基于CMOS閾值電壓的基準電路設計

式中：μN(TNOM)為標稱(chēng)溫度下的遷移率；UTE為μN的溫度系數，典型值一般在-2．0～-1．5之間。由于遷移率弘N是溫度的非線(xiàn)性函數，所以很難利用MOS特性產(chǎn)生精確的基準電壓。一種方法是利用晶體管產(chǎn)生PTAT電壓進(jìn)行補償。但是，PTAT電壓恒定的溫度系數使得基準電壓只能在一個(gè)固定的溫度點(diǎn)上產(chǎn)生零溫度系數的基準電壓。因此，在該設計中，為了克服遷移率非線(xiàn)性的影響，通過(guò)兩個(gè)分別與PMOS和NMOS閾值電壓成正比的電壓相減而進(jìn)行抵消。
2．2 設計原理
圖2為該基準電路的設計原理圖。

如圖2所示，首先產(chǎn)生兩路分別與PMOS和NMOS閾值電壓成正比的電壓VP和VN，通過(guò)設置合理的系數K1，K2，使得兩者的溫度系數相抵消，從而得到低溫度系數或零溫度系數的基準電壓。產(chǎn)生的基準電壓表達式如式(7)所示：

并且該電壓值可以根據要求進(jìn)行設置。
圖3為該設計原理的模塊示意圖。模塊1為電壓VP的產(chǎn)生電路；模塊2為電壓VN的產(chǎn)生電路；VP與VN再通過(guò)模塊3所示的減法器電路進(jìn)行相減，使得兩者的溫度系數相抵消，從而得到零溫度系數的基準電壓Vref。

2．3 基于PMOS閾值電壓產(chǎn)生VP電路設計
如圖3中模塊1所示，VP是由PMOS管MP1，MP2產(chǎn)生的一個(gè)隨溫度變化的線(xiàn)性電壓。運放A1使MP2的漏極電壓等于Va，通過(guò)適當調整R1和R2阻值，使得MP1工作在飽和區，MP2工作在線(xiàn)性區。電路中MP1與MP2形成正反饋，而R1與R2形成負反饋，且負反饋的作用大于正反饋?？梢钥闯?，在產(chǎn)生線(xiàn)性電壓VP的過(guò)程中，當VP為0時(shí)，流過(guò)MP1，MP2電流為0，即存在一個(gè)零點(diǎn)。所以增加MOS管MP3作為啟動(dòng)管，通過(guò)給MP3的源端提供一個(gè)啟動(dòng)電壓VST1來(lái)使其脫離零點(diǎn)，進(jìn)入正常工作。當VP=0 V時(shí)，MP3導通，并向MP1灌人電流，使得MP1的源極電壓升高，從而運放A1開(kāi)始工作。當正常工作后，MP3關(guān)斷，降低功耗。由于啟動(dòng)電壓VST1并沒(méi)有精確的要求，所以可以直接從輸入電壓分壓得到。
從圖3中模塊1中分析可以得到，經(jīng)過(guò)MP1，MP2的電流分別為：