（微电子学与固体电子学专业论文）cmos带隙基准电压源的设计研究.pdf

c m o s 带隙基准电压源的设计研究 摘要 基准电压源是模拟电路的核心模块之一，为其他功能模块提供高 精度的电压基准。基准源输出的基准电压要求非常稳定，与外接电源 电压、温度及工艺的关系很小。本文首先介绍基准电压源的国内外发 展状况，然后详细介绍了带隙基准电压源的基本原理、基本结构及性 能指标，并在此基础上，分别设计了两种侧重点不同的带隙基准电压 源电路，并为第二个结构制作了版图。 第一个带隙基准电压源侧重点在于性能。该结构通过二阶温度补 偿的方法获得了极其良好性能的温度系数，并且是在相当宽的温度范 围内的表现。本文基于t s m c ( 台积电) 0 3 5u m 工艺下进行仿真，仿 真结果为在16 5 温度范围内( 一15 至15 0 ) 达到了3 9p p m 这 样一个相当低的温度系数。性能极其优秀。 第二个带隙基准电压源侧重于应用。该结构包括简单的启动电路、 m i l l e r 二级放大电路和基本的核心电路。在u m c ( 联电) o 18 工艺下 进行仿真，仿真结果为：在12 5 温度范围内( 0 至12 5 ) 温度系 数为9 2 2 p p m ：并且电源电压抑制比在10 k h z 时仍为8 0 d b 以下，在 实际应用中完全可满足要求。并且在第五章给出了该电路的l a y o u t 版 图。 关键词：带隙基准电压源；宽温度范围；低温度系数；实际应用；版图 d e s i g no fc m o sb a n d g a pr e f e r e n c es o u r c e a b s t r a c t t h ev o l t a g er e f e r e n c es o u r c e ，w h i c hp r o v i d e sh i g hp r e c i s i o nv o l t a g e r e f e r e n c ef o rt h eo t h e rf u n c t i o n a lm o d u l e s ，i so n eo ft h ek e vm o d u l e so f t h e a n a l o gc i r c u i t s t h e o u t p u to ft h ev o l t a g et h a tr e f e r e n c es o u r c e r e q u i r e si sv e r ys t a b l e ，a n dh a sl i t t l er e l a t i o n s h i pw i t he x t e r n a lp o w e r s u p p l yv o l t a g e ， t e m p e r a t u r e a n d t e c h n o l o g y t h e d e v e l o p m e n t o f r e f e r e n c es o u r c ei si n t r o d u c e d t h eb a s i cc i r c u i ts t r u c t u r e ， w o r k i n g t h e o r ya n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so fb a n d g a pc i r c u i t ，w h i c hi sac o m m o n v o l t a g er e f e r e n c es o u r c ef o r m ，a r ed i s c u s s e di nd e t a i l o nt h eb a s i s t w o d i f f e r e n te m p h a s e so fb a n d g a pc i r c u i t sa r ed e s i g n e d ，a n dt h el a y o u to ft h e s e c o n dc i r c u i tisp r o v i d e d t h ee m p h a s i so ft h ef i r s tc i r c u i ti so nh i g hp e r f o r m a n c e t h ec i r c u i t p r e s e n t sa ne x t r e m e l yl o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to v e ra v e r yw i d e t e m p e r a t u r er a n g et h r o u g ht h es e c o n d o r d e rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n m e t h o d b a s e do nt s m