一種帶熱滯回功能的CMOS溫度保護(hù)電路

0 引 言

??? 隨著集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用及集成度的不斷增加，超大規(guī)模集成電路(VLSI)的功耗、芯片內(nèi)部的溫度不斷提高，溫度保護(hù)電路已經(jīng)成為了眾多芯片設(shè)計(jì)中必不可少的一部分。本文在CSMC 0．5／μm CMOS工藝下，設(shè)計(jì)一種適用于音頻功放的高精度帶熱滯回功能溫度保護(hù)電路。

1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

??? 整個(gè)電路結(jié)構(gòu)可分為啟動(dòng)電路、PTAT電流產(chǎn)生電路、溫度比較及其輸出電路。下面詳細(xì)介紹各部分電路的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。文中所設(shè)計(jì)的溫度保護(hù)整體電路圖如圖1所示。

1．1 啟動(dòng)電路

??? 在與電源無關(guān)的偏置電路中有一個(gè)很重要的問題，那就是“簡(jiǎn)并”偏置點(diǎn)的存在，每條支路的電流可能為零，即電路不能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，故必須添加啟動(dòng)電路，以便電源上電時(shí)擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)。上電瞬間，電容C上無電荷，M7柵極呈現(xiàn)低電壓，M7～M9導(dǎo)通，PD(低功耗引腳)為低電平，M3將M6柵壓拉高，由于設(shè)計(jì)中M2寬長(zhǎng)比較小，而此時(shí)又不導(dǎo)通，Q1～Q4支路導(dǎo)通，電路脫離“簡(jiǎn)并點(diǎn)”；隨著M6柵電位的繼續(xù)升高，M2導(dǎo)通，M3源電位急劇降低，某時(shí)刻M3被關(guān)斷，啟動(dòng)電路與偏置電路實(shí)現(xiàn)隔離，電容C兩端電壓恒定，為M7提供合適的柵壓，偏置電路正常工作。然而，當(dāng)PD為高電平時(shí)，M4導(dǎo)通，將M6，M10的柵電位拉低，使得整個(gè)電路處于低功耗狀態(tài)。

1．2 PTAT電流產(chǎn)生電路

??? 在這一部分，M11,M12,M14,M15組成低壓共源共柵電流鏡，并且有相同的寬長(zhǎng)比，使兩條支路電流相等。該結(jié)構(gòu)與一般的共源共柵結(jié)構(gòu)相比，可以提高等效溝道長(zhǎng)度，從而增大輸出電阻，提高電路的PSRR性能；并且這種兩管組合結(jié)構(gòu)可消耗較低的電壓壓降，從而增大輸出電壓擺幅，改善芯片低壓工作特性。如圖1所示，為了使共源共柵電流鏡正常工作，必須滿足M14和M15同時(shí)工作在飽和區(qū)，設(shè)M15的柵極偏置電壓為Vb，M14和M15的漏端電壓分別為VA和VB，即：

??? 選擇M15的尺寸，使它的過驅(qū)動(dòng)電壓始終小于一個(gè)閾值電壓，確保不等式成立，則選擇合適的Vb，即可使M11，M12和M14，M15消耗的電壓余度最小，值為兩個(gè)過驅(qū)動(dòng)電壓。

??? 與此同時(shí)，M7～M10這條支路為偏置電路提供了負(fù)反饋，以減小電源電壓對(duì)偏置電流的影響，使得電路在平衡狀態(tài)時(shí)保證X，Y兩點(diǎn)電壓相等。然而，反饋的引入也為偏置電路引入了不穩(wěn)定的因素，這里M13和M7構(gòu)成了一個(gè)兩級(jí)閉環(huán)運(yùn)放，為保證偏置電路的穩(wěn)定，必須進(jìn)行補(bǔ)償。通過電容C將主極點(diǎn)設(shè)置在第一級(jí)運(yùn)放M13的輸出端，從而保證了電路的穩(wěn)定性。若Q3發(fā)射區(qū)的面積是Q4發(fā)射區(qū)面積的n倍，流過的電流大小均為I，則：

式中：Vbe=VTln(Ic／Is)=(kT／q)ln(IC／IS)；k是波爾茲曼常數(shù)；T是絕對(duì)溫度；q是電子電荷。飽和電流IS與發(fā)射區(qū)面積成正比，即IS3=nIS4。

??? 因此：

???

??? 由式(9)可知，流經(jīng)R1的電流與電源無關(guān)，只與絕對(duì)溫度成正比，即得到PTAT電流。

1．3 溫度比較及輸出電路

??? 由于晶體管的BE結(jié)正向?qū)妷壕哂胸?fù)溫度系數(shù)；PTAT電流進(jìn)行I-V變換產(chǎn)生電壓具有正溫度特性；利用這兩路電壓不同的溫度特性來實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)，產(chǎn)生過溫保護(hù)信號(hào)的輸出。

??? M26～M30，M33，M34構(gòu)成一個(gè)兩級(jí)開環(huán)比較器，反相器的接入是為了滿足高轉(zhuǎn)換速率的要求。M31，M32是低功耗管，M23～M25的作用是構(gòu)成一個(gè)正反饋回路，以防止在臨界狀態(tài)發(fā)生不穩(wěn)定性，同時(shí)又為電路產(chǎn)生了滯回區(qū)間。

??? 比較器的兩個(gè)輸入端電壓分別記為VQ和VR；M17～M22用來鏡像基準(zhǔn)源電路產(chǎn)生的PTAT電流，這里它們與M14有著相同的寬長(zhǎng)比。因此流經(jīng)這三條支路的電流都為IPTAT。在常溫下，M25截止，R2完成對(duì)PTAT電流的I-V變換，即VR=2IPTATR2，此時(shí)VR

2 仿真結(jié)果及分析

??? 以下是對(duì)各部分電路進(jìn)行仿真的結(jié)果，仿真工具是Candence Spectre，模型采用華潤(rùn)上華公司的0．5μm的n阱CMOS工藝。

??? 圖2是PTAT電流隨溫度變化曲線。仿真結(jié)果表明，該曲線線性度較好，符合PTAT電流特性。常溫下，在電源為5 V的情況下，功耗僅為0．4 mW。可見，其功耗非常低。

??? 圖3是在電源電壓為5 V時(shí)，VR和VQ隨溫度變化的曲線。圖中，VR上的電壓有一個(gè)小的階躍，是因?yàn)樵诒容^器翻轉(zhuǎn)時(shí)由于正反饋的作用電流突然增大的結(jié)果。

??? 圖4是溫度分別從0～150℃和150～0℃掃描時(shí)比較器輸出狀態(tài)的變化。由圖可見，當(dāng)溫度由低到高上升至84．1℃時(shí)，電路輸出狀態(tài)由低電平翻轉(zhuǎn)成高電平，實(shí)現(xiàn)了芯片的過溫保護(hù)；只有當(dāng)溫度回落到72℃時(shí)，電路才恢復(fù)原狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了約12℃的滯回溫度。改變圖1中R2的阻值可以調(diào)節(jié)溫度范圍，以滿足不同的需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

??? 為保證芯片在工作時(shí)不因溫度過高而被損壞，溫度保護(hù)電路是必須的。這里所設(shè)計(jì)的溫度保護(hù)電路對(duì)溫度靈敏性高，功耗低，其熱滯回功能能有效防止熱振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，相比一般單獨(dú)使用晶體管BE結(jié)的溫度保護(hù)電路具有更高的靈敏度和精度，可廣泛用于各種功率芯片內(nèi)部。