（通信与信息系统专业论文）一种基于ldo带隙基准电压源的设计与实现.pdf

飚南交通大学硕士研究嫩学位论文 箔i 页 摘要 零论文设诗麓鬻羧基礁邀筮漂遵鼹是薹露。魂潺管理芯片懿一拿棱心睦 路之，带隙基准电路在d c d c ，d ( 模数) ，d a ( 数横) 等集成电路中部 畜广+ 泛静盎灞。班) 0 稳瑟器馥冀怒低匿蓑，疆及成熬翡生产工芑，惫豢熊生 产成本，占据了稳压电路很大的市场，而胤前景诱人，因而世界潜名的半导 葬厂囊玉一不在职发彝生产这类嚣镎。蟊翁，毫源喾理集艘逛臻市场丈酃分 被国外产品占据，研究开发西内的电源管礴电路产品，能夺回巨大的市场。 困此，开曩本顼羁的硬究其祷特别邀要麴激义。本文所设计龅电路一般斑用 于移动电话与无线通信设备、p d a 、数玛糯极、携带型电浊设备等。 本论文根据l d o 稳压器的要求，设计了一种糕于l d 0 的带隙基准电压 添鹣逛路，它莱蘑e 。5u b l ，2 p 3 戳，援e m 0 s 王慧。受了瓣毫奄蘧簿裁链， 采用了低压共源共栅的电流镜结构，并且在旗准内部设计了个运算放大器， 台理鲢运放设诗更滋一步翁挺蹇了逛澡誉秘注：在捧餐瀑漂方瑟我襄裂爆了 e 的负温度系数和圪。的正温度系数，并使用了p t 盯( p r 。p o r t i o n a lt o 如s o l 艇et 8 驿e r a t u r e ，与缝辩涅发戏袤毖) 蕊方法慰湿瘦遴抒了缀季 缕： 在保护电路的安全方面本文设计了个软扁动电路，莉罔寇容充电的原瓒使 基准安全建立，并利用爱馈的机理在基准建立后期动关断软囊动模块。从弱 在保证基准窿垒建立静露辩减，j 、了静态奄流，降低了功耗。 本文首先简要介绍了电源管理芯片的羹要性及国内外发展现状，面临的 簿霖；接着叙述了澄骧基疆蓬静关键基磷理论，然慝详缨滔述了磷蒎基礁逸 压源的基本原理，根据以上情况和原理我们设计了种基予l d o 带隙糕准 毫压源瓣毫鼹s 并掰秘s p l e 乏接真靛释对塞添毫路送行了贫寞。缝莱表骥， 该电路具有较高的抑制温灞和电源电压的能力，扁动电路也保证了核心电路 豹至e 誉工作，其结鞠蕊荤，基鸯羝压餐功繇兹特点。 关键词：带隙基准；b i c m o s ：p t a t ：h s p i c e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 | 页 a b s t r a c t b a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g ec i r c u i t i so n eo ft h ek e yc i r c u i t s0 fp o w e r m a n a g e m e n tc h i p i ta p p l j e df b rd c d c ，a dc o n v e r t e r ，d ac o n v e r t e rj n i n t e g r a t e dc i r c u i t n o w a d a y s ，f o r e i g ne n t e r p r i s e sa l m o s to c c u p yt h ew h o l e m a r k e to fp o w e rm a n a g e m e n t1 c i ti s e c e s s a r yt od o m i n a t es u c hab i gm a r k e t t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et 0r e s e a r c ha n dd e v e l o pd o m e s t i cp o w e r m a n a g e m e n ti c m o r c o v e r ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h el d o1 i n e a rr e g u l a t o r c i r c u i t t h et y p i c a la p p l i c a t i o o ft h ec h i pi n c l u d e st h em o b i l ep h o n e s ，w i r e l e s s c o m m u i c a t i o ne q u i p m e n t ， p d a ，p o n a b l ea ve q u i p m e n t ， b a t t e r yp o w e r e d e q u i p m e n t a c c o r d i n gt ol d o l i n e a fr e g u l a t o rr e q u i r e ，i td e s i g n sab a n d - g a pr e f e r e c e c j r c u i ti n t h i sp a p e r t h ec h i pi sm a n u f a c t u r e db y o 5 u m ，2 p 3 m 、b i c m o s p r o c e s s f o ri m p r o v i n gt h ep o w e rr c j e c t i o n ，i ta d o p