基于CMOS閾值電壓設計的電壓基準源
2023年電子技術應用第1期
徐晴昊，奚冬杰
中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035
摘要： 基于TSMC 0.18 µm標準CMOS工藝，提出了一種新型無電阻低溫漂電壓基準源。通過采用CMOS閾值電壓（Vth）和與溫度成正比的電壓（VPTAT）作為基礎線性溫度單元加權求和的方式，消除了電壓基準源輸出中殘留的非線性溫度分量，最終得到高精度的電壓基準輸出。其中CMOS閾值電壓由無電阻結構產生，VPTAT的產生和與CMOS閾值電壓的加權求和由非對稱差分運放完成。實測結果證明，在-55 ℃~125 ℃溫度范圍內，電壓基準源輸出為1.23 V，溫度系數為4.5 ppm/℃。在無濾波電容的情況下，基準電源抑制比可達-93 dB。
中圖分類號：TN433
文獻標志碼：A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222872
中文引用格式： 徐晴昊，奚冬杰. 基于CMOS閾值電壓設計的電壓基準源[J]. 電子技術應用，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.
文獻標志碼：A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222872
中文引用格式： 徐晴昊，奚冬杰. 基于CMOS閾值電壓設計的電壓基準源[J]. 電子技術應用，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
電壓基準源作為一個基礎單元模塊被廣泛應用于諸如數據傳輸、隨機存儲器和射頻電路等電子系統。高精度的電壓基準源應具有與工藝無關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的性能上限，因此研究如何設計高精度電壓基準源具有重要意義[1-4]。
傳統電壓基準源基于三極管帶隙電壓進行設計，采取一階補償方案，輸出為三極管基極與發射極間壓差（VBE）和熱電壓（VT）的加權和。由于VBE的展開式中存在溫度的非線性高階分量，因此傳統電壓基準源如需提升輸出精度則需采取高階曲率補償方案。針對一階補償因固有缺陷所導致基準輸出電壓精度受限問題，業內提出了電阻溫度系數補償、亞閾值區MOS補償、指數型電流補償和分段線性曲率補償等高階溫度補償方案，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
（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）
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