PTAT電路由M6-M13和R1構成，利用其工作在弱反型區晶體管的特點，取代了傳統的三極管PTAT產生電路，且不需要運算放大器，面積大大減小，弱反型區晶體管特性令工作功耗大大降低。P型晶體管M6與M7組成第一對電流鏡，增益為S7/S6，N型晶體管M12與M13組成第二對電流鏡，增益為S12/S13，只要2路電流足夠小，電阻R1的影響就可以忽略，2路電流相等。M6～M13組成一個閉合環路，環路的增益為2組電流鏡增益的乘積。其中晶體管M6與M7的寬長比要足夠大，工作在弱反型區，M12與M13溝道長度要足夠長，工作在飽和區。M8，M9和M10，M11分別與M6，M7和M12，M13構成共源共柵結構，增大阻抗，提高基準電壓源的電源抑制比。環路的起始增益大于1令兩支路的電流增加，直到平衡則增益降為1，電阻R1上的壓降為VR1。根據公式(1)，VR1可以表示為：

　　

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　　則流過電阻R1的電流為：

　　

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　　由式(3)可以看出，電流IR只與晶體管寬長比，電阻R1，斜率因子n;波爾滋曼常數k，絕對溫度T有關，與電源電壓無關，是與溫度成正比的PTAT電流。

　　電壓基準輸出電路由晶體管M14～M19，以及電阻R2，三極管Q1，電容C2組成。M18與M19鏡像PTAT電流同時M15與M17鏡像M18，M19支路的PTAT電流，組成電流放大，采用共源共柵結構是為了鏡像更準確。PTAT電流流過電阻R2，產生與溫度成正比的PTAT電壓，此PTAT電壓和二極管方式連接的三極管Q1的Vbe電壓疊加，產生與溫度無關的基準電壓，電容C2是為了濾波，降低噪聲。

　　

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　　其中Eg為硅的帶隙能量;m為遷移率的溫度系數常數。

　　將式(7)代入(6)可以看出，只要合理設置晶體管的寬長比和電阻R2，R1的比值就可以得到與溫度無關的基準電壓。

　　由于電壓基準源電路存在2個電路平衡點，零點和正常工作點。當基準源工作在零點時，晶體管M8，M9柵源電壓為高，M10，M11管柵源電壓為低，PTAT電路沒有電流產生，啟動電路就是避免電壓基準工作在零點上。本文提出的啟動電路的最大特點是不耗電，它由晶體管M1～M5以及電容C1組成。當電源電壓為低時，若電容C1上存有電荷，則M3導通，將電荷放完，等電源電壓為高時，M1，M2導通，流過M2的瞬間大電流迅速將M5打開，同時將M8，M9的柵電位拉低導通，產生PTAT電流，電路正常工作，當M12，M13柵壓升高時，M4導通，將M5柵壓拉低，啟動電路停止工作，幾乎不消耗電流，達到了低功耗的目的。啟動時間由M2管子的大小和電容C1決定。電壓基準的啟動電路仿真結果如圖3所示，啟動時間只要50μs，啟動之后只要消耗82 pA的電流。若沒有M3，電容C1上可能存在電荷沒有放完，再次啟動時有啟動不了的可能。

　　

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　　5 版圖及測試結果

　　本文介紹的電壓基準源采用CSMC 0.5 μm，兩層POLY，一層金屬的CMOS工藝實現，已經成功流片。該工藝的閾值電壓分別為N管0.87 V，P管-0.97 V。由于產生PTAT電流的2個P型管存在失調會導致2支路不平衡，版圖匹配技術可以減少失調，在版圖中可以增加虛擬晶體管使匹配晶體管間的環境相同來減少失調，同時，晶體管M7要在一個獨立的N阱中，使與M6的偏置條件一樣來減少失調。二極管可以用CMOS工藝中寄生的PNP三極管實現，N阱中的P+區作為發射區，N阱本身作為基區，P型稱底作為集電區，電阻采用具有負溫度系數的高阻POLY2電阻，方塊阻值為2 kΩ/□，節省面積。電壓基準的版圖如圖4所示，版圖面積為：490μm×75μm-0.036 75 mm2。

　　

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