一种低温度系数恒流源设计

2020-12-18侯伶俐韦雪明

桂林电子科技大学学报 2020年3期

蒋丽，侯伶俐，韦雪明

(1.桂林电子科技大学科学技术发展研究院,广西桂林 541004；2.成都华微电子科技有限公司，成都 610041;3.桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室，广西桂林 541004)

在集成电路中，整个电路系统的稳定往往需要基准电流源提供稳定的电流。恒流源作为模拟集成电路中的一个标准单元，主要作用是给各个模块提供恒定的偏置电流，广泛地运用于各种数模电路中，如ADC、PLL等[1]。这就要求恒流源对工艺及温度、电源电压等变化不敏感。

为设计一种温度系数较低的恒流源，国内外学者对恒流源进行了不断改进和研究[2-5]。文献[6]提出了一种基于BiCMOS工艺，并以带隙基准为基础的恒流源结构；文献[7]利用电流分段线性补偿方法将整个温度范围分成2段,分别对IPATA电流进行补偿,以降低不同温度区间基准电流源的温度系数；另外，也有研究者在微电流源架构的基础上，同时增加负反馈支路，将片上电阻的温度系数、晶体管载流子的温度系数与晶体管阈值电压的温度系数相互抵消，以达到温度补偿以及减小工艺偏差的目的，从而输出稳定的微电流[8]。

鉴于此，在传统恒流源的基础上，基于NMOS管负温系数和电阻正温系数进行温度补偿，提出另一种新的基于带隙基准结构的恒流源结构，该结构电路简单，降低了设计的复杂度。

1 传统恒流源电路

通常温度补偿基准电流源利用传统的带隙基准电路中的三极管的基极与发射极的电压差的变化(ΔVBE)和片上电阻电压变化进行温度补偿。图1为一种传统的基准电流结构。在传统带隙电路的基础上，对片上电阻的温度特性进行补偿，实现了电流基准。通过节点A连接其他电路，PMOS管M1、M2的栅极将电流I1、I2复制到所需电路上。

图1 传统带隙基准电流补偿结构

该电流源在传统带隙基准电压源的基础上，在运放正负输入端均接入一个到地电阻，且R1与R2的阻值相同。PNP管Q1为一个晶体管单元， PNP管Q2为n个晶体管单元并联，运放的节点V1、V2的电压相等，则有

(1)

(2)

VBE1=VBE1,T0(1-βΔT)，

(3)

R0=R0,T0(1+γΔT)，

(4)，

其中：T0为室温；ΔT=T-T0；VBE为基极和发射极电压；VBE1,T0为室温T0下PNP管Q1集电极-发射极电压；R0,T0为室温T0下片上电阻R0的电阻；VT为正温度系数PN结阈值电压；VBE为负温度系数基极和发射极电压；R0、R1为正温度系数电阻。

通过调整各项参数，实现了I1、I2的低温漂。假设R1与R0的比值为m，将式(2)、(3)、(4)代入式(1)，对于电流I1实现零温度特性有

(5)

2 新颖的恒流源电路设计

在图1所示传统的恒流源电路中，若VBE具有一阶负温度系数，且忽略工艺上的误差，则理论上是可以获得零温度系数的电流。但在实际中，VBE具有高阶温度系数，需对高阶温度系数进行补偿才可以得到较好的温度特性。另外，在传统的带隙基准源中的双极性晶体管需要很多管子并联，通常取8个以上管子，这使得芯片面积增大，增加了制作成本。若采用多阶温度补偿，则电路复杂性变大，芯片面积会更大，成本更高。随着工艺水平的不断进步，CMOS晶体管的驱动能力有了很大提升，因此，基于CMOS工艺设计了一种新的低温度系数恒流源电流，如图2所示。采用全MOS管设计基准恒流源，将片上电阻的温度系数、NMOS管沟道迁移率的温度系数及阈值电压的温度系数在某种程度上相互抵消，以达到温度补偿的目的，从而在较宽的温度范围内稳定输出恒定的基准电流。