t st h el o wv o l t a g ec a s c o d e m i h o rs t r u c t u r e ，a n dd e s i g n st h eo p e r a t i o na m p l i f i er i nt h eo t h e rh a n d ，nt a k e s u pat e m p e r a t u r ec o m p e n s a t et e c h n 0 1 0 9 yt oi m p r o v et e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h i sd e s i g ni sc o m b i n a t i o nb e t w e e ns o f t s t a r t u pc i r c u i ta n d r e f e r e n c ev o l t a g ec i r c u i tt oa s s u r et h es a f eo fe s t a b l i s h i gr e f c r e n c e b ym e a n so f c a p a c i t yc h a r g ep r i n c i p l e ，i td e s i g n st h ec i r c u i tw h i c hc a nc u to f fw h e nr e f e r e n c e v 0 1 t a g er e a c h e d s o ，i td e c r e a s e st h eq u i e tc u r r e n ta n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o n i nt h ef i r s tp a r t ，t h i sp a p e ri n t 】o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h i sr e s e a r c h i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h eb a s i co ft h ek e yk n o w l e d g ej sn a a t e d a n dt h e n ，i ti sad e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tt h eb a n d g a pr e f e r e n c e v o l t a g e d e s i g i th a ss u c c e s s f u l l yd e s i g e da nr e f e r e n c ev o l t a g e h s p i c es i m u l a t i o n r e s u l t sw h i c hi n c l u d et e m p e r a t u r ed r i f t ，p s r r ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o n ) ， q u i e tc u 玎e n t ，t i m es e q u e n c e t h e r e f o r e ，t h er e s u l t sh a v es h o w nt h ec i r c u i th a s r e j e c t i o no ft e m p e r a t u r ed r i f ta n dp o w e rs u p p l y s o f ts t a r t u pc i r c u i tp r o t e c t st h e c o r ec i r c u i t t h ec i r c u i th o l d a d v a n t a g e so fs i m p ly ， l o wv o l t a g ea dl o w c o s u m d t i o n k | e yw o r d s ：l d o ；b a n d g a pr e f e r e c e ；b i c m o s ；p 1 l a t ；h s p i c e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 集成电路是现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提升传 统产业的核心技术。随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到 来，集成电路产业的战略地位越来越重要，它己成为事关国民经济、 国防建设、人民生活和信息安全的基础性、战略性产业。世界集成 电路产业的发展十分迅速。2 0 0 0 年世界半导体产值达2 0 0 0 亿美元 而以集成电路为基础的电子信息产品的世界市场总额超过1 万亿美 元，成为世界第一大产业。据国外权威机构预测，未来十年内，世界半 导体的年平均增长率将达1 5 以上，到2 0 1 0 年全世界半导体的年销 售额可达到6 0 0 0 8 0 0 0 亿美元，它将支持4 5 万亿美元的电子装备市 场。