基于CMOS阈值电压设计的电压基准源
2023年电子技术应用第1期
徐晴昊，奚冬杰
中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035
摘要： 基于TSMC 0.18 µm标准CMOS工艺，提出了一种新型无电阻低温漂电压基准源。通过采用CMOS阈值电压（Vth）和与温度成正比的电压（VPTAT）作为基础线性温度单元加权求和的方式，消除了电压基准源输出中残留的非线性温度分量，最终得到高精度的电压基准输出。其中CMOS阈值电压由无电阻结构产生，VPTAT的产生和与CMOS阈值电压的加权求和由非对称差分运放完成。实测结果证明，在-55 ℃~125 ℃温度范围内，电压基准源输出为1.23 V，温度系数为4.5 ppm/℃。在无滤波电容的情况下，基准电源抑制比可达-93 dB。
中圖分類號(hào)：TN433
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222872
中文引用格式： 徐晴昊，奚冬杰. 基于CMOS閾值電壓設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)源[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(1)：32-35.
英文引用格式： Xu Qinghao，Xi Dongjie. Voltage reference based on CMOS threshold voltage[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(1)：32-35.
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222872
中文引用格式： 徐晴昊，奚冬杰. 基于CMOS閾值電壓設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)源[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(1)：32-35.
英文引用格式： Xu Qinghao，Xi Dongjie. Voltage reference based on CMOS threshold voltage[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(1)：32-35.
Voltage reference based on CMOS threshold voltage
Xu Qinghao，Xi Dongjie
No. 58 Research Institue of China Electronics Technology Group Corporation， Wuxi 214035， China
Abstract： A novel low temperature coefficient voltage referece without resistors is presented in this brief, which is compatible with standard TSMC 0.18 µm CMOS technology. Threshold voltage (Vth) and proportional to absolute temperature voltage (VPTAT) form the basic linear temperature components. By weighting the sum of the two through asymmetric differential operational amplifier, the nonlinearity in the voltage reference is cancled and the precision of the output voltage is improved. The Vth is achieved by resistorless circuit and the VPTAT is achieved by asymmetric differential operational amplifier. The experimental results show that in the temperature range of -55 ℃ to 125 ℃, the voltage reference is 1.23 V with a temperature coefficient of 4.5 ppm/℃, and the power supply rejection ratio is lower than -93 dB while without filtering capacitor.
Key words : voltage reference；threshold voltage；temperature coefficient；PSRR
0 引言
電壓基準(zhǔn)源作為一個(gè)基礎(chǔ)單元模塊被廣泛應(yīng)用于諸如數(shù)據(jù)傳輸、隨機(jī)存儲(chǔ)器和射頻電路等電子系統(tǒng)。高精度的電壓基準(zhǔn)源應(yīng)具有與工藝無關(guān)的低溫度和低電源電壓敏感性，其輸出電壓精度將限制所在系統(tǒng)的性能上限，因此研究如何設(shè)計(jì)高精度電壓基準(zhǔn)源具有重要意義[1-4]。
傳統(tǒng)電壓基準(zhǔn)源基于三極管帶隙電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取一階補(bǔ)償方案，輸出為三極管基極與發(fā)射極間壓差（VBE）和熱電壓（VT）的加權(quán)和。由于VBE的展開式中存在溫度的非線性高階分量，因此傳統(tǒng)電壓基準(zhǔn)源如需提升輸出精度則需采取高階曲率補(bǔ)償方案。針對一階補(bǔ)償因固有缺陷所導(dǎo)致基準(zhǔn)輸出電壓精度受限問題，業(yè)內(nèi)提出了電阻溫度系數(shù)補(bǔ)償、亞閾值區(qū)MOS補(bǔ)償、指數(shù)型電流補(bǔ)償和分段線性曲率補(bǔ)償?shù)雀唠A溫度補(bǔ)償方案，但綜合考慮功耗、面積、噪聲、模型精度、良率和工藝兼容性等問題上述方案應(yīng)用場景受限[5-7]。
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作者信息：
徐晴昊，奚冬杰
（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）
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