应用于便携式ECG的低耗能高精度带隙基准电路设计
2019-04-04董晨段权珍范艺晖丁月民黄胜明
董晨 段权珍 范艺晖 丁月民 黄胜明
关键词： 带隙基准电路; 亚阈值区域; CMOS; 高阶温度曲线补偿; 超低功耗; 心电监测
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2019）02?0026?04
Design of low?power consumption and high?precision bandgap reference circuit applicable for portable ECG monitoring device
DONG Chen1， DUAN Quanzhen2， FAN Yihui2， DING Yuemin1， HUANG Shengming2
（1. Tianjin Key Laboratory of Intelligent Computing and Novel Software Technology， School of Computer Science and Engineering， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China; 2. School of Electric and Electronic Engineering， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China）
Abstract： A low?power consumption and high?precision bandgap reference circuit applicable for the ECG monitoring chip is designed to meet the low?power consumption application requirement of the portable ECG monitoring device. The ultra?low?power consumption is achieved for the circuit by adopting the CMOS transistor working in the sub?threshold region. The high?order temperature curve compensation technique is adopted to improve the accuracy of the reference voltage output by the circuit. The standard CMOS 180 nm process design is adopted for the circuit. The simulation results show that the output reference voltage is 1.16 V and the temperature coefficient is about 3.3 ppm/°C in the temperature range of ?40～100 °C， and the power consumption of the circuit is 6.2 μW at the power supply voltage of 1.3 V.
Keywords： bandgap reference circuit; sub?threshold region; CMOS; high?order temperature curve compensation; ultra?low?power consumption; ECG monitoring
0 引 言
近年来，心电（ECG）监测技术成为全球范围的研究热点。便携式心电监测设备相较于传统设备而言，可以在不影响人们日常生活的前提下，实现对心电信号的实时全方位监测，对临床医疗诊断以及人工智能研究具有重要的意义，也是未来的必然发展趋势[1?2]。由于受限于便携式设备体积的严格要求，便携式心电信号监测设备中电池的有限容量特性限制了其供电能力。低功耗心电信号监测芯片作为便携式心电信号监测设备的核心，其特性严重影响并制约着心电信号监测设备的性能。带隙基准电路[3?7]作为芯片中模拟信号处理电路以及模/数转换器（ADC）的基准源，其输出基准电压精度从根本上决定着心电监测芯片的性能，如图1所示。
为满足便携心电监测设备中低功耗的应用要求，本文设计了应用于一款便携式“心电监测”芯片的低功耗且高精准度的带隙基准电压电路。通过采用工作于亚阈值区域晶体管实现了高阶温度曲线补偿，该技术有效地提高了基准电路的精度。同时本文设计所采用的MOS晶体管均工作于亚阈值区域，从而在确保输出基准电压精度的同时有效降低了电路功耗，实现了适宜于便携式心电监测芯片的带隙基准电压电路。
1 传统带隙基准电压电路
图2为传统的一阶温度补偿带隙基准电路，由BJT管（Q1～Q3）、镜像MOS管（M1～M3）、运算放大器和若干电阻构成。运算放大器使[VP]和[VN]为“虚地点”，因此R1上的电流可表示为：
