（通信与信息系统专业论文）基于bicmos工艺的高性能基准电压源研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第j 页 摘要 所有电气或电子设备都需要电源来维持正常工作，对供电电压都有定 的要求。因此根据不同的要求，人们先后研制出各种各样的稳压电源，从比 较早的串联型稳压电源到如今广泛应用的开关电源。便携式产品一直都是电 源管理芯片主要的应用领域之一，近几年，该类产品发展迅速，便携式电子 产品的升级，必然使得其对电源管理芯片提出更高的要求。随着半导体技术 的不断发展，高效、低功耗、低电压、高精度、低噪声、高集成的电源管理 芯片成为未来的发展趋势。 本论文对当今最流行的电源管理芯片中的最重要的模块单元基准电压源 进行了深入的研究，设计出了适合于电源管理芯片中的带隙基准电压源，该 研究成果得到了国家自然科学基金和四川省学术带头人基金的资助。 温度无关性和电压稳定性是基准电压源的重要指标，直接影响电源管理 芯片输出电压的稳定性及各项性能指标。本文在分析了带隙基准电压源的基 本原理后，介绍了目前带隙基准的研究进展，总结了目前几种电路结构的优 缺点。在比较了各种常用的带隙基准电压源结构的基础上，针对电源芯片的 性能要求提出基准电路的主要设计指标，并据此设计出了高性能的带隙基准 电路。 本文主要贡献在于论文设计了一个运用o 6 u mb i c m o s 工艺实现的带隙 基准电压源，由于避免了使用运算放大器，消除了运放失调电压产生的温漂， 使基准具有低温度系数，而且通过加入共栅极管提高电源抑制比，在加入补 偿电容实现宽频带内高电源抑制比和低噪声的同时，设计了精确控制的补偿 电容充电电路保证了基准电路在较短的时间内启动。 关键词：电源管理；带隙基准；电源抑制比 西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t a l le l e c t r i c a le q u i p m e n l sr e q u i r ep o w e rs u p p l yt o k e e pn o m a lo p e r a l i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so fe q u i p m e n t s ，a l ls o r t so fp o w e rs u p p l y w e r ed e v e l o p e ds u c c e s s i v e l yf r o me a r l yl i n e a rr e g u l a t o rt op r e s e n ts w i t c h i n g r e g u l a t o r ip o w e rm a n a g e m e n ti c sa f ea l w a y sa p p l i c a b l ei np o r t a b l ep r o d u c t s i n r e c e n ty e a r s ，t h i sh n do fp r o d u c t sm a k e st r a c k sw i t hh i g hp r o d u c t i v i t y n e w f u n c t i o a n dh i g hq u a l i t y ，a n di ti si n e v i t a b l et op f e s e n tm o r ed e m a n d s w i t ht h e u p g r a d eo fp o r t a b l ep r o d u c t sa n dd e v e i o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ， p o w e rm a n a g e m e n ti c st r e n dt oh i g he f f i c i e n c y ，l o wp o w e r ，1 0 wv o l t a g e ，h i g h p r e c i s i o n ，l o wn o i s ea n dh i g hi n t e g r a t e di nt h ef u t u r e t h i st h e s i sd e l v e si n t ov o l t a g er e f e r e n c ew h i c hi sas i g n i f i c a n tb 1 0 c kc e i lo f t h em o s tp o p u i a rp o w e rm a n a g e m e n ti c s ，a n dd e s i g n sab a n d g a pr e f e r e n c e a p p l i c a b l et op o w e rm a n a g e m e n ti c t h er e s e a f c hp r o d u c ei ss u p p o r t e db y n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n aa n ds i c h u a np r o v i n c ea c a d e m i ca n d t e c h n 0 1 0 9 i cl c a d e r sf