王巍;刘明;杨欣斌
【摘 要】The reference current source can provide a reliable quiescent current operating point for the circuit and plays a critical role in the high performance of the circuit and system. This paper proposes a temperaturecompensated nanoampere reference current generation circuit based on MOS transistors. It is based on standard 0.18-mm CMOS process design and does not require bipolar transistors and resistors. This paper also analyzes the principle of temperature compensation of the proposed reference current source in detail. The simulation results show that the designed current reference source can stably generate 36.3 nA reference current in the temperature range of -20℃～ 100℃, and the temperature coefficient is 128 ppm/℃. The proposed reference current source circuit has significant application potential in wearable medical chips and systems with limited power consumption.%基准电流源能够为电路提供可靠的静态电流工作点,对电路与系统的高性能工作起到十分关键的作用.本文提出了一种基于MOS晶体管的温度补偿的纳安级 参考电流产生电路,基于标准的0.18-mm CMOS工艺设计,且不需要使用双极性晶体管和电阻.详细分析了所提出的基准电流源的温度补偿原理.仿真结果表明,设计的电流基准源能在温度范围-20℃～100℃稳定地产生36.3 nA 基准电流,温度系数为128 ppm/℃.本文提出的基准电流源电路在使用功耗受限的穿戴式医学芯片与系统中具有重大的应用潜力.
【期刊名称】《深圳信息职业技术学院学报》
【年(卷),期】2018(016)005
【总页数】5页(P63-67)
【关键词】基准源;电流基准源;温度补偿
【作 者】王巍;刘明;杨欣斌
【作者单位】深圳集成电路设计产业化基地管理中心, 广东 深圳 518057;深圳信息职业技术学院 中德学院, 广东 深圳 518172;深圳信息职业技术学院 中德学院, 广东 深圳 518172
【正文语种】中 文
【中图分类】TN432
引言
随着集成电路的发展，在穿戴式智能硬件系统中，越来越多采用高度集成的模拟前端芯片电路[1, 2]。极低功耗的基准电流能够为芯片提供稳定可靠的静态偏置电流，输出不随温度、电源电压变化的电流基准源，在穿戴式智能系统中应用非常广泛[2]。基准电流源，是模拟前端芯片电路中不可缺少的重要组成部分，对电路与系统的稳定工作起到十分关键的作用，其性能的优劣直接影响到模拟前端芯片电路的性能。基准电流电路产生的参考电流，必须与温度和工作电压变化无关[3]。
在现有的电流基准源电路中，常用的基准电流产生方法是基于带隙基准电压源加在基准电阻两端产生基准电流[3]。现有的基准电流电路存在如下问题。首先，很难在较宽的温度范围内实现参考电流的低温系数，因为参考电流的温度补偿方案非常复杂，无法获得完全的温度补偿[4, 5]。其次，产生基准电流最常用的方法是使用带隙基准电压源和电阻，由于硅衬底面积十分有限，使用非常大的电阻器来实现具有纳安级的小电流是不现实的，因为大阻值电阻需要消耗极大的硅面积[6, 7]。若采用外置的高精度基准电阻，不仅增加成本，而
且会导致晶体管的集成度下降。另一方面，基于带隙基准电压源加在基准电阻两端产生基准电流，其参考电流的性能参数，会受到基准电压精度和电阻精度的限制影响[8]。
本文根据实际的系统应用需求，提出了一种新的具有温度补偿特性的基准电流源电路，基于MOS晶体管，不需要使用到电阻或双极晶体管就可以实现生成纳安数量级的参考电流。
1 基准电流源电路设计与温度补偿分析
本文提出的基准电流源的原理如图1所示。该基准电流源电路，由NMOS和PMOS晶体管构成，其核心的参考电流生成电路由NMOS晶体管MN1-MN4组成。PMOS晶体管MP1/MP3-MP2/MP4-MP5/MP6构成级联电流镜且电流比例为1：1：1，确保NMOS晶体管MN1漏极电流ID1（也称之为支路电流ID1），NMOS晶体管MN2漏极电流ID2（也称之为支路电流ID2）和输出参考电流IREF彼此是相等的。为了防止电路处于零偏置状态，即基准电流源电路在工作电压激励下仍然处于零电流状态，一个启动电路部分，是必不可少的。启动电路的主要工作原理，是利用二极管连接NMOS和二极管连接PMOS，在电路启动的初期，实现支路电流ID2摆脱零电流状态。
图1 电流基准源电路的原理图Fig.1 Schematic of the proposed current reference circuit.
