低功耗基準電壓源的製作方法

2023-05-31 19:54:26 3

本發明涉及一種模擬集成電路技術領域，主要應用在模擬與數字轉換器、功率轉換器、功率放大器等電路中，具有低電壓低功耗特性的電源電壓低於2.5v，最大消耗電流小於1μa的基準電壓源。

背景技術：

基準電壓源是當代模擬集成電路極為重要的組成部分，可以為串聯型穩壓電路、adc和dac等系統提供一個不隨溫度及供電電壓變化的電壓基準。在傳統設計中，利用齊納二極體的齊納擊穿特性可構建工作在擊穿電壓附近的基準源，但其存在著噪聲大、易受工藝影響等缺點。為維持齊納擊穿，齊納二極體需要有較大的靜態電流，限制了其在低電壓低功耗電路中的應用。帶隙基準源是目前應用最為廣泛的基準電壓源。帶隙基準源利用三極體vbe結的負溫係數疊加不同電流密度的vbe電壓差，得到不隨溫度變化的基準電壓。但帶隙基準源的輸出電壓一般為1.2v，不適合應用於低電壓(vdd>na2，所以n溝道mosfet閾電壓vt的溫度係數是負值，即隨著溫度的上升，vt向負方向移動,當外加襯底偏壓vbs後，由於vbs<0，將使vt的溫度係數的絕對值減小。實驗證明，在-55～125℃的範圍內，vt與溫度t呈線性關係，上式的結果符合得相當好。

增強型與耗盡型nmos電晶體的閾值電壓與溫度皆為線性關係，而增強型與耗盡型nmos電晶體的閾值電壓溫度係數都是負值。所以所得到的參考電壓vref可實現其溫度係數近乎等於0。由nmos管閾值電壓對溫度的導數為一常數，其關係可表達為：其中，kt為nmos閾值電壓的溫度係數，且kt<0，t為絕對溫度，t0為測量kt時的絕對溫度。因此，參考電壓vref對溫度的導數表達式為：

其中kte為增強型nmos管mn2閾值電壓的溫度係數，ktd為耗盡型nmos管mn1閾值電壓的溫度係數。

若要得到高溫度穩定性的參考電壓，則需設為0，即：通過設置調整電晶體mn1、mn2的寬長比的比例，並調整組成電流鏡的電晶體mp3、mp4的寬長比的比例，以改變電流鏡兩端電路的倍數關係，就可以得到零溫度係數的參考電壓。

綜合vref表達式和mn1、mn2的溫度特性關係可得：

基準電壓在基準電壓vref表達式中，kte、ktd、vte、vtd決定於所用的製造工藝，因此輸出基準電壓的值決定於電阻r1與r2的比值，且此比值不受其它條件的限制，使輸出基準電壓可以通過改變分壓電阻r1與r2的比值而在較大範圍內自由設定。因此，可以根據不同系統，不同電路的參數要求而改變參數得到不同的參考電壓值。

由於在受主雜質摻雜濃度較小時，電子遷移率隨雜質濃度改變的變化並不明顯，故在以上分析和計算中，增強型nmos與耗盡型nmos中電子遷移率的比值μe/μd近似代為1。但由於比值μe/μd稍偏離與1，並且在溫度較高時，增強型nmos與耗盡型nmos中電子遷移率μe與μd因為摻雜濃度的不同而呈現不同的變化趨勢，使參考電壓隨溫度變化而偏離理論值。因此在設計中加入了mn5、r1和r2構成的負反饋環路以穩定輸出參考電壓vref。

基準電壓vref負反饋過程如下：當溫度變化時，若mn2的柵極和源極兩端電壓vgs2升高，通過電阻r1、r2的分壓，基準電壓vref隨之升高，而流過mn2的漏極電流id＝vgs2/r2亦隨之升高，電晶體mn5的柵源電壓vgs5隨之增加，故mn5柵極電位隨之升高，即電晶體mn2的漏極電位升高，電晶體mn2的漏極電位與mn2柵極電位相位相反，所以vgs2隨之減小。

因為負反饋環路的存在，基準電壓源電路實際輸出的參考電壓比開環分析略小，且因負反饋環路的存在，在兩電阻比值r1/r2相同時，輸出電壓有略微的差別。這是因為通過反饋分析，電阻r1、r2阻值越大，反饋係數越小，閉環放大倍數可見反饋係數越小，閉環放大倍數越大，輸出的參考電壓也就越大。通過分析，可知當電阻間比值r1/r2確定時，通過調整r1與r2的比值可微調輸出參考電壓vref的電壓值，同時可改變參考電壓的溫度係數，以達到最佳的溫度穩定性。

本設計基於0.5μme/dnmos工藝進行仿真設計，通過設定參數將輸出基準電壓值設置在2.08v，利用hspice仿真查看其溫度特性和電源抑制比。如圖2為本發明所得的輸出基準電壓隨溫度的變化曲線，從中可以得出輸出基準電壓的溫漂特性，對圖2進行分析可知，本發明所得基準電壓的溫度係數為12ppm/℃。

如圖3為本發明所得的輸出基準電壓對電源噪聲的抑制情況，對圖3的分析可以得出本發明所的基準電壓的電源抑制比為47db。