一款高精度基準電壓源的設計方案
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1 NMOS電晶體的構成
兩個工作在弱反型區的NMOS電晶體M1和M2的結構如圖1所示。
其輸出電壓V0可以表示為：
式中：UT=kT/q;k為波爾茲曼常數；△V表示實際中電晶體失配引入的誤差，是個常數，這裡忽略它的影響。由此得到：
式中：
是由溫度決定的倍增因子，後面將對其溫度特性進行討論。
對於NMOS電晶體M1和M2，其柵源電壓分別為Vgs1和Vgs2，那麼圖3中電壓為：
如果利用前面提到的兩個工作在弱反型區的MOS管輸出電壓特性來控制兩個工作在飽和區的NMOS的柵極電壓Vgs1和Vgs2，使得：
式中：λ為比例常數。
將式（5）代入到式（3）可得：
對於參數KM1，它主要受電晶體遷移率λ的影響，通常被定義為：
式中：T為絕對溫度；α由工藝決定，典型值為1.5.將式（7）代人式（6）可得：
它為一個與溫度無關的常數。
通過上面分析可知，此方法可以得到一個與絕對溫度成正比（PTAT）的電流I1.具體實現電路如圖3所示。
圖3電路中，M3~M6四個PMOS電晶體工作在飽和區，它們的寬長比相同。M1和M2兩個NMOS電晶體工作在飽和區，它們的寬長比為（W/L）2/（W/L）1=m.通過調節電路，使得M7~M10四個NMOS電晶體工作在深線性區。現在討論電路的工作原理。
對於X點和Y點的對地電壓，可以分別表示為：
通過式（5）和式（15）可以看出，在這個電路中，式（5）的係數：
它是一個僅與器件尺寸有關，而與溫度無關的常數。
通過式（9）和式（10）可知，此電路可以產生一個與絕對溫度成正比的電流。
2 基準電壓的設計
對於一個工作在飽和區的二極體連接NMOS電晶體，如圖4所示，它的Vgs=Vds流過它的飽和漏電流為：
對於MOS管的閾值電壓Vth，它的一階近似表達式可以表示為：
式中：Vth0為MOS管工作在絕對零度時的閾值電壓；aVT為一個與溫度無關的常數；T-T0為溫度變化量。對於一個MOS管的遷移率μn：它的大小可以表示為：
μn=μn0（T/T0）-m （19）
式中：μn0為絕對溫度時MOS管的遷移率值；T0為絕對零度；T為溫度變化量；m為比例變化因子，它的典型值為1.5.
令式（10）中I1為式（17）中的Id，即：I1=Id，將式（10）、式（18）和式（19）代人式（17）整理可得：
便可以得到一個高精度、與溫度無關的Vgs，即Vref=Vgs=Vds.此思想設計的具體實現電路如圖5所示。
對圖5進行分析，NMOS電晶體M1和M2通過Vgs1和Vgs2產生漏電流Id1，再通過電流源M3和M7，使得它流入二極體連接的NMOS電晶體 M12，產生一個基準電壓源Vref.在圖5中，M3~M7五個電晶體尺寸相同，M1和M2電晶體的寬長比比例為1:m.式（21）中的W/L為圖5中二極體連接M12管的寬長比。
3 仿真結果與分析
對圖3PTAT產生電路進行仿真，可以得到圖6仿真結果。
從圖6仿真結果可以看出，流過M1管的漏電流與絕對溫度成正比，αI/αT△0.6.
對圖5基準電壓源電路進行仿真，可得如圖7所示結果。通過對圖7分析可知，在25℃時，基準電壓源的電壓約為1.094.04 V，在整個溫度範圍（-40~80℃）內，其溫度漂移係數為6.12 ppm/℃，滿足高精度基準電壓源的設計要求。
4 結 語
在此，基於SMIC 0.18μm CMOS工藝，採用一階溫度補償作為基準電壓補償，提出一種新穎的PTAT電流產生電路結構，以對二極體連接的NMOS電晶體的閾值電壓進行補償，得到一個高精度基準電壓源。該電路佔用晶片面積小，精度高，可移植性強，非常適用於當今高精度的A/D，D/A和高精度運放偏置電路。此電路已成功應用於某款高速DAC晶片中。
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