c0 35 “m p r o c e s ss i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o w t e m p e r a t u r ec o e f n c i e n t sa sl o wa s3 9p p m o v e rat e m p e r a t u r er a n g eo f 1 6 5 ( 一l5 t o 1 5 0 ) i t sa v e r y l o w t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n d e x c e l l e n tp e r f 6 r m a n c e t h ee m p h a s i so ft h es e c o n dc i r c u i ti s o na p p l i c a t i o n t h es t r u c t u r e c o n s i s t so fas i m p l es t a r t u pc i r c u i t ，m i l i e rt w os t a g ea m p l i f i e ra n dt h e c o r ec i r c u i t b a s e do nt h eu m c0 18p mp r o c e s ss i m u i a t i o n ，t h er e s u l t s s h o wa sf o l l o w s ：i nt h e t e m p e r a t u r er a n g eo f1 2 5 ( 0 t o 1 2 5 ) t e m p e r a t u r ec o e f n c i e n ti s 9 2 2 p p m ，a n da t 1o k h zt h ep o w e rs u p p l y r e j e c t i o nr a t i oi ss t i h8 0 d b t h i s p e f f o r m a n c ec a nf u l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s a n dt h el a y o u to ft h ec i r c u i t si s g i v e ni nc h a p t e r5 k e y w o r d s ： b a n d g a p r e f e r e n c e v o l t a g es o u r c e ； w i d e t e m p e r a t u r e r a n g e ；l o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ；p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ；l a y o u t 致谢 硕士论文即将完成，同时也宣告我的研究生生涯即将结束。 两年多来除了自己的潜心学习和研究之外，也凝聚了很多人的心 血。在这里，我要对在攻读硕士学位期间帮助过我的所有人表示 衷心的感谢。 首先由衷的感谢我的导师张鉴老师。张老师在两年半来对我 的悉心指导和一贯的鼓励支持，督促着我不断进步。张老师严谨 的态度和平易近人的品质深深印在脑海，让我受益终生。在这里 向张鉴老师表示最衷心的感谢! 感谢我的同门徐栋梁、吕明、闫文静以及0 9 级研27 班全体 同学在学习、生活上给予的关心与帮助。 感谢我的家人，你们无私的支持和鼓励是我在学习和生活中 永远前进的动力。 感谢合肥工业大学多年来对我的培养。感谢所有辛勤教育我 的老师。 忠心感谢百忙中抽出时间参加论文评阅和评议的各位专家学 者。感谢所有参与论文答辩的各位老师。 作者：赵强 们f1 年牛月，舌日 插图清单 图1 1 模数数模转换器中基准源的作用2 图1 2 齐纳二极管2 图2 1 镜像电流产生原理图6 图2 2( a ) 二极管连接的器件实现逆运算( b ) 基本的电流镜电路6 图2 3 由镜像电流获得偏置电流7 图2 4 通过镜像自身电流获得的与电源无关的电流偏置电路7 图2 5( a ) 为确定电流而增加r l ( b ) 消除体效应的替代电路8 图2 6 产生正温度系数电压电路10 图2 7 ( a ) 产生与温度无关电压的原理图( b ) 图( a ) 所示原理的实现图 】l1 图2 8w i d l a r 带隙基准源基本结构图13 图2 9 兼容于c m o s 工艺的带隙基准源基本结构图14 图3 1 本章提出的b g r 设计方案l9 图3 2 该带隙基准源设计的原理示意图2 0 图3 3 图3 1 中放大电路的具体结构2 2 图3 4 图3 1 电路的仿真温度特性图2 3 图3 5 该电路在三个典型温度不同电压下的仿真结果2 4 图4 1 基于b a n b a 结构的带隙基准源2 6 图4 2 核心部分2 7 图4 