[IR1=VBE1-VBE2R1=VTlnNR1]
式中：[VT=kT/q]为热电压;k为波尔兹曼常数;q为一个电子的电量。镜像MOS管使M3拥有与M1和M2相等的电流，则输出基准电压VREF可表示为[4，7]：
[VREF=VBE3+R2R1lnNVT=VBE3+MVT] （1）
式中：[M=（R2R1）ln N]是一个与温度无关的常量;[MVT]为正温度系数的电压变化量。带隙基准电压电路的基本原理是利用正温度系数的变化电压与负温度系数的变化电压加权求和得到，如图2所示。实现了在全温度范围内接近于零温度系数的输出基准电压[7]。
[VBE（T）=VG0（Tr）-TTr[VG0（Tr）-VBE（Tr）] - （η-ξ）VTlnTTr] （2）
式中：[VG0（Tr）]是在參考温度[Tr]时的带隙电压;[ξ]是集电极电流的温度阶数;[η]是与工艺有关的常数。[TTr[VG0-VBE（Tr）]]为一阶温度分量;[（η-ξ）VTln（TTr）]为高阶温度分量。可见，[VBE（T）]中一阶温度分量为负温度系数电压变化量，通过恰当选取[MVT]可将其抵消。如图2a）所示，此过程为传统带隙基准电压电路的基本原理，由于[VBE（T）]中高阶温度分量没有得到补偿，传统的带隙基准电压电路精度较低。而且其运算放大器以及工作于饱和区的MOS晶体管使传统的带隙基准电压电路功耗较高。为满足心电监测芯片的低功耗和高性能需求，本文设计了高阶温度曲线补偿的超低功耗带隙基准电压电路。
2 本文设计的高阶温度曲线补偿的带隙基准电压电路
图3为本文设计的高阶温度补偿的带隙基准电路，其由带隙基准核心电路、运算放大器电路以及启动电路构成。运算放大器采用二阶结构取得了较高的DC增益，使其输入两端[Vp]和[Vn]为“虚地”，即[Vp=Vn]，二阶运算放大器采用密勒补偿技术保证了电路的稳定性[4]。PM5～PM8采用相等的栅宽和栅长，且相互镜像，因此晶体管PM5～PM8有近似相等的漏电流可表示为：
[ID，PM5～PM8=VBE1-VBE2R1+ID，NM7] （3）
式中[ID，NM7]为晶体管NM7的漏电流。为提高镜像电路的精度，本设计中镜像晶体管采用了较大的栅长尺寸[4]。为减小功耗，本设计选择[R1]为80 kΩ，并通过适当选择PM5～PM8的栅宽从而确保它们工作在亚阈值状态，PM5～PM8的漏电流可表示为[4]：
[ID，PM5～PM8=ID0·expqVGSξVT， VGS≈VTH，VGS 式中：[ξ]是由工艺决定的参数;[VT=kTq];[q]为一个电子的电量。NM7的偏置电压[VGS=Vm=ID，PM7?R3]，适当选择[R3]可使得NM7工作于亚阈值区域。因此，NM7的漏电流随着温度呈指数变化，且可用式（4）表示。并且通过选择合适的栅宽和栅长可使NM7的漏电流远远小于PM5～PM8的漏电流。图3中输出基准电压[Vref]可表示为： [Vref=VBE3+ΔVBER1+ID，NM7R2 =VBE3+VTln nR1R2+ID，NM7R2 =VBE3+VTln nR1R2+ID0eqVGS7VTR2 =VG0（Tr）+-[VG0（Tr）-VBE（Tr）]TTr+VTln nR1R2+ -（η-ξ）VTln（TTr）+ID0eqVGS7VTR2] （5） [VBE（T）]中的一阶分量可通过恰当选择[R1]和[R2]的比值得到完全补偿，其原理为传统一阶带隙基准电压电路基本原理。工作于亚阈值区域的NM7产生的漏电流对[VBE（T）]中的高阶分量进行补偿，实现了高精度的带隙基准电压电路。
本设计为降低功耗，运算放大器偏置电流为100 nA，并通过对运放中所采用的MOS管栅宽和栅长调整，使它们全部工作在亚阈值区域。仿真结果显示运放DC增益为96 dB，且相位裕度为60.5°，在高增益下确保了带隙基准电路的稳定性。为避免带隙基准电路进入死区，即放大器的偏置电路进入简并态系统会无法正常工作。本设计加入了启动电路，如图3所示。
3 仿真结果
该设计采用标准180 nm CMOS工艺模型，使用Cadence仿真工具进行验证。电源电压为1.3 V，一阶带隙基准电路，在-40～100 ℃范围内，输出基准电压大约为1.16 V，温漂系数为10.6 ppm/℃， 如图4a）所示。本文设计通过采用高阶曲率补偿技术取得了高阶温度曲线补偿，极大地提高了输出基准电压的精度，如图4b）所示。在-40～100 ℃的温度范围内，输出基准电压约为1.16 V，温漂系数为3.3 ppm/℃。为提高版图中电阻的匹配度，本设计中电阻均采用多个单位电阻串并联的方式实现[4]。在版图设计本电路对敏感电路，如运算放大器的差分对输入晶体管以及镜像晶体管采用了共心形的版图技术[4]。电路性能比较如表1所示。
4 结 语
本文介绍了一种适用于便携式心电信号监测芯片的低功耗且高精准的带隙基准电压电路。仿真结果显示，通过采用高阶温度曲线补偿，在温度范围-40～100 ℃，温漂系数为3.3 ppm/℃。在1.3 V的电源电压下，输出稳定的基准电压为1.16 V，功耗为6.18 μW。
注：本文通讯作者为段权珍。
参考文献
[1] 温美英，程亚宇，李烨.全定制心电采集的模拟集成电路设计[J].集成技术，2013，2（1）：42?46.
