最大消耗380nA電流的電壓基準源設計

　　則流過(guò)電阻R1的電流為：

　　由式(3)可以看出，電流IR只與晶體管寬長(cháng)比，電阻R1，斜率因子n;波爾滋曼常數k，絕對溫度T有關(guān)，與電源電壓無(wú)關(guān)，是與溫度成正比的PTAT電流。

　　電壓基準輸出電路由晶體管M14～M19，以及電阻R2，三極管Q1，電容C2組成。M18與M19鏡像PTAT電流同時(shí)M15與M17鏡像M18，M19支路的PTAT電流，組成電流放大，采用共源共柵結構是為了鏡像更準確。PTAT電流流過(guò)電阻R2，產(chǎn)生與溫度成正比的PTAT電壓，此PTAT電壓和二極管方式連接的三極管Q1的Vbe電壓疊加，產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的基準電壓，電容C2是為了濾波，降低噪聲。

　　其中Eg為硅的帶隙能量;m為遷移率的溫度系數常數。

　　將式(7)代入(6)可以看出，只要合理設置晶體管的寬長(cháng)比和電阻R2，R1的比值就可以得到與溫度無(wú)關(guān)的基準電壓。

　　由于電壓基準源電路存在2個(gè)電路平衡點(diǎn)，零點(diǎn)和正常工作點(diǎn)。當基準源工作在零點(diǎn)時(shí)，晶體管M8，M9柵源電壓為高，M10，M11管柵源電壓為低，PTAT電路沒(méi)有電流產(chǎn)生，啟動(dòng)電路就是避免電壓基準工作在零點(diǎn)上。本文提出的啟動(dòng)電路的最大特點(diǎn)是不耗電，它由晶體管M1～M5以及電容C1組成。當電源電壓為低時(shí)，若電容C1上存有電荷，則M3導通，將電荷放完，等電源電壓為高時(shí)，M1，M2導通，流過(guò)M2的瞬間大電流迅速將M5打開(kāi)，同時(shí)將M8，M9的柵電位拉低導通，產(chǎn)生PTAT電流，電路正常工作，當M12，M13柵壓升高時(shí)，M4導通，將M5柵壓拉低，啟動(dòng)電路停止工作，幾乎不消耗電流，達到了低功耗的目的。啟動(dòng)時(shí)間由M2管子的大小和電容C1決定。電壓基準的啟動(dòng)電路仿真結果如圖3所示，啟動(dòng)時(shí)間只要50μs，啟動(dòng)之后只要消耗82 pA的電流。若沒(méi)有M3，電容C1上可能存在電荷沒(méi)有放完，再次啟動(dòng)時(shí)有啟動(dòng)不了的可能。

　　5 版圖及測試結果

　　本文介紹的電壓基準源采用CSMC 0.5 μm，兩層POLY，一層金屬的CMOS工藝實(shí)現，已經(jīng)成功流片。該工藝的閾值電壓分別為N管0.87 V，P管-0.97 V。由于產(chǎn)生PTAT電流的2個(gè)P型管存在失調會(huì )導致2支路不平衡，版圖匹配技術(shù)可以減少失調，在版圖中可以增加虛擬晶體管使匹配晶體管間的環(huán)境相同來(lái)減少失調，同時(shí)，晶體管M7要在一個(gè)獨立的N阱中，使與M6的偏置條件一樣來(lái)減少失調。二極管可以用CMOS工藝中寄生的PNP三極管實(shí)現，N阱中的P+區作為發(fā)射區，N阱本身作為基區，P型稱(chēng)底作為集電區，電阻采用具有負溫度系數的高阻POLY2電阻，方塊阻值為2 kΩ/□，節省面積。電壓基準的版圖如圖4所示，版圖面積為：490μm×75μm-0.036 75 mm2。

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