3 启动电路部分2 9 图4 4 放大电路部分具体结构3 0 图4 4 放大器仿真结果图3 0 图4 5 图4 1 所示电路产生输出电压与温度的关系3 1 图4 6 图4 1 所示基准源的电源电压抑制比仿真结果3 2 图5 1v ir t u o s o 界面图3 4 图5 2c a l i b r e 验证工具界面调用方式3 5 图5 3 高亮显示错误具体位置3 5 图5 4 共质心结构示意图3 7 图5 5 多晶硅电阻3 8 图5 6p n p 型晶体管剖面示意图3 9 图5 7p n p 型晶体管版图3 9 图5 8n m o s 版图3 9 图5 9p m o s 版图4 0 图5 10 只显示层m e t a l l 、m e t a l 2 、m e t a l 3 的带隙基准源版图4 0 第一章绪论 随着集成电路设计工艺向深亚微米不断发展，可制造的最小线宽 也在逐步减小，目前已经可以达到2 2 n m ，虽说进入更小的最小线宽的 时间尚难预料，但作为集成电路工艺标志性企业的英特尔公司已经公 布其路线图，2 013 年英特尔将以14 n m 工艺生产芯片，然后在2 0 15 年以 10 n m 工艺生产芯片，最后其计划在2 017 年生产其第一款7 n m 芯片。随 着工艺技术的不断进步，i c 设计的改革也应运而生。在目前c m o s 主流 工艺中，由于最小线宽的减小，m 0 s 管栅极能够承载的电压值就受到 了限制，所以常规电路中的一些结构必须采用新的设计，以满足在新 的工艺条件下依然能得到高性能、低成本的芯片。在集成电路发展历 程中，数字集成电路成为集成电路发展的中坚力量，由于目前对于精 度、速度、规模要求比较高的数字模块设计和制造愈来愈简易，导致 在一些以往由模拟模块完成的功能电路亦由数字模块替代。但我们感 受到接收到的信息仍是一个线性变化的模拟量，并不是非零即一的数 字量，所以模拟电路模块在集成电路行业中的地位仍不可撼动，一些 特殊功能的模拟模块仍不可被数字电路所替代。目前随着集成电路行 业的快速发展，模拟电路的重要作用亦明显的凸显出来。 基准源模块就是模拟电路中的核心电路之一i lj 。基准源电路就是指 产生电压基准和电流基准的电路。基准源广泛应用于各种模拟集成电 路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，是必不可少的基本单 元。在模数转换器( a d c ) 、数模转换器( d a c ) 、动态存储器( d r a m ) 等集成电路设计中，基准的精度决定着系统的精度，所以一个满足要 求的基准电路必不可少，只有这样才能达成电路模块预期的性能。因 此，高性能的基准源一直是研究的热点。下文将对其重点讨论。 1 1 基准源简介 基准源是指具有高精度及高稳定度的电压基准源或电流源，分别 产生电压基准或电流基准的电路，普遍存在于模拟电路中。这种基准是 直流量，它与工艺参数和电源的关系很小，但与温度的关系是确定的。 例如，在像模拟数字和数字模拟转换器这样的系统中，基准源电路就 是必不可少的，转换器输入或输出的全程范围即是由其来确定。如下 图( a ) 所示，一个模拟信号量输入a d c ( 模数转换器) 中，通过与基 准源提供的参考电压想比较确定一个数字信号量输出为下一级模块应 用；图( b ) 所示，一个数字信号量输入d a c ( 模数转换器) 中，通过 与基准源提供的参考电压相比较输出一个模拟信号量供下一级模块应 用。 ( a ) 基准源在模数转换器审的作用( b ) 基准滚在数模转换器中的作用 图1 1 模数数模转换器中基准源的作用 图中，v i n 、v o u t 为模拟量，d n 1 、d n 2 、d l 、d o 为对应的数字量， v r e f 为基准源提供的参考电压。 本文主要讨论的是基准电压源，以下文中如无特别说明，提到的 基准源都指基准电压源。 1 2 带隙基准源的研究现状及研究意义 在集成电路工艺发展早期，齐纳基准源是基准源的主要实现形式， 如图1 2 ( ，a ) 所示。其主要原理为当其两端电压高于击穿电压时被反向击 穿，之后两端电压即不会再发生变化。由于当时工艺条件的限制等原 因，在最初应用时，其噪声严重且性能非常不稳定。后来人们为使其 噪声和稳定性方便都有较大改善，在表面以下制作齐纳结，制成掩埋 型齐纳基准源，如图1 2 ( b ) 所示。但是改进后依然有着明显的缺点：一 是齐纳二极管正常工作电压较高( 限定在6 8 v ) ，无法在低电压模块中 普及使用；二是若要使齐纳二极管具有高精度，对工艺要求就要非常 严格，其造价不菲，成本较高在实际应用中也必然受限。 遗 表 i 今 斋纳扩靛医 蠼， 若e 醪 a ) 袭露齐纳二极管协掩埋型斋绫二极管 图1 2 齐纳二极管 史上第一种带隙基准结构是在19 71 年由w i d l a r 提出【2 1 。原理为利 2 用了具有正温度系数的v b e 和具有负温度系数的v b e ，两者以合适的 权重相加即可得零温度系数，由此奠定了带隙基准源的基础。