集成电路的技术进步日新月异。目前世界集成电路大生产的主 流技术为8 英寸0 2 5 微米，正在向1 2 英寸o 1 8 微米过渡，根据美国 半导体协会( s i a ) 预测，到2 0 1 0 年将能达到1 8 英寸o 0 7 o 0 5 微米。 集成电路的技术进步还将继续遵循摩尔定律，即每1 8 个月集成度提 高一倍，成本降低一半。系统集成芯片( s o c ) 技术；微电子机械 ( m e m s ) 技术：真空微电子技术；神经网络芯片和生物芯片；砷化嫁 ( g a a s ) 集成电路、锗硅( g e s i ) 集成电路；基于量子效应的单电子器 件和量子集成电路等，正在成为人们研究的热点，2 1 世纪将有可能成 为新的技术发展领域。 混合微电子技术的快速发展及其应用领域的不断扩大，特别是 在通信行业、计算机系统高速发展和应用领域，电子和通信业界对于 现代电子元器件( 例如大规模集成电路，即v l s i ) 、电路小型化、高 速度、低电源电压、低功耗和提高性价比等方面的要求越来越高 。传统的双极技术虽然具有高速、电流驱动能力强和模拟精度高 等优点，但其功耗和集成度却不能适应现代v l s i 技术的发展需要。 而一直作为硅锗( s i g e ) 集成电路主要技术平台的 f 【o s 器件及其电路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 虽在高集成度、低功耗、强抗干扰能力等方面有着双极电路无法比 拟的优势，但在高速、大电流驱动场合却无能为力。可见无论是单一 的c m o s ，还是单一的双极技术都无法满足v l s i 系统多方面性能的 要求”1 ，因此融合了两种技术优势的新技术b i c m o s 器件及其电路 便是v l s i 发展的必然产物。由于最先提出b i c m o s 器件构造思路时， 双极和c m o s 两种技术在工艺和设备上差异较大、组合难度较大而 且成本较高，同时因应用上的需求并不迫切，所以b i c m o s 技术发展 得比较缓慢“3 。随着双极和c m o s 各自为提高电路性能和可靠性增 加了许多工艺环节，例如采用薄膜外延深槽隔离、多晶硅自对准等新 技术，使工艺复杂性和制备成本大为提高，两者工艺和设备的差异目 趋模糊，因此并合两种技术的b i c m o s 开始发展了起来。2 0 世纪8 0 年代可以说是b i c m o s 技术发展的第一个黄金时期，从美国无线电公 司运用b i c m o s 开发的c a 3 4 4 0 运算放大器开始，到日立、哈利斯、 德克萨斯仪器( t i ) 和摩托罗拉等公司纷纷开发出b i c m o s 门阵列、 b i c m o sa p d ( d p a ) 转换器、中央微处理器( c p u ) 、静存( s r a m ) 和动存 ( d r a m ) 等基于b i c m o s 技术的产品，一直到最近其性能达到相当高的 水平。譬如8 0 年代末，1 3umb i c m o s6 4 k b 和2 5 6 k bs r a 【的存储 时间已降到15n s 以下，1 3umb i c m o s 门阵列包含了7 5 6 0 个元，4 k 三端口r a m 和1 2 8 个i o 冲器的延迟时间仅o 4 5 n s ，1 3umb i c m o s 3 2 位c p u 的工作时间延迟减为5 5 n s ，平均传输延迟仅0 15 n s 16 k p p r o m ( 可编程只读存储器) 平均功耗只有5 i i l w p m h z ，而维持功耗也仅 有5um w ”1 。尽管c m o s 器件尺寸缩小、功能增强，b i c m o s 研发曾有 所回落，但由于近年来高速通信系统中模拟和数字混合电路应用的 迫切需要，b i c m o s 技术受到了前所未有的重视。尽管b i c m o s 更适 合于数字电路，但它也正在被越来越多地用于一些模拟电路设计中。 例如，除了构成运算放大器外，还常被用于模拟电路中的低阻抗输出 级、电压电流比较器、宽带低噪声放大器和模拟乘法器中。尽管 b i c m o s 技术存在着工艺复杂和成本偏高的缺点，但其所达到的高性 能却是单一工艺所无法比拟的，因此其发展空间令人乐观。 在便携式电子产品中，需要有高效的电源管理。这在数字蜂窝 电话( 简称手机) 中表现得尤为突出。在过去几年中，手机的使用 已经风靡全世界，正在成为人们普遍使用的语音通信工具。在2 0 0 3 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 年，手机的销售量已超过五亿部。不仅如此，为了吸引更多的消费 者，手机厂商和服务运营商不断推出彩显、数字照相机、m p 3 播放 机、p d a 等各种新的手机功能和诸如下载多和弦铃声、多媒体短信、 数据等各项服务。随着手机朝着多功能化和“智能化”的方向发展， 对电源管理也提出了更大的挑战，成为推动电源管理产品发展的主 要因素 引。 低成本设计中，如果电池电压与稳定的输出电压相比不是很高， 负载电流足够低、不会造成系统过热，这种情况下，低压差线性稳 压器( l d o ) 是比较理想的选择【”) “。当从1 节l i + 电池产生3 3 v 输出时，l i + 电池的有效电池电压变化范围大约是：4 2 v 至3 v ，输 入4 2 v 时，l d o 效率近似为7 9 ；当电池电压降到3 6 v ( l i + 电池 工作时间最长的工作点) 时，l d 0 效率为9 2 。