一般基于自偏置的基準電路,，由于MOS管工作在飽和區(qū),，其工作電流一般在微安級，雖然可以適用于大部分消費類電子芯片的應(yīng)用,，但對于一些特殊應(yīng)用,，如充電電池保護芯片，則無法達到其設(shè)計要求,。于是降低基準電路的電流則成為芯片低功耗設(shè)計的關(guān)鍵,。為了減小電路的靜態(tài)電流，這里的基準與偏置電路采用增強管與耗盡管相結(jié)合的方式,。對于增強型MOS管,，閾值電壓隨溫度的升高而下降；對于耗盡型MOS管,，閾值電壓為負,，其閾值電壓的溫度系數(shù)與增強型相反。利用增強型MOS管閾值電壓的負溫度系數(shù)和耗盡管閾值電壓的正溫度系數(shù)產(chǎn)生一個精度很高的基準電壓,。
1 基準電壓源的結(jié)構(gòu)與工作原理
圖1為基準電壓源的等效結(jié)構(gòu)圖,。其中，M4為耗盡管,，M6為增強管,。從圖1中可以看出，M4柵源極相連后,，流過該管的電流為：
由于NMOS耗盡管的閾值電壓為負值,，并且具有負溫度系數(shù)，因此由式(1)可知,，耗盡管電流隨溫度上升而變大,。該電流就是通過增強管M6的電流。從圖1可以看出基準電壓為：
由于增強管M6的閾值電壓具有負溫度系數(shù),，而通過該管的電流具有正溫度系數(shù),，因此通過合理設(shè)置M4，M6的寬長比就能在室溫下獲得比較恒定的基準電壓,。
這種結(jié)構(gòu)的基準電壓源具有以下優(yōu)點：
(1)可以產(chǎn)生較低基準電壓,。與一般的1．2 V基準電壓相比，圖1所示的電路結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更低的基準電壓,。特別是當(dāng)所選擇工藝的NMOS管閾值較小,，并且耗盡管的寬長比較小時，基準電壓只有零點幾伏,，在低壓供電的電源芯片中,，具有較大的優(yōu)勢。
(2)電路具有極小的靜態(tài)電流,。M4管柵源極相連充當(dāng)恒流源,，由于該管長度設(shè)置得較大,，因而對應(yīng)的等效電阻很大，流過的靜態(tài)電流很小,，一般只有幾百納安,。
(3)無需額外的啟動電路。耗盡型晶體管為常通型晶體管,，只有當(dāng)柵極所加電壓超過其閾值電壓時,，管子才會關(guān)斷。而M4管的柵極電壓始終為0,，并且M6管屬于二極管連接,，因此系統(tǒng)上電后，必然有從電源到地的直流通路,，所以不需要額外的啟動電路幫助系統(tǒng)擺脫靜態(tài)電流為0的簡并狀態(tài),。
2 改進電路結(jié)構(gòu)及原理
圖1所示基準電壓源具有靜態(tài)電流小，無需額外啟動電路等優(yōu)點,，但其電源抑制比特性不是很好,。為了獲得較好的電源抑制特性，可以將圖1的基準單元進行級聯(lián)排列,，如圖2所示,。
M1，M2,，M4為耗盡管,，M5，M6為增強管,。其中,，M1和M5為第一級電路，M2,，M4,，M6為二級電路，一級與二級電路間的關(guān)聯(lián)不大,。通過設(shè)計M1和M5管的寬長比可以獲得一個比基準更小的偏置電壓,。同時將該輸出接到基準電源第二級電路中M2管的柵極，減弱了該點隨電源電壓的變化,，從而有效地提高了基準輸出端的電源抑制特性,。
該電路采用CSMC公司0．6／μm的工藝，仿真使用49級模型,，得到以下結(jié)果：
(1)溫度系數(shù),。仿真是在輸入電壓4．0 V，溫度為-40～+100℃的條件下進行的,。從圖3中可以看到基準電壓從-40℃的0．963 32 V變化到30℃時的0．962 35 V,，因此該基準的溫度系數(shù)為(ppm／℃)：
(2)基準電壓的電源抑制比,。基準電壓的電源抑制比如圖4所示,。
從圖4和圖5可以看到，如果沒有增加M2,，低頻時的PSRR只有-90 dB,，高頻時則大約為-75 dB，電源抑制比的特性不是很好,；如果增加了M2管,，低頻時的PSRR為-120 dB，高頻時也能控制在-90 dB內(nèi),，電源抑制比得到了極大的提高,。
(3)基準電壓的線性調(diào)整率。圖6為基準電壓的線性調(diào)整率特性曲線,。從圖6中可以看到,，基準電壓的線性調(diào)整率隨溫度的上升而減小。在25℃時,，基準電壓從輸入電壓2．5 V對應(yīng)的1．027 952 V變化到輸入電壓5．5 V對應(yīng)的1．027 982 V,，其線性調(diào)整率為：
3 結(jié) 語
在此分析介紹了一種低功耗基準電壓源電路的設(shè)計方案，該電路的最大功耗小于1μW,，溫度系數(shù)為21 ppm／℃,；同時由于電路結(jié)果較簡單，易于集成,，已經(jīng)用于電池充電保護芯片,。