与图1 2 所示基准源相比，w i d l a r 型带隙基准源优势相当明显：输出电压更低， 噪声更小，稳定性更好。接下来，此基础上带隙基准结构的改进型分 别由k u ii k 和b r o k a w 相继提出l 3 儿引。运算放大器被放入新的结构中， 作用为电压钳位，进而输出基准电压的精度得到了极大的提高。 带隙基准理论的基础即是由以上经典结构奠定。近年来，c m o s 工 艺占据了i c 制造的主导地位，然而齐纳基准源与标准c m o s 工艺不能 兼容并且不能适用于低电源电压，但是由于带隙基准源与c m o s 工艺 的完美兼容而成为了基准源的主流形式。目前国内外对基准源的研究 大体可分为如下四个方向： 1 低温度系数的基准源。温度系数对于基准源来讲是一个非常基础 亦非常重要的性能参数。普通的带隙基准源都通过一阶温度补偿进行 设计，这样并未能达到一个非常好的温度性能。目前，主要通过高阶 温度补偿来更加改善其温度特性。二阶曲线补偿技术【5 j 、线性化v b e ( 这里指双极型晶体管的栅源电压) 技术【6j 、指数曲线补偿技术【_ 7 j 等方 法为目前主要采用的高阶补偿技术。为在各项性能指标中做一个合适 的折中，二阶温度补偿为业界提高温度特性的主要方法。 2 高电源抑制比的基准源。电源电压抑制比是反应基准源输出电压 抑制外接电压源电压变化时对其造成影响的参数。现在数模混合电路 在集成电路行业中非常常见，而较大的噪声可能存在于供电电源中。 为抑制其对基准电压源产生较大影响，通常通过将电源电压的变化作 为一个反馈到基准源环路中，通过环路来提高电源抑制比；也可以通 过提高运放的增益 8 和电源抑制比【9 】【1 0 1 来提高基准源的p s r r 性能。 3 低电压低功耗的基准源。随着集成电路工艺的最小尺寸越来越小， 工作电压也要求越来越低，就如最近几年疯狂发展的触屏手机及各种 p a d ，功耗也不得不纳入电路设计的考虑因素。而目前1 2 5 v 为普通带 隙基准源的输出电压，所以要求其供电电压要比较1 2 5 v 高出一些。 但是工艺技术已经发展到使供电电压逐渐逼近1 2 5 v ，所以必须采用特 殊结构的电路来设计带隙基准源，如亚阈值工作型【l ，开关电容型等。 4 其他研究热点。 1 - 3 本文的主要工作和结构 本文的主要结构由以下几部分构成： 第一章绪论，介绍基准源电路的研究意义、其发展历程及目前发 展热点，以及本文所做的主要工作。 第二章主要介绍带隙基准源电路的工作原理、传统带隙基准源的 3 基本构成，并且介绍了基准源的主要性能指标。 第三章设计了一种在宽温度范围并具有极低温度系数的带隙基准 源，并对其进行了详细分析及仿真讨论。 第四章设计了一种非常实用的带隙基准源，并对其温度系数和电 源电压抑制比特性进行了仿真讨论。 第五章详细介绍了版图设计的主要规则及版图设计中需要考虑的 因素，并实现了第四章中的带隙基准源的版图。 第六章总结了本论文的工作并对论文中的不足进行了讨论与展 单。 4 第二章传统带隙基准源的基本原理及结构 由于带隙基准源具有电源抑制比高、温度系数低等优点，所以带 隙基准源为目前实现基准源电路的主流方式。本章将主要讨论传统带 隙基准源基本原理及其基本结构。 2 1 传统带隙基准源的基本原理 对于一个基本基准源的最基本的要求为与电源无关和与工艺无关， 并且具有确定的温度特性( 与温度完全无关的电路无法实现，其实在 实际芯片实现中，只要得到的基准电压随温度变化非常微小即可满足 要求) 。实际上，上述要求归根结底为两点：一、与电源无关；二、与 温度无关【l2 1 。因为大部分工艺参数是伴着温度变化而变化的，所以说 如果可以使得基准与温度无关，就可以满足其与工艺无关的要求。 因此，主要问题即变为如何得到一个与电源无关的偏置及与温度成 特定关系的基准源设计。 2 1 1 与电源无关的偏置 首先本文来讨论下镜像电流的原理。图2 1 为复制电流的原理方法 图，其中i r e f 为一个理想电流源，m 1 为一个n m o s 管。那么怎样才能 保证厶甜尸厶。r 昵? 对于一个m o s 晶体管，若如i 厂f s ) ，上式中i d 为 m o s 管的漏极电流，其中木) 表示i d 对应于v g s 函数关系，因此可以 得到s i 厂。f 如夕。所以一个晶体管若被偏置在i r e f ，则可以得到s = 厂。 ( ，l 。，夕，如图2 2 ( a ) 所示。所以，如果这样一个电压加到另外一个m 0s 管的栅源之间，输出的电流则为l r2 。1 ( ) 2 ，如图2 2 ( b ) 所示。 换句话说则为，都工作在饱和区并且被置于相同栅源电压的相同的两 个晶体管上会流通着相同的电流。图2 2 ( b ) 中的m l 、m 2 即构成了一 个基本的电流镜。 5 i 呦 i r e v 曲 图2 1 镜像电流产生原理图 i v ( 匐( b ) 图2 2( a ) 二极管连接的器件实现逆运算( b ) 基本的电流镜电路 l 根据电流镜原理就可以方便的获得与电源无关的偏置。