深圳大学信息工程学院 姜 梅 黎永泉 杨 智

超低功耗亚阈值CMOS电压基准设计

深圳大学信息工程学院 姜 梅 黎永泉 杨 智

文章提出了一种采用标准CMOS工艺，基于不同阈值器件的阈值差原理实现的超低功耗电压基准电路。电路实现了213mV的低基准电压输出，在原有亚阈值电路研究的基础上，添加超低功耗运放电路，降低了输出电压的线性调整率。电路中所有器件都工作在亚阈区，实现了超低功耗，在0．8V工作电压温度190℃时的功耗仅为80nW。在20至190℃范围内，平均温度系数约为16．5ppm/℃，在0．8到4V工作电压范围内，线性调整率为0．044%/V。电源抑制比为73dB@100Hz，核心电路版图面积约为0．0144mm2。

亚阈值；CMOS电压基准；超低功耗；高电源抑制比

0 引言

随着物联网以及可穿戴医疗产品市场的发展，对低功耗集成电路设计带来了严峻的挑战。低功耗设计在便携设备中很受青睐，例如植入式医疗电子产品，个人手机，传感器网络和能量收集系统。工作在亚阈区的MOS器件可以减少系统的能量消耗，尤其是在电压基准电路中。但是，工作在亚阈区的MOS器件对工艺角以及环境条件的变化会更加敏感，对于电路设计者来说，设计出良好性能的亚阈电路是一个不小的挑战[1]-[5]。

本文首先介绍了亚阈值电压基准电路的基本原理，并对此做了详细的器件参数特性分析，进而提出了一个具有更低温度系数、更高电源抑制比、低功耗的可用于便携设备系统中的电压基准电路。

1 亚阈值电压基准电路工作原理

由电流偏置和电压偏置两部分组成的基本亚阈值电压基准电路如图1所示。图中所有器件都工作在亚阈区，其中高阈值器件M1和标准阈值器件M2、M3构成了电流偏置电路，产生一个正温系数的电流IP2，然后此电流被镜像到后级二极管连接的电压偏置电路中，产生了基准电压[5]。

图1 电压基准电路原理图

工作在亚阈区的CMOS器件的I-V特性可表示为如下形式[1]：

其中VTH(T0)为阈值电压参考值(T0≈300.15 °k)，VBS为衬底与源端之间的电压，其中温度系数kt1和kt2为负值。

其中：

在电压偏置子电路中，IP2镜像给了IP3，所以IP3类似IP2的亚阈值电流表达式。即图1中基准电压VREF的温度特性只和热电势VT以及器件阈值VTH有关。利用零温系数的条件，最终的基准电压表达式如下：

根据亚阈值斜率因子特性，m4约等于Δm，中输出电压可简化近似为不同阈值器件的阈值差。考虑到器件的衬偏效应和亚阈值斜率因子的近似性，最终的输出电压小于理论计算的阈值电压差值。

2 高性能亚阈值电压基准电路

由于亚阈值电压基准电路中使用了自偏置电流子电路，容易存在零状态简并点，所以电路正常工作还需要添加启动电路。完整的带有启动电路和运放钳位的电压基准电路如图2所示。电路主要由三部分组成，包括启动电路，电流偏置子电路以及基准电压子电路。

图2 改进后亚阈值基准电压电路原理图

其中启动电路利用M14的MOS电容上电充电作用，令M15导通，将电路PMOS电流镜电压拉低使其导通，从而将电路拉出零电流偏置状态，让电路正常工作。电流偏置子电路中添加运放电路，改进M5与M6的电流镜像能力，从而降低电路的线性调整率，相比无运放电路，线性调整的性能提高一个数量级。电流偏置子电路和基准电压子电路工作原理如第一部分所述，最终电路输出接近零温系数的基准电压VREF。

3 仿真结果

采用华润上华0.18um混合信号CMOS工艺实现的版图如下图3所示，包含PAD的整体面积为0.09mm2。

基于华大九天Aether集成电路设计平台，得到基准电压版图后仿真的一系列结果如下：

如图4所示，为室温下输出基准电压与工作电压关系曲线，在0.8至4V电压范围内，输出为213mV，变化约为0.3mV，达到了0.044%/V的线性调整率；图5为工作温度范围内消耗电流与工作电压的关系，可看到消耗电流变化为2-70nA，且与电压基本无关，与温度成一定的正相关；图6为不同工作电压下，输出电压的温度特性曲线，可得到平均的温度系数约为16.5ppm/℃；图7为启动时间与工作电压关系曲线，可看到0.8V电压时启动时间约为12mS，其他较高电压时，启动时间约为4mS；图8为输出基准电压的电源抑制比曲线，在接1pF负载电容情况下，低频处达到了73dB，由于采用低功耗运放，在5KHz频率附近产生了peaking现象，此处的电源抑制比最小。约为38dB。

图3 电压基准电路版图

图4 输出基准与电源电压关系图

图5 不同电压下消耗电流温度曲线图

图6 不同电压下输出基准电压温度曲线图

图7 不同电压下启动时间曲线图

图8 输出基准电压电源抑制比@VDD=2V

4 结论

本文基于0.18umCMOS混合信号工艺实现了一个超低功耗，高电源抑制比，低温度系数的电压基准，电路中全部器件都工作在亚阈区。使用低压低功耗运放减小了电路的线性调整率。最大的电流消耗约为70nA。此电路可应用于便携系统的处理器或者电源管理芯片中，比如手机，植入式医疗设备和智能传感器网络系统。

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图3.2 各个电源电压下的效率汇总

4 结语

本文设计了一个超低功耗高效率的BUCK型能量收集芯片。该能量收集芯片在CSMC 0.35μm CMOS工艺下进行电路设计和版图设计。仿真显示，在工作电压为5.5V时，电路欠压时功耗为360nA，在无负载正常输出时功耗为530nA，峰值效率为96%。

参考文献

[1]．杨阳．适用于无线体域网的微能量采集电路设计[D]．华中科技大学,2013．

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[4]Dini M,Filippi M,Tartagni M,et al．A nano-power power management IC for piezoelectric energy harvesting applications[C]// Ph．D．Research in Microelectronics and Electronics(PRIME),2013 9th Conference on．IEEE,2013: 269-272．

[5]Bazes M．CMOS complementary self-biased differential amplifier with rail-to-rail common-mode input-voltage range: U．S．Patent 4,958,133[P]．1990-9-18．

姜梅（1976-），女，深圳大学信息工程学院讲师，硕士生导师。

黎永泉（1991-），男，深圳大学信息工程学院集成电路工程专业研究生，主要研究低功耗电源管理芯片系统建模与实现。

杨智（1989-），男，深圳大学信息工程学院集成电路工程专业研究生，主要研究低功耗电源管理芯片系统设计。