尽管高质量的d c d c 转换器可以提供9 5 以上的转换效率，但l d 0 此时所能提供的转 换效率也很高，而且成本要低得多。如果系统电压可以从3 3 v 降至 3 v ，d c d c 转换器的优势将明显提高，但是，即使在这种情况下 l d o 也是一种较好的选择方案。 1 2 选题背景及意义 1 2 1 背景 电源及电源管理i c 市场在过去几年中得到了快速的发展，从 1 9 9 8 年到2 0 0 0 年，半导体工业冲向新的高度，合并与收购、新品 开发及公司发展速度都达到1 0 0 的水平。电源与电源管理i c 市场 在1 9 9 8 年市为2 8 亿美元。到2 0 0 0 年底则达到5 1 亿美元以上， 年平均复合增长率达3 5 。但2 0 0 1 年增长率出现巨幅下降。 电源管理i c 市场在1 9 9 9 年和2 0 0 0 年期间出现了一系列翻天覆地 的合并和收购。这种浪潮在2 0 0 1 年有所减缓，但仍在继续。v i s h a v 于2 0 0 1 年8 月1 日宣布有意收购g e n e r a ls e m i c o n d u c t o r 公司，出价为 5 3 8 9 亿美元。m a x i m 公司于2 0 0 1 年4 月收购了d a l l a s 半导体公司。 f a i f c h i l d 公司于2 0 0 1 年3 月收购了i n t e r s i l 公司的功率分立器件业务。 蘸褰交通大学硕誊嚣究生学稼论文 第毒页 m a x i m 集成产品公司于2 0 0 1 年4 月1 1 曰以2 5 亿荧元收购了 迭拉斯半鼯体公司。达控额半导体生产全面鹣电量显示釉保护用魄 漶管理l c 。j 龟次收赡扩大了酝a x i m 逛涟管理l c 酶产菇线。茯撬 半导体公司于2 0 0 1 馨3 月以大约3 3 8 亿美元收购了i n t e r s i l 的 功率分立器件业务。此次收购体现了快捷公词集中发展电源管理i c 秘分离元嚣 孛豹策硌”3 。 从以上的信息中，我们不难麓甾市场对嘏源管理l c 酶裰大鬻 求，同时我们也可以感到在此领域中存在的激烈竞争。 1 2 。2 意义 随着集成电路的集成水平按摩尔法则不断提高以及计算、通信、 多媒体技术走向融合的趋势，我们看到越来越多的功能被集成到芯 片、窜裂魄黪扳帮电子器终中，铡如，薪型驰智能电落不仅是臻鬻 电话，还兼其壬 d a 、数码柜枫、m p 3 播放器釉g p s 功能于一身， 使用户可以随时随地方便地进行通信、工作芹口娱乐活动。高性能和 小体积的携带型无线设备如移动媳话、p d a 、笔记本电脑的需求臼髓 增大，器耱豹薅积不裁缝枣，包会黪功能摸块藏子系绞帮不瑟增多， 消耗的功率在成倍增长，每个模块都需要专门的变换器供电。这样 就对电源臀理的要求鼹加复杂和严格，讲究高效率、高性能和小尺 寸，因此具有最佳性熊指标、最简外围电路、高集成度、高性价比、 麓摇藏毒效率毫源等俊点弱毫澈管蓬毫黢其有广瓣弱市场兹爨 1 1 0 “h 】。 目前，电源管理集成电路市场大部分被豳外产品占据，研究开 发国内的魄源管理电路产品，熊谨回巨大的市场。因此，开展本项 罄赘礤究蒸有特鬟重蘩懿意义”8 ”。 本文掇到的l d o ( 低压差线性电压变换嚣) 属于电源管理电路 中的一种，并且将l d o 中一个重要的部分一带隙基准电压源作为本次 渫嚣载研巍。它采焉o 5 h mb i c m o s 工艺避行设计，熬个基准静态 电流仅2 7 u a ；男多i ，该带臻基准瞧压源包含较启动电路，傈证电路 安全启动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 当前研究情况 随着集成电路工艺和设计水平的发展，在模数转换器( a d c ) ，数 模转换器( d a c ) 等混合信号集成电路设计中口”3 ，高性能的电压基 准源设计已成为关键技术之一。由于电压基准源的温度稳定性以及 抗噪声能力是影响转换精度的关键因素，甚至影响到整个系统的精 度和性能。因此，设计一个好的基准电压源具有十分重要的现实意 义。 电压基准源有基于正向k 。电压基准，基于齐纳二极管反向击穿 特性的电压基准，带隙电压基准等多种。其中，带隙电压基准具有 低温度系数，低基准电压，高电源抑制比，长期稳定性并且可与标 准c m o s 工艺兼容等优点，因而得到广泛的研究应用阳6 “。 1 。4 本论文的主要工作 本论文将l d o ( 低压差线性变换器) 中一个重要的部分一带隙 基准电压源作为本次课题的研究。 它采用b i c m 0 s 工艺进行设计，通过对带隙基准电压源的原理 分析，给出了合理的电路数据，然后借助仿真设计软件h s p i c e 对电 路进行了完整设计和模拟仿真，包括带隙基准电压源对直流输入电 压的变化，温度漂移、电源抑制比p s r r 、启动时序等。结果表明该 带隙基准电压源电路的电特性参数均满足l d o 对基准的指标要求。 具体工作如下： 第一章说明了开展本课题的背景和意义，以及概述自己做的一 些工作。 第二章阐述了带隙基准电路的理论基础。 第三章详细叙述了带隙基准电压源的设计原理以及几个对电路 指标产生影响的因素。 