基准电压源是集成电路中重要的单元模块，广泛应用于各种模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路中，如A/D、D/A转换器、LDO稳压器和锁相环（PLL）等系统[1]，一般要求它具有功耗低、温度系数低、电源抑制比高、输出噪声小等特点。传统基准电压源通常采用“带隙”技术，由于双极晶体管的基极-发射极电压（Vbe）具有负温度特性，以及两个双极晶体管工作在不同的电流密度下，其基极-发射极电压差值具有正温度特性，对两者进行相互补偿，即可得到零温度系数。但是，这种方法需要引入运放，同时为了得到更好的温度特性，还需对电路进行高阶补偿[2-4]，这会造成电路设计复杂和电路功耗增加等问题。

　　为解决上述问题，近年很多文献又提出了非带隙CMOS基准电压源[5-9]。参考文献[6]基于NMOSFET的阈值电压具有正温度特性和PMOSFET的阈值电压具有负温度特性的原理，提出了一种利用两者相互补偿原理的基准电压源。然而该电路较为复杂，同时需要两个启动电路，且电路中存在电阻，导致面积较大，功耗较高。本文基于MOSFET亚阈值的特性，利用两个不同阈值电压的NMOSFET串接产生具有负温度特性的电压△Vth与具有正温度特性的热电压VT进行相互补偿，提出一种全CMOS的基准电压源。该基准电压源具有无需电阻、无需传统的分立电容、电路结构简单、温度系数小和功耗低等特点。

1 电路设计

　1.1 △Vth产生电路

　　利用两个不同阈值电压的NMOSFET产生具有负温度特性的电压[10]，如图1所示。

　　其中M1和M2工作在亚阈值区，M1的阈值电压大于M2的阈值电压。根据亚阈值区I-V特性[5]可得：

　　其中Vth是MOSFET的阈值电压；I0是MOSFET的特定电流[10]（I0=2·ζ·μn·Cox·VT2）；ζ为亚阈值斜率因子，其典型值在1~3之间；热电压VT=kT/q（k为玻尔兹曼常数，q为电子电量），常温下为26 mV。

　　如果VDS>>VT或Vth>>ζVT，则式(1)可简化为：

　　其中Vth1、Vth1和Io1、Io2分别是M1、M2的阈值电压和特定电流。根据图1可以得出：

　　因为M1和M2阈值电压Vth具有负温度特性，所以M1和M2阈值电压的差值△Vth也具有负温度特性。

　　1.2 VT产生电路

　　图2中M5~M8工作在饱和区，M3、M4工作在亚阈值区。其中M5和M6以及M7和M8分别组成电流镜的结构，并相互提供偏置电流。通过这两对电流镜的相互耦合形成反馈，最终形成稳定的电流。同时这种“自偏置”结构也提高了电路的电源抑制比。现假设M5和M6的宽长比相同，M7和M8的宽长比也相同，并且忽略沟道长度调制效应，那么最终可以确保电流I3=I4。由于M3工作在亚阈值区，则根据式（2）可以得出：

　　根据式（6）和式（8）可以得到I3与电源电压无关，因此I4也与电源电压无关。由于M4也工作在亚阈值区，所以可以得到：

　　因为M3和M4采用的是相同阈值电压的NMOSFT，所以特定电流I03=I04，若忽略沟道长度调制效应，由式(8)和式(9)可以推导出：

　　通过调整式(10)中的比值，就可以调整正温度电压的系数。

　　1.3 △Vth与VT补偿电路

　　图3给出了基于△Vth与VT相互补偿的CMOS基准电压源。该电路包括△Vth产生电路、VT产生电路和启动电路。其中VT产生电路中的“自偏置”结构又为△Vth产生电路提供稳定的偏置电流。

