无电阻超低功耗基准电压源：卓越的电源纹波抑制比

摘要

本文提出一种纳瓦级无电阻亚阈值基准电压源，具备高电源纹波抑制比（PSRR）。采用自偏置MOS分压器为整个基准电压源提供偏置电流，该电流为含阈值电压特性的正温度系数（TC）电流。将此电流注入不同阈值电压的晶体管，实现负TC大幅降低的阈值电压差（ΔV_TH），同时由产生的正TC项进行温度补偿。从而以紧凑结构实现低功耗、高PSRR的温度稳定基准电压源。65 nm CMOS工艺验证表明：最低供电电压可达0.35 V，有源面积0.00182 mm²。输出基准电压148 mV，-30至80 °C温度范围内TC为28 ppm/°C。线性敏感度1.8 mV/V，无滤波电容条件下100 Hz处PSRR达53 dB，功耗仅2.28 nW。

引言

基准电压源是电子系统核心模块，广泛用于医疗电子、电源管理、无线环境传感器、通信电路。随技术进步电子系统供电电压持续降低，对纳瓦级、纳米工艺低功耗基准电压源需求剧增[1,2]。

传统基准电压源基于带隙基准（BGR）电路，为V_BE与热电压加权和[3,4]。但V_BE非线性温度行为致使必须采用曲率补偿提升BGR精度[5,6]。BGR另一劣势是功耗：V_BE约0.7 V不随工艺缩放，绝对限制供电电压，使BGR不适合低压纳米应用。

为实现低功耗，MOS仅亚阈值基准电压源渐被采用[7-10]。弱反型区晶体管固有微小电流优势，有效降低相关基准源功耗。且MOSFET特性随工艺改进一致，基于MOSFET的基准源更适配先进工艺。此外低功耗应用应避免电阻：基准源电流通常与电阻值成反比，低功耗意味高阻值电阻[10]，引入大噪声且占大面积。

电源纹波抑制比（PSRR）是基准源另一关键参数。常规提升PSRR方案以芯片面积和功耗为代价：额外放大器[11]、长沟道晶体管[12]、级联结构、额外增益级[13]。

为克服上述问题，本文提出纳瓦级MOSFET仅无电阻亚阈值基准电压源，具高PSRR，适用纳米级工艺。采用自偏置MOSFET分压器增强PSRR，产生含阈值电压特性的正TC电流，作为整个基准源偏置电流。此外，将偏置电流注入不同阈值电压MOSFET，在文中复现嵌入偏置电流中的阈值电压。通过该方法获得负TC大幅降低的ΔV_TH。同时获得加权绝对温度比例（PTAT）项，实现ΔV_TH与PTAT电压加权求和。因两不同阈值电压TC相互抵消，温度补偿所需PTAT电压大幅降低。从而以紧凑结构实现仅MOSFET无电阻基准电压源，功耗低。

方法

如图1所示，基准电压源由启动电路、自偏置电流发生器、V_REF发生电路组成。所有n沟道MOSFET为中等阈值电压NMOS（mvt NMOS）。MP4为高阈值电压PMOS（hvt PMOS），其余p沟道为中等阈值PMOS（mvt PMOS）。除启动电路外所有晶体管工作在亚阈值区。

启动电路

启动电路含MP5、MP6、MN4。上电初期MP6栅极电位低导通，其产生电流拉高MN1、MN2栅极电位，全电路启动。同时MP5充电启动电容MN4。随MN4充电MP6逐渐关断，启动电路脱离核心电路且无额外功耗。此法使基准源在期望工作点运行同时避免退化点。

自偏置电流发生器

图1中部为自偏置电流发生器，基于仅MOSFET分压器。全基准源所需正TC偏置电流于此产生，关联NMOS中等阈值电压。该偏置电流独特特性被采用便捷实现基准源，将在"方法"节分析。

亚阈值区晶体管伏安特性：V_DS>4V_T时漏电流近似与V_DS无关，V_T=kT/q为热电压，k玻尔兹曼常数，q元电荷，T绝对温度。电流表达为：

I_D = S I_SQ exp[(V_GS - V_TH)/(mV_T)] (1)

S=W/L为宽长比，m为亚阈值斜率因子，V_TH阈值电压，I_SQ为比例电流：

I_SQ = μ C_OX (m-1) V_T² (2)

μ为载流子迁移率，C_OX单位面积氧化层电容。

MOSFET仅分压器由MN1、MN2、MN3组成，漏电流分别为：

I_D_MN1 = S_MN1 I_SQN exp[(V_GS_MN1 - V_THN)/(mV_T)] (3)

I_D_MN2 = S_MN2 I_SQN exp[(V_GS_MN2 - V_THN)/(mV_T)] (4)

I_D_MN3 = S_MN3 I_SQN exp[(V_GS_MN3 - V_THN)/(mV_T)] (5)

I_SQN为NMOS比例电流，V_THN为NMOS阈值电压。

MN2、MN3宽长比相同且I_D_MN2 = I_D_MN3，保证V_GS_MN2 = V_GS_MN3，进而V_GS_MN1 = 2V_GS_MN2。PMOS构成电流镜定义电流比K₁=S_MP1/S_MP2、K₂=S_MP3/S_MP2。MN1、MN2漏电流关系：

I_D_MN1 = K₁ I_D_MN2 (6)

联立式(3)-(6)得：

V_GS_MN2 = mV_T ln(K₁ S_MN2 / S_MN1) (7)