第四章讲述了带隙基准电压源的设计和仿真，详细分析了本文 带隙基准的工作原理，并借助仿真设计软件h s p i c e 对电路进行了完 整的设计和模拟仿真。 第五章为结论与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章带隙基准电压源电路理论基础 模拟电路广泛地包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量， 它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。如一 个差分对的偏置电流就必须根据基准产生，因为它会影响到电路的 电压增益和噪声。像在a d 和d a 转换器这样的系统中，也需要基 准来确定其输入和输出的全程范围【”】。 产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度 特性的直流电压或电流。 除了电源、工艺、温度的不确定性外，基准产生电路的其它一 些参数也是十分关键的。在此我们着重讨论电源和温度对基准电路 的影响。 下面我们来讨论共源共栅级，正负温度系数的产生，以及p t a t 电流的产生原理。 2 1 共源共栅极 2 1 1 共源共栅级的基本原理 共源极和共栅极的级联叫做共源共栅( c a s c o d e ) 结构。这种结 构具有许多有用的特性。图2 1 显示了共源共栅电路的基本结构： m 1 产生与输入电压v in 成正比的小信号漏电流，m 2 仅仅使电流流 经r d 。我们称m 1 为输入器件，m 2 为共源共栅器件。这个例子需 要注意的是，流经m 1 和m 2 的电流相等。随着我们在这一节中对 电路特点的阐述，共源共栅结构相对于简单的共源极的优点就变得 显而易见了。“。 显而易见了”1 。 嚣豢交通大攀硕士硪究生学位论文 繁7 页 圈2 一l 共源共掇结筠图2 2 共源共撵电路豹镳登奄压 蓄先我髓分板共源共搬缝梭懿傣置条件。炎了保_ i 萎艇l 工侮在魄 和区，必须满足v x v i n 一。假如m 1 和m 2 都处于饱和区，姗v x 主 要由v b 决定：v x = v b 一：。因此，v b 一：v i n 一。，从而可以得到 v b v i n + 。，觅菡2 2 。为了保谣m 2 饱和，必须满足v o u t v b k 。，如果v b 的取值使m 1 处于饱和区边缘，则v o u t v i n 一“+ 2 一：。觚丽缣涯m l 黧m 2 王彳睾在锪秘区静最，l 、输密毫平 等于m 2 和m 1 的过驱动电压之和。换句话说，电路中m 2 管的增加会 使毫路豹输窭怒压摇溪减小，藏小豹量变少为m 2 赘过辍动毫疆。我 们也说成m 2 “层叠”在m 1 上。 瑗在我 f 1 分板v i n 从零变化到￥d d 懿造程孛，凰2 一l 艨示共源共掇 极的大信号特性。当v i n ，时，m 1 和m 2 处于截止状态，v o u t = v d d ， 且v x mv b 一，( 如果忽略亚闽值导通情况) ，见隧2 3 。擞v i n 超过， 之后，m l 开始抽取电流，v o u t 下降。因为i d 2 增勰，必定嗣时增 加，故而导致v x 下降。如果假定v i n 为足够大的傻，会出现两个结果： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 蚝。 。 图2 3 共源共栅级的输入输出特性 ( 1 ) v x 降到比v i n 低一个阈值电压，迫使m 1 进入线性区； ( 2 ) v o u t 降到比v b 低一个阂值电压，使m 2 进入线性区。 对于不同的器件尺寸和以及v b ，任何一个结果都可能先于另 一个发生。例如，如果v b 比较低的时候，m 1 会进入线性区。需要注 意的是，如果m 2 进入深线性区，v x 和v o u t 将接近相等。 共源共栅结构一个重要的特性就是输出阻抗很高。有时候共源 共栅级可以扩展为三个或更多器件的层叠以获得更高的输出阻抗， 但是所需要的额外的电压余度使这样的结构缺少吸引力。比如，三 层共源共栅电路的最小输出电压等于三个过驱动电压之和。 2 1 2 低压共源共栅电流镜 上面我们讨论了共源共栅的结构，这种结构我们在电路中可以 给基准电压电路作为电流镜负载。下面我们来看看以下两种共源共 栅的结构。 嚣零交通大学硕士磁突生学位论文繁g 页 窝2 4 普通p 赫o s 共源共橱电流镜 圈2 5 低莲装源共橱邀流镜结构 在图2 4 中我们可以计算得到普通p m o s 共源共栅电流镜所消 耗的毯降为( 陈。一| + 陈：一| + ) ，其中，：分别为凇和m 2 的楞源电压，假设鼹毒p m 0 s 管的阙值电压的绝对僮均为为。嚣 图2 5 所示的低压共源菸栅电流镜消耗的电压最小可以为两个 p 氍o s 鹭熬过赣动电压之积，靼( 1 ，一l 丰| ：一1 ) ，爨霾2 一枣了 一个，因此匣适合在低的电源电压下工作。在本次论文中我们就 采蘑了盈2 5 豹设计方案。 2 。2 正负溢度系数电透的产生 2 2 1 负温度系数电压的产生 黧霭2 6 ( a ) 辑示，如策忽路晶体管蒸极电流，掰箕集电极静电 流等于射极电流，它们的大小关系可表示为n ” 式中 乓一鑫髂管发射极发自锪秘电凌，它憋大小与发羹孝极露程戏 正比，与掺杂浓度成反比。 