用于ACDC控制器中电压基准源的设计

        引 言

　　基于迁移率和阈值电压相互补偿的温度效应实现的MOS栅源电压基准是近几年基准源研究的焦点之一。与带隙基准相比，MOS栅源电压基准电路结构简单且实现电压值的范围比较广，既可以产生小于1.25 V的基准也可以产生大于2 V的基准电压。MOS栅源电压基准在设计电压基准方面已经得到了广泛的应用。

基准电压源电路。此电路以PTAT(proporTIONal to absolutetemperature)电流为偏置电流，利用二极管连接的MOS晶体管迁移率和阈值电压的温度系数可相互补偿的特性，产生与温度无关的栅源电压。该电路结构简单，既无启动电路也无运放，避免了运放失调对基准源的影响，设计采用CSMC0.5μm BCD工艺。仿真结果表明，该基准电压源具有较低的温度系数和高电源电压抑制比，可作为AC/DC控制芯片中迟滞比较器的参考源。

　　1 迁移率和阈值电压相互补偿效应

　　在MOS管中由于存在迁移率和阈值电压的温度系数相互补偿效应，存在零温度系数点(ZTC:zerotemperature coefficient)。当一个大小在ZTC 点的PTAT电流偏置二极管连接的MOS管时，能产生一个与温度无关的栅源电压，可以用栅源电压来作为基准电压。设PTAT电流源ID(T)为：

　　

 

　　式中，T0是参考温度，γ是一个正常数。MOS管工作在饱和区时的漏电流为：

　　

 

　　式中，迁移率μ(T)和阈值电压UTH(T)是受温度影响的参数。迁移率μ(T)与温度T 的关系式为：

　　

 

　　式中，αμ0和αμ1都是正常数。αμ0的取值范围一般为1.5~2,αμ1的取值范围一般为0.01~0.05。忽略温度T 的变化对αμ的影响，把αμ看成一个与温度无关的正常数。阈值电压与温度的关系可以近似看成呈线性递减关系为：

　　

 

　　式中，αVT是一个正常数，其值大约在1 mV/℃ 到4 mV/℃之间。在BSIM4.6.0模型中αVT的精确表达式为：

　　

 

　　式中，KT1是阈值电压温度系数;KT1L是由于有效沟道长度对阈值电压温度效应影响的系数;KT2是由于体偏置对阈值电压温度效应影响的系数。将式(3)和(6)代入式(2)中得：

　　

 

　　式中：

　　

 

　　假设温度T 从T0稍微增大到T0+?T,将式(1)代入式(7)中并采用近似得：

　　

 

　　因此可以得到MOS管栅源电压的变化量δUGS为：

　　

 

　　式中：

　　

 

　　若有这样一个PTAT电流源，与它相关的参数λ和γ满足以下式子：

　　

 

　　则可以得到MOS管的栅源电压值UGS不随着温度的变化而发生改变，可作为基准电压源。