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电路与系统|一种低功耗全MOS电压基准源

汉斯出版社

2025-04-28

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导读：

本文提出了一种低功耗全MOS电压基准源设计，利用MOS管在亚阈值区的温度特性，降低了功耗并满足低电压、宽温度范围的需求。传统的带隙基准源由于采用双极管和电阻，无法满足低功耗应用的要求，因此，本文设计了一种全MOS管的基准电压源，通过优化电路结构和工作原理，实现了低静态功耗、较宽的工作温度范围和较低的温度系数。仿真结果显示，在−55℃到150℃的温度范围内，输出电压变化仅为2.03 mV，温度系数为16.5 × 10⁻⁶/℃，静态电流为5.7 μA，功耗为6.84 μW，PSRR为−59.16 dB。该设计在低功耗、低电压应用中具有显著优势，适用于物联网、可穿戴设备等对功耗要求较高的场合。

基本信息：

一种低功耗全MOS电压基准源

A Low-Power All-MOS Voltage Reference

作者：

余璐洋, 王志双：五邑大学电子与信息工程学院，广东江门；刘大伟, 庄巍, 范建林*：广东省科学院半导体研究所，广东广州

关键词:

低功耗；MOS电压基准源；亚阈值区；低温度系数

项目基金：

本工作受到广东省科学院半导体研究所的资助，资助项目编号为2020GDASYL-20200102025、2021GDASYL-20210102001和2022GDASZH-2022010203。

原文链接：

https://doi.org/10.12677/ojcs.2025.141001

内容简介：

在汉斯出版社《电路与系统》期刊上，有论文设计了一种新颖的全MOS管基准源电路结构，通过MOS管的亚阈值温度特性实现低电源电压宽温度范围的基准源。

传统的带隙基准电压源由COMS运算放大器、电阻和二极管连接的双极晶体管组成。如图1为传统的CMOS带隙基准源。

对于MOSFET的电流电压特性，当栅源电压小于或等于阈值电压时，MOS晶体管不会完全关断，此时仍然存在较小的漏电流，这时的漏电流是由于器件的源极和漏极的载流子浓度不相同而产生的扩散电流。这种工作区下的MOS器件的电学特性和BJT双极管的电学特性相似，此时的源漏电流与栅源电压VGS呈现指数关系，MOSFET的这种导电称为亚阈值导电，这个工作区域称为亚阈值区域。亚阈值电流IDSUB 大小与栅极电压以及漏源极电压的关系可以由以下公式表示：

MOS管处于亚阈值状态的漏电流公式为：

亚阈值MOS管的栅源电压公式为：

本文基准电压源电路整体电路如图2所示，整个基准电路分为四个部分，启动电路、nA级电流生成偏置电路、正温度系数电压产生电路和负温度系数电压产生电路。

电路基于0.18 µm CMOS工艺，使用cadence软件在典型工艺角下对电路进行了仿真分析。表1为基准电路中PTAT产生电路和CTAT产生电路器件参数。当电源电压为1.2 V，温度范围为−55℃~+150℃时，输出电压温度特性仿真结果如图3所示。从图1中可以看出，在−55℃~+150℃温度范围内，电压变化2.03 mV，PPM (温度系数)为16.5 × 10−6/℃。从图4静态电流温度曲线可以看出，27℃时静态电流为5.7 μA，因此，电路总静态功耗为6.84 μW。图5的仿真结果显示室温下基准在10 kHz时的PSRR (电源抑制比)为−59.16 dB。

结论

本文通过对MOS晶体管在亚阈值区、线性区和饱和区的不同电流特性的分析提出了一种低功耗全MOS电压基准源，利用亚阈值区MOS管特性降低了基准电路的整体功耗，并利用线性区MOS管代替常规电阻降低了芯片面积。仿真结果显示：在−55~+150℃温度范围内，温度系数为16.5 × 10−6/℃，基准电压源电路输出电压约为588 mV，27℃时静态电流为5.7 μA，整个电路功耗为6.84 μW，10 kHz处的电源抑制比为−59.16 dB。