一种新颖不带电阻的基准电压源电路设计

在此，提出一种通过两个工作在饱和区的MOS管的栅源电压差原理，产生一个与绝对温度成正比(PTAT)的电流，利用这个电流与一个工作在饱和区的二极管连接的NMOS晶体管的阈值电压进行补偿，得到了一个低温漂、高精度的基准电压源。

1 PTAT电流的产生

两个工作在弱反型区的NMOS晶体管M1和M2的结构如图1所示。

其输出电压V0可以表示为：

式中：UT=kT/q;k为波尔兹曼常数；△V表示实际中晶体管失配引入的误差，是个常数，这里忽略它的影响。由此得到：

式中：是由温度决定的倍增因子，后面将对其温度特性进行讨论。

对于NMOS晶体管M1和M2，其栅源电压分别为Vgs1和Vgs2，那么图3中电压为：

如果利用前面提到的两个工作在弱反型区的MOS管输出电压特性来控制两个工作在饱和区的NMOS的栅极电压Vgs1和Vgs2，使得：

式中：λ为比例常数。

将式(5)代入到式(3)可得：

对于参数KM1，它主要受晶体管迁移率λ的影响，通常被定义为：

式中：T为绝对温度；α由工艺决定，典型值为1．5。将式(7)代人式(6)可得：

它为一个与温度无关的常数。

通过上面分析可知，此方法可以得到一个与绝对温度成正比(PTAT)的电流I1。具体实现电路如图3所示。

图3电路中，M3～M6四个PMOS晶体管工作在饱和区，它们的宽长比相同。M1和M2两个NMOS晶体管工作在饱和区，它们的宽长比为(W／L)2／(W／L)1=m。通过调节电路，使得M7～M10四个NMOS晶体管工作在深线性区。现在讨论电路的工作原理。

对于X点和Y点的对地电压，可以分别表示为：

通过式(5)和式(15)可以看出，在这个电路中，式(5)的系数：

它是一个仅与器件尺寸有关，而与温度无关的常数。

通过式(9)和式(10)可知，此电路可以产生一个与绝对温度成正比的电流。

2 基准电压的产生

对于一个工作在饱和区的二极管连接NMOS晶体管，如图4所示，它的Vgs=Vds流过它的饱和漏电流为：

对于MOS管的阈值电压Vth，它的一阶近似表达式可以表示为：

式中：Vth0为MOS管工作在绝对零度时的阈值电压；aVT为一个与温度无关的常数；T-T0为温度变化量。对于一个MOS管的迁移率μn：它的大小可以表示为：

μn=μn0(T／T0)-m (19)

式中：μn0为绝对温度时MOS管的迁移率值；T0为绝对零度；T为温度变化量；m为比例变化因子，它的典型值为1．5。

令式(10)中I1为式(17)中的Id，即：I1=Id，将式(10)、式(18)和式(19)代人式(17)整理可得：

从式(21)可看出，如果适当调节晶体管的宽长比W／L，使得зVgs／зT=0，即：

便可以得到一个高精度、与温度无关的Vgs,即Vref=Vgs=Vds。此思想设计的具体实现电路如图5所示。

对图5进行分析，NMOS晶体管M1和M2通过Vgs1和Vgs2产生漏电流Id1,再通过电流源M3和M7，使得它流入二极管连接的NMOS晶体管 M12,产生一个基准电压源Vref。在图5中，M3～M7五个晶体管尺寸相同，M1和M2晶体管的宽长比比例为1：m。式(21)中的W／L为图5中二极管连接M12管的宽长比。

3 仿真结果

对图3PTAT产生电路进行仿真，可以得到图6仿真结果。

从图6仿真结果可以看出，流过M1管的漏电流与绝对温度成正比，αI／αT△0．6。

对图5基准电压源电路进行仿真，可得如图7所示结果。通过对图7分析可知，在25℃时，基准电压源的电压约为1．094．04 V，在整个温度范围(-40～80℃)内，其温度漂移系数为6．12 ppm／℃，满足高精度基准电压源的设计要求。

4 结 语

在此，基于SMIC 0．18μm CMOS工艺，采用一阶温度补偿作为基准电压补偿，提出一种新颖的PTAT电流产生电路结构，以对二极管连接的NMOS晶体管的阈值电压进行补偿，得到一个高精度基准电压源。该电路占用芯片面积小，精度高，可移植性强，非常适用于当今高精度的A／D，D／A和高精度运放偏置电路。此电路已成功应用于某款高速DAC芯片中。