一款高精度基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計方案

　　0 引 言

　　隨著集成電路的發(fā)展，一個高穩(wěn)定、高精度的基準(zhǔn)電壓源變得越來越重要。特別是在D/A，A/D轉(zhuǎn)換以及PLL電路中，溫度穩(wěn)定性和精度之間關(guān)系到整個電路的精確度和性能。

　　當(dāng)今設(shè)計的基準(zhǔn)電壓源大多數(shù)采用BJT帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)，以及利用MOS晶體管的亞閾特性產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓源；然而，隨著深亞微米CMOS工藝的發(fā)展，尺寸按比例不斷縮小，對芯片面積的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)重，雙極型晶體管以及高精度電阻所占用的面積則成為一個非常嚴(yán)重的問題。在此，提出一種通過兩個工作在飽和區(qū)的MOS管的柵源電壓差原理，產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比（PTAT）的電流，利用這個電流與一個工作在飽和區(qū)的二極管連接的NMOS晶體管的閾值電壓進行補償，實現(xiàn)了一個低溫漂、高精度的基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計。

　　1 NMOS晶體管的構(gòu)成

　　兩個工作在弱反型區(qū)的NMOS晶體管M1和M2的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其輸出電壓V0可以表示為：

　　式中：UT=kT/q;k為波爾茲曼常數(shù)；△V表示實際中晶體管失配引入的誤差，是個常數(shù)，這里忽略它的影響。由此得到：

　　式中：是由溫度決定的倍增因子，后面將對其溫度特性進行討論。

　　對于NMOS晶體管M1和M2，其柵源電壓分別為Vgs1和Vgs2，那么圖3中電壓為：

　　如果利用前面提到的兩個工作在弱反型區(qū)的MOS管輸出電壓特性來控制兩個工作在飽和區(qū)的NMOS的柵極電壓Vgs1和Vgs2，使得：

　　式中：λ為比例常數(shù)。

　　將式（5）代入到式（3）可得：

　　對于參數(shù)KM1，它主要受晶體管遷移率λ的影響，通常被定義為：

　　式中：T為絕對溫度；α由工藝決定，典型值為1.5.將式（7）代人式（6）可得：

　　它為一個與溫度無關(guān)的常數(shù)。

　　通過上面分析可知，此方法可以得到一個與絕對溫度成正比（PTAT）的電流I1.具體實現(xiàn)電路如圖3所示。

　　圖3電路中，M3~M6四個PMOS晶體管工作在飽和區(qū)，它們的寬長比相同。M1和M2兩個NMOS晶體管工作在飽和區(qū)，它們的寬長比為（W/L）2/（W/L）1=m.通過調(diào)節(jié)電路，使得M7~M10四個NMOS晶體管工作在深線性區(qū)?，F(xiàn)在討論電路的工作原理。

　　對于X點和Y點的對地電壓，可以分別表示為：

　　通過式（5）和式（15）可以看出，在這個電路中，式（5）的系數(shù)：