如图2 3 所 示，如果i r e f 不随v d d 变化，并且忽略m 2 和m 3 的沟道长度调制效应， 那么由镜像电流源的原理就可知i d 2 和i d 3 就保持与电源电压无关。 6 i 怒f m 图2 3 由镜像电流获得偏置电流 上图中，l 。，为一个理想电流源提供的恒定电流，m 1 、m 2 、m 3 为 相同尺寸的n m o s 管。 所以接下来本文设计的重点就在于如何获得不随v d d 变化而变化 的i r c f 。目前常用的方式为电路镜像自己的电流来偏置，即i r c f 通过偏 置i o u 。来得到。如下图 v 瓣 图2 4 通过镜像自身电流获得的与电源无关的电流偏置电路 上图中，m l 、m 2 为n m o s 管，m 2 尺寸为m l 的k 倍；m 3 、m 4 为 p m o s 管，m 3 尺寸为m 4 的k 倍。k 为一个常数。 图2 4 中，因为i r e f 是由通过自身镜像i o u 。的方法获得。m 3 和m 4 镜像了i o u 。，所以k ，也就确定了下来，即厶“广k k 厂。例如，如果i r e f 被人为强制置为10 斗a ，即可得到一个确定不变的厶甜f _ k jd 彳的电流， 在图2 2 中的两条支路上永远维持。 接下来，为了得到确定唯一的电流值，对图2 2 的电路添加一个电 阻，如图2 3 ( a ) 所示。 7 v 独 图2 5( a ) 为确定电流而增加r l ( b ) 消除体效应的替代电路 由图2 5 ( a ) ，则可以得出等式l = 2 + 乙墨。其中，v g s l 、v g s 2 为n m o s 管m l 、m 2 的栅源电压，r l 为添加的电阻。 上述等式展开即为 忽略体效应， + 1 =+ 2 + l ，墨 并由于i r c f = i ou t ，由上式可得到 ( 1 一去) = k 墨 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 即： 乙2 鬲蒜寿。一去) 2 ( 2 3 ) 式中，k 为常数，以为n m o s 管中本征载流子漂移迁移率，w 、l 分 别为对应管子的沟道长度及宽度。c o x 为单位面积的栅氧化层电容。 由上式可知，电流与电源电压v d d 无关，即可满足本电路的设计 要求一，得到与电源无关的偏置( 下节中所有提到的恒定的电流源都 是根据此原理提供的) 。但仍与工艺和温度有关系，接下来本文就要讨 论解决的方法。 2 2 2 与温度无关的基准 由于基准源需要为其他电路模块提供高稳定读的电压，所以也必须 满足其在温度产生大幅度变化而本身输出的基准变化非常微小的要 求。为获得与温度无关的基准，基本原理为将两个具有相反温度系数 的量以适当的权重相加，这样就可以得到零温度系数特征的基准。假 8 设v l 、v 2 为随温度变化而反方向变化的电压， 数a 和b ，使得 口亟+ 6 丝：o a 丁a 丁 我们选取某两个特定常 ( 2 4 ) 这样就可以获得具有零温度系数特性的电压基准以。厂= 口n + 6 。由于在 半导体工艺中，双极型晶体管被证实具有较好的温度特性参数重复性， 即良好稳定的的正温度系数和负温度系数的特性，所以毫无疑问的成 为设计基准源的首选及核心。 接下来本文先讨论如何得到具有负温度系数的电压。如上所述，双 极型晶体管良好的温度特性，其基极一发射极电压( 事实上此电压与p n 结二极管的正通电压特性类似) 即具有与温度变化成反比的特性。 对于一个发射结正偏的双极型晶体管，可以容易得出： 厶：，。e ( 9 ( 2 5 ) 式中，i c 为集电极电流；i s 为发射极电流，与后丁行，2 呈正比；q 为电子 电荷；v b e 为双极型晶体管的基极一发射极电压；k 为波尔兹曼常数；t 为绝对温度；“为少数载流子的迁移率；玎，指硅的本征载流子浓度。其 中p p o t m ，其中m 3 2 ，且n i 2 o ct 3 e x p ( 一e g ( k t ) ) ，其中e g 为硅带隙 的能量，约等于1 12 e v 。所以可以推导得到 f ，。：6 丁4 + ”e x p ! ( 2 6 ) “ 忌2 式中b 代表一个常数比例系数。 由式( 2 5 ) 可以得到： = 竺1 1 1 ( 毛乓) ( 2 7 ) g 将式( 2 7 ) 对绝对温度t 求导可得： 监：鱼1 i l 生一坚亟( 2 8 ) 饥 q is i s 研 对式( 2 6 ) 以t 为变量求导得： 坚亟：f 4 + m ) 生+ 笠 ( 2 9 ) i sa t 、 qq t 由式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可以得到： 盟：鱼埘与一坐燮一生 ( 2 1o ) a t q 、i s j qq t 将式( 2 7 ) 代入式( 2 10 ) 即可得： 9 盟：堡一丝塑查一堡( 2 1 1 ) a 2 2 。 g9 2 在室温t = 3 0 0 k ，v b e = 7 5 0 m v 时， 型篮一1 5 m 矿k a 2 。 