图2 新颖低温漂恒流源电路

在本恒流源电路中，M2、M3、M7、M8、M9组成一个基本的差分运放结构。该运放的输入V+接电阻R，输入V-接二极管接法的NMOS并联管MC，且保证管子均处于饱和状态，输出端接入电阻R支路和晶体管MC支路，使得运放工作在深度负反馈状态，保证电路平衡时运放输入端V+=V-。设置M1、M5的宽长比均为M4的K倍，则参考电流IREF=I1=KI2。其中I1为流过电阻R的电流，则节点V+的电压为

V+=I1R。

(6)

设I2为流过NMOS管MC的电流，则有

(7)

其中，μn、cox、Vth和(W/L)n分别为NMOS管MC的电子迁移率、栅氧化层电容、阈值电压和宽长比。因为V+=V-，所以有

(8)

根据电流复制需求有

I1=KI2。

(9)

结合式(8)、(9)，可得

IREF=I1=Vth+

(10)

由式(10)可知，利用电阻的正温系数和NMOS管的负温系数抵消，可获得较小的温漂电流，实现在温度大范围变化时仍能够保持恒定的电流输出。

通常，为了实现电流镜的输出电流倍数复制，将电流镜复制管的宽长比设为倍数关系，但为了电流复制更精确，且版图上能更方便地实现电流管的匹配，可设置电流镜管子的宽长比相同，通过修改并联晶体管数目M实现电流复制。

电路采用0.18 μm CMOS工艺设计，对应的恒流源版图如图3所示。差分对管使用的是叉指型匹配方式，差分对管上的电流镜负载也采用叉指型匹配方式，上下呼应，都具有匹配功能。因M1、M4是受同一个栅源电压控制的复制管，所以M1、M4管也采用叉指型匹配方式。由于不同宽度和长度的晶体管很难实现匹配，本研究的电流镜管均采用相同的宽长比，通过改变M的值来改变复制电流的大小，以利于提高器件的匹配度。

图3 恒流源版图概貌

电路中各个模块均采用电源环或者地线环进行隔离。NMOS管使用地线环，PMOS管使用电源环，同时保护环也是衬底接触，地线环由PIMP层、DIFF层、金属1层、接触孔组成，电源线由NIMP层、DIFF层、金属1层、接触孔组成。MOS还需加入NWELL层覆盖。加入保护环使得各部分电路分隔开来，以减少相互干扰。

在差分对管和尾电流管模块均加入dummy poly，使MOS管的沟道长度尽量不受工艺制造过程的影响，以保证电路的功能正常。电阻上下两端均加入dummy电阻，以减少电阻所受的干扰。在版图空白处用大量的MOS电容填充，增强电路的高频特性，以抑制杂波。

3 恒流源仿真

基于以上分析，以0.18 μm CMOS工艺设计一个恒流源。恒流源一个最重要的特性是输出电流随温度变化，设定电源电压为1.8 V，温度变化范围为-20～100 ℃，扫描温度得到输出电流温度特性曲线，如图4所示。其中ff为快速工艺角，tt为典型工艺角，ss为慢速工艺角。从图4(a)可看出，在不同工艺角条件下，随温度变化的电流特性曲线皆为近似抛物线。从图4(b) 可看出，输出电流显示了一阶补偿特性，其最大值与最小值之差为0.26 μA，即温度系数为21×10-6℃-1。

图4 恒流源输出电流特性

电源抑制比(PSRR)是能反映对基准电流源抵抗电源电压噪声波动的能力的参数。在电源电压上叠加1 V的交流分量，使用AC仿真中的频率仿真功能，对输出电压进行运算,得到电源抑制比仿真曲线如图5所示。从图5可看出，电路中增加了电源到地的电容，使得在频率为100 kHz的高频时仍能达到69 dB的抑制比，具有良好的电源噪声抑制能力。