一种低功耗无运放结构的基准电压源设计

黄祥林，李富华，宋爱武

（苏州大学电子信息学院，江苏苏州215000）

1 引言

基准电压源一直都是模拟集成电路中不可或缺的电路单元之一，一个理想的基准电压源应该具有良好的温度系数、高电源抑制比、低功耗以及低输出噪声，具体指标的取舍由具体应用环境而定，例如，线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）芯片需要基准电压有较高的电源抑制比，基准电压的电源抑制比将直接影响LDO输出电压的电源抑制比；在模数转换芯片中，一般要求带隙基准输出的噪声尽可能低；在某些低功耗的集成电路中，可能还会要求基准电压具有低压启动的功能。

在便携式电子产品普及的今天，人们对设备的续航能力提出了越来越高的要求，基准电压源是每个集成芯片中几乎必不可少的电路单元之一，因此，基准电压电路低功耗的实现成为了一直以来研究的热点。近些年，一些学者也对低功耗的带隙基准进行了大量的研究。文献[1]使用工作在亚阈值区的MOS管代替三极管，结构简单，但电路整体功耗很高，电源抑制比很低，不能满足设计要求，文献[2]使用工作在线性电阻区的MOS管代替电阻产生正温度系数（Proportional to Absolute Temperature，PTAT）电流，实现了全MOS结构的带隙基准，但是该结构电源抑制比较低，而且用MOS管代替电阻，阻值不容易控制，温度系数也不理想；文献[3]也是全MOS结构的带隙基准，其中的电路结构复杂，而且需要严格设计MOS管的宽长比来调出一个与温度无关的电压；文献[4]提出的基准电压结构简单，温度系数良好，但是需要比较高的电压才能建立起稳定的输出，电源效率低，电源抑制比也有待提高。为了对低功耗的基准电压源性能做更进一步的优化，本文在现有的研究基础上，设计出了一种结构简单、功耗低、电源抑制比高、电源利用率高的基准电压电路。

2 带隙基准原理分析

带隙基准源的基本思想是通过两个分别呈正、负温度系数的电压之和来得到一个与温度无关的基准电压：

其中V1与V2有着相反的温度系数，通过调节α1与α2的值，当式（1）满足时，Vref视为几乎不受温度的影响。

传统的电流模型带隙基准源的结构如图1所示，此电路最大的优点是输出的基准电压值可调以及可以输出一个几乎与温度无关的基准电流。其中运用到了一个工作在深度负反馈的运放，使得VA=VB，从而可以产生一路与温度呈正相关的电流，增加了两路电阻R1，可以产生一路与温度呈负相关的电流，这两路电流之和为一个与温度无关的基准电流，通过调节R0、R1和R3的阻值，可以输出一个与温度无关的基准电压。P1与P2的宽长比一致，三极管Q1与Q2发射极面积之比为N∶1，流过P3管的电流表达式为：

图1 传统电流模结构的带隙基准电路

其中VBE2为三极管Q2的基极与发射极之间的电压，VT为热电压，室温下约等于26 mV。因此，基准电压的输出表达式为：

从式（3）可知，调节电阻R1与R0的比值，可以用于补偿VBE的负温度特性，调节电阻R1与R2的比值，可以输出一个任意大小的基准电压。然而，如果需要实现低功耗，传统带隙结构存在众多缺陷：①运放的加入会消耗许多电流；②运放失调电压会使得理论计算产生一定偏差，从而电阻R的值不能很好地确定；③低功耗需要比较小的正温度系数电流，因此电阻R0、R1的阻值必然会很大；④基准电压直接在P3管的漏端输出，电源抑制比不理想。所以，需要提出新的电路结构，来解决实现低功耗过程中存在的诸多问题。

3 本文提出的基准电压源

传统的带隙结构使用三极管来产生正温度系数的电流和一路负温度系数的电流，由于三极管在流过纳安级别电流的情况下，VBE也可以达到500 mV以上，为了使R1上的电流也为纳安级别，R1的阻值将需要几兆欧姆，这样的大电阻会占用很大的版图面积。为此，本文提出了一种无三极管结构、无需运放的低功耗基准电压，电路原理如图2所示。

图2 本文提出的基准电压电路

3.1 启动电路

本文所使用的电流基准电路存在简并点，简并点会使得PM3管的栅极一直处于高电平，NM6的栅极一直处于低电平，如果电路稳定在这种状态，那么电路基准电路将不能输出一个设计者所需要的偏置电流，为了消除这种隐患，需要加入启动电路，使电路脱离简并点。设置NM1、PM1的尺寸，使得工作在亚阈值区的NM1产生的电流小于也工作在亚阈值区PM1的电流，因此，在启动阶段时，PM0的栅极为低电平，PM0被导通，NM3有电流流过，NM4的漏极被拉至低电平，电流基准电路脱离简并点正常工作；当基准电压电路启动完毕时，由于PM2没有电流通路，PM0栅极最终会被拉至高电平，PM0截止，NM3、NM4也截止，启动电路不消耗额外的静态电流。

3.2 基准电流产生电路

基准电流产生电路产生的电流给基准电压产生电路提供电流偏置，该结构增加了PM3所在的支路，不仅能在电阻R0阻值尽可能小的情况下产生纳安级的偏置电流，还具有增加环路稳定性的作用。电路中的NM6、NM7都工作在亚阈值区，工作在亚阈值区的MOS管电流表达式为：