WEN Meiying， CHENG Yayu， LI Ye. A full custom analog IC for ECG measurement [J]. Journal of integration technology， 2013， 2（1）： 42?46.
[2] DUAN Q， JUNG Y， CHOI D， et al. A 1.2 V 83dB DR single?ended input SC ΔΣ modulator including a large?swing analog buffer for portable ECG applications [J]. International journal of circuit theory and applications， 2016， 44（12）： 2164?2173.
[3] 张献中，张涛.一种三阶曲率补偿带隙基准电压源的设计[J].武汉科技大学学报，2015，38（1）：67?71.
ZHANG Xianzhong， ZHANG Tao. A bandgap voltage reference with third?order curvature compensation [J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology， 2015， 38（1）： 67?71.
[4] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].北京：清华大学出版社，2004.
RAZAVI B. Design of analog CMOS integrated circuit [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2004.
[5] 杨宁，史仪凯，袁小庆，等.高精度、低功耗带隙基准源及其电流源设计[J].传感技术学报，2014，27（1）：58?63.
YANG Ning， SHI Yikai， YUAN Xiaoqing， et al. Design of high precision bandgap reference and current reference with low power consumption [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2014， 27（1）： 58?63.
[6] 王宇奇，何进，张贵博，等.BiCMOS带隙基准电压源的设计及应用[J].电子技术应用，2016，42（11）：33?36.
WANG Yuqi， HE Jin， ZHANG Guibo， et al. Design and application of BiCMOS band?gap reference source [J]. Application of electronic technique， 2016， 42（11）： 33?36.
[7] DUAN Q， ROH J. A 1.2 V 4.2 ppm/℃ high?order curvature?compensated CMOS bandgap reference [J]. IEEE transactions on circuits and systems I： regulator papers， 2015， 62（3）： 662?670.
[8] 张博亮.一种基于LDO稳压器的带隙基准电压源设计[J].电子设计工程，2015，23（24）：64?66.
ZHANG Boliang. Design of a bandgap reference for LDOs [J]. Electronic design engineering， 2015， 23（24）： 64?66.
[9] 邢小明，李建成，郑礼辉.一种低功耗亚阈值CMOS带隙基准电压源[J].微电子学与计算机，2015，32（10）：151?154.
XING Xiaoming， LI Jiancheng， ZHENG Lihui. A low?power bandgap voltage reference based on subthreshold CMOS [J]. Microelectronics & computer， 2015， 32（10）： 151?154.
[10] MA Y， TIAN W J， FAN Y Y. Improved quantum ant colony algorithm for solving TSP problem [C]// Proceedings of IEEE Workshop on Electronics， Computer and Applications. Ottawa： IEEE， 2014： 453?456.
[11] 郭振义，林长龙，刘畅，等.一种基于BICMOS工艺的低温度系数带隙基准电压源[J].南开大学学报（自然科学版），2016，49（5）：25?28.
GUO Zhenyi， LIN Changlong， LIU Chang， et al. A low temperature coefficient bandgap reference voltage source based on BICMOS process [J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nankaiensis， 2016， 49（5）： 25?28.
[12] 曾衍瀚，黄毅荣，李毓鳌，等.超低功耗亚阈值CMOS电压基准电路[J].微电子学，2014，44（3）：301?304.
ZENG Yanhan， HUANG Yirong， LI Yuao， et al. Ultra?low?power sub?threshold CMOS voltage reference circuit [J]. Microelectronics， 2014， 44（3）： 301?304.
