《電子技術(shù)應用》
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一種基于MEMS傳感器基準電流源設(shè)計
來源:電子技術(shù)應用2010年第8期
趙 良，陳向東，蘇長遠，葛 林
西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都610031
摘要： 基于微機電系統(tǒng)傳感器工作原理，提出了一種應用于MEMS傳感器系統(tǒng)的低溫度系數(shù)和高電源抑制比基準電流源設(shè)計方案。在研究傳統(tǒng)Widlar型基準電流源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，運用BJT小信號模型分析，得出通過增大反饋環(huán)路增益來提高PSRR的結(jié)論。
關(guān)鍵詞： MEMS 傳感器 基準電流源
中圖分類號： TN431.1
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)08-0070-04
Design of a new reference current source based on MEMS sensor
ZHAO Liang，CHEN Xiang Dong，SU Chang Yuan，GE Lin
School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China
Abstract： Based on MEMS sensor working principle, a low temperature coefficient and high power supply rejection ratio reference current source was designed for MEMS sensor system. Based on the traditional Widlar-type structure reference current source, the BJT small-signal model was analyzed, the method of increasing the loop gain to enhance the reference current source PSRR was obtained, and to reduce the temperature coefficient, a self-compensation diode-loop increasing the current reference curvature compensation was designed.
Key words : MEMS；sensor；reference current source

    隨著集成電路工藝的發(fā)展，基準電流源模塊廣泛應用于模擬及數(shù)?；旌闲盘栔T多領(lǐng)域。在過去的十幾年里，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的研究與發(fā)展為基準電流源模塊帶來新的市場和設(shè)計挑戰(zhàn)。從MEMS發(fā)展的總體水平看，許多關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，正處于從實驗室研究走向?qū)嵱没?、產(chǎn)業(yè)化階段。我國的微系統(tǒng)研究在基礎(chǔ)研究和相關(guān)技術(shù)方面都取得了一些有特色的成果[1]，其中MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展尤為迅速。基于此，本文提出一種可用于MEMS氣體傳感器的基準電流源設(shè)計方案，該方案能夠滿足MEMS傳感器技術(shù)條件下的低溫度漂移、高電源抑制比(PSRR)的特點。
1 基準電流源原理分析
1.1 Widlar型基準電流源小信號建模
    Widlar型基準電流源如圖1所示[2]，由于Q1、M4采用二極管連接的方式，故可分別用一個電阻表示；M3、M5可分別用一個電壓控制電流源與電阻并聯(lián)表示。由BJT小信號模型可知，Q2可用一個等效的電壓控制電流源與等效電阻并聯(lián)表示[3]，Widlar型基準電流源小信號模型如圖2所示。

    由于V2的電壓受自偏置結(jié)構(gòu)影響，內(nèi)部存在的反饋環(huán)路能夠保持電壓穩(wěn)定，從而由圖1電路可以得到一個穩(wěn)定電流。圖2中，g′m2為Q2和R的等效跨導，R′為Q2和R的輸出電阻。由電路等效理論可知：

其中，由于分母是1減去環(huán)路增益，可得到該電路中存在的反饋為正反饋。理論上只有越小的環(huán)路增益才能獲得更小的閉環(huán)增益，根據(jù)上述理論分析，為了獲得具有高電源抑制能力的電流源且電路穩(wěn)定，本設(shè)計采取更改反饋屬性以增大環(huán)路增益。
1.2 高階曲率補償理論分析
    電流源溫度系數(shù)補償電路目前應用較為廣泛的是利用Widlar核心電路產(chǎn)生PTAT電流，BJT的BE結(jié)產(chǎn)生負溫度系數(shù)電流，再由兩者互相補償，產(chǎn)生基準電流Iref[4]。電流補償如圖3所示。

    BJT中BE結(jié)電流方程為：

2 具體電路實現(xiàn)
    圖4為基準電流源設(shè)計電路。如不加說明，則認為所有PMOS管襯底接電源電壓；所有NMOS管襯底接地電壓。圖中，C、D部分為基準電流核心電路，C部分產(chǎn)生IPTAT。依據(jù)上述基準電流源原理分析，在Widlar電流源框架下通過斷開Q1的二極管連接，加入運算放大器并改變反饋屬性以提高反饋系數(shù)。為了降低電路的復雜度，加入單級差分運放。D部分為產(chǎn)生IV和INL實現(xiàn)電路，

3 仿真與討論
    本文設(shè)計方案經(jīng)由SMIC 0.35 μm BICMOS工藝、Hspice驗證仿真，Cscope圖形查看軟件綜合。
    圖5為Widlar型基準電流源反饋環(huán)路不同增益下基準電流PSRR曲線。由圖5可以看出，在反饋環(huán)電路中添加運算放大器時，PSRR為144.07 dB；未添加運算放大器時，PSRR為134.37 dB。

    圖6為基準電流源溫度特性曲線。溫度變化范圍為-30 ℃～100 ℃，基準電流平均值為15.394 μA，電流變化范圍為24.833 nA，基準電流溫度系數(shù)為12.4 ppm/℃。

    將本文設(shè)計方案與部分參考文獻主要參數(shù)進行比較，結(jié)果見表1[5-7]。從表1可見，該基準電流源具備良好的性能指標，可應用于MEMS傳感器系統(tǒng)的高PSRR和低溫度系數(shù)環(huán)境中。

   
參考文獻
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