一种关于MEMS传感器基准电流源设计

随着集成电路工艺的发展，基准电流源模块广泛应用于模拟及数模混合信号诸多领域。在过去的十几年里，微机电系统（MEMS）技术的研究与发展为基准电流源模块带来新的市场和设计挑战。从MEMS发展的总体水平看，许多关键技术已经突破，正处于从实验室研究走向实用化、产业化阶段。

我国的微系统研究在基础研究和相关技术方面都取得了一些有特色的成果［1］，其中MEMS传感器技术发展尤为迅速。基于此，本文提出一种可用于MEMS气体传感器的基准电流源设计方案，该方案能够满足MEMS传感器技术条件下的低温度漂移、高电源抑制比（PSRR）的特点。

1 基准电流源原理分析

1.1 Widlar型基准电流源小信号建模

Widlar型基准电流源如图1所示［2］，由于Q1、M4采用二极管连接的方式，故可分别用一个电阻表示；M3、M5可分别用一个电压控制电流源与电阻并联表示。由BJT小信号模型可知，Q2可用一个等效的电压控制电流源与等效电阻并联表示［3］，Widlar型基准电流源小信号模型如图2所示。

由于V2的电压受自偏置结构影响，内部存在的反馈环路能够保持电压稳定，从而由图1电路可以得到一个稳定电流。图2中，g′m2为Q2和R的等效跨导，R′为Q2和R的输出电阻。由电路等效理论可知：

其中，由于分母是1减去环路增益，可得到该电路中存在的反馈为正反馈。理论上只有越小的环路增益才能获得更小的闭环增益，根据上述理论分析，为了获得具有高电源抑制能力的电流源且电路稳定，本设计采取更改反馈属性以增大环路增益。

1.2 高阶曲率补偿理论分析

电流源温度系数补偿电路目前应用较为广泛的是利用Widlar核心电路产生PTAT电流，BJT的BE结产生负温度系数电流，再由两者互相补偿，产生基准电流Iref［4］。电流补偿如图3所示。

BJT中BE结电流方程为：

2 具体电路实现

图4为基准电流源设计电路。如不加说明，则认为所有PMOS管衬底接电源电压；所有NMOS管衬底接地电压。图中，C、D部分为基准电流核心电路，C部分产生IPTAT。依据上述基准电流源原理分析，在Widlar电流源框架下通过断开Q1的二极管连接，加入运算放大器并改变反馈属性以提高反馈系数。为了降低电路的复杂度，加入单级差分运放。D部分为产生IV和INL实现电路，

 

3 仿真与讨论

本文设计方案经由SMIC 0.35 μm BICMOS工艺、Hspice验证仿真，Cscope图形查看软件综合。

图5为Widlar型基准电流源反馈环路不同增益下基准电流PSRR曲线。由图5可以看出，在反馈环电路中添加运算放大器时，PSRR为144.07 dB；未添加运算放大器时，PSRR为134.37 dB。

图6为基准电流源温度特性曲线。温度变化范围为-30 ℃～100 ℃，基准电流平均值为15.394 μA，电流变化范围为24.833 nA，基准电流温度系数为12.4 ppm/℃。

将本文设计方案与部分参考文献主要参数进行比较，结果见表1［5-7］。从表1可见，该基准电流源具备良好的性能指标，可应用于MEMS传感器系统的高PSRR和低温度系数环境中。

 

参考文献

［1］ 莫锦秋，梁庆华，汪国宝，等。微机电系统设计与制造［M］。 北京：化学工业出版社，2004.

［2］ ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS模拟集成电路设计［M］。北京：电子工业出版社，2005.

［3］ GIUSTOLISI G，PALUMBO G.Analysis of power supply noise attenuation in a PTAT current source［C］.IEEE Int Symp on Circuits and Systems.Phoenix，USA，2002.

［4］ 毕查德·拉扎维。模拟CMOS集成电路设计［M］。西安：西 安交通大学出版社，2002.

［5］ FIORI，CROVETTI P S.A new compact temperature-compensation CMOS current reference［J］.IEEE Trans.Circuits SystemⅡ，2005，52（11）：724-728.

［6］ DANAIE M，LOTFI R.A low-voltage high-PSRR CMOS PTAT & constant-gm reference circuit［J］.IEEE Trans. Circuits SystⅡ，2005，2（8）：1807-1810.

［7］ 孟少鹏。数字电视调谐器中基准电流源的设计［J］。计算机技术与应用进展，2006，3（7）：584-587.

编辑：jq