o u n d a t i o n t b m p e r a “l r ei n d e p e n d e n c ea n dh i g hs t a b i l i t yo fo u t p u tv o l t a g ea r ee s s e n t i a i c h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hc a ni n n u e n c e0 ns t a b i l i t yo fo u t p u tv 0 1 t a g ea n do t h e r p e r f o m a n c ei n d e x e so fp o w e rm a n a g e m e n ti c t h et h e s i sa n a l y z e st h eb a s i c t h e o r yo fb a n d g a pr e f e r e n c e ，p r e s e n t s a ni n t r o d u c t i o nt oa c a d e m i cs t u d i e s c o n d i t i o no ni ta n dt h e ng i v e sa s u m m a r yo fa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ei n s e v e r a lc i r c u i ts t r u c t u r e s o nt h eb a s i so fc o m p a r i n gs o m ep o p u l a rs t f u c t u r e so f b a n d g a pr e f e r e n c e ，w eh a v es u c c e s s f u l l yd e s i g n e dah i g hp e r f o r m a n c eb a n d g a p v o l t a g er e f c r e n c es a t i s f y i n gm a i np e r f o r m a n c ei n d e x e sw h i c ha r er e q u i r e db y p o w e rm a n a g e m e n fi c t h em a i nc o n t r i b u “o n sl i ew i t hd e s i g n j n gab a n d g a pr e f 色r e n c eb a s e do no 6 u mb i c m o st e c h n o l o g yw h i c hi sc h a r a c t e r i s t i co f1 0 wt e m p e r a t u r ec o e m c i e n t a n d h i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i oo v e rw i d eb a n d t h eo b j e c to fl o w t e n l p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti sr e a l i z e db ya v o i d i n go p e r a t i o n a la m p l i f i e rt oe l i m i n a t e t e m p e r a t u f ed r i f td u et oo p e r a t i o n a la m p l i f i e ro f f s e t b yu s i n gc o m m o n g a t e m o st r a n s i s t o ra dc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r ，h i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 il 页 o v e rw i d eb a i l da n dl o wn o i s ea r ea c h i e v e d a1 0 n gs t a r f - u pt i m ei sa v o i d e db y d e s i g n i n g ac h a r g ec i r c u i tw h i c hj sc o n t r o u e da c c u r a t e l yf o rc o m p e n s a t i o c a p a c i t o r k e yw o r d ：p o w e rm a n a g e m e n t ；b a n d g a pr e f e r e n c e ；p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o 话南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 。1 研究的背景及意义 第一章绪论舅；一旱珀下匕 所有电气或电子设备都需要电源来维持正常工作，稳压电源可以说是各 种电子产品的原动力。众所周知，所有的用电设备，包括电子仪器、仪表、 家用电器，对供电电压都有一定的要求。