I_D_MN2 = S_MN2 I_SQN exp[ln(K₁ S_MN2/S_MN1) - V_THN/(mV_T)] (8)

为便利分析，式(8)简写为：

I_D_MN2 = a T^(2-n₁) exp[b - V_THN/(mV_T)] (9)

a = S_MN2 μ_n0 C_OX (m-1)(k/q)²，b = ln(K₁ S_MN2/S_MN1)为温度无关量，μ_n0为载流子迁移率温度无关因子，n₁为载流子迁移率绝对温度指数项（通常~1.5）。

式(9)显示阈值电压V_THN为绝对温度互补（CTAT），热电压V_T为绝对温度正比（PTAT）。温度升高时V_THN/(mV_T)减小，偏置电流正温度特性增强。由此仅用MOSFET结构实现携带NMOS阈值电压特性的正TC偏置电流。

V_REF发生电路

图1右侧为V_REF发生电路，仅由MP3、MP4两晶体管组成。亚阈值工作下：

I_D_MP4 = S_MN4 I_SQP exp[(|V_GS_MP4| - |V_THP|)/(mV_T)] (10)

I_SQP为PMOS比例电流，V_THP为PMOS阈值电压。

因I_D_MP4 = K₂ I_D_MN2，NMOS阈值电压V_THN特性可传递至输出节点并与PMOS阈值电压V_THP特性叠加。由式(8)、(10)得：

V_REF = |V_THP| - V_THN + mV_T ln(K₂ S_MN2 I_SQN / (S_MP4 I_SQP)) + mV_T ln(K₁ S_MN2 / S_MN1) (11)

式(11)前两项实现ΔV_TH。因V_TH = V_TH0 - βT（V_TH0为0 K阈值电压，β为阈值电压TC），|βV_THP| > βV_THN时ΔV_TH为负TC大幅收缩的CTAT电压。后两项同时实现两PTAT电压，抵消ΔV_TH残余TC。从而无复杂结构实现紧凑温度稳定基准电压，稳定在|V_THP0| - V_THN0。

基于上述分析，本文实现低功耗仅MOSFET基准源，核心仅需三支路。借助自偏置电流源独特特性，一个二极管连接PMOS同时实现收缩TC的CTAT电压、PTAT电压发生器、加权求和。且结构仅由MOSFET构成，输出基准电压正比于ΔV_TH，更适合纳米工艺低功耗应用，可延伸至更先进工艺。

基准电压源PSRR

为阐释PSRR性能，图2展示供电电压噪声至V_REF路径及等效功能图。基于图2，路径3小信号模型见图3，得方程(12)。由式(12)导出供电噪声经路径3至节点A增益式(13)。亚阈值晶体管跨导g_m = I_D/(mV_T)，同电流下g_m,MP1 = g_m,MN1，式(13)简化为Av_path3≈1 (14)。节点B经路径1对节点A影响与路径3相反，Av_path1≈-1 (15)。V_A=2V_GS_MN2下路径2增益Av_path2≈-1/2 (16)。v_dd经路径4对节点B影响式(17)。节点A至B两额外方程(18)、(19)。由式(18)(19)得节点B噪声V_B≈v_dd (20)。自偏置电流源使电流发生器输出节点B可跟踪供电电压小信号变化，有利全基准源PSRR提升。

类似方法得路径5、6供电噪声增益式(21)(22)。考虑基准发生器噪声路径连接关系（图2），供电噪声对V_REF影响由路径5、6决定：

v_REF = Av_path5 V_B + Av_path6 v_dd = 1/[1+g_m,MP4 r_ds,MP3] v_dd = 1/{1+[exp(V_DS_MP3/V_T)-1]/m} v_dd (23)

V_DS>4V_T时式(23)指数项极大，随V_DS_MP3增大PSRR大幅增强。本设计最小V_DS_MP3超200 mV，供电电压变化对V_REF影响极小。故结构具良好PSRR性能。

结果与讨论

基准源在65 nm CMOS工艺实现，布局图4占有源面积0.00182 mm²。

图5显示27 °C线性调整率。最低供电电压350 mV，输出V_REF约148 mV。线性敏感度(LS) 1.8 mV/V。

图6显示350 mV供电下V_REF温度性能。-30至80 °C TC为28 ppm/°C。-15 °C以下和25 °C以上呈正温度特性，中温区负温度特性。

图7显示350 mV供电下电流随温度变化，呈正TC。室温功耗约2.28 nW。

图8显示27 °C、350 mV供电下PSRR结果，无输出滤波电容条件100 Hz处PSRR超53 dB。如前所述提高供电电压可进一步改善PSRR，图8为最坏情况。

图9显示27 °C、100样本未修调V_REF分布。均值147 mV，标准差3.97 mV，离散度(σ/μ) 2.7%。

表1汇总本基准源特性并与前序报道基准源对比。

结论

本文提出适用纳米级应用、可延伸至更先进工艺的无电阻低功耗高PSRR基准电压源。借助基于MOSFET分压器的自偏置电流源，所需CTAT电压、PTAT电压、加权求和在紧凑结构中同时实现。选用ΔV_TH作为CTAT电压，其负TC大幅收缩，使所需PTAT电压值收缩，从而降低供电电压和电流消耗。所有模块仅由MOSFET构成，在功耗敏感高集成应用（如SoC）中具优势。