0 引言
隨著亞微米、深亞微米技術和系統(tǒng)芯片(SOC)技術的日益成熟，便攜式電子和微型電子產(chǎn)品快速發(fā)展和普及，低電壓工作環(huán)境下的芯片研發(fā)日益受到關注。電流基準源是模擬集成電路中最重要的模塊之一，廣泛應用于數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、濾波器和單片式傳感器中，因此，低壓、低功耗、高精度、穩(wěn)定的電流基準源的設計成為模擬IC設計的熱點。
目前，國外很多電流基準源的電源電壓達到1V甚至更低。文獻[1-2]分別用本征MOS管和SIMOX工藝實現(xiàn)低壓下的電流基準源，但文獻[1]的電源電壓高、基準電流溫度系數(shù)比較大；文獻[2]的基準電流溫度系數(shù)比較小，但不是普通的CMOS工藝，結構復雜，功耗大；文獻[3]雖然在1.1 V電源電壓下的功耗很小，但是工作溫度范圍比較小、溫度系數(shù)很大。所以設計的難點就是要在普通CMOS工藝下實現(xiàn)低壓、低功耗且結構簡單的高性能電流基準源。
1 零溫度系數(shù)偏置點
文獻[4]證實了很多的CMOS工藝存在零溫度系數(shù)偏置點，由于零溫度系數(shù)偏置點的存在，可以通過在MOS管柵極加一個不隨溫度變化的偏置電壓，得到相應的不受溫度影響的電流基準，如圖1所示。
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根據(jù)MOS管平方律公式，NMOS管漏電流為
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式中：μn是M0管載流子遷移率；Cox為氧化層電容；VTH0為M0的閾值電壓。在公式(1)中，只有μn和VTH0是和溫度有關的量。根據(jù)文獻[5]，閾值電壓可以表示為
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把式(2)、(3)代人式(1)，和溫度相關的電流基準源IREF可以表示成
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可以看出，載流子遷移率的溫度相關性和閾值電壓的溫度相關性正好互相補償，抵消了溫度對它們的作用。在TSMC 0.25 μm標準工藝條件下，寬長為16 μm和8μm時，MOS管不同溫度下的跨導特性如圖2所示。由圖可知，MOS管在點(VZTC，IZTC)時，它的跨導特性幾乎不受溫度的影響。此時NMOS管ZTC點相應的電流為19.1 μA，電壓為765.3 mV，PMOS管ZTC點的電流為-12.3μA，電壓為-1.13 V。由于PMOS ZTC點的電壓值超過了所能提供的電源電壓，所以本文采用NMOS管來產(chǎn)生基準電流。
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2 低壓溫度補償電壓基準電路
2.1 帶隙基準電路結構
基于TSMC 0.25 μm CMOS工藝，采用一級溫度補償、電流反饋技術設計的低壓帶隙基準電路如圖3所示，其工作原理與傳統(tǒng)的帶隙基準電路相似。為了與CMOS標準工藝兼容，采用PNP管的集電極接地結構。低壓鉗位運放使a、b兩點的電壓相等。設置Ma1、Ma2、Ma3管的寬長比使它們的電流關系為
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Q2和Q1的發(fā)射極面積的比為N，R2=R3，流過Q1和Q2的電流相等，△VBE等于VT?ln(N)。流過電阻R1的電流為
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選取合適的電阻比值使電壓基準不受溫度影響，調(diào)節(jié)m和R4來調(diào)節(jié)基準電壓的大小，得到合適的值。
