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

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