低功耗SoC系统的高精度带隙基准

吉林大学珠海学院 蒋本福 尹雪梅 李 嘉

低功耗SoC系统的高精度带隙基准

吉林大学珠海学院 蒋本福 尹雪梅 李 嘉

本文设计了一种低功耗带隙基准电路，电路在1.2V电压下能正常输出电压0.865V。采用CSMC 0.18μm的标准 CMOS工艺，使用华大九天Aether软件验证平台，仿真结果如下：在tt工艺角下电路启动时间为7.88 us，稳定输出基准电压vref为865 mV；当电源电压为1.2V时，tt工艺角下电路的总电流为250.428nA，功耗为300.514nW；当温度在-40℃-125℃时，tt工艺角下基准电压vref的温度系数为28.236ppm/℃；电路工作电源电压范围为1 V-3 V， tt工艺角下基准电压的线性度为6.6ppm/V；在1Hz-1KHz带宽范围内，tt工艺角下基准电压vref的电源抑制比PSRR为45.10 dB；版图核心面积为0.00618 mm2。

基准电压；亚阈值；SOC

1.引言

随着现代化科技的迅猛发展，SoC技术［1］应用成为未来发展的趋势。为了满足低碳经济的需求，SoC朝着极低功耗和高性能的目标前进。因此，需要确保SoC的任何一部分功耗都要尽可能的小。而所有的这些电路中，带隙基准源不可缺少，它发挥着重要的作用。在基准源中性能比较好的就是带隙基准电压源，并且，它的准确度也直接影响着D/A和A/D转换器的精确度。因此，本文提出一款具有低压，低功耗，温度系数小，线性度小，电源抑制比高，面积小，成本低的芯片设计方法。

2.电路结构分析

本次设计的带隙基准电路结构如图1所示，由三部分组成：启动电路、电流产生电路和有源负载电路。

图1 电路原理图

启动电路［2］由PM6、PM7、NM4、NM7四个MOS管构成，其中NM4工作在线性区，而PM6、PM7和NM7工作在亚阈值区。在电路工作时，它提供一个启动电流，使电路进入正常工作状态，进入正常工作状态之后，启动电路就开始关断。

电流产生电路由PM0、PM1、NM1、NM8、NM3、NM9和R构成的，其中PM0、PM1工作在饱和区，NM1、NM8、NM3和NM9工作在亚阈值区。电流产生电路的作用是产生与电源无关的小电流进入到有源负载电路。

有源负载电路是由PM2、PM4、PM5、NM0、NM10、NM2、NM5和一个高压管M0构成，其中PM2、PM4和PM5工作在饱和区，NM0、NM10、NM2、NM5和M0工作在亚阈值区［3］［4］［5］。高压管NM5被用在该结构中，它有着与其他MOS管不同的阈值电压和温度系数。

3.电路后仿真结果

采用CSMC 0.18um的标准CMOS工艺，华大九天Aether软件验证平台，仿真与分析如下：

3.1 不同工艺角下的启动电路仿真与分析

瞬态仿真，可得到基准电压vref稳定的建立时间，如图2所示：

图2 基准电压vref稳定的建立时间波形（ff tt ss）

由图2可知，电路在不同工艺角下的启动时间相差不大。

3.2 不同工艺角下的电路功耗仿真与分析

如图3所示，各工艺角下电路的总电流分别为：ff 394.45nA，tt 314.45nA，ss 258.34 nA。

图3 瞬态仿真：电路的总电流

3.3 不同工艺角下的基准电压的线性度仿真与分析

图4 基准电压vref随电源电压变化曲线 （ss tt ff）

如图4所示，为在0V-3V工作电压内，三个工艺角的基准电压变化曲线。

3.4 不同工艺角下的电路温度系数仿真与分析

（1）基准电压vref随温度变化曲线

温度特性曲线如图5所示：在-40℃～125℃范围内，tt工艺角下温度系数为28.833ppm/℃；ff工艺角下温度系数为29.198 ppm/℃； ss工艺角下温度系数为26.679ppm/℃。

图5 不同工艺角下基准电压vref温度特性曲线

（2）在不同的电源电压下：基准电压vref温度特性曲线

图6 在不同的电源电压下：基准电压vref温度特性曲线

图7 基准电压vref的PSRR变化曲线 （ss tt ff）

如图7所示，在频率100Hz-1kHz范围内，ss、 tt、 ff三个工艺角下基准电压vref的PSRR分别为-45.09dB、 -45.55dB、 -44.12 dB。

4.版图设计

图8 电路整体版图设计

5.结论

本文展示了一种低功耗、小面积、高性能的CMOS电压基准电路。电路采用CSMC 0.18um的标准CMOS工艺实现的。常温下，当电源电压是1.2v时，基准电压的输出值为0.865v，在1KHz处的电源抑制比是50dB。在此条件下，输出电压的温度系数和线性度分别为28.236ppm/℃和4730ppm/V。

［1］詹瑾瑜.SoC软/硬件协同设计方法研究［D］.电子科技大学社，2006.

［2］周润德，金申美译.集成电路掩膜设计［M］.北京：清华大学出版社，2006（1）.

［3］陈贵灿等译.模拟CMOS集成电路设计［M］.西安：西安交通大学出版社，2002（12）.