基于亚阈值区的CMOS带隙基准电压源设计

郭俊　郭小平　詹国斌　叶晨宇

关键词：带隙基准；CMOS；二阶补偿；温漂系数

中图分类号：TN432 文献标识码：A

1 研究背景

芯片根据其实现的功能，通常被划分为不同的电路模块进行设计。其中，电源管理模块能够为整个系统提供精确稳定的电压和电流基准，其性能优劣能直接影响产品的可靠性，是整个系统正常工作的首要保障，也是所有芯片的基本核心模块之一。因此，研究高性能的基准源电路具有十分重要的意义。

本文提出一种基于晶体管亚阈值区间工作特性的新型带隙基准电压源。该电路采用互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxidesemiconductor，CMOS）结构来产生正温度系数和负温度系数电流，摆脱了对经典结构中双极结型晶体管（bipolar junction transistor，BJT）的依赖，这与当前主流的深亚微米芯片制造工艺更契合。同时在低温段和高温段分别施加二阶温度补偿，可在较宽的工作温度范围内保持较低的温漂系数，大幅提升了基准源的精度。

5 仿真结果

本文设计的所有电路均在Cadence 软件上進行实现和仿真，所用工艺为台积电65 nm，实验温度为-40℃ 至125℃。

由图4 可以看出，正温度系数和负温度系数电压生成的电流随温度的变化情况与输出求和曲线接近，但是由于高阶项的存在以及深亚微米器件特性产生的非理想效应，输出求和曲线存在中间低、两边高的情况，因此需要二阶补偿来进行修正。

二阶补偿电路仿真结果如图5 所示。仿真结果与设计初衷相吻合，即图2c 的电路在低温段抽取I_CTAT—I_PTAT的电流差，但在25℃ 以后基本不起作用。图2d 电路效果则正好相反。两者相结合，恰好能够实现补偿效果。

图6 为补偿前后全电路仿真结果。表1 统计了由该带隙结构产生的参考电压驱动后续电流镜所得到的电流值。由表1 可知，二阶补偿后可以有效减小高低温段与带隙基准最低点的差值，温漂系数降低约80%，电路稳定性得到大幅改善。

6结论

电源管理模块是芯片的核心电路之一，其性能直接影响系统的稳定。本文介绍了经典电源结构，提出一种基于亚阈值工作特性的CMOS 带隙基准电压源，能够更好地兼容深亚微米工艺制程。仿真结果显示，通过增加二阶补偿电路，该电路能有效减少低温段和高温段的温漂系数，较好地改善了输出偏差。