式( 2 1 1 ) 给出了在特定温度下的v b e 的温度系数，并且该温度系 数还与在该特定温度下的v b e 值有关。 由上文的讨论得到了一个呈现负温度系数特性的电压( v b e ) 。接 下来的主要工作就是找到一个呈正温度系数的电压，通过两者乘以一 定的权重相加即可获得具有零温度系数的电压。 由于在不同的电流密度下工作的两个双极型晶体管，其基极一发射 极电压v b e 的差值将与绝对温度呈现出正相关的特性。如图2 6 所示， 其中两个双极型晶体管为两个相同尺寸( i s l = i s 2 ) 的三极管。 v m n l 图2 6 产生正温度系数电压电路 忽略图2 6 中两个双极型晶体管的基极电流，可以得到： = l 一2 ( 2 12 ) 将式( 2 7 ) 代入可以得到： ：坚h 1 争一坚l i l 乒：坚h l 刀 ( 2 1 3 ) q1 s l q 1 s 2 q 由式( 2 13 ) 可知， 竺鳌：鱼1 1 1 ，2 ( 2 1 4 ) 部 g 通过以上讨论推导，已经得到了具有正温度系数的v b e 和具有负温 度系数的f 。这样，通过给予两者特定的权重然后相加即可得到设 计的目的一一零温度系数的电压 1 0 2 口+ 6 2 口+ 6 等l i l 疗 满足 堕：口篮+ 6 鳖：口投+ 6 生l i l 刀：o a ra 丁a 丁a 丁 g ( 2 15 ) ( 2 16 ) 至于a 、b 的选择，事实上重点在于两个值的比值。这里不妨令a = l ， 在绝对温度t = 30 0 k 时，v b e = 7 5 0 m v ，k t = 0 0 8 7 m v k ，e g 1 12 e v ， 将式( 2 11 ) 和式( 2 14 ) 代入式( 2 16 ) 中，即可得 6l n 刀1 7 2 ( 2 17 ) 也就是说，在上述环境下，当a = 1 ，且6 l n 以1 7 2 时，v r e f 即可达到零温 度系数的要求。 如图2 7 ( a ) ，该电路即为完成v b e 和目相加功能的原理电路图。 鼢 ( 8 )( b ) 图2 7( a ) 产生与温度无关电压的原理图( b ) 图( a ) 所示原理的实现图 虼耐 图2 7 ( a ) 中，i 为一个理想电流，r 为一个电阻，qi 、q 2 为尺寸 比为1 ：n 的两个双极型晶体管；图2 7 ( b ) 中o p 为一个运算放大器， q 1 、q 2 与( a ) 图中相同，r l = r 2 、r 3 为阻值待定的电阻。 考虑图2 7 ( a ) 所示电路，为方便理解、阐述及计算，这里假设基 极电流为零，且v o l 、v 0 2 电位相同。则知，v b e l = r i + v b e 2 ，即 ( 2 18 )朋h 坚g = 眈 一 = 以 ， l 剧 所 ：+ 坚l i l ，2 ( 2 19 ) 由式( 2 15 ) 、式( 2 17 ) 和式( 2 19 ) 对比可得：如果h l 刀= 1 7 2 ，v 0 2 即是一个与温度无关的基准。但这个结果的前提是v o l 、v 0 2 两点电位 被强制置零，即v o l = v 0 2 。 图2 7 ( b ) 即为可以实际完成上述v b e 和相加功能的电路。相 比于图2 7 ( a ) ，改进如下： ( 1 ) 图2 7 ( b ) 中添加了放大器o p ，该放大器以y 点和x 点的电位 为输入，输出驱动电阻r 1 和r 2 ，同时r 1 = r 2 ，促使y 点和x 点 在近似相等的电位保持。换句话说就是保证了图2 7 ( a ) 中的 v 0 1 = v 0 2 。且输出电压为基准电压( 而非x 点) 。 ( 2 ) 由于图2 7 ( a ) 中，若使h 刀= 1 7 2 ，n 值过大，需要适当增大 脚：竺1 1 1 以项。由对图2 7 ( a ) 的分析可知对于图2 7 ( b ) 中的右 g 之路的电流为 恐，= 。一z2 等h n j 卜罴h ，z 2 则， = ：+ 篆l i l 行( 马+ 恐) 2 z + 等l i l 岬+ 会) ( 2 21 ) 这样就可以通过r 2 、r 3 的调节来满足( 1 + r 恐) l i l 以1 7 2 ，而非取 比较大的n 值来满足。 接下来阐述“带隙基准”名词的由来。由以上讨论可知： ：+ 竺l l l ，z ( 2 2 2 ) 求导可得： 监：盟+ 坚h l 忍 a ? a 2 。 g 将上式置为零，并将式( 2 11 ) 代入，可得： 监一( 4 + m ) 鱼一生：一生l i l 挖 丁 、 7 g鼋丁g 由上式得到的鱼1 1 1 刀代入式( 2 2 2 ) 可得： ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ：堡+ ( 4 + m ) 坚 ( 2 2 5 ) g g 当t 趋近于0 时，v r e f 趋近于e g q ，而e g q 为硅的带隙电压。所以此 1 2 方法得到的基准电压称为“带隙基准”。 