王 巍，劉 明，楊欣斌

（1. 深圳集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化基地管理中心，廣東 深圳 518057；2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中德學(xué)院，廣東 深圳 518172）

引言

隨著集成電路的發(fā)展，在穿戴式智能硬件系統(tǒng)中，越來越多采用高度集成的模擬前端芯片電路[1,2]。極低功耗的基準(zhǔn)電流能夠?yàn)樾酒峁┓€(wěn)定可靠的靜態(tài)偏置電流，輸出不隨溫度、電源電壓變化的電流基準(zhǔn)源，在穿戴式智能系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛[2]?；鶞?zhǔn)電流源，是模擬前端芯片電路中不可缺少的重要組成部分，對(duì)電路與系統(tǒng)的穩(wěn)定工作起到十分關(guān)鍵的作用，其性能的優(yōu)劣直接影響到模擬前端芯片電路的性能?；鶞?zhǔn)電流電路產(chǎn)生的參考電流，必須與溫度和工作電壓變化無關(guān)[3]。

在現(xiàn)有的電流基準(zhǔn)源電路中，常用的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生方法是基于帶隙基準(zhǔn)電壓源加在基準(zhǔn)電阻兩端產(chǎn)生基準(zhǔn)電流[3]?，F(xiàn)有的基準(zhǔn)電流電路存在如下問題。首先，很難在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)參考電流的低溫系數(shù)，因?yàn)閰⒖茧娏鞯臏囟妊a(bǔ)償方案非常復(fù)雜，無法獲得完全的溫度補(bǔ)償[4,5]。其次，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流最常用的方法是使用帶隙基準(zhǔn)電壓源和電阻，由于硅襯底面積十分有限，使用非常大的電阻器來實(shí)現(xiàn)具有納安級(jí)的小電流是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)榇笞柚惦娮栊枰臉O大的硅面積[6,7]。若采用外置的高精度基準(zhǔn)電阻，不僅增加成本，而且會(huì)導(dǎo)致晶體管的集成度下降。另一方面，基于帶隙基準(zhǔn)電壓源加在基準(zhǔn)電阻兩端產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，其參考電流的性能參數(shù)，會(huì)受到基準(zhǔn)電壓精度和電阻精度的限制影響[8]。

本文根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用需求，提出了一種新的具有溫度補(bǔ)償特性的基準(zhǔn)電流源電路，基于MOS晶體管，不需要使用到電阻或雙極晶體管就可以實(shí)現(xiàn)生成納安數(shù)量級(jí)的參考電流。

1 基準(zhǔn)電流源電路設(shè)計(jì)與溫度補(bǔ)償分析

本文提出的基準(zhǔn)電流源的原理如圖1所示。該基準(zhǔn)電流源電路，由NMOS和PMOS晶體管構(gòu)成，其核心的參考電流生成電路由NMOS晶體管MN1-MN4組成。PMOS晶體管MP1/MP3-MP2/MP4-MP5/MP6構(gòu)成級(jí)聯(lián)電流鏡且電流比例為1：1：1，確保NMOS晶體管MN1漏極電流ID1（也稱之為支路電流ID1），NMOS晶體管MN2漏極電流ID2（也稱之為支路電流ID2）和輸出參考電流IREF彼此是相等的。為了防止電路處于零偏置狀態(tài)，即基準(zhǔn)電流源電路在工作電壓激勵(lì)下仍然處于零電流狀態(tài)，一個(gè)啟動(dòng)電路部分，是必不可少的。啟動(dòng)電路的主要工作原理，是利用二極管連接NMOS和二極管連接PMOS，在電路啟動(dòng)的初期，實(shí)現(xiàn)支路電流ID2擺脫零電流狀態(tài)。

圖1 電流基準(zhǔn)源電路的原理圖Fig.1 Schematic of the proposed current reference circuit.