其中μ0为载流子迁移率，Cox为单位面积栅氧电容，n=1+CD/Cox，CD为衬底与沟道之间的耗尽层电容，n的取值一般为1～2，W/L为MOS管的宽长比。当Vds＞4VT时，由于e-4≈0.018315，式（4）可以简化为：

由式（5）可知，工作在亚阈值区的MOS管的栅极与源极之间的电压VGS可表示为：

加在电阻R上的电压为VGS_NM7-VGS_NM6，VGS_NM7为NM7的栅极与源极之间的电压，VGS_NM6为NM6的栅极与源极之间的电压，电路中流过PM3、PM5、PM7的电流之比为K∶1∶1，NM7、NM6的宽长比为1∶N，故可以求出流过NM7的最小基准电流I为：

3.3 基准电压产生电路

该基准电压产生电路的核心是使用工作在亚阈值区的增强型和耗尽型的NMOS管，运用两个NMOS管的VGS之差来产生一个与温度近似无关的基准电压。NM11管为增强型的NMOS管，NM12管为耗尽型的NMOS管，它们的唯一区别是：增强型的NMOS管阈值电压Vth为正值，耗尽型的NMOS管的阈值电压Vth为负值。两个不同类型的NMOS管的VGS之差可以表示为：

式（8）中，第一项为负温度特性的电压，第二项为正温度特性的电压，可以调节流过NM11和NM12管的电流以及它们的宽长比来修正Vth11和|Vth12|在温度系数上的偏差，使两个NMOS管的VGS之差为一个与温度几乎无关的基准电压Vref。

为了提高基准电压电路对电源电压的抗干扰能力，在耗尽管NM13的上方加入了一个同为耗尽型、隔离型的NMOS管NM14，使得NM13的漏极不直接接在电源电压上，起到隔离作用，同时NM13、NM14构成共源共栅结构，使得电源上的扰动在基准的输出端得到衰减。由式（8）可知，建立一个稳定的基准电压与ID6和ID8的大小并无关系，只要电路中电流镜正常工作即可，又由于NM13为耗尽管，其栅极电压始终小于源极电压，在电源电压上电过程中，NM13的栅极只需上升至Vref-|VGS_PM13|，就可以输出一个Vref了，所以，本文提出的基准电压电路的压差非常小，大大提高了电源利用率。

4 仿真结果与分析

采用0.18 μm CMOS工艺，使用5 V电源电压供电，在TT工艺下，对此基准电压电路进行温度系数仿真，仿真的温度范围为-40～125℃，仿真结果如图3所示，可以看到在全温度范围内，输出电压仅变化了1.6 mV，温度系数为9.56×10-6/℃，该结果表明，在稳定输出1.03 V电压的同时，此基准电压电路还具有良好的温度系数。

图3 温度系数仿真结果

为了验证此基准电压电路的抗电源纹波干扰能力，对其电源抑制比进行仿真。图4为电源抑制比的仿真结果，可以看到电源纹波频率在100 Hz时，电源抑制比可达-72.11 dB，电源纹波频率为1 kHz时，电源抑制比仍可保持在-67.70 dB，相对于传统的带隙基准结构，本文提出的基准电压电路电源抑制比有所提高。

图4 电源抑制比仿真结果

通过DC扫描电源电压VDD从0.00至5.00 V的变化，得到的仿真结果如图5所示（2 V后基准电压保持不变，图中省略），当VDD上升至1.12 V时，即可输出一个1.03 V的基准电压，压差为92 mV，故该基准电压电路的电源利用效率很高。

图5 压差仿真结果

对电源电压从0上升至5 V（1 μs电源快上电与100 ms慢上电两种情况下）进行Tran仿真，观察最后基准电压源是否能够稳定建立起来，仿真结果如图6、7所示，结果表明，在两种情况下，基准电压都能够稳定输出大约1.03 V的电压。

图6 1 μs电源快上电过程Tran仿真结果

图7 100 ms慢上电过程Tran仿真结果

最后，在TT、FF、SS、SF、FS几种工艺的组合下，对此基准电压的温度系数、整体的电流消耗进行了仿真，仿真结果如图8、9所示。结果显示，该基准电压电路可以稳定工作，在考虑极端条件下，基准电压最高为1.1479 V，最低为0.9135 V，可以作为修调的参考范围，基准电压变化最小913.9 μV，最大为11.65 mV，电源抑制比在最坏时，整体的电流消耗在常温的TT工艺下只有164.8 nA，最坏时，电流消耗也仅有214.9 nA。

图8 不同工艺下的温度系数仿真结果

表1 给出了本文与参考文献中各电路性能的对比，可以明显看出，本文解决了文献[1]中电路功耗大的问题，电源抑制比也高得多；相对于文献[2]，电路在实现低功耗的同时，温度系数和电源抑制比也得到了很好的改善；同时，本文提出电路的结构也比文献[3-4]有更好的温度系数和更高的电源抑制比。

表1 参考文献与本文提出的电路性能对比

5 结论

本文使用了两种不同类型且工作在亚阈值区的NMOS管，通过调节流过它们的电流以及宽长比，得到了一个温度系数良好的基准电压源，该基准电压电路不仅结构简单，且具有很高的电源抑制比，仿真结果显示，该电路可以稳定地输出一个1.03 V的基准电压，整体只消耗了164.8 nA的电流，在5 V电源供电下，功耗仅为0.824 μW，低频电源抑制比可达-72.11 dB，满足了业界对基准电路低功耗高电源抑制比的设计要求。

图9 不同工艺下的整体电流消耗仿真结果