本文设计的基准电流源电路，其温度补偿的主要原理如下。在图1中，NMOS晶体管MN1的栅源电压等于MN2的栅源电压加上NMOS晶体管MN3的漏源电压。
假定NMOS晶体管MN1工作在饱和区，于是MN1的漏极电流可以表示为：
其中，为电子迁移率，为单位面积的栅极电容，S1和Vth1分别为MN1的尺寸比和阈值电压。
NMOS晶体管MN2、MN3和MN4，被设计为亚阈值区工作。MN3和MN4组成一种复合的MOS晶体管结构。MN3和MN4的栅极共同连接在MN4的漏极，且MN4的源极与MN3的漏极相连，MN3和MN4共同组成一种二极管连接形式。
其中，分别为NMOS晶体管MN3和MN4的栅源电压。由于MOS管工作在亚阈值区时，对应的电流—电压特性关系可以表示为：
S为晶体管的尺寸比，，为亚阈值倾斜因子，Vt为热电压（VT=kB×T/q,kB,kB为玻尔兹曼常数，T为温度，q为单位电荷）。基于公式（4），可推导得到电压VGS2和VDS3的表达式，如下：
一体化橡胶道口板其中，S2、S3和S4分别为MN2、MN3和MN4的尺寸比，为MN2的阈值电压，为MN3和MN4阈值电压的差值，即由公式（1）、（3）、（5）和（6），我们可以推导得到参考电流 的表达式如下：
其中，为晶体管MN1和MN2阈值电压的差值。为了实现参考电流的温度补偿，NMOS晶体管MN1、MN2、MN3和MN4的尺寸比及其工作状态，需要仔细地设计。
接下来，我们研究分析参考电流 的温度补偿特性。采用表达式来度量温度系数[5]，根据公式（7）推导得到参考电流的温度系数表达式，如下。亲贝
其中，和分别为电子迁移率和热电压的温度系数，且等于1/T。电子迁移率与温度的依赖关系，可以表示为m为迁移率温度指数。于是，等于-m/T，假定m等于1.5[9]，因此，可以推导出温度系数取值为零的条件如下：
因为MOS晶体管MN1和MN2的源极连在一起，近似等于为0。为MOS晶体管MN3和MN4的阈值电压的差值，且阈值电压Vth3和Vth4表示如下。
其中，和分别是NMOS晶体管MN3和MN4的源极与衬底的电压差，比的电压值要高，因此，
△Vth34是负值。通过调节管子的尺寸比，实现亚阈值工作设计，保证NMOS晶体管MN2的栅源电压低于其阈值电压50 mV，MN3的漏源电压约100 mV。亚阈值倾斜因子选为1.3[10]，S4/S3 =12，因此公式（9）中的约等于-1.48（因为于是，零温度系数在状态下取得。
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2 仿真结果
带隙基准
本文所提出的基准电流源电路，是基于一种标准的0.18-um CMOS工艺，该基准电流源电路的版图结构，如图2所示。表1详细地给出了该基准电流源电路的每个管子的设计尺寸。NMOS晶体管MN1与MN2的栅长度L为9um，设计为长的沟道长度。为了电路实现NMOS晶体管MN1工作在饱和区，NMOS晶体管MN2工作在亚阈值，MN2的个数（m=8）大于MN1的个数（m=2）。基于类似的理由，为了电路中的晶体管能工作在指定的工作区，MN3的尺寸为W/L=1um/1um，m=1，MN4的尺寸为W/L =1um/1um，m=8。PMOS晶体管MP1到MP6组成电流镜电路，各支路电流相同，所以MP1—MP6的尺寸，设计为相等的（W/L= 2um/2um，m= 2）。
图2 基准电流源的版图Fig.2 The layout of the proposed reference current source
表1 基准电流源电路的晶体管尺寸Tab.1 Aspect ratios of the transistors for the proposed reference current source circuit晶体管名称宽长比（W/L，mm/mm）个数（m）晶体管名称宽长比（W/L，mm/mm）个数（m）MN1 0.3/9 2 MP2 2/2 2 MN2 0.55/9 8 MP3 2/2 2 MN3 1/1 1 MP4 2/2 2 MN4 1/1 12 MP5 2/2 2 MP1 2/2 2 MP6 2/2 2
基准电流源所生成的参考电流，温度依赖关系的仿真结果，如图3所示。该基准电流源电路的前仿和后仿的结果显示：在温度范围-20℃～100℃，能稳定地产生36.3 nA的参考电流，参考电流的误差变动范围小于1nA，参考电流的温度系数约为128 ppm/℃。smdv-17
图3 基准电流源的仿真结果Fig.3 Simulated temperature dependence of the reference current IREF.
图4 详细地展示了当电源电压从0上升到1.8 V，基准电流源所生成的参考电流，与工作电压的依赖关系。当电源电压VDD从0.6 V上升到1.2 V，参考电流IREF显著地增加；当电源电压VDD从1.2 V上升到1.8 V时，参考电流IREF趋于饱和，基本不再显著变化。从图4可知：为了确保基准电流源正常工作，最小的工作电压VDD为1.2 V。表2详细地介绍了所设计的基准电流源电路整体性能，以及与现有电流基准源的比较结果。
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图4 基准电流源所生成的参考电流IREF与工作电压VDD的关系Fig.4 Supply voltage dependence of the reference current IREF.
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