因此根据不同的要求，人们先后研 制出各种各样的稳压电源，从比较早的串联型稳压电源到如今广泛应用的开 关电源。 便携式产品一直都是电源管理芯片主要的应用领域之一，如手机、数码 相机、笔记本电脑、m p 3 等。近几年，该类产品发展迅速，在产量提高的同 时，便携式产品的性能也不断得到改进，功能不断增加。便携式电子产品的 升级，必然使得其对电源管理芯片提出更高的要求。随着半导体技术的不断 发展，高效、低功耗、低电压、高精度、低噪声、高集成的电源管理芯片成 为未来的发展趋势【。”。 2 0 0 5 年世界半导体业的持续稳定增长将带动全球电子信息产品市场的 进一步发展，通信、消费类电子及汽车电子领域将成为先导。3 g 手机的视频 多媒体等各种新应用对传统的电池寿命和电源管理技术提出了更高的要求和 更严峻的挑战。高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性、小体积和低 成本等是今后模块电源和便携式电源管理产品的发展方向。 基准电压源是指被用作电压参考的高精确、高稳定度的电压源，理想的 基准电压是一个与电源、温度、负载变化无关的量【3 1 。基准电压源广泛应用 于许多模拟电路的设计中，如数模转换器、线性稳压器、开关稳压器、低温 漂放大器，它的性能直接影响整个系统的精度和性能。在稳压电源中，基准 电压的稳定性对稳压电路的稳定性和温度漂移有着直接的影响，关系着整个 稳压电源的精度、稳定度及温度系数，具体体现在开关电源芯片工作过程中 产生大量的高频噪声，基准电压源工作在这种情况下就必须对电源抑制比有 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 较高的要求，特别是在较高频带时，要求仍有高的电源抑制比。因此，在基 准电压的设计中应选取高稳定度、高精度的基准电路。 传统的基准电压源是基于稳压二极管的原理制成，但由于它的击穿电压 一般都大于现在电路中所用的电源，已经不再常用i “。2 0 世纪7 0 年代初， w i d l a r 首先提出带隙基准电压源的概念和基本设计思想，因为其典型电压值 为1 2 5 v 非常接近硅带隙电压1 2 0 5 v 而得名1 5 】。带隙基准电压源由于在电源 电压、功耗、稳定性等方面的优点，而得到了广泛的应用。在带隙基准电压 源电路的发展历程中，传统的双极型工艺具有高速、电流驱动能力强和模拟 精度高的优点1 6 i ，使用这种工艺的电路最为成熟，使其在精度和稳定性方面 具有很好的性能，在双极性集成电路中带隙基准电压源的技术被广泛应用。 随着集成电路工艺的快速发展，又出现了c m o s 工艺，它具有低功耗、高噪 声容限、高集成度和高抗干扰能力的优点，但m o s 器件的基本参数和工艺 参数都对温度有着强烈的依赖关系，给电路设计带来了一定的困难。2 0 世纪 8 0 年代初，出现了由c m o s 工艺和双极型工艺混合的工艺，即b i c m o s 工 艺，融合了这两种工艺的优点，带隙基准电压源技术也获得了飞速发展并在 d c d c ( 直流一直流) 集成稳压器，r f ( r a d i of r e q u e n c y ，射频) 电路，a ，d ( a m a l o g ，d 画t a l ，模数) 转换器等方面得到广泛应用。尽管这种工艺存在着 工艺复杂和成本偏高的缺点，但由此换来的高性能却是前两种工艺无法取代 的，使其在模拟电路设计上具有很大的潜力。为了顺应集成电路技术的发展 潮流，本文采用b i c m o s 工艺技术来设计高性能的带隙基准电压源。 1 。2 国内外研究现状 实际中，稳定的电压是每一个模拟电路都不可或缺的，鉴于产生稳定电 压的基准模块的重要性和广泛的应用，以及对性能的高要求，国内外对带隙 基准电压源做了大量的研究，研究内容主要集中在以下几个方面： 1 低温度系数 温度系数用于表征基准电压源随温度的电压变化，对于一阶补偿的带隙 基准电压源，温度系数通常可以做到2 0 6 0 p p m ，为了进一步降低温度 系数，必须对温度进行高阶曲率补偿，最常用的就是二阶曲率补偿，即增加 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 p t a t 2 项，但具体的电路实现时，却存在着许多困难。目前出现的高阶补偿技 术包括二阶曲线补偿技术【7 1 指数曲线补偿技术 8 】，线性化v b e 的技术i9 1 ，基 于电阻比值的温度系数的补偿方法。另外，当设计电路在某一温度使带隙输 出电压达到某个特定值时，c m o s 运算放大器失调电压的温漂会产生输出电压 的温度系数漂移，是温度系数不为零的最主要因素【1 0 j 。有很多方法可以减小 失调电压的影响【1 1 】：第一，运算放大器用大尺寸器件，合理布局；第二，减 小失调电压在基准电压中的比例【1 2 l ；第三，使用自偏置电流源电路，去掉运 算放大器l l “j 。 2 高电源抑制比 在开关电源芯片工作过程中开关管的通断产生大量的高频噪声，这会对 输出电压产生不利的影响，基准电压源应该在较宽的频率范围内具有良好的 电源抑制比性能。为了提高电源抑制比性能，目前的研究主要有以下四种方 法：第一，使用内部校准过电压为基准电压源产生的核心电路部分提供供电 电压【1 4 肿】或电流【1 8 】；第二，增加共源共栅器件隔离电源电压和基准电压源产 生的核心电路部分【1 4 】；第三，提高运算放大器的增益【1 9 _ 2 0 】和电源抑制比1 2 1 。