麟悫交逶大学硕士磷突裳学位论文繁 o 燹 卜b o l t a m a n 常数 带一曦葡量 ，一热力学激发( 绝对溢赓) r 其中，翰一兰为熟电压，戴由式( 2 1 ) 可褥 譬 ， 一乓擎) j 髫 葵孛 j ，。杰丝整 。 睨眠 式中磊一器体管发射援稼积 穰一藻酝窀予扩散系数 税一基嚣竟嶷 兢一蒸嚣杂缓浓度 潮予走、致、联、氓趣与凝度笼关，胃设 f ；血 姨 魏根鼹爱鞭斯遛公式可表示为 晓一k 辑 囊式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，可得 示为 ( 2 2 ) ( 2 一s ) ( 2 ) ( 2 5 ) j s 蕾。， 讳群。慰?( 2 8 ) 式中雎? 为撩本征藏流子浓度：缒为毽舱意子迁移攀，可分剃畿 n ? * e e 弹( ，墨) ( 2 7 ) 段一乃r 。 ( 2 8 ) 式2 7 ) 军嚣( 2 8 ) 中，e 、0 为与激度涎关得鬻数，y 怒与麓阪掺杂 浓度有关的参数，为带辕魄压。 两南交通大学硕士研究生学位论文 第11 聪 i 。2 舀 图2 6三极管熬射结电压及温度特性 联立式( 2 2 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 帮( 2 8 ) 可得出 p 刍= 巧l l l 艮f 4 e x p 9 名，巧) 鼢】 式中厶与温度有关，可袭示为 ，c 删g r 7 式中g 、v 均为常数。 把式( 2 一1 0 ) 代入( 2 9 ) 可得 ；，b e p 一【( 4 一r y ) l 珏r h 国g 轰：d ) j ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) ( 2 一i 1 ) 式( 2 一1 1 ) 即为晶体管基射缩电压与温度珀近似关系式。式中 黔一y y ) l 鞋 顼与溢度骞关，劳逶遭对数关系反浚爨来，其交纯不 显著；而盼m 幻肛项与温度成正比。与此可见，大体上随温度减 枣瑟线蛙增翔。熬襞将瀑廑线蠛终接裂缝对零发，达型建豹势熬 电压值2 1 2 0 5 v ，如图2 6 ( b ) 所示。 三极管在2 0 1 5 0 温度范隘内很好的保持着这特性。通过不 断试验，并运用统计规律，可以取其值为屯2 m v ，即温度镣上升1 ，认为三稷管正赢电压下降2 2 t n v ，丽溢度每下降l ，箕正两电 压上升2 2 m v 。三极管这种良好的温度特性，我们就可以利用它来产 生基准所需荽兹负溢度系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 2 2 2 正温度系数电压的产生 在1 9 6 4 年人们认识到6 “，如果两个双极晶体管工作在不相 等的电流密度下，那么他们的基极一发射级电压的差值就与绝对温 度成正比由恒流源供电的晶体管，其基射结电压。随温度升高而减 小。但是，制作在一块集成电路上的两个相同类型的晶体管，如果两 者的恒定电流密度的比值不等于1 ，那么它们的k ，之差，是随温 度的升高而增加，即k 。具有正温度系数。其原理推导如下所述。 根据晶体三极管的原理 ，。1 - ，s 1 ( e 9 脂7 1 ) _ ，。2 = ，j 2 ( 9 2 ”7 1 ) 当 七丁目时， ，c 1 。，s l e 9 1 7 7 i ：2 。| s 乎q m i k 3 ( 2 1 2 ) ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 为了简化问题，我们可以先假设q ，、q ：的几何尺寸完全相同 那么，。等于，。：，将式( 2 1 4 ) 和( 2 15 ) 相除得 ，。l 归。2 = b 4 1 一5 2 懈 ( 2 16 ) 对式( 2 一1 6 ) 两边取对数，整理后得 ；。一：；塑l 鱼 ( 2 17 ) q 1 c 2 这样，k 。的差值就表现出正温度系数： 旦垒竖。墨1 i l n( 2 一1 8 ) 棚。 口 上式表明，。的变化率与温度无关，即与温度呈线性关系。 并且这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关。 为了最大化。的值，我们通常是将一个大的电流注入一个 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 小的晶体管，并且将一个小的电流注入一个大的晶体管，如图2 7 ，忽略基极电流。 广t 扯 卜+ 一 2打 图2 7 通过增加，：和：厶。来增大的电路 。t 一z2 等h 糍( z 一。) 口，o 。 上式表明最大化l 和：l 。的值可以使，在图2 7 中， 为了强调) ，2 ，我们将的图标画得比大一点，类似的我们将q 2 的发射级面积画的比q 1 的发射极面积大点，以便使l ：，。，这个关 系是通过q 2 的图标比q ，的图标大来表示的“”。 为了增大基准的输出电压，我们可以使用级联的方法来增大 “。而且级联还可以减小运放的失调对基准输出精度的影 响，这里我们就不做推导了。在图2 8 里，其中两个射极跟随器 图2 8 ，= 。，。= ：，级联射极跟随器电路使倍增 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 这里= ，一。+ 。一：假设上图中的新器件和图 2 7 中的相应器件相同，则有厶= ，。= l ，如= l 。和。= l ：。