本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電流源電路，其溫度補(bǔ)償?shù)闹饕砣缦?。在圖1中，NMOS晶體管MN1的柵源電壓等于MN2的柵源電壓加上NMOS晶體管MN3的漏源電壓。

假定NMOS晶體管MN1工作在飽和區(qū)，于是MN1的漏極電流可以表示為：

NMOS晶體管MN2、MN3和MN4，被設(shè)計(jì)為亞閾值區(qū)工作。MN3和MN4組成一種復(fù)合的MOS晶體管結(jié)構(gòu)。MN3和MN4的柵極共同連接在MN4的漏極，且MN4的源極與MN3的漏極相連，MN3和MN4共同組成一種二極管連接形式。

其中，S2、S3和S4分別為MN2、MN3和MN4的尺寸比，為MN2的閾值電壓，為MN3和MN4閾值電壓的差值，即由公式（1）、（3）、（5）和（6），我們可以推導(dǎo)得到參考電流 的表達(dá)式如下：

接下來，我們研究分析參考電流 的溫度補(bǔ)償特性。采用表達(dá)式來度量溫度系數(shù)[5]，根據(jù)公式（7）推導(dǎo)得到參考電流的溫度系數(shù)表達(dá)式，如下。

2 仿真結(jié)果

本文所提出的基準(zhǔn)電流源電路，是基于一種標(biāo)準(zhǔn)的0.18-um CMOS工藝，該基準(zhǔn)電流源電路的版圖結(jié)構(gòu)，如圖2所示。表1詳細(xì)地給出了該基準(zhǔn)電流源電路的每個(gè)管子的設(shè)計(jì)尺寸。NMOS晶體管MN1與MN2的柵長度L為9um，設(shè)計(jì)為長的溝道長度。為了電路實(shí)現(xiàn)NMOS晶體管MN1工作在飽和區(qū)，NMOS晶體管MN2工作在亞閾值，MN2的個(gè)數(shù)（m=8）大于MN1的個(gè)數(shù)（m=2）?；陬愃频睦碛?，為了電路中的晶體管能工作在指定的工作區(qū)，MN3的尺寸為W/L=1um/1um，m=1，MN4的尺寸為W/L =1um/1um，m=8。PMOS晶體管MP1到MP6組成電流鏡電路，各支路電流相同，所以MP1—MP6的尺寸，設(shè)計(jì)為相等的（W/L= 2um/2um，m= 2）。

圖2 基準(zhǔn)電流源的版圖Fig.2 The layout of the proposed reference current source

表1 基準(zhǔn)電流源電路的晶體管尺寸Tab.1 Aspect ratios of the transistors for the proposed reference current source circuit

基準(zhǔn)電流源所生成的參考電流，溫度依賴關(guān)系的仿真結(jié)果，如圖3所示。該基準(zhǔn)電流源電路的前仿和后仿的結(jié)果顯示：在溫度范圍-20℃～100℃，能穩(wěn)定地產(chǎn)生36.3 nA的參考電流，參考電流的誤差變動(dòng)范圍小于1nA，參考電流的溫度系數(shù)約為128 ppm/℃。

圖3 基準(zhǔn)電流源的仿真結(jié)果Fig.3 Simulated temperature dependence of the reference current IREF.

圖4 詳細(xì)地展示了當(dāng)電源電壓從0上升到1.8 V，基準(zhǔn)電流源所生成的參考電流，與工作電壓的依賴關(guān)系。當(dāng)電源電壓VDD從0.6 V上升到1.2 V，參考電流IREF顯著地增加；當(dāng)電源電壓VDD從1.2 V上升到1.8 V時(shí)，參考電流IREF趨于飽和，基本不再顯著變化。從圖4可知：為了確?；鶞?zhǔn)電流源正常工作，最小的工作電壓VDD為1.2 V。表2詳細(xì)地介紹了所設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電流源電路整體性能，以及與現(xiàn)有電流基準(zhǔn)源的比較結(jié)果。

圖4 基準(zhǔn)電流源所生成的參考電流IREF與工作電壓VDD的關(guān)系Fig.4 Supply voltage dependence of the reference current IREF.

表2 基準(zhǔn)電流源的整體性能參數(shù)以及與現(xiàn)有基準(zhǔn)電流源性能對(duì)比Tab.2 Comparison of the proposed reference current source circuit with the available reference current source circuits

3 結(jié)束語