一款带POR的可校正低功耗电压基准源

蔡超波，凡东东，宋树祥，岑明灿

(广西师范大学电子工程学院，广西桂林541004)



一款带POR的可校正低功耗电压基准源

蔡超波，凡东东，宋树祥，岑明灿

(广西师范大学电子工程学院，广西桂林541004)

摘要：为了解决低功耗、深亚微米工艺条件下基准源的精度问题，本文通过引入工作在亚阈值区MOS管和数字微调技术，提出一种带POR的可校正超低功耗电压基准源，并采用TSMC 90 nm COMS工艺对其进行仿真验证。仿真结果表明：该基准源总电流仅为0.876 μA，温度系数为24.4 10-6/℃，微调电压步进为25 mV。本文提出的基准源与传统基准源比，具有低温漂、可校正、低功耗等优点，适用于便携式低功耗电子产品。

关键词：基准源；低功耗；校正；POR

0引言

基准源在存储器、模数/数模转换器和电源管理等电路中是应用最为广泛的一种模拟电路。随着集成电路工艺尺寸的不断减小以及便携式设备的迅速发展，电子产品对功耗的要求越来越高，因此低功耗的基准源显得愈发重要[1-2]。传统的基准源利用三极管的基极-发射极电压UBE和偏压ΔUBE以不同的权重叠加得到零温漂的基准电压[3-4]，但这种类型的基准源功耗较大，另外由于UBE具有温度的高阶项，因此极大地影响了基准源的温度特性[5-6]。为了减少基准源的温度漂移，许多高阶温度补偿技术被采用，如二次温度补偿、指数型温度补偿、MOS管衬底补偿、电阻温度补偿等[7-9]。这些技术都需要使用更多的电阻或运放，不仅芯片面积和成本增加，而且电路功耗也会增加。为了解决上述问题，本文提出一种新型基准源电路架构，该结构采用工作在亚阈值区MOS管和数字微调技术来解决基准源功耗与精度问题；另外该结构带POR(上电复位)功能，当电路欠压时可产生复位信号，且具有高精度、低功耗等优点。

1原理分析

1.1基准源设计原理

亚阈值区是MOS管工作在强反型区和截止区之间，亚阈值区MOS管的栅源电压UGS具有负温度系数[10-11]，它的漏极电流ID传输方程为：

(1)

由式(1)可以得到

(2)

本文设计的基准源原理图如图1所示，晶体管M1与M4、M3与M6分别形成共源共栅结构，不仅保持了电流源的恒流特性，还有效地提高了基准源的电源抑制比。晶体管M5-M6构成电流镜，若尺寸(W/L)5=(W/L)7，则流过M1、M2的电流相等，即：ID1=ID2。

由式(2)可以得到流过电阻R1的电流IR1(或M5的电流)为

(3)

电流IR1经过M7电流镜复制到输出端，从而产生输出基准电压UREF，

(4)

将式(3)代入式(4)，且UT=kT/q，输出基准电压为：

(5)

图1　本文设计的基准源原理图Fig.1　Proposed schematic diagram of reference

Trim<2>Trim<1>Trim<0>UREF/V1111.71101.7251011.751001.7750111.80101.8250011.850001.875

1.2基准源整体电路

本文设计的基准源主体电路如图2所示，该结构包括上电复位电路(POR)、启动电路、偏置电路、基准源产生电路和输出缓冲电路。

1.2.1校正电路

由于MOS管和电阻失配以及工艺角的影响，输出的基准电压会偏离理想的基准值，从而使得输出电压产生误差。为了消除输出电压产生的误差，将图1中的M8b改为图3所示的MC1～MC8，并由三位数字编码控制MOS管导通与关断，从而形成输出电压校正机制。校正编码与输出电压的对照表格如表1所示，该电路可实现输出电压微调，微调步进为25 mV，从而可获得更精确的基准电压。电路正常工作时默认编码为011，输出基准电压为1.8 V。

1.2.2启动电路

在电源上电过程中，为避免零电流(简并)状态，需要设计启动电路[12-13]，本次设计的启动电路如图2所示，由M13～M17、C1和C2组成。上电瞬间，晶体管电流为零，M13和M14栅极为低电平，而M13和M14的源级为高电平，故M13和M14开始导通为基准源主体电路提供电流，使电路慢慢脱离零状态，最终正常工作。上电过程中M17复制M5的电流给C1充电，最终会使得C1上极板电压达到UDD，由于M13和M14栅极变为高电平，源极也为高电平，因此M13和M14关闭。同时M15和M16组成的反相器输出VDET为低电平信号，代表基准源进入正常工作状态。