忽略 基极电流则 = 2 ( ，一：) 一i l l ( 笋争) ( 2 2 0 ) 2 j5 l 因此，级联两个射极跟随器来使k 。增倍，同时芯片面积也 只增加了一倍。 2 3p t a t ( p r o p o r tio n al t oa b s oiu t et e m p e r a t ur e ) 电流的产生 在图2 9 中，我们假设q 2 的面积是q 1 的n 倍，根据( 2 1 9 ) 式我们 得到式( 2 2 1 ) a ：，一：。坚l i l 鱼n ( 2 2 1 ) q c 2 下面我们先来看图2 9 ，假设图中所有的m 0 s 的宽长比都是相等的。 由m o s 管工作在饱和区的公式 ，。：知c 。孚一) z ( 2 - 2 2 ) 我们知道，。= l ：= 。 由于a ，b 两点的电压相等，故r 上的电压即是，所以有 铲器h 铮) ( 2 _ z s ) 这就是产生p t a t 电流的公式。从公式中可以看出，。：与温度， 有关，是正温度系数，而且是线性关系。 从而得到x 尺上的压降： 一坚l n 出。) ( 2 _ 2 4 ) q c 2 进而得到基准的输出电压： 。一等1 1 1 ( 争。) + ( 2 _ 2 5 ) gc 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 这也是本论文所用到的基准电压。 2 4 一种改进的高- 陛能c m 0 s 带隙基准源电路 图( 2 9 ) 所示的高性能c m o s 带隙基准源电路，其中串联镜像 电流源用来改进电源抑制。从m 。流出的和k 有关的电流改善了流 过电阻产生的和相关的压降斌。选择合适的比例x 可以使。 输出带隙电压1 。 图2 9c m o s 工艺的基准源自偏置示例电路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 第3 章带隙基准电压源的设计原理 3 1 与电源电压无关的电路 3 1 1 自举偏置电路 使用自举偏置技术，也称自偏置会显著降低电源电压的灵敏度。 与其使用在输入端接一个电阻的方式改善输入电流，不如让输入电 流直接与镜像电流源的输出电流直接相关。这个概念通过图3 - 1 所示的方框图形式给予说明【2 5 1 。 。3 t j p 图3 1 自偏置参考方框图 假设这种连接的反馈回路有稳定的工作点，则相对于电阻性的 偏置，流入电路的电流对电源电压的灵敏度要低得多。这里两个最 关键的变量是输入电流k 和输出电流l ：。这两个变量之间的关系 由普通电流源和镜像电流源共同控制。从普通电流源的角度来考虑， 输入电流在很大范围内变化时，输出电流相对对于它几乎是独立的， 如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 图3 2 工作点的确定 从镜像电流源的角度来考虑，假设镜像电流源的增益为单位增 益时，。和l ：，相等。工作点必须同时满足两项约束条件，因此它 必然位于两条特性曲线的交点位置处。在图3 2 所示的曲线中有 两个交点，或称电压工作点。点a 是所期望的工作点，而点b 则是 不期望的工作点，因为此点的厶，= ，= o 如果输出电流由于某种原因而变大，则镜像电流源的输入电流 增大同样的量，因为镜像电流源的增益被假设为单位增益。结果， 电流源通过一个由电流源增益控制的量来增大输出电流。因此回路 对于输出电流原始的变化的反映要靠进一步增大输出电流的原始变 化来实现。换言之，如果3 1 所示的电流源和镜像电流源的连接方 式形成了一个正反馈回路，而回路的增益就是电流源的增益。如果 回路增益小于单位增益，带有正反馈的电路是稳定的。在a 点，回 路的增益非常小，因为镜像电流源的输出对于a 点附近的输入电流 很敏感。另一方面，在b 点，特意使回路增益远大于单位增益，所 以两条特性曲线( 如图3 2 所示) 相交于远离原点的一点。从原理 上来说，b 点是不稳定的工作点，电路总是趋向脱离这个状态。 但是，在实际中，b 点通常是很稳定的工作点，因为在这一点 上晶体管的电流都很小，通常在1 0 _ 1 2 a 的数量级范围内。在如此低 的电流工作条件下，无论是双极型还是m o s 晶体管其漏电流和其 他影响将减小电流增益。实际中，这种形式的电路通常不能脱离零 电流状态。因此，除非采取防范措施，否则电路将总是工作在零点 流状态。因为以上原因，自偏置电路经常工作在零电流输入的稳定 状态下，即使电源电压不为零。这样一来，我们就需要一个启动电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 路来防止自偏置电路保留在零电流状态。 3 1 2 简并偏置点的解决 在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题是“简并”偏 置点的存在。为了更清楚的说明这个问题我们用图3 3 来讲解。在 图3 3 的电路中， 图3 3 存在两种状态的电流镜电路 如果当电源上电时，所有的晶体管均传输零点流，因为环路两 边的分支允许零电流，则他们可以无限期地保持关断。换句话说， 电路可以稳定在两种不同的工作状态中的一种。 上面的问题被称为电路的启动问题，它可以通过增加一种电路 加以解决，该电路在电源上电时能驱使电路摆脱简并偏置点。