cmos放大器的温度补偿偏置

CMOS放大器低温漂设计

第31卷,第6期

Vol.31,No.6

微　电　子　技　术

MICROELECTRONICTECHNOLOGY

总第154期2003年12月

设计与制造

CMOS放大器的温度补偿偏置

宋琦明,陈志恒,李文渊

(东南大学射频与光电集成电路研究所,江苏南京　210096)

摘　要:　受载流子迁移率、阈值电压等参数的温度特性的影响,CMOS放大器往往具有较差的温度稳定性。本文

介绍了一种基于恒跨导参考电流源偏置电路的温度补偿技术,理论分析和电路模拟结果显示,这种偏置方法对短沟道MOS管放大器也具有良好的温度补偿效果。关键词:　CMOS集成电路;温度系数;放大器;温度补偿;恒跨导偏置中图分类号:TN433　　文献标识码:A　　文章编号:1008-0147(2003)06-16-03

TemperatureCompensationofCMOSAmplifiers

withConstant-gmBiasing

SONGQi-ming,CHENZhi-heng,LIWen-yuan

(InstituteofRF&OE-ICs,SoutheastUniversity,Nanjing,210096,China)

Abstract:Duetotheeffectoftemperaturevariationonthecarriermobility,thethresholdvoltageandotherparametersaboutprocessanddevice,thetemperaturestabilityofCMOSamplifiersisoftenrelativelypoor.Inthisarticle,atempera2turecompensationtechniqueforCMOSamplifiersusingconstant-gmreferencecurrentbiasingcircuitispresented.There2sultsoftheoreticalanalysisandcircuitsimulationconfirmedtheeffectivenessofthistechniqueforshort-channelMOSFET,inadditiontolong-channeldevices.

Keywords:CMOSIC;Temperaturecoefficient;Amplifier;Temperaturecompensation;Constant-gmbiasing

1　引言

CMOS集成电路设计的问题之一是工艺和器件参数具

参考文献[2]对这一技术作了理论分析,并给出了相吻合的模

拟和测量结果。但文献仅分析了对I-V特性分别为指数律(亚阈区)和平方律(饱和区)的长沟道MOS管的偏置原理,并未提及短沟道器件。

本文首先从较为简单的平方律工作的长沟道MOS管入手,简要介绍这种补偿技术的工作原理,然后从工程分析的角度证明该技术对亚微米和深亚微米短沟道MOS管放大器的温度补偿作用,最后以两个放大器试验电路的HSPICE模拟结果为例对分析结果进行验证。

有较大的温度系数,例如MOS管的载流子迁移率和阈值电压随温度的变化可以表示为[1]

μ(T)=μ(T0)T

3/2

(1)(2)

Vth(T)=Vth(T0)-δ(T-T0)

这里T0=300°K,δ≈213mV/℃。可以预见,如果不采取补偿措施,CMOS放大器的性能将随温度变化而出现较大起伏。

一种常用的补偿技术是负反馈,如带有源极电阻的共源放大器可以在一定程度上抵消由温度变化引起的工作点漂移。负反馈技术还可以起到扩展带宽、提高线性度等作用,但代价是降低增益,并且有稳定性等问题。

Yamaji等人在中频放大器设计中使用了另一种温度补偿技术[2],利用一个恒跨导参考电流源对放大器进行偏置,使放大器增益基本上不受迁移率和阈值电压变化的影响。

收稿日期:2003206213

2　电路分析

图1所示为一个包含偏置电路的CMOS放大器,其中的参考电流源结构在文献[3]中被称为恒跨导参考源(Constant

-gmReference)。MP1和MP2构成一个镜像电流源。MN1、MN2以及M1和M2均具有相同的I-V特性,但是MN2的总宽长比是MN1的N倍。不失一般性,假设M1和M2的宽长比与MN2相等。所有的管子均工作在饱和区。忽略沟道长度调制效应和体效应(下同),可以证明该放大器

CMOS放大器低温漂设计

　第6期　

的增益近似与温度无关

。

宋琦明,陈志恒,李文渊:CMOS放大器的温度补偿偏置

I(V)V-V/ln

I(Vgs2)Vgs2-Vth

　17

α=ln(10a)(10b)

β=I(V

gs1)/(Vgs1-Vth)α

图1　恒跨导参考源偏置的差分放大器。

211　长沟道器件

此时MN1和MN2的I-V特性为平方律,即

I1=K(Vgs1-Vth)

2

(3a)(3b)

I2=N K(Vgs2-Vth)2

其中

K=

μnCox2L

由于I1=I2=I,故有

K(Vgs1-Vth)2=N K(Vgs2-Vth)2

Vgs1-Vth=I=

(V-V=

R0

N(Vgs2-Vth)N-)(V-V)

R0

R0

(4)(5)(6)

图2　短沟道MOS管漏极电流的幂函数近似及其误差

上图:归一化电流;下图:归一化跨导。

gm2=

==2(Vgs2-Vth)9Vgs2

显然,M1和M2的工作点与MN2相同,故它们的跨导

相同,于是放大器的电压增益

AV=gm2RL=2

N-1)

R0

假定

Vgs1

(7)

θ=0.5,ε=1.4,

-Vth=0.3V,Vgs2-Vth=0.2V,

若RL和R0的温度系数相同,AV与温度无关。

在011到015V的Vgs-Vth变化范围内,I和^I对K的归一化值以及后者的相对误差如图2所示。在Vgs1和Vgs2之间,近似式(9)所引入的电流值误差在-1%以内,跨导误差在±5%以内。Vgs1与Vgs2相距越近则误差越小,反之则误差增大。根据以上数据,我们认为公式(9)完全可以满足普通小信号电路的工程设计。