2 2 传统带隙基准源的基本结构 在带隙基准源的发展史上，各种各样的电路结构相继被提了出来， 但其核心思想原理毫无例外都是以上节介绍的原理为基础。下面本节 将介绍几种经典的带隙基准源的电路结构。 2 2 1w i d l a r 基准源 介绍带隙基准源，避无可避的w i d l a r 带隙基准源要被首先介绍， 因为其是第一个被提出来的，其电路结构如下图2 8 所示。 v 黔 图2 8w i d l a r 带隙基准源基本结构图 如e f 由图2 8 司知： = 3 + 厶恐 又知： 厶= 毕= 茜m c 缝， 式( 2 2 7 ) 中，i s l i s 2 等于q 1 与q 2 的发射结尺寸的比值。 若假设。，则易知厶置= 乞恐，再代入式( 2 2 6 ) 及式 可知： = ，+ 厶坞= ，+ 酱1 1 1 ( 等) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 则通过合理的选择r 1 、r 2 和r 3 的值( 其实电路中只在乎其比值) ， 即可得到零温度系数的基准电压。 2 2 2 兼容于c m o s 工艺的带隙基准源 由于目前集成电路行业大部分都是基于c m o s 工艺( 只兼容p n p 双极型晶体管) ，所以兼容于c m o s 工艺的带隙基准源电路是目前应用 的最为广泛的结构。图2 9 即为其基本电路图。 骢，d 图2 9 兼容于c m o s 工艺的带隙基准源基本结构图 图2 9 中，q l 、q 2 为两个发射结面积比为n 的p n p 型双极型晶体管。 m 1 、m 2 为两个相同的p m o s 管。 由图2 9 可得： = 2 + 2 ， ( 2 2 9 ) 由镜像电流原理可知，= 厶，因此可知： 厶：五：监：丝：旦h 1 ( 2 3o ) 21 墨墨墨g 联立式( 2 2 9 ) 和式( 2 3 0 ) ，可得 = ：+ 厶恐= ：+ 等等1 1 1 ( 2 31 ) 如上式( 2 31 ) 所示，合理选择r l 、r 2 的值( 电路中其实重点在于其 1 4 比值) 和n 值，就可以达到基准源电路要求的零温度系数的要求。 图2 9 电路可以得到的输出电压与温度的关系一般是开口向上的抛 物线或开口向下的抛物线，这样就很容易想到如果再叠加一定的曲线， 那么就可以进一步消除输出电压的温度效应，使电压更加稳定。这就 是进行更高阶补偿的基本思想。 此节介绍的兼容于c m o s 电路的带隙基准源电路是目前广泛运用 的电路结构的基础，下文中将要介绍的基准源都是基于此电路而设计。 2 3 带隙基准源电路的相关技术指标 由基准源的设计要求即可知，其相关技术指标有温度系数和电源 电压抑制比，实际中还有其他技术指标，如初始精度、启动时间等。 具体介绍如下。 1 温度系数 如第二节中介绍，基准源目的为获得一个具有零温度系数的输出 电压，但实际中精确的零温度系数极难达到，电路能做到的只是温度 系数尽量小。该系数即为反应基准源输出电压在环境温度发生变化时 而产生的最大变化量相对于标称输出的大小。温度系数( t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t ) 的计算表达式为 庀：lj 选生l 1 0 s ( 2 3 2 ) | 吃r ( 一) i 其单位为p p m ( 1 p p m = 1 0 。6 ) 。 2 电源电压抑制比 该参数是表示向基准源模块提供的电压发生变化时，所引起的基 准源模块输出电压变化的大小，工程计算中单位为分贝( d b ) 。电源电 压抑制比( p o w e rs u p p l yr e je c t i o nr a t i o ) 具体表达式如下： 觥：2 0 l o g ( 墼) ( 2 3 3 ) 一斟呵| v 呵j 3 初始精度 该指标表示基准源电路工作时，其输出电压与最初设计目标值的 差值与设计目标值的比值，为相对误差，通常使用百分数。例如，一 个基准源电路设计的最初输出电压为1 2 5 v ，初始精度为正负2 ，则 其实际输出的电压值为1 2 2 5 1 2 7 5 v 。 4 启动时间 该参数指基准源电路从电路开始供电到电路输出稳定参考电压值 所耗费的时问。该指标实际上主要针对基准源电路中的启动电路部分 而言，由于为节省功耗的问题，该部分在系统正常工作后就会断电， 其中的各个m o s 管都会不导通。 下文中重点讨论的技术指标为温度系数及电源电压抑制比，当然 基准源电路的技术指标不单就此处四项，其他指标此文中不与赘述。 1 6 第三章一种宽温度范围低温度系数的带隙基准源设计 高精度带隙基准电压源是许多模拟和混合信号电路的关键性组成 模块，例如数据转换器，脉冲宽度调制控制器，振荡器，运算放大器， 线性校准器以及锁相环。毫无疑问，参考电压基准源的精确度对这些 电路的性能起着重要的甚至决定性的作用，它们都需要一个符合其性 能的、精确的、稳定的参考源。例如，在仪表和测量系统中广泛使用 的高精度模数转换器，它们需要处理很高位数的数字信号，此时高精 度的电压基准源将非常重要。