?將式(7)代入(6)可以看出，只要合理設(shè)置晶體管的寬長(zhǎng)比和電阻R2，R1的比值就可以得到與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。

　　由于電壓基準(zhǔn)源電路存在2個(gè)電路平衡點(diǎn)，零點(diǎn)和正常工作點(diǎn)。當(dāng)基準(zhǔn)源工作在零點(diǎn)時(shí)，晶體管M8，M9柵源電壓為高，M10，M11管柵源電壓為低，PTAT電路沒(méi)有電流產(chǎn)生，啟動(dòng)電路就是避免電壓基準(zhǔn)工作在零點(diǎn)上。本文提出的啟動(dòng)電路的最大特點(diǎn)是不耗電，它由晶體管M1～M5以及電容C1組成。當(dāng)電源電壓為低時(shí)，若電容C1上存有電荷，則M3導(dǎo)通，將電荷放完，等電源電壓為高時(shí)，M1，M2導(dǎo)通，流過(guò)M2的瞬間大電流迅速將M5打開(kāi)，同時(shí)將M8，M9的柵電位拉低導(dǎo)通，產(chǎn)生PTAT電流，電路正常工作，當(dāng)M12，M13柵壓升高時(shí)，M4導(dǎo)通，將M5柵壓拉低，啟動(dòng)電路停止工作，幾乎不消耗電流，達(dá)到了低功耗的目的。啟動(dòng)時(shí)間由M2管子的大小和電容C1決定。電壓基準(zhǔn)的啟動(dòng)電路仿真結(jié)果如圖3所示，啟動(dòng)時(shí)間只要50μs，啟動(dòng)之后只要消耗82 pA的電流。若沒(méi)有M3，電容C1上可能存在電荷沒(méi)有放完，再次啟動(dòng)時(shí)有啟動(dòng)不了的可能。

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　　5 版圖及測(cè)試結(jié)果

　　本文介紹的電壓基準(zhǔn)源采用CSMC 0.5 μm，兩層POLY，一層金屬的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)成功流片。該工藝的閾值電壓分別為N管0.87 V，P管-0.97 V。由于產(chǎn)生PTAT電流的2個(gè)P型管存在失調(diào)會(huì)導(dǎo)致2支路不平衡，版圖匹配技術(shù)可以減少失調(diào)，在版圖中可以增加虛擬晶體管使匹配晶體管間的環(huán)境相同來(lái)減少失調(diào)，同時(shí)，晶體管M7要在一個(gè)獨(dú)立的N阱中，使與M6的偏置條件一樣來(lái)減少失調(diào)。二極管可以用CMOS工藝中寄生的PNP三極管實(shí)現(xiàn)，N阱中的P+區(qū)作為發(fā)射區(qū)，N阱本身作為基區(qū)，P型稱(chēng)底作為集電區(qū)，電阻采用具有負(fù)溫度系數(shù)的高阻POLY2電阻，方塊阻值為2 kΩ／□，節(jié)省面積。電壓基準(zhǔn)的版圖如圖4所示，版圖面積為：490μm×75μm-0.036 75 mm2。

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　　芯片在Micromanipulator 8860高精度探針臺(tái)和高精度溫度控制臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器為Agilent4155A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，芯片測(cè)試結(jié)果小結(jié)如表1所示。

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　　圖5是不同溫度下輸入電源電壓與輸出基準(zhǔn)電壓的關(guān)系圖。當(dāng)電源電壓大于2.5 V時(shí)，電壓基準(zhǔn)電路開(kāi)始正常工作，由于用了共源共柵結(jié)構(gòu)來(lái)提高電源抑止比，最小輸入電壓降不下去。在測(cè)量的80顆芯片中，輸出電壓的平均值為1.211 V，最小值為1.172 V，最大值為1.244 V，與仿真結(jié)果1.251 V相近，誤差主要來(lái)自三極管模型的誤差以及PTAT支路匹配管的失調(diào)。在2.5～6 V的工作電壓范圍內(nèi)，測(cè)得的線(xiàn)性電壓調(diào)整率平均值為0.025％，最小值為0.021％，最大值為0.042％。

　　圖6是不同溫度下電壓基準(zhǔn)電路消耗電流與電源電壓的關(guān)系。電壓基準(zhǔn)電路在正常工作時(shí)消耗電流與電源電壓無(wú)關(guān)，與溫度成比例。在20～100℃之間，室溫下工作時(shí)消耗電流小于250 nA，100℃時(shí)工作電流不超過(guò)380 nA，與仿真結(jié)果吻合。在6 V工作電壓下，最大功耗不超過(guò)2.28μW。

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　　圖7是芯片的輸出電壓與溫度的關(guān)系圖?；鶞?zhǔn)電壓溫度系數(shù)的漂移受工藝參數(shù)的影響，如負(fù)溫度特性三極管的Vbe溫度系數(shù)在圓片不同位置，不同lot中的變化，PTAT匹配晶體管版圖上的失調(diào)等。在測(cè)試的80顆芯片中，溫度在20～100℃之間變化時(shí)，溫度系數(shù)在50 ppm／℃以下的有43顆，50～100 ppm／℃的有34顆，100～150 ppm的有4顆。

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　　6 結(jié) 語(yǔ)

　　本文利用工作在弱反型區(qū)的晶體管特性設(shè)計(jì)一款最大消耗電流不超過(guò)380 nA的電壓基準(zhǔn)電路，功耗低，面積小。測(cè)試結(jié)果表明，電源電壓由2.5～6 V變化時(shí)，線(xiàn)性調(diào)整率平均為0.025％，溫度在20～100℃之間變化時(shí)，測(cè)得的平均溫度系數(shù)是64 ppm／℃。但是該電壓基準(zhǔn)電路由于采用了共源共柵結(jié)構(gòu)，最小工作電壓2.5 V有點(diǎn)偏高，采用低壓共源共柵結(jié)構(gòu)將會(huì)獲得更優(yōu)的性能。

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