全CMOS基准电压源的分析与仿真

1 MOS分压基准电路
    一个最容易想到的基准电源就是在两个电源之间进行分压而得到。当然，用来分压的器件可以是无源器件也可以是有源器件。但是这样得到的基准电压与电源电压成正比。
    电路如图1所示。图1(a)是由电阻和二极管联接的MOS管构成的分压器。Hspice下取电源电压VDD=3．3V，W／L=1．8／0．18μm，取电阻为4kΩ时，其温度特性如图2(a)所示。温度在0～80℃变化时输出Vref在1．195～1．245V之间变化。如图2(b)所示，电源电压在0～3．3V变化时，输出电压Vref在0～1．245V之间变化。

    图1(b)是由两个MOS管串联构成的分压电路。其温度特性如图3(a)所示。温度在0～80℃变化时输出Vref在1．236～1．26V之间变化。在图3(b)中，电源电压在0～3．3V变化时，输出电压Vref在0～1．26V之间变化。可见，输出电压依赖于电源电压的变化而变化非常明显。

2 自偏置MOS管基准电压源
    电路如图4所示。(W／L)1=(W／L)2=1．8μm／0．18μm，(W／L)3=(W／L)4=1．8μm／0．36μm。取R1=100Ω时，仿真结果如图5所示。输出电压Vref对电源电压的依赖性依然很强。可见，温度在0～80℃变化时，输出电压在1．14～1．24V变化。

3 带启动电路的自偏置MOS管基准电压源
    在图4电路中，当电源上电时，所有的晶体管均传输零电流，因为环路两边的分支允许零电流，则它们可以无限期地保持关断。这中问题被称为电路的启动问题。如图6所示，M1、M4和M7组成启动电路。图中M1、M4、M5、M6和M7管子的宽长比相同为1．8μm／0．18μm，(W／L)2=0．9μm／0．18μm，(W／L)3=0．72μm／0．18μm。其输出电压特性曲线如图7所示。可见，温度在0～80℃变化时，输出电压在1．009～1．016V变化，温度特性较好。

4 高精度MOS管电压源
    图8所示电路是在图4的基础上增加了一个差分运放电路，通过该运放强制使得M1和M2的漏一源电压相等，从而极大地削弱沟道调制效应产生的影响。而运放的输出为M1和M2提供了栅极偏置电压。

    图8中M1-M2、M5-M10的W／L=1．8μm／0．18μm，M3-M4的W／L=3．6μm／0．18μm。仿真结果如图9所示，温度在0～80℃变化时，输出电压在661．4～662．6mV之间变化，温度特性很好。电源电压在2．5～3．3V变化时，输出电压在580～660mV之间变化。

5 小结
    基准电压源电路作为模拟集成电路不可缺少的模块，对其进行分析和研究具有重要意义。本文通过Hspice对四种MOS管基准电压源电路进行仿真，给出了电路图、电路参数和仿真结果。