一个带温度补偿的无电阻CMOS电流基准源外文翻译资料

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一个带温度补偿的无电阻CMOS电流基准源

作者：严伟，田鑫，李文宏，刘冉

中国上海复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，2012年03月

摘要：本文提出了一个无电阻的CMOS电流基准源。该电源电路的温度补偿是通过减去两个不同的正温度系数的电流与达到。该电路使用特定的0.35m CMOS工艺实现。输出电流为1.5A，并且，当电源电压下降到2 V以下的时候，电路能够正常地工作。实验测定的结果表明，温度系数为98 ppm /℃，并且电源电压调整率是0.45% /V，占用芯片的面积为0.065 平方毫米。

关键词：电流基准源；无电阻；温度补偿

DOI:10.1088/1674-4926/32/3/035006 EEACC:2570D

1. 引言

一个参考电流，是指在几乎所有的模拟和混合信号系统中，为各种电路提供偏置电流的基本构建块，比如放大器、振荡器、滤波器等等。因此，产生一个精确的、并且对环境温度和电源电压的变化不敏感的参考电流，是非常有必要的。然而实际上，设计制造对温度补偿的电流基准源是一项艰巨的任务。早期常用的解决方案是，使用热电压的平方项(V_T D kT/q)以弥补部分的载流子迁移率的温度特性。然而，输出电流并不是真正恒定的，并且它具有非常大的温度系数。从结果来看各种温度补偿技术都是最近几年才提出来的。然而，所有的这些解决方案都是基于片上电阻器来实现的。在通常情况下，一个芯片上的电阻器的电阻率很可能会随工艺的变化而变化，并且它的温度系数（TC）也没有得到很好的定义。正因为这个问题的存在，大大地恶化了输出电流的温度特性，因此，没有电阻器的温度补偿方案才是应该首先选择的。

在本文中，提出了一种新的无电阻CMOS电流参考电路。基于双温差分电流加权差的研究，实现了良好的温度补偿的输出电流的设计。本文中电路提议使用特定0.35mu;m CMOS工艺制作。从–10℃到100℃的温度范围内，所测得的温度系数为98 ppm / ℃，并且占用芯片的面积为0.065平方毫米。

1. 提议电流基准源

2.1工作原理

该电路是基于所观察到的最传统的CMOS电流基准TC是非常稳定的，并可以精确地表达的，尽管它的输出电流仍然会依赖于温度的变化。其结果是，通过适当地调整两个温度从属子电流之间的加权差，从而可以实现良好的温度补偿。这个操作基本原理如图1所示，其中IREF1和IREF2是指分别有着不同的TCS，TC1和TC2(TC1 lt; TC2)两种传统的伪恒定的参考电流。我们可以看出，通过选择适当的放大系数M，输出电流Iref将表现出零TC。详细的分析与电路的实现将在下面的章节中详细解释。

2.2电路实现

图2显示了本文所提出的电流基准源的详细的晶体管级电路。两个伪恒电流参考（“n型管”和“p型管”）产生了子电流IREF1 和IREF2，其中不同类型的核心器件（M7–M10和M17–M20）是用来产生不同的TCS。阴影区域中的元器件偏置于弱反转区，而其他设备都偏置于强反转区。由于两种电流发生器的理论原理都是相同的，所以我们这里只研究“n型管”。

从图2中我们可以很容易地得出：

（1）

为了简单起见，我们可以忽略沟道长度调制效应，在强反转区和弱反转区的MOSFET的V_GS可以分别表示为：

（2）

图1.该基准电流源工作原理

图2.该基准电流源晶体管级实现

（3）

上式之中的S代表了MOSFET的高宽比，n为亚阈值斜率因子，VT则是热电压。在“n型管”电路中，M1- M2在强反转区工作，而M7–M10则在弱反转区工作。我们假设IDS1 D=IDS2 D=IREF1，将式（2）和式（3）带入式（1），于是我们就可以得到：

（4）

在一般情况下，载流子迁移率和热电压VT都是随温度变化而变化的，并且可以分别地表示为：

（5）

（6）

上式之中，T0是室温，Vt0是当温度为T0的时候的热电压，mu;t0是指当温度为T0的时候的载流子迁移率，并且Kmu;n是mu;n的温度系数。将式（5）和式（6）代入式（4），IREF1可以改写为：

（7）

由此可见， I_REF1是随温度可变的。在通常的情况下，Kmu;n制造工艺为1.5左右。因此，I_REF1具有着正向的Tc。通过类似的分析我们也可以导出I_REF2：