2 2 】； 第四，将电源电压波动馈送到基准电路的反馈环路，通过反馈环路来提高电 源抑制比【2 ”。使用无运算放大器的负反馈结构的带隙基准技术，在1 m h z 的 电源抑制比是一4 0 d b 【16 1 。国内文献f 2 3 】采用类似的改进电路后在1 m h z 的 p s r r ( p o w e rs u p p l y r e j e c t i o n r a t i o n ，电源抑制比) 为一4 9 d b 。这些电路都能 大幅度提高低频时的电源抑制比，但当工作频率升高时，基准电压的电源抑 制比会有很大的降低，这将限制对电源电压高频噪声的抗干扰能力，所以提 高高频电源抑制比也得到了很多的重视，采用全差分结构【2 4 j 可以显著改善 p s r r ，在5 0 0 k h z 为9 0 d b 。另一方面通过对基准电路高频简化结构的电源 抑制比传输函数的分析，加入频率补偿电路，实现零极点的相消达到扩展频 带的作用【l 巩。o 3 。低工作电压 近年来，电池供电的便携式系统得到广泛应用，这类设备对电池效率和 使用寿命提出了很高的要求，这使得低压电路设计成为一种发展趋势。基准 电压源作为模拟电路中的重要模块，已经有很多方法获得低工作电压得精密 基准电压源【27 。”j ，实际中很多基准电压源的工作电压无法降低主要是受使用 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的运算放大器的影响，主要解决方法有使用互阻抗运算放大器1 3 0 j 工作电压达 到1 2 v ，或避免使用运算放大器改用单输入放大器【1 6 】。 4 低功耗 低功耗设计已经成为电子产品设计的主流，基准电压源也存在这种趋势， 工作在亚阈值的c m o s 基准电压源利用两个m o s 管栅极源极电压差的正温 度系数来与b e 结负温度系数相抵消【3 卜3 3 1 ，虽然可以降低功耗，但由于这对 工艺的控制精度提出了更高的要求，由此带来的温度系数往往不理想，另外， 避免使用运算放大器不仅在低压工作上，而且对低功耗也有着重要的指导意 义。 1 3 本论文的主要工作 本论文将带隙基准电压源作为主要研究内容，通过对国内外现有各种集 成基准电压源的特点和性能的比较，结合设计目标，确定基准电压源的基本 电路结构，选用0 6 u mb i c m o s 工艺的器件模型，对所确定的电路进行设计， 通过h s p i c e 仿真模拟，调整电路结构及器件参数使电路性能达到所要求的 指标，其中包括带隙基准电压源的温度特性、输入电压调整率、负载调整率、 电源抑制比、启动时间，得到电路和器件的最佳结构和参数。具体内容如下： 第一章介绍了本课题的研究背景、研究意义和国际国内研究进展。 第二章首先概述了带隙基准电压源的相关概念和基本原理、分别介绍了 几种传统的基准电压源结构，并分析了其优缺点。 第三章介绍了电路设计指标，阐述了带隙基准电压源的设计思路和具体 电路结构，并对该电路进行了详细分析。 第四章是具体电路的仿真结果及分析。 第五章是结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章基准电压源的基本原理及发展状况 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即基准电压， 在模拟电路中有着广泛的应用。传统的基准电压源通过p n 结反向击穿的稳 压管实现，电压随温度的变化明显，随着带隙基准电压源的问世，无论是在 温度特性、电源电压、功耗等方面都取得到很大的进步。多年来，在集成系 统中已经采用许多方法来实现电压基准。这其中包括h j ： 1 反向偏置稳压二极管； 2 利用增强型晶体管和耗尽型晶体管之间的闽值之间的差异； 3 利用负温度系数的p n 结电压和上e 温度系数的电压相互抵消。 其中的第三种方法即是带隙基准电压源的基本思想，自从2 0 世纪7 0 年 代初提出以来，国内外针对它的具体实现，提出了很多电路结构，随着电路 结构的不断改进和新工艺的开发应用，电路的性能也在逐步地得到提高，本 章首先介绍了基准电压源的各项性能指标意义，其次提到了集成电路中容易 得到的几种标准电压具体分析丁它们的温度特性，然后阐述了带隙基准电压 源的基本原理，介绍了几种传统的基准电压源结构，并分析了其优缺点。 2 1 带隙基准电压源的基本原理 2 1 1 基准电压源的性能参数 下面介绍基准电压源的一些性能参数【3 4 ： 1 相对温度系数t c ( t e m n e r a t u r ec o e 嘣c i e n t ) 基准电压源的温度漂移特性通常用相对温度系数来表征，单位是p p m ( p p m 表示百万分之一) ，它表示由于环境温度变化引起韵输出电压的漂 移量，反映基准源在整个工作温度范围内输出电压最大值与最小值相对正常 输出时的变化，是衡量基准电压源的关键性技术指标，低温度系数是必须的。 输出时的变化，是衡量基准电压源的关键性技术指标，低温度系数是必须的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 m ：j 一些婴1 。1 0 6 ：i l 垒型丝型兰型坐堕i 。1 0 6 ( 2 1 ) 【喙卯d rji 瞻肝孔脚) 一孔删) i 2 负载调整率 负载调整率( 灵敏度) ，基准输出电压自身的相对变化与规定范围内负载 电流相对变化的比值，通常用u v m a 表示。