一种低功耗高PSRR的基准电压源

一般基于自偏置的基准电路，由于MOS管工作在饱和区，其工作电流一般在微安级，虽然可以适用于大部分消费类电子芯片的应用，但对于一些特殊应用，如充电电池保护芯片，则无法达到其设计要求。于是降低基准电路的电流则成为芯片低功耗设计的关键。为了减小电路的静态电流，这里的基准与偏置电路采用增强管与耗尽管相结合的方式。对于增强型MOS管，阈值电压随温度的升高而下降；对于耗尽型MOS管，阈值电压为负，其阈值电压的温度系数与增强型相反。利用增强型MOS管阈值电压的负温度系数和耗尽管阈值电压的正温度系数产生一个精度很高的基准电压。

1 基准电压源的结构与工作原理

图1为基准电压源的等效结构图。其中，M4为耗尽管，M6为增强管。从图1中可以看出，M4栅源极相连后，流过该管的电流为：



由于NMOS耗尽管的阈值电压为负值，并且具有负温度系数，因此由式(1)可知，耗尽管电流随温度上升而变大。该电流就是通过增强管M6的电流。从图1可以看出基准电压为：


由于增强管M6的阈值电压具有负温度系数，而通过该管的电流具有正温度系数，因此通过合理设置M4，M6的宽长比就能在室温下获得比较恒定的基准电压。

这种结构的基准电压源具有以下优点：

(1)可以产生较低基准电压。与一般的1．2 V基准电压相比，图1所示的电路结构可以产生更低的基准电压。特别是当所选择工艺的NMOS管阈值较小，并且耗尽管的宽长比较小时，基准电压只有零点几伏，在低压供电的电源芯片中，具有较大的优势。

(2)电路具有极小的静态电流。M4管栅源极相连充当恒流源，由于该管长度设置得较大，因而对应的等效电阻很大，流过的静态电流很小，一般只有几百纳安。

(3)无需额外的启动电路。耗尽型晶体管为常通型晶体管，只有当栅极所加电压超过其阈值电压时，管子才会关断。而M4管的栅极电压始终为0，并且M6管属于二极管连接，因此系统上电后，必然有从电源到地的直流通路，所以不需要额外的启动电路帮助系统摆脱静态电流为0的简并状态。

2 改进电路结构及原理

图1所示基准电压源具有静态电流小，无需额外启动电路等优点，但其电源抑制比特性不是很好。为了获得较好的电源抑制特性，可以将图1的基准单元进行级联排列，如图2所示。


M1，M2，M4为耗尽管，M5，M6为增强管。其中，M1和M5为第一级电路，M2，M4，M6为二级电路，一级与二级电路间的关联不大。通过设计M1和M5管的宽长比可以获得一个比基准更小的偏置电压。同时将该输出接到基准电源第二级电路中M2管的栅极，减弱了该点随电源电压的变化，从而有效地提高了基准输出端的电源抑制特性。


该电路采用CSMC公司0．6／μm的工艺，仿真使用49级模型，得到以下结果：

(1)温度系数。仿真是在输入电压4．0 V，温度为-40～+100℃的条件下进行的。从图3中可以看到基准电压从-40℃的0．963 32 V变化到30℃时的0．962 35 V，因此该基准的温度系数为(ppm／℃)：


　(2)基准电压的电源抑制比。基准电压的电源抑制比如图4所示。


从图4和图5可以看到，如果没有增加M2，低频时的PSRR只有-90 dB，高频时则大约为-75 dB，电源抑制比的特性不是很好；如果增加了M2管，低频时的PSRR为-120 dB，高频时也能控制在-90 dB内，电源抑制比得到了极大的提高。


(3)基准电压的线性调整率。图6为基准电压的线性调整率特性曲线。从图6中可以看到，基准电压的线性调整率随温度的上升而减小。在25℃时，基准电压从输入电压2．5 V对应的1．027 952 V变化到输入电压5．5 V对应的1．027 982 V，其线性调整率为：



3 结 语

在此分析介绍了一种低功耗基准电压源电路的设计方案，该电路的最大功耗小于1μW，温度系数为21 ppm／℃；同时由于电路结果较简单，易于集成，已经用于电池充电保护芯片。