（8）

其结果是，输出电流为I_REF=MI_REF1-I_REF2，我们将式（7）代入式（8），并相对于温度微分等式，在该温度有关TREF输出电流的温度系数可以推导：

（9）

我们令式（9）等同为零，则温度补偿就可以达到令人满意的程度：

（10）

2.3设计考虑

在图2中，给出了m值和重要的MOSFET的尺寸比例。在本次设计之中，M7–M10和M17–M20偏置于弱反转区，而M1 –M2和M15–M16则偏置于强反转区，这一点是非常重要的。正如前面我们所分析的一样，由于输出电流的温度特性是完全基于这些地区的电流表达式，制造过程中产生的大电流误差大大地降低了输出电流的性能。为了把电流误差限制在5%以内，在设计过程中必须满足以下条件：

（11）

除此之外，另一个十分重要的问题就是工艺参数的偏差，例如Cox，N，和迁移率，这些参数都有可能会影响到最后输出的电流的精度。然而，如果晶体管是大尺寸的设计的话，MOSFET的有效放大倍数N2在标准CMOS工艺的是重复的。因此，在本设计中，我们选择最小尺寸的10mu;m的模型，这对于提高元器件的匹配性来说也将有着很大的帮助。

图3.建议电流参考模

图4.测量输出电流的温度特性

图5.输出电流的测量线调节

3.实验结果

我们所拟定的电路是用特定的0.35mu;m CMOS工艺所制造的（Kmu;n = 1.724且Kmu;P＝1.49）。模具的照片如图3所示，并且未测试电路占用芯片面积为0.065 平方毫米。这个区域是由MOSFET的最小尺寸所限制的，而这也正是将在设计之中，为了提高设备的匹配性能，从而所选取的值：10mu;m。该电路可以提供输出1.5mu;A的电流，从电源电压所获取的电流则是6.8 mu;A。在一个3.3 V电源电压和在室温温度的环境下，对十份样品进行了检测，并且所测得的输出的最大偏差为6%。输出电流的测量的温度特性如图4所示，并且TC从-10到100℃随温度变化 98 ppm / ℃。如图5所示，显示了测量的输出电流与电源电压。由此我们可以看出，最小的电源电压为2伏，并且电源调节为0.45% /V，与电源电压从2至4 V。应该注意的是，峰值电流存在于当电源电压为1.7 V左右时，这是因为输出电流是一个加权差分电流。工作范围内，IREF1已经由n型芯的电路产生的，而p型芯的电路还没有完全开始由于相对于n-MOSFETs P-MOSFETs较大的阈值电压。当电源电压在2伏以上后，两个核心电路工作正常，输出电流恢复到正常值。这项工作和以前发表的当前引用的性能比较由表1给出。由于所提出的电阻较小的结构和温度补偿方案，在芯片上的电阻和它的温度特性的大变化的问题被淘汰。因此，该电流参考借鉴达到最低温度系数。

表1.该实验与理论的性能比较

4.总结

一个无电阻CMOS电流基准一直采用特许0.35mu;m CMOS工艺设计。温度补偿是通过两个温度依赖子电流之间的加权差实现的，和测得的温度系数为98 ppm /℃.最小电源电压为2 V和0.45% V线调节/芯片面积为0.065 mm2。

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全CMOS温度补偿电流源

作者：赵喆，周锋，黄圣专

（专用集成电路与系统，复旦大学，上海2012年03，中国国家重点实验室）

摘要: 本文采用迁移率与阈值电压互相补偿的原理，实现了一个与温度无关的电流源。该电流源完全与标准的CMOS工艺相兼容。测试结果显示，在温度范围为-20℃到110℃之内，电流源的温度系数小于290ppm/℃。

关键词：CMOS集成电路；电流基准源；温度补偿

DOI:10.1088/1674-4926/31/6/065016 EEACC:2570A; 2570D

1. 引言

温度无关的电流基准是模拟集成电路中最基本的模块之一。它们被广泛地应用于模拟电路和电力电子系统中。

近几十年来，大量关于这个问题的文献已经出版。其中，一些例子有优势如供应独立或电阻抗。然而，它们分别有720 ppm /℃（测量）和6000 ppm /℃（测量）大的温度系数。一些其他的例子，来自双极型带隙结构，有着50 ppm /℃（测量）和350 ppm /℃（测量）的温度系数，通常十分复杂。最近，迁移率和阈值电压的相互补偿被广泛地用于改进温度特性的标准CMOS技术内。一个最好的情况达到了一阶温度补偿下的130 ppm /℃温度系数（模拟）和二阶温度补偿下的28 ppm /℃（模拟）温度系数。然而，它是在BiCMOS工艺设计，这可能会增加芯片的成本。

在本文之中，提出一种基于与移动性和阈值电压补偿全新的全CMOS温度无关的电流基准源，它与标准CMOS技术完全兼容，并且只占据0.023 mm2小的硅片面积。用一阶温度补偿，在从-20到110℃的温度范围内，所提出的参考电流呈现2820ppm /℃以下（模拟的）和290 ppm/℃的平均温度漂移（测量值）。

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