一种带热滞回功能的CMOS温度保护威廉希尔官方网站

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0 引 言

    随着集成威廉希尔官方网站 技术的广泛应用及集成度的不断增加，超大规模集成威廉希尔官方网站 (VLSI)的功耗、芯片内部的温度不断提高，温度保护威廉希尔官方网站 已经成为了众多芯片设计中必不可少的一部分。本文在CSMC 0．5／μm CMOS工艺下，设计一种适用于音频功放的高精度带热滞回功能温度保护威廉希尔官方网站 。

1 威廉希尔官方网站 结构设计

    整个威廉希尔官方网站 结构可分为启动威廉希尔官方网站 、PTAT电流产生威廉希尔官方网站 、温度比较及其输出威廉希尔官方网站 。下面详细介绍各部分威廉希尔官方网站 的设计以及实现。文中所设计的温度保护整体威廉希尔官方网站 图如图1所示。

1．1 启动威廉希尔官方网站

    在与电源无关的偏置威廉希尔官方网站 中有一个很重要的问题，那就是“简并”偏置点的存在，每条支路的电流可能为零，即威廉希尔官方网站 不能进入正常工作状态，故必须添加启动威廉希尔官方网站 ，以便电源上电时摆脱简并偏置点。上电瞬间，电容C上无电荷，M7栅极呈现低电压，M7～M9导通，PD(低功耗引脚)为低电平，M3将M6栅压拉高，由于设计中M2宽长比较小，而此时又不导通，Q1～Q4支路导通，威廉希尔官方网站 脱离“简并点”；随着M6栅电位的继续升高，M2导通，M3源电位急剧降低，某时刻M3被关断，启动威廉希尔官方网站 与偏置威廉希尔官方网站 实现隔离，电容C两端电压恒定，为M7提供合适的栅压，偏置威廉希尔官方网站 正常工作。然而，当PD为高电平时，M4导通，将M6，M10的栅电位拉低，使得整个威廉希尔官方网站 处于低功耗状态。

1．2 PTAT电流产生威廉希尔官方网站

    在这一部分，M11,M12,M14,M15组成低压共源共栅电流镜，并且有相同的宽长比，使两条支路电流相等。该结构与一般的共源共栅结构相比，可以提高等效沟道长度，从而增大输出电阻，提高威廉希尔官方网站 的PSRR性能；并且这种两管组合结构可消耗较低的电压压降，从而增大输出电压摆幅，改善芯片低压工作特性。如图1所示，为了使共源共栅电流镜正常工作，必须满足M14和M15同时工作在饱和区，设M15的栅极偏置电压为Vb，M14和M15的漏端电压分别为VA和VB，即：

    选择M15的尺寸，使它的过驱动电压始终小于一个阈值电压，确保不等式成立，则选择合适的Vb，即可使M11，M12和M14，M15消耗的电压余度最小，值为两个过驱动电压。

    与此同时，M7～M10这条支路为偏置威廉希尔官方网站 提供了负反馈，以减小电源电压对偏置电流的影响，使得威廉希尔官方网站 在平衡状态时保证X，Y两点电压相等。然而，反馈的引入也为偏置威廉希尔官方网站 引入了不稳定的因素，这里M13和M7构成了一个两级闭环运放，为保证偏置威廉希尔官方网站 的稳定，必须进行补偿。通过电容C将主极点设置在第一级运放M13的输出端，从而保证了威廉希尔官方网站 的稳定性。若Q3发射区的面积是Q4发射区面积的n倍，流过的电流大小均为I，则：

式中：Vbe=VTln(Ic／Is)=(kT／q)ln(IC／IS)；k是波尔兹曼常数；T是绝对温度；q是电子电荷。饱和电流IS与发射区面积成正比，即IS3=nIS4。

    因此：

    由式(9)可知，流经R1的电流与电源无关，只与绝对温度成正比，即得到PTAT电流。

1．3 温度比较及输出威廉希尔官方网站

    由于晶体管的BE结正向导通电压具有负温度系数；PTAT电流进行I-V变换产生电压具有正温度特性；利用这两路电压不同的温度特性来实现温度检测，产生过温保护信号的输出。

    M26～M30，M33，M34构成一个两级开环比较器，反相器的接入是为了满足高转换速率的要求。M31，M32是低功耗管，M23～M25的作用是构成一个正反馈回路，以防止在临界状态发生不稳定性，同时又为威廉希尔官方网站 产生了滞回区间。

    比较器的两个输入端电压分别记为VQ和VR；M17～M22用来镜像基准源威廉希尔官方网站 产生的PTAT电流，这里它们与M14有着相同的宽长比。因此流经这三条支路的电流都为IPTAT。在常温下，M25截止，R2完成对PTAT电流的I-V变换，即VR=2IPTATR2，此时VR

2 仿真结果及分析

    以下是对各部分威廉希尔官方网站 进行仿真的结果，仿真工具是Candence Spectre，模型采用华润上华公司的0．5μm的n阱CMOS工艺。

    图2是PTAT电流随温度变化曲线。仿真结果表明，该曲线线性度较好，符合PTAT电流特性。常温下，在电源为5 V的情况下，功耗仅为0．4 mW。可见，其功耗非常低。

    图3是在电源电压为5 V时，VR和VQ随温度变化的曲线。图中，VR上的电压有一个小的阶跃，是因为在比较器翻转时由于正反馈的作用电流突然增大的结果。

    图4是温度分别从0～150℃和150～0℃扫描时比较器输出状态的变化。由图可见，当温度由低到高上升至84．1℃时，威廉希尔官方网站 输出状态由低电平翻转成高电平，实现了芯片的过温保护；只有当温度回落到72℃时，威廉希尔官方网站 才恢复原状态，实现了约12℃的滞回温度。改变图1中R2的阻值可以调节温度范围，以满足不同的需求。

3 结 语

    为保证芯片在工作时不因温度过高而被损坏，温度保护威廉希尔官方网站 是必须的。这里所设计的温度保护威廉希尔官方网站 对温度灵敏性高，功耗低，其热滞回功能能有效防止热振荡现象的发生，相比一般单独使用晶体管BE结的温度保护威廉希尔官方网站 具有更高的灵敏度和精度，可广泛用于各种功率芯片内部。