应用于安全芯片的一种低功耗高精度基准源-AET-电子技术应用

应用于安全芯片的一种低功耗高精度基准源

2014年电子技术应用第12期

苏胜新1，杜新纲1，王敏2

（1.国家电网公司营销部，北京100031； 2.北京南瑞智芯微电子科技有限公司，北京100192）

摘要： 利用亚阈值CMOS管的I-V指数工作特性，对三级管VBE电压的负温度系数进行补偿，实现了一种针对安全芯片应用需求的新型基准源。该基准源核心结构是使用亚阈值CMOS管搭建缓冲运放，实现6级温度补偿，输出1 V基准电压。所提出的基准源使用SMIC 180 nm工艺实现，并通过Spectre仿真验证：全温区-40 ℃～125 ℃内，基准电压变化范围小于1 mV；该基准源典型功耗4.5 A；对低功耗高精度基准源的研究具有很强的实用性和指导意义。

关键词： 基准源亚阈值温度补偿

中图分类号： TN402
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)12-0069-03

A low power and high precision reference source applied in safety chip

Su Shengxin1，Du Xingang1，Wang Min2

1.Sales Department，State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China；2.Beijing NARI SmartChip Microelectronics Company Limited，Beijing 100192，China

Abstract： Using the exponential I-V characteristic of the subthreshold CMOS to realize the audion VBE′s negative temperature coefficient compensation，this paper presents a reference source structure for safety chip application, employing the subthreshold CMOS to construct buffer OPA , achieving six stages positive temperature compensation, outputting 1 V reference voltage. This reference source circuit is implemented by SMIC 180 nm and passes the Spectre simulation verification，whose output reference voltage varies less than 1 mV accompanying with temperature variation in the whole temperature range -40 ℃～125 ℃. This reference source′s power is 4.5 ?滋A, which provides strong practicability and guidance meaning to low power and high precision reference source research.

Key words : reference source；subthreshold CMOS；temperature compensation

0 引言

　　基准源在模拟和混合集成电路中应用非常广泛，如电源管理芯片、A/D与D/A转换器和锁相环等电路中[1]。理想的电压基准是一个与温度、电源电压和负载无关的量，为系统提供精确的基准参考量，其精度和稳定性直接决定整个系统的性能。目前在集成电路中，有3种常用的基准源：掩埋齐纳(Zener)基准源、XFET 基准源和带隙(Bandgap)基准源[2]。

　　随着片上系统(SoC)的迅速发展,系统要求模拟集成模块能兼容标准CMOS 工艺, 因此带隙基准源得到了广泛的研究与应用。伴随CMOS工艺特征尺寸不断缩小，芯片的最小工作电压也在不断降低，由于硅材料的带隙电压为1.2 V，当电源电压低于1.2 V时，电路显然无法正常工作，因此亚阈值CMOS电压基准源成为近几年的研究热点，以满足芯片面积减少和低压低功耗的需求[3-5]。

　　基于利用亚阈值CMOS管的工作特性实现对三级管VBE电压负温度系数进行正温度补偿的原理，本文提出了一种使用6级亚阈值CMOS管搭建的缓冲运放实现温度补偿的基准源结构，输出1 V基准电压，并能获得高精度和低功耗的良好性能。

1 基准源结构与原理分析

　　1.1 基准源结构

　　如图1所示为所提出的基准源结构图，主要包括负温度系数电压产生部分和正温度系数电压补偿部分：M1、M2、N1、R1、R2和运放OPA共同组成负温度系数电压产生部分，OPA用于提高负温度系数电压驱动能力，调节R1和R2的比例可以调整负温度系数电压VBEIN大小；PTC为正温度系数电压补偿部分。外围启动电路在电源上电时驱动基准源使其摆脱“简并”的零偏置点，当电路正常工作后，启动电路会与基准源断开，避免影响其正常工作或使电路的性能变坏[6]。偏置电路为整个基准源提供必需的电压偏置IBIASP，EN_REF为控制基准源的使能信号。

　　该基准源的工作方式是：负温度系数电压产生部分输出信号VBEIN，经过PTC进行正温度补偿后，输出基准信号VREF。

　　图2所示为所提出的正温度系数电压补偿部分PTC的结构示意图，它由6级PTCCORE逐级实现所需的正温度补偿系数。

　　图3所示为负温度系数电压提供电压驱动能力的经典单级折叠Cascode运放电路原理图，M1和M2为运放输入对管，INP和INN分别为运放正负两个输入端口，OUT为运放输出。

　　1.2 原理分析

　　1.2.1 PTCCORE原理分析

　　图4所示为正温度系数电压补偿部分PTC的核心单元PTCCORE电路原理图，可简单看作一个单位增益负反馈的缓冲器运放。M1和M2串联与M3构成工作在亚阈值区的缓冲器运放输入对管，尺寸之比为1/2：2；M4和M5为输入对管的电流镜负载，流过电流之比为4：1。

