基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì) - 一款高精度基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)方案

　　它是一個僅與器件尺寸有關(guān)，而與溫度無關(guān)的常數(shù)。

　　通過式（9）和式（10）可知，此電路可以產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流。

　　2 基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)

　　對于一個工作在飽和區(qū)的二極管連接NMOS晶體管，如圖4所示，它的Vgs=Vds流過它的飽和漏電流為：

　　對于MOS管的閾值電壓Vth，它的一階近似表達(dá)式可以表示為：

　　式中：Vth0為MOS管工作在絕對零度時(shí)的閾值電壓；aVT為一個與溫度無關(guān)的常數(shù)；T-T0為溫度變化量。對于一個MOS管的遷移率μn：它的大小可以表示為：

　　μn=μn0（T/T0）-m （19）

　　式中：μn0為絕對溫度時(shí)MOS管的遷移率值；T0為絕對零度；T為溫度變化量；m為比例變化因子，它的典型值為1.5.

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

　　從式（21）可看出，如果適當(dāng)調(diào)節(jié)晶體管的寬長比W/L，使得зVgs/зT=0，即：

　　便可以得到一個高精度、與溫度無關(guān)的Vgs，即Vref=Vgs=Vds.此思想設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。

　　對圖5進(jìn)行分析，NMOS晶體管M1和M2通過Vgs1和Vgs2產(chǎn)生漏電流Id1，再通過電流源M3和M7，使得它流入二極管連接的NMOS晶體管 M12，產(chǎn)生一個基準(zhǔn)電壓源Vref.在圖5中，M3~M7五個晶體管尺寸相同，M1和M2晶體管的寬長比比例為1:m.式（21）中的W/L為圖5中二極管連接M12管的寬長比。

　　3 仿真結(jié)果與分析

　　對圖3PTAT產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真，可以得到圖6仿真結(jié)果。

　　從圖6仿真結(jié)果可以看出，流過M1管的漏電流與絕對溫度成正比，αI/αT△0.6.

　　對圖5基準(zhǔn)電壓源電路進(jìn)行仿真，可得如圖7所示結(jié)果。通過對圖7分析可知，在25℃時(shí)，基準(zhǔn)電壓源的電壓約為1.094.04 V，在整個溫度范圍（-40~80℃）內(nèi)，其溫度漂移系數(shù)為6.12 ppm/℃，滿足高精度基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)要求。

　　4 結(jié) 語

　　在此，基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，采用一階溫度補(bǔ)償作為基準(zhǔn)電壓補(bǔ)償，提出一種新穎的PTAT電流產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)，以對二極管連接的NMOS晶體管的閾值電壓進(jìn)行補(bǔ)償，得到一個高精度基準(zhǔn)電壓源。該電路占用芯片面積小，精度高，可移植性強(qiáng)，非常適用于當(dāng)今高精度的A/D，D/A和高精度運(yùn)放偏置電路。此電路已成功應(yīng)用于某款高速DAC芯片中。