與絕對(duì)溫度成反比，負(fù)溫度系數(shù))特性的工作在亞閾值MOS管的柵-源電壓Vgs相加權(quán)，最終得到近似ZTAT(零溫度系數(shù)，與溫度變化無(wú)關(guān))的參考電壓Vref。

二、整體電路設(shè)計(jì)

如Figure1所示，為本文提出的新型超低功耗亞閾值帶隙基準(zhǔn)電路架構(gòu)圖。最左邊部分為系統(tǒng)的啟動(dòng)電路，中間部分為核心主體電路，最后邊部分為輸出級(jí)Vref生成電路。進(jìn)過(guò)分析計(jì)算，每個(gè)部分所消耗的功耗分配分別：?jiǎn)?dòng)電路20nA，核心主體電路500nA，Vref參考生成電路250nA，總功耗為770n A，達(dá)到業(yè)界先進(jìn)水平。

Figure 1 超低功耗亞閾值帶隙基準(zhǔn)電路架構(gòu)圖

由于帶隙基準(zhǔn)是電路本質(zhì)上是一個(gè)自偏置電路，它天然地存在兩個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)：一個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)是零狀態(tài)，即電路中無(wú)電流流過(guò)；另一個(gè)才是我們真正需要的正常工作態(tài)。如圖Figure1所示，當(dāng)電源電壓VDD上電時(shí)候，MPS1，MPS2，MPS3，MPS4串連形成的倒比二級(jí)管，等效為電阻，對(duì)MN3管的Gate電容進(jìn)行充電。當(dāng)晶體管MN3的柵-源電壓Vgs達(dá)到一定值時(shí)(即節(jié)點(diǎn)A的電壓超過(guò)MN3管的閾值電壓一定值)時(shí)，MN3管導(dǎo)通，將節(jié)點(diǎn)B拉低，電流鏡管MP1，MP2，MP3，MP4導(dǎo)通，向 MN1，MN2注入電流，MN1和 MN2管導(dǎo)通，電路開(kāi)始建立直流工作狀態(tài)。同時(shí)，鏡像電流流過(guò)輸出級(jí)MP5和MP6，產(chǎn)生參考電壓Vref，當(dāng)Vref電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)電路中的下拉管MN4導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)A被拉低，將MN3管關(guān)斷，至此為止，整個(gè)電路完成啟動(dòng)過(guò)程，啟動(dòng)電路和核心主體電路徹底剝離開(kāi)，互相不影響。

如圖Figure1中間部分，核心主體電路主要由偽cascode電流鏡管，和下面的PTAT 電流產(chǎn)生電路組成。PTAT 產(chǎn)生電路主要原理：設(shè)計(jì)上讓MN1，MN2工作在亞閾值區(qū)，且選擇合適的比例關(guān)系，MN1和MN2的個(gè)數(shù)比為8：1，根據(jù)亞閾值區(qū) MOS管的I-V特性，，MN1和MN2二者的柵-源電壓Vgs差值(Vgs為PTAT 正溫度特性，即電阻R1兩端的電壓為PTAT 電壓；同時(shí)因?yàn)殡娮璧臏囟认禂?shù)很小，可以近似地認(rèn)為電阻是零溫度特性，因此流過(guò)電阻R1的電流為PTAT 電流，根據(jù)電流鏡的鏡像關(guān)系，MP1，MP3和MP5流過(guò)相同的PTAT 電流。另外，本設(shè)計(jì)中的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于，R1的位置在晶體管的漏極，避免了R1處在MN2管的源極和地之間，對(duì)其產(chǎn)生的襯底偏置效應(yīng)。同時(shí)，電流鏡管采用偽cascode結(jié)構(gòu)，有效提高對(duì)電源上的紋波抑制能力。

如圖Figure1最右邊部分，Vref產(chǎn)生電路是本設(shè)計(jì)的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)?？紤]到bjt的面積較大和匹配性問(wèn)題，沒(méi)有采用傳統(tǒng)的bjt的VBE作為CTAT(與溫度成反比)電壓，而是采用工作在亞閾值區(qū)的MOS管的柵-源電壓Vgs得到CTAT電壓。核心主體電路產(chǎn)生的PTAT 電流，鏡像流過(guò)MP5，MP6，和R2，在電阻R2上產(chǎn)生PTAT 電壓，和處于亞閾值區(qū)的二極管連接方式的MN5的Vgs電壓加權(quán)疊加，得到零溫度系數(shù)的參考電壓Vref。

三、設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

最后通過(guò)cadence工具仿真，得到該電路的工作特性。該電路總功耗約770n A，可以支持輸入VDD電源電壓范圍為1.8—3.6V，輸出參考的線性度為50.2ppm。當(dāng)電源電壓為3.0V，Typical corner，常溫(T=25℃)條件時(shí)，輸出參考電壓為1.176V，低頻(f=1k Hz)時(shí)，電源抑制比為-66dB，當(dāng)溫度在-40℃與125℃之間變化時(shí)，輸出電壓的變化小于+/-2%。

四、總結(jié)

本文提出的新型超低功耗亞閾值型帶隙基準(zhǔn)電路，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的對(duì)功耗的迫切需求，同時(shí)具備良好的線性度和低溫漂性能和小面積等優(yōu)點(diǎn)，在SOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有很高的實(shí)用價(jià)值，可以廣泛應(yīng)用到各類便攜式電子產(chǎn)品中。