参考电压源的温度依赖漂移毫无疑问的 是b g r 设计的重要指标之一。 对于使用的基极一发射极电压与热电压( b j t ) 的线性组合得到的 带隙基准源设计的性能，受到基极一发射极电压的非线性的限制。为了 实现更高的性能，人们发明了曲率补偿技术【l 3 j 【l4 1 。这些技术的精髓集 中在在一定程度上减小了对基极发射极电压的非线性的依赖。分段线 性方法i l5 j 是在一阶带隙基准源的输出集成一个非线性元件以弥补其非 线性。不同类型电阻方法6 j 是将不同类型的电阻纳入设计为了能够减 小在不同阶段的非线性差异，从而实现更高的线性修正。在本章中， 我们提出了一个替代的措施，能工作在一个更宽的温度范围内，并且 达到更高的基极一发射极的非线性曲率补偿。第二个运算放大器用于产 生一个c t a t ( 与绝对温度成反比) 电流。这个电流被用于微调曲率校 正机制，从而实现了高的性能。本章提出的拓扑结构对器件失配非常 敏感，因此电阻微调是必要的，以弥补失配。 本章将要设计的带隙基准源结构为一个具有极其优秀性能的宽温 度范围、相当微小温度系数的电路结构。 3 1 带隙基准源设计的基本考虑因素 3 1 1 传统带隙基准源 对于在很宽环境范围内运行并需要高精度的应用来说，一个温度 补偿的基准源是必须的。对于这样一个基准源的标准设计方法是结合 理论、表征以及温度敏感元件于一体，以实现一个可控的对温度补偿 的响应。因此，第一步是要找到可建模的不随工艺显著变化的电压或 电流。 3 1 2 带隙基准源的基本因素 在大多数带隙结构中【1 。7 1 ，因为双极型晶体管的p n 结电压( 即v b e ) 具有良好的可建模性及良好的温度特性而被普遍采用，如图2 9 。在这 种情况下，基极一发射极电压是与带隙能量相关的，并且被采用作为一 种补偿的方法。 在正向激活区域，b j t 的集电极电流对基极一发射极电压的函数为： ( 丁) = k ( 丁) e x p 警 ( 3 1 ) 其中，v b e 是基极一发射极电压，t 是绝对温度，k 是波尔兹曼常数，q 是电子电荷。i c s 是反向饱和电流，与基极一发射极区面积成正比，等于： 榔，= 警 ( 3 2 ) 其中a 是指发射区面积，n i ( t ) 是本征载流子浓度，d ( 丁) 是基区有效 的少数载流子的扩散常数，n b 是基区每单位面积的杂质的总数。 内在的载流子浓度和带隙能量之间存在着一定的关系，如下式所 示： 柙m n 冲 _ 警 ( 3 3 ) 其中c 是常数，e g 为带隙能量。 在基区不变的有效少数载流子的扩散具有温度依赖性，它可以利 用爱因斯坦关系式将载流子的漂移迁移率肛和扩散常数d 联系起来， 表达式： 历( 丁) ：竺石( r ) ( 3 4 ) 其中，互仃) 是在该基区的少数载流子的平均迁移率，并具有以下的温 度依赖性： 石( r ) = b r ( 3 5 ) 其中b 和n 是常数。使用上述方程，我们可以得到下式： 啪m + 等1 1 1 l 等l ( 3 6 ) 其中，v g ( t ) 是带隙电压，a 是常数。最后，我们可以得出，没有近 似的基极一发射极电压 11 的温度依赖性的一般的方程【1 8 】： = 引峰灿 嚣器 7 ， 其中t = 任意温度和乃= 指定的参考温度。如果我们在其中一个点t 。弓 执行泰勒级数展开，我们得到了以下的表达： c 丁，= c r ，一( 号 c 弓，+ ( 号) c 弓， 一啾等灿c 号， c3 1 8 哪 ( 3 9 ) 如果i c 是p n ”( 与绝对温度成正比) 的电流，我们将6 = 1 代入 式( 3 8 ) ；如果i c 是与温度无关的电流，我们则用6 = 0 代入。 3 2 本章设计的对于传统带隙基准源的曲率补偿拓扑 v d o 图3 1 本章提出的b g r 设计方案 对于本章提出的带隙基准源( b a n d g a pr e f e r e n c e ) b g r 参考电压 源由两个电流之和产生，i p t a t 和i c t a t ，等于它们的总和乘以输出电阻 r 3 ，如图3 1 。电流i p t a t 提供与绝对温度成正比的电压，而电流i c t a t 产生互补电压( 与绝对温度成反比) 。通过两个电流采用适当的比例加 成，可以得到一个对温度敏感系数较低的电压输出，如在图3 2 所示。 1 9 图3 2 该带隙基准源设计的原理示意图 3 2 1 非线性建模 为了制定一个降低非线性的方法，首先我们必须表征和描述它们 的行为。这项工作将在以下部分完成。 第一个运算放大器和电流镜( m p l m p 4 ) ，如图3 1 ，强制节点a 和b 为相同的电位，从而由m p 2 、m p 4 、r l 和q 2 生成所需的电流i p t a t 。 ，m r ：鳖：型盟：幽 ( 3 1o ) d 啪一一一一 j 1u 墨墨粥 i p t a t r lo c + 0 0 8 6 m v ，i p t a t o ct 且v r l o ct ( 3 1 1 ) 用类似的方法，图3 1 的第二个运算放大器，强制节