图2　带POR的可校正低功耗电压基准源Fig.2　Correcting low-power voltage reference with POR

图3　数字控制校正模块Fig.3　Digital control correcting module

图4　POR信号检测模块Fig.4　POR signal detection module

1.2.3POR(上电复位)电路

1.2.4输出缓冲器电路

缓冲电路如图2所示，该缓冲器采用带有密勒补偿的两级运算放大器，运放接成单位增益缓冲器，极大地提高了输出的稳定性，增强了基准源带负载能力。

2仿真验证

本次设计的基准源采用TSMC90nm工艺库，经cadencespectre仿真验证。在3.3V电源电压下，从-40 ℃至100 ℃进行温度扫描，得到的温度特性仿真结果如图5所示，由仿真结果可以得出基准电压温度系数为24.4 10-6/℃。基准源输出电压校正仿真结果图6所示，输入校正编码：000～111，可实现以步长25mV对输出基准电压进行校正，从而减少输出电压误差，提高基准源的精度。POR仿真结果如图7所示，上电翻转电压为1.3V，下电翻转电压为1.2V，实现了100mV的迟滞，避免了电源电压在复位电压附近波动使得复位信号不断翻转。基准源电源抑制比仿真结果如图8所示，其在低频为-68dB。基准源的主要性能参数如表2所示，与同类型的基准源(文献[3-5，8])性能相比，本文设计的基准源温度系数、功耗、电源抑制比均具有较好的特性，而且输出基准电压可校正，因此具有一定的应用价值。

图5　基准电压温漂Fig.5　Temperature coefficient of the voltage reference

图6　输出电压校正码Fig.6　The correcting code of output voltage

图7　上电复位迟滞窗口Fig.7　The hysteresis window of power-on-reset

图8　电源抑制比特性Fig.8　The power supply rejection ratio responses

参数本文文献[3]文献[4]文献[5]文献[8]工艺/nm9090350130130温度范围/℃-40～100-40～805～95-20～850～100电源电压/V1.9～51.05～1.350.9～3.50.75～51～2.3温度系数/(10-6/℃)24.628.3204048电源抑制比/dB-68.7--47.6-50-51.4电流消耗/μA0.876230.5160.2008.1

3结论

本文提出了一种低功耗可校正电压基准源，该基准源利用负温度特性的MOS管栅源电压UGS与一个正温度特性电压叠加求和，从而获得较低温度系数的基准电压；该基准源采用了数字修调技术，可大大降低基准电压误差，提高了输出基准电压的精度；此外，该基准源添加了带迟滞窗口的上电复位电路，当电源欠压时会产生复位信号，并避免了电源电压在复位电压附近波动时使得复位信号来回翻转。该基准源总体功耗仅为2.89 μW，因此特别适用于低功耗芯片中。

参考文献：

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(责任编辑李小玲)

A Correctable Low-power Voltage Reference with POR

CAI Chaobo，FAN Dongdong，SONG Shuxiang，CEN Mingcan

(College of Electronic Engineering，Guangxi Normal University，Guilin Guangxi 541004，China)

Abstract:In order to solve the problem of accuracy problem of voltage reference in low power and deep sub-micron process，a correctable ultra low power voltage reference with power on reset (POR) is proposed，by introducing the MOS tube working in the sub-threshold region and digital trimming technology. The voltage reference is simulated by Spectre in TSMC90 nm COMS technology. Simula-tion results show that，the designen reference achieve total current of only 0.876 μA，temperature drift coefficient of 24.4 10-6/℃ and tunable voltage with 25 mV steps. Compared with traditional voltage reference，the proposed voltage reference has the advantages of low temperature drift coefficient， easy correction and low power consumption， and can be applied to low-power and portable electronic devices.

Keywords:voltage reference； low-power； correction； POR

中图分类号：TN432

文献标志码：A

文章编号：1001-6600(2016)01-0026-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61361011)；广西高校优秀青年骨干教师培养计划项目(GXQG022014002)；广西自然科学基金资助项目(2014jjAA70058)；广西高校科学技术研究项目(LX2014032)

收稿日期：2015-05-04

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.01.004

通信联系人：宋树祥(1970—)，男，湖南双峰人，广西师范大学教授，博士。E-mail:songshuxiang@mailbox.gxnu.edu.cn