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PTAT电路由M6-M13和R1构成，利用其工作在弱反型区晶体管的特点，取代了传统的三极管PTAT产生电路，且不需要运算放大器，面积大大减小，弱反型区晶体管特性令工作功耗大大降低。P型晶体管M6与M7组成第一对电流镜，增益为S7/S6，N型晶体管M12与M13组成第二对电流镜，增益为S12/S13，只要2路电流足够小，电阻R1的影响就可以忽略，2路电流相等。M6～M13组成一个闭合环路，环路的增益为2组电流镜增益的乘积。其中晶体管M6与M7的宽长比要足够大，工作在弱反型区，M12与M13沟道长度要足够长，工作在饱和区。M8，M9和M10，M11分别与M6，M7和M12，M13构成共源共栅结构，增大阻抗，提高基准电压源的电源抑制比。环路的起始增益大于1令两支路的电流增加，直到平衡则增益降为1，电阻R1上的压降为VR1。根据公式(1)，VR1可以表示为：

　　

　　则流过电阻R1的电流为：

　　

　　由式(3)可以看出，电流IR只与晶体管宽长比，电阻R1，斜率因子n;波尔滋曼常数k，绝对温度T有关，与电源电压无关，是与温度成正比的PTAT电流。

　　电压基准输出电路由晶体管M14～M19，以及电阻R2，三极管Q1，电容C2组成。M18与M19镜像PTAT电流同时M15与M17镜像M18，M19支路的PTAT电流，组成电流放大，采用共源共栅结构是为了镜像更准确。PTAT电流流过电阻R2，产生与温度成正比的PTAT电压，此PTAT电压和二极管方式连接的三极管Q1的Vbe电压叠加，产生与温度无关的基准电压，电容C2是为了滤波，降低噪声。

　　

　　其中Eg为硅的带隙能量;m为迁移率的温度系数常数。

　　将式(7)代入(6)可以看出，只要合理设置晶体管的宽长比和电阻R2，R1的比值就可以得到与温度无关的基准电压。

　　由于电压基准源电路存在2个电路平衡点，零点和正常工作点。当基准源工作在零点时，晶体管M8，M9栅源电压为高，M10，M11管栅源电压为低，PTAT电路没有电流产生，启动电路就是避免电压基准工作在零点上。本文提出的启动电路的最大特点是不耗电，它由晶体管M1～M5以及电容C1组成。当电源电压为低时，若电容C1上存有电荷，则M3导通，将电荷放完，等电源电压为高时，M1，M2导通，流过M2的瞬间大电流迅速将M5打开，同时将M8，M9的栅电位拉低导通，产生PTAT电流，电路正常工作，当M12，M13栅压升高时，M4导通，将M5栅压拉低，启动电路停止工作，几乎不消耗电流，达到了低功耗的目的。启动时间由M2管子的大小和电容C1决定。电压基准的启动电路仿真结果如图3所示，启动时间只要50μs，启动之后只要消耗82 pA的电流。若没有M3，电容C1上可能存在电荷没有放完，再次启动时有启动不了的可能。

　　

　　5 版图及测试结果

　　本文介绍的电压基准源采用CSMC 0.5 μm，两层POLY，一层金属的CMOS工艺实现，已经成功流片。该工艺的阈值电压分别为N管0.87 V，P管-0.97 V。由于产生PTAT电流的2个P型管存在失调会导致2支路不平衡，版图匹配技术可以减少失调，在版图中可以增加虚拟晶体管使匹配晶体管间的环境相同来减少失调，同时，晶体管M7要在一个独立的N阱中，使与M6的偏置条件一样来减少失调。二极管可以用CMOS工艺中寄生的PNP三极管实现，N阱中的P+区作为发射区，N阱本身作为基区，P型称底作为集电区，电阻采用具有负温度系数的高阻POLY2电阻，方块阻值为2 kΩ/□，节省面积。电压基准的版图如图4所示，版图面积为：490μm×75μm-0.036 75 mm2。

　　

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关键词： 基准 设计 电压 电流 消耗 380nA 最大

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