　　根据亚阈值区MOS管的I-V指数特性，M1和M2流过的电流I1及M3流过的电流I2均与各自的栅源电压VGS成指数关系，其I-V曲线特性符合指数关系，因此流过一定比例电流且尺寸不同的M1、M2管和M3管产生的失调电压ΔVGS与温度成正比关系，即输出信号PTCOUT对输入信号PTCIN能实现一定程度的正温度补偿，逐级迭代补偿，最终获得零温度系数基准电压VREF。

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　　上述公式中：I、I1、I2为图4中相应支路电流；VPTCIN和VPTCOUT为PTCCORE输入/输出节点电压；VGSM1和VGSM3分别为M1和M3的栅源电压；VG(M1)和VG(M3)分别为M1和M3的栅级电压。W和L是MOS管的宽和长；VT是MOS管的热电压；ID0是横向三极管的饱和电流，与工艺有关；n是亚阈值斜率因子，用以描述栅极电压在栅氧化层电容与耗尽区电容之间分压关系的一个参量[7]。

　　1.2.2 基准源原理分析

　　根据图1所示为所提出基准源的整体结构：

　　VBE1=VBE2=VBE(4)

　　经电阻R1和R2分压得到：

　　式中，VBE是三极管基极和发射极间电压差；R1和R2是分压电阻值；K是波尔兹曼常数；q是电荷量。选择合适的参数，将式(7)中VT和VBE的温度系数抵消，即可得到零温度系数的基准电压VREF。

2 基准源仿真验证

　　2.1 仿真验证

　　上述第1节中所提出的基准源在中芯国际SMIC 0.18 ?滋m CMOS工艺平台电路实现并流片。

　　2.2 VBEIN负温度系数仿真

　　仿真内容：设置电源电压为1.8 V，温度从-40 ℃～125 ℃线性变化，直流扫描负温度系数电压产生部分输出信号VBEIN的温度系数。

　　仿真结果：图5所示为直流扫描VBEIN仿真结果，VBEIN为负温度系数电压，全温区变化幅度为224 mV，温度系数为-1.35 mV/℃。

　　2.3 PTCCORE正温度系数仿真

　　仿真内容：设置温度从-40 ℃～125 ℃线性变化，给PTCCORE提供450 mV输入电平，直流扫描PTCCORE输出电压的温度系数。

　　仿真结果：如图6所示为直流扫描PTCCORE仿真结果，PTCIN为450 mV输入信号，PTCOUT为输出正温度系数电压，全温区变化幅度36 mV，温度系数约为+0.22 mV/℃。

　　2.4 基准源整体仿真

　　仿真分析：根据2.2和2.3小节仿真结果所示，6级PTCCORE得到的正温度系数与VBEIN的负温度系数基本可以抵消，从而得到零温度系数输出基准电压VREF。

　　仿真内容：设置温度从-40 ℃～125 ℃变化，直流扫描6级PTCCORE输出电压的温度系数。

　　仿真结果：如图7所示为直流扫描6级PTCCORE输入/输出信号仿真结果，VBEIN为PTC输入负温度系数电压；netA、netB、netC、netD和netE分别为第1级～第5级PTCCORE的输出信号，对VBEIN逐级进行正温度补偿；VREF为最后一级输出1 V的零温度系数电压。

　　如图8所示为直流扫描输出信号VREF温度系数仿真结果：全温区变化幅度0.95 mV。

　　该基准源版图实现面积为220 m×110 m。

　　综上，所提出的基准源工作电压为1.8 V，典型条件下功耗为4.5 ?滋A，-40 ℃～125 ℃全温区范围内，基准电压VREF变化小于1 mV，可实现良好的温度性能，版图面积小于0.025 mm2。

3 结论

　　温度补偿是保证基准源精度的最关键环节，本文基于利用亚阈值CMOS管工作特性实现对三级管VBE电压负温度系数补偿的原理，提出了一种使用6级PTCCORE进行正温度补偿的高精度低功耗基准源。该基准源可以获得1 V的基准电压，全温区变化范围小于1 mV，因此对其补偿策略的研究是非常有意义的；但该基准源仍存在一些有待进一步深入探讨的地方，例如图8所示的VREF曲线显示出高阶补偿影响因子的作用力，这与亚阈值器件模型紧密相关，是今后需努力深入研究的方向。

参考文献

　　[1] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿，译.西安：西安交通大学出版社，2003.

　　[2] FILANOVSKY I M.Voltage reference using mutual com-pensation of mobility and threshold voltage temperature effects[C].ISCAS，2000：197-200.

　　[3] 李译．低压低功耗CMOS基准源补偿策略及电路设计[D]．西安：西安电子科技大学，2010.

　　[4] 宋晶．基于BiCMOS工艺的电压基准电路的研究与设计[D]．西安：西北工业大学，2007.

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

　　[6] 池保勇.模拟集成电路与系统[M].北京：清华大学出版社，2009.

　　[7] 黎进军．亚阈值CMOS电压基准源的研究与设计[D]．广州：华南理工大学，2012.

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