图 3 4 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 图3 4在图3 3 中增加了启动元件以确定状态 在图中，二极管连接的器件m ，在上电时提供了从。经m ，m 到地的电流通路。所以，m ，和m ，从而m ：和m 。都不会保持关断。 当然，这种方法只有在，+ ，+ 。jc 和，+ ，+ 陈，l 的 情况下才使用，后一个条件是为了保证在电路启动后m 。保持关断。 启动问题一般需要仔细地分析和模拟。不仅在直流扫描仿真中 要求电源电压从零伏开始上升( 以确保寄生电容不会引起启动失 败) ，而且也要在瞬态仿真中要求电源电压从零伏开始上升。另外， 还必须在每个电源电压下检查电路的特性。在复杂的电路实现中， 可能存在不止一个的简并点。 3 1 3 使用运算放大器的与电源电压无关的电路 前面我们叙述了比较经典的电源抑制的方法，下面我们来详细 分析本设计中用到的抑制电源的方法，a ，b 两点的电压由运放“虚 短”的性质，我们认为它是近似相等的，当v d d 增加时，两条支 路的电流也随之增大，从而导致了b 点电压比a 点电压更高，所以 输出c 点电压变高，进而使。降低。在这种反馈机制下抑制了两 支路电流的增加，从而减弱了电源电压的变化对基准电路的影响。 仔细设计运放，这种方式比3 ，1 1 节讲解的方式能达到更高的电源 抑制性，也是本论文所采用的设计方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 ：= = 图3 5 采用运算放大器使a ，b 点电位相等 3 2 对温度不敏感的偏置 分别以( o ) 和为基准的偏置源会有相反的陀，因此，输出 电流有可能以，o ) 和巧的某种复合电压作为基准源。如果这种复 合方式选择得当，可以使输出温度系数为零。 我们的偏置源都是在关心怎么获得低温度系数的电流。在实际 应用时，经常要求提供低温度系数电压偏置或基准电压源。下面我 们来讨论低温度系数的电压源。 首先考虑图3 6 所示的理想电路。其输出电压等于，。、加上 m ( 常数) 倍的电压巧。为确定要求的m 值，必须确定( 。) 的温 度系数。忽略基极电流有 t 旷仙每 ( 3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 矿矗e ( o m + 足巧 图3 6假设的带隙基准源电路 饱和电流和器件的结构有关，并满足 = 警= 研瓦州丁瓦 ( 3 - 2 ) 其中，壕是内部少数载流子浓度， 绋是基极每单位面积的掺杂浓度， 以是基极平均电子迁移率， a 是发射结面积， t 代表温度。 在这里，常数b 和丑是和温度无关的独立参数。利用爱因斯坦 关系式心= 国肛r ) 见，可以将写成用瓦和砰描述的表达式。式中和 温度有关的参量满足如下关系 1 5 】： 以= c r ” ( 3 3 ) 扛 c x p ( ( 3 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 其中。是温度为0 k 时硅的带隙电压a 这里的c 和d 都是和温 度无关的参数，它们的精确数值对分析并不重要。基极电子迁移率 瓦表达式中的指数n 和基底的掺杂浓度有关。结合式 可以得到 i 么( 。) = l n ( t e e x p ；尹) ( 3 5 ) 其中e 是一个和温度无关的参数，并且有 y 穹4 一九( 3 6 ) 在实际的带隙基准电压源电路中，电流不是常量，而且随温 度变化的。暂时假设这种随温度的变化是已知的并且可以写成以下 形式 lz g 丁。( 3 7 ) 其中g 是另一个和温度无关的常量。结合式( 3 - 5 ) 和式( 3 - 7 ) 可得 p k ，。、= 。一咋【( y a ) l n t l ( e g ) 】 ( 3 8 ) 由图( 3 6 ) ，输出电压为 w ；p 矗r “) + m ( 3 - 9 ) 将式( 3 8 ) 代入式( 3 9 ) 得 。= 。一耳( y a ) l n r + 嵋【m + 1 1 l 但g ) 】 ( 3 - 1 0 ) 上述表达式给出了输出电压随温度变化的电路参数g ，a ，m 和器 件参数e ，y 的函数关系式。要使。和温度无关，需要。对温度的 导数以找到使温度系数陀，为零的g ，y 和m 的值。对式( 3 - 1 0 ) 求导得 。= 鲁h = 每m 他陋g ) 】一等( r a ) h 瓦一等( r a ) ( 3 小) 其中，瓦是当输出得温度系数觋为零时得温度，巧。是热电压巧 在瓦时刻的值。将方程( 3 1 1 ) 整理可得 彳+ l n ( e g ) = ( y 一盘) 1 n 瓦+ ( y 一口)( 3 - 1 2 ) 该等式给出了要达到零温度系数时的电路参数m ，o 和g 的器 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 件参数e 和y 的表达式。原则上，这些参数值都可以由式( 3 1 2 ) 直接 计算得到。但现在，将式( 3 1 2 ) 代入式( 3 1 0 ) ，可以得到更便于理解 的结果： 7 1 w = o + k ( y a ) ( 1 + 1 1 1 书( 3 - 1 3 ) 这样，与温度有关的输出电压完全可以由一个参数z 表述，同 时瓦是由常数m ，e 和g 决定的。 由式( 3 1 3 ) ，可得在温度系数觋为零的温度( 丁= 五) 下输出