　　根据式（6）和式（10）可以推导出：

。

　　在该基准电压电路中采用“自偏置”结构，其存在简并工作点、一个零点和一个正常工作点。为了克服简并偏置点，在电路中设计了启动电路。

　　启动电路由M10、M11和M12组成，其中M12充当电容[11]。当电源上电时，M10和M11导通，由于电流注入到M6，故M6开始导通，随之电路开始工作，同时M11的电流将对电容M12进行充电，使得M12的源栅电压逐渐增大到Vdd，此后M10、M11管截止。因此当电路正常工作时，启动电路几乎不会消耗功耗。同时，该启动电路无需采用传统的分立电容，从而减小了启动电路的面积。

　2 仿真结果与分析

　　采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺模型，利用Cadence工具对本文设计的电路进行仿真验证。图4~图6为该基准电压源输出电压的温度特性、电源线性调整率和电源抑制比的仿真结果。

　　从图4中可以得到，输出基准电压的温度系数为6.7 ppm/℃。

　　仿真结果表明，电源线性调整率为0.61%/V(@1.5 V~4 V)，电源抑制比在频率低于10 kHz的情况下可以达到-68 dB。当电源电压为1.8 V时，其功耗为1.3 μW。

　　本文所设计的基准电压源的版图面积为0.003 3 mm2。表1给出了相关电路的性能比较。从表1可以看出，本文所设计的基准电压源与其他基准电压源相比具有较好的温度特性、较大的电源抑制比、较低的功耗和较小的面积。

　　本文基于两个MOSFET的阈值电压差△Vth具有负温度特性和热电压VT具有正温度特性的原理，提出一种采用两者相互补偿技术的全CMOS基准电压源。与传统基准电压源相比，该基准电压源具有无需电阻、无需传统的分立电容、电路结构简单、功耗低、温度系数小和面积小的特点。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺进行设计及仿真，仿真结果表明，在电源电压为1.8 V的条件下，输出电压为364.3 mV(T=27 ℃)，温度系数为6.7 ppm/℃(-40 ℃~+125 ℃)，电源抑制比达到-68 dB@10 kHz，功耗为1.3 μW。

参考文献

　　[1] 余国义.低压低功耗CMOS基准参考源的设计[D].武汉：华中科技大学，2006.

　　[2] 池保勇.模拟集成电路设计[M].北京：清华大学出版社，2009.

　　[3] 阳云霄，张国俊.一种二阶补偿带隙基准设计[J].电子技术应用，2013，39(7)：41-46.

　　[4] 朱龙飞，莫太山，叶甜春.高电源抑制比低温漂带隙基准源设计[J].电子技术应用，2013，39(5)：35-40.

　　[5] Shu Jun，Cai Min.A low supply dependence fully-MOSFETvoltage reference for low voltage and low power[C].Pro-ceeding of IEEE Asia Pacific Conference on Circuits andSystems，Guangzhou，2008：442-445.

　　[6] Zhou Zekun，Zhu Peisheng，Shi Yue，et al.A CMOS voltagereference based on mutual compensation of Vtn and Vtp[J].IEEE Trans.-Circ.Syst.II：Express Briefs，2012，59(6)：341-345.

　　[7] 孙宇，肖立伊.一种新型的CMOS亚阈值低功耗基准电压源[J].微电子学与计算机，2012，29(6)：51-56.

　　[8] Zhou Zekun，Zhu Peisheng.A resistorless CMOS voltage ref-erence based on mutual compensation of VT and VTH[J].IEEE Trans.Circ.Syst.II：Express Briefs，2013，60(9)：582-586.

　　[9] 宋文青，于奇，冯纯益，等.一种全MOS低温漂电压基准源的研究[J].微电子学，2013，43(2)：210-212.

　　[10] ANVESHA A，BAGHINI M S.A sub-1V 32nA process，voltage and temperature[C].2013 26th International Confer-ence on VLSI Design：Concurrently with the 12th Interna-tional Conference on Embedded Systems Design，Pune，India.2013：136-141.

　　[11] 魏延存，陈莹梅，胡正飞.模拟CMOS集成电路设计[M].北京：清华大学出版社，2010.