《電子技術應用》
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一種帶熱滯回功能的CMOS溫度保護電路
摘要: 隨著集成電路技術的廣泛應用及集成度的不斷增加,超大規模集成電路(VLSI)的功耗、芯片內部的溫度不斷提高,溫度保護電路已經成為了眾多芯片設計中必不可少的一部分。本文在CSMC 0.5/μm CMOS工藝下,設計一種適用于音頻功放的高精度帶熱滯回功能溫度保護電路。
Abstract:
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  0 引 言

  隨著集成電路技術的廣泛應用及集成度的不斷增加,超大規模集成電路(VLSI)的功耗、芯片內部的溫度不斷提高,溫度保護電路已經成為了眾多芯片設計中必不可少的一部分。本文在CSMC 0.5/μm CMOS工藝下,設計一種適用于音頻功放的高精度帶熱滯回功能溫度保護電路。

  1 電路結構設計

  整個電路結構可分為啟動電路、PTAT電流產生電路、溫度比較及其輸出電路。下面詳細介紹各部分電路的設計以及實現。文中所設計的溫度保護整體電路圖如圖1所示。

溫度保護整體電路圖

  1.1 啟動電路

  在與電源無關的偏置電路中有一個很重要的問題,那就是“簡并”偏置點的存在,每條支路的電流可能為零,即電路不能進入正常工作狀態,故必須添加啟動電路,以便電源上電時擺脫簡并偏置點。上電瞬間,電容C上無電荷,M7柵極呈現低電壓,M7~M9導通,PD(低功耗引腳)為低電平,M3將M6柵壓拉高,由于設計中M2寬長比較小,而此時又不導通,Q1~Q4支路導通,電路脫離“簡并點”;隨著M6柵電位的繼續升高,M2導通,M3源電位急劇降低,某時刻M3被關斷,啟動電路與偏置電路實現隔離,電容C兩端電壓恒定,為M7提供合適的柵壓,偏置電路正常工作。然而,當PD為高電平時,M4導通,將M6,M10的柵電位拉低,使得整個電路處于低功耗狀態。

  1.2 PTAT電流產生電路

  在這一部分,M11,M12,M14,M15組成低壓共源共柵電流鏡,并且有相同的寬長比,使兩條支路電流相等。該結構與一般的共源共柵結構相比,可以提高等效溝道長度,從而增大輸出電阻,提高電路的PSRR性能;并且這種兩管組合結構可消耗較低的電壓壓降,從而增大輸出電壓擺幅,改善芯片低壓工作特性。如圖1所示,為了使共源共柵電流鏡正常工作,必須滿足M14和M15同時工作在飽和區,設M15的柵極偏置電壓為Vb,M14和M15的漏端電壓分別為VA和VB,即:

公式

  選擇M15的尺寸,使它的過驅動電壓始終小于一個閾值電壓,確保不等式成立,則選擇合適的Vb,即可使M11,M12和M14,M15消耗的電壓余度最小,值為兩個過驅動電壓。

  與此同時,M7~M10這條支路為偏置電路提供了負反饋,以減小電源電壓對偏置電流的影響,使得電路在平衡狀態時保證X,Y兩點電壓相等。然而,反饋的引入也為偏置電路引入了不穩定的因素,這里M13和M7構成了一個兩級閉環運放,為保證偏置電路的穩定,必須進行補償。通過電容C將主極點設置在第一級運放M13的輸出端,從而保證了電路的穩定性。若Q3發射區的面積是Q4發射區面積的n倍,流過的電流大小均為I,則:

公式

  式中:Vbe=VTln(Ic/Is)=(kT/q)ln(IC/IS);k是波爾茲曼常數;T是絕對溫度;q是電子電荷。飽和電流IS與發射區面積成正比,即IS3=nIS4。

  因此:

公式

  由式(9)可知,流經R1的電流與電源無關,只與絕對溫度成正比,即得到PTAT電流。

  1.3 溫度比較及輸出電路

  由于晶體管的BE結正向導通電壓具有負溫度系數;PTAT電流進行I-V變換產生電壓具有正溫度特性;利用這兩路電壓不同的溫度特性來實現溫度檢測,產生過溫保護信號的輸出。

  M26~M30,M33,M34構成一個兩級開環比較器,反相器的接入是為了滿足高轉換速率的要求。M31,M32是低功耗管,M23~M25的作用是構成一個正反饋回路,以防止在臨界狀態發生不穩定性,同時又為電路產生了滯回區間。

  比較器的兩個輸入端電壓分別記為VQ和VR;M17~M22用來鏡像基準源電路產生的PTAT電流,這里它們與M14有著相同的寬長比。因此流經這三條支路的電流都為IPTAT。在常溫下,M25截止,R2完成對PTAT電流的I-V變換,即VR=2IPTATR2,此時VR

  2 仿真結果及分析

  以下是對各部分電路進行仿真的結果,仿真工具是Candence Spectre,模型采用華潤上華公司的0.5μm的n阱CMOS工藝。

  圖2是PTAT電流隨溫度變化曲線。仿真結果表明,該曲線線性度較好,符合PTAT電流特性。常溫下,在電源為5 V的情況下,功耗僅為0.4 mW??梢姡涔姆浅5汀?

 

PTAT電流隨溫度變化曲線

  圖3是在電源電壓為5 V時,VR和VQ隨溫度變化的曲線。圖中,VR上的電壓有一個小的階躍,是因為在比較器翻轉時由于正反饋的作用電流突然增大的結果。

在電源電壓為5 V時,VR和VQ隨溫度變化的曲線

  圖4是溫度分別從0~150℃和150~0℃掃描時比較器輸出狀態的變化。由圖可見,當溫度由低到高上升至84.1℃時,電路輸出狀態由低電平翻轉成高電平,實現了芯片的過溫保護;只有當溫度回落到72℃時,電路才恢復原狀態,實現了約12℃的滯回溫度。改變圖1中R2的阻值可以調節溫度范圍,以滿足不同的需求。

溫度分別從0

  3 結 語

  為保證芯片在工作時不因溫度過高而被損壞,溫度保護電路是必須的。這里所設計的溫度保護電路對溫度靈敏性高,功耗低,其熱滯回功能能有效防止熱振蕩現象的發生,相比一般單獨使用晶體管BE結的溫度保護電路具有更高的靈敏度和精度,可廣泛用于各種功率芯片內部。

 

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