回到图1,现在可以写出

β(Vgs1-Vth)α≈N β(Vgs2-Vgs1-Vth≈

αα

212　短沟道器件

随着沟道长度不断缩小,MOS管的电流和电压逐渐偏

离平方律关系。对漏极电流较为重要的影响因素有速度饱和(VelocitySaturation)及纵向电场引起的载流子迁移率退化等。在这两者的作用下,漏极电流可表示为

I(Vgs)=K))

(8)1+θ(Vgs-Vth)1+ε(Vgs-Vth)

θ为载流子迁移率退化因子,可通过2×10-9/tox(V-1)ε=1/LEc表示了速度饱和的影响,其中L。

为沟道长度,Ec为临界场强,即载流子速度降为其线性计算作粗略估算

值1/2时的电场强度,典型值4×106(V/m)[3]。

对公式(8)直接进行数学分析较为复杂,在此,我们通过构造一个幂函数^I(Vgs)来近似漏极电流:

^I(Vgs)≈β(Vgs-th)

th)

α

[3]

N(Vgs2-Vth)(11)(12)(13)(14)

()()I==

R0R0gm2

αI=≈(=α9Vgs2Vgs2-Vth)R0

α

(9)

AV=gm2RL=α(-1)

R0

其中α和β为两个与工作点相关的常数,可以通过三种方法求得:(1)以某个工作点的电流值和跨导值为条件建立方程组;(2)以两个工作点的电流值为条件建立方程组;(3)以两个工作点的跨导值为条件建立方程组。不同条件下所求得的近似函数的误差情况也不同,以第二种方法为例,可得

严格地讲,上式仍然与温度有关,因为α是阈值电压的函数。但α的表达式显示它只是Vth的一个弱函数。当温度变化±50°,Vth的变化约为μ115mV,仍然采用上文中的θ和ε等数据并假设N=4,|α|的变化在10%以内,而从(13)所得到的跨导gm2的改变在±411%或±014dB以内。所以AV对温度变化不敏感,可以近似认为与温度无关。

CMOS放大器低温漂设计

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3　电路模拟结果

我们采用图3所示的放大器来验证以上结论。该放大器由5级相同的差分结构级联而成,输出端差分负载电容110pF。由于仅供验证温度补偿特性,并未对放大器的指标(如带宽等)进行优化。

对同样的放大器分别使用了图1所示的恒跨导偏置结构和图4所示的简单偏置,并用HSPICE进行了电路模拟。在室温下,两种偏置电路所设置的工作点是相同的,此时放大器的增益为70dB。当温度发生改变时,不同偏置所造成的不同幅频响应曲线如图5所示。恒跨导偏置下放大器的增益在-30℃到+80℃的温度变化范围内仅有019dB的波动,而简单偏置的放大器的增益变化在相同的温度条件下达到了9dB

。

图5　放大器在-30℃、25℃和80℃时的幅频响应。虚线为

恒跨导偏置的结果,实线为简单偏置

4　结论

本文分析了恒跨导偏置对长沟道和短沟道MOS管放大器的温度补偿作用,通过电路模拟对一个短沟道CMOS放大器在恒跨导偏置和一种简单偏置下的增益受温度的影响情况,分析和模拟结果显示,这种偏置方法对短沟道MOS管放大器也具有良好的温度补偿效果。参考文献:

[1]PhillipE.Allen,DouglasR.Holberg.CMOS模拟电路设计(第

二版)[M].电子工业出版社,2002

[2]TakafumiYamaji,etal.ATemperature-StableCMOSVariable

-GainAmplifierwith80-dBLinearlyControlledGainRange[J].IEEEJ.Solid-StateCircuits,May2002,37,553-558.[3]ThomasH.Lee.TheDesignofCMOSRadio-FrequencyInte2

gratedCircuits[M].CambridgeUniversityPress,1998.

图3　

用作测试的级联差分放大器

作者简介:

女,大专,东南大学无线电工程系射频与光电集成电宋琦明　

路研究所技术支持。

陈志恒　男,博士,研究方向:射频集成电路设计。男,副教授,研究方向:光通信集成电路设计。李文渊　

图4　

差分放大器的简单偏置

(上接第15页)

由于频谱利用率高、成本低等原因,OFDM技术越来越

受到关注。随着人们对通信业务数据化、宽带化、个人化和移动化的需求,OFDM技术在综合无线接入领域的应用越来越广泛。

⑨Adhoc无线接入网技术

Adhoc无线接入技术是一种自配置无线网络技术,该无线技术能够使得网络具有自适应性和可携带性,动态地共享无线频谱。网络是由一组不需要固定中间设备的无线主机组成。由于它们易于分布的特点,Adhoc网络更有可能在实际的网络中应用,Adhoc网络没有中心的管理和固定的基础网络。目前支持Adhoc的技术有蓝牙、802.11以及个人局域网(PAN)标准802.15等,Adhoc网络将作为未来4G其它结构型网络技术的有效补充,用以提高网络的速率、覆

盖以及自由随意通信。

目前对Adhoc网络的研究主要集中在Adhoc网的特色上,Adhoc网与结构型网主要的差别是分布式操作、动态网络拓扑、变化的链路容量以及低功率的终端设备。分布式的操作使节点不能依靠背景支持网络提供安全性和路由功能,所以必须研究设计相关的功能以保证高效的分布式操作,如业务发现、密钥分配和鉴权等。另外,要在Adhoc网上进行多媒体业务,需要QoS支持,Adhoc网伴随的变化通信质量使得固定的QoS保证非常困难。为了改善Adhoc网用户对业务的满意程度,应提高应用对Adhoc网上通信质量变化的自适应性。目前,QoS提供、安全性、路由算法以及移动性管理等是Adhoc网当前的研究热点。

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