为了保证在负载端得到准确的基 准电压，一般总可以用缓冲放大器隔离基准和负载，保持基准的高性能。负 载调整率越小说明基准电压源带负载的能力就越强。 3 电源电压调整率 电源电压调整率，基准输出电压自身的相对变化与规定范围内输入电源 电压相对变化的比值，通常用u v v 表示。电源电压调整率越小说明电源电压 对基准电压源的输出电压影响越小。 4 电源抑制比p s i 沮 电源抑制比，电源电压存在的纹波电压频率从低到高变化时，基准输出 电压变化相对于电源电压变化的小信号增益。 5 启动时间 启动时间，是电源上电后，基准电压源输出达到正常值所需要的时间， 通常都是u s 数量级的。 6 噪声口5 】 基准输出电压中的噪声( n o i s e ) 包括两类：一类是宽频带的热噪声；另 一类是低频1 f 噪声。在高频时噪声主要是热噪声，这种宽带噪声可以在输 出端和地间增加一个大电容，有效滤除，而1 f 噪声是基准源的内在固有噪 声，与工艺有关，一般在o 1 到l o h z 范围内定义，无法抑制。在高精密设计 中，噪声的因数是不可忽视的。 2 1 2 与温度无关的基准 假设有两个具有相反温度系数的电压h 和娩，分别选取a 1 和a 2 作为权 重，两个电压相加之和为a l n + 口2 屹，为了使电压和的温度系数为零【1 l 】，令 a 】盟+ 。2 盟。o( 2 2 ) 。1 万+ 。2 万。o 。2 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 由式( 2 2 ) 可知，选择合适的a 1 和a 2 即能得到具有零温度系数的电压。 在半导体工艺的各种不同器件参数中，容易获得的标准电压有晶体管基 极一发射极电压、m o s 管阈值电压、热电压和p n 结反向击穿电压。其中，双 极晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性，并且能提供正温度系数和负 温度系数的两种电压。 。+ 坼 图2 1 带隙基准电压源的原理框图 图2 1 就表示了带隙基准电压源的实现框图，通过将负温度系数的吻f 与k 倍正温度系数的电压圩实现温度的补偿。 下面将介绍三种与电源电压无关的常用标准电压的温度特性【1 0 】： 1 晶体管基极一发射极结电压v b e 一般情况下，由于p ，) 1 ，忽略晶体管基极电流，则其集电极电流等于 发射极电流。 k 警e 即降) c z 吲 其中：儿一集电极电流密度( m 2 ) n 。一基区电子平衡浓度 d 。一电子的平均扩散常数 一基区宽度 平衡浓度可以表示为：n p 。一番 ( 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 其中：”f 2 = d t 3e x p ( 一y r g o p ，)( 2 5 ) d 是与温度无关的常数，o 是带隙电压为1 2 0 5 v ，爿是p 型物质的 掺杂浓度常数，将式( 2 3 ) 到( 2 5 ) 联立，就得到下面集电极电流密度 的方程式： 协寐胛3e x p ( 竽卜产) 吲 。心 i所jl圩 。 在式( 2 6 ) 中，将与温度不相关的常数合并为爿，由于d 。依赖于温度， 温度系数y 稍微偏离3 。由式( 2 6 ) ，陆可以表示为： 叫嘉) 恂一割嘉) 慨 1 ， 考虑温度时的j 。，由式( 2 6 ) 得 砌刊喵e x p | 者。一场。) i 2 _ 8 ) 将( 2 6 ) 除以( 2 8 ) ，得 去2 7 唧阻竿一骂竽) 由式( 2 9 ) 整理后，还可以表示为： j 场。( 卜杀) + 恤。临) + 等- n ( 等) + 等，n ( 去) 考虑温度功时的e 与温度的关系，设几与温度的关系为丁o ， 一1 0 ) 求导得到与温度的关系： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 在功处对( 2 等l 扩竽m 训 c z n ， d 丁l r r o 、 “i 耳j 从式( 2 1 1 ) 可以看出，给定温度下的温度系数还与妇e 本身的大小有关， 由于o ，妇e o ，在忽略第二项的情况下，该式的值小于零，即e 为负温度 系数。 2 晶体管基极一发射极结电压v b e 之差 如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极一发 射极电压的差值就是与绝对温度成正比的。假设两个三极管相同即 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 a 1 ：a 2 ：a ，集电极电流不同，将式( 2 6 ) 代入下式得， 恤= 恤- 一愧：= 等t n ( 参) _ 等h ( 参) 2 等h ( 等) 1 z ， 因此，魄e 的差值表现出正温度系数，通过式( 2 1 2 ) 对温度求导得， 旦垒堕；墨l n f 堕1 ( 2 1 3 ) a 丁 鸟，c 2 假设两个三极管发射极面积分别为4 e 1 和4 2 ，流过的电流相等即 j 。1 ；j 。2 ；j c ，则将式( 2 8 ) 代入下式得， 恤= - 一恤z = 等h ( 者) - 等h ( 者) | 等h ( 等) 叫4 ， 因此，恍的差值表现出正温度系数，通过式( 2 1 4 ) 对温度求导得， 。旦堕；生l n f 生1 ( 2 1 5 ) a r g4 e l 综合以上两种情况。得到在不同三极管发射极面积、不同集电极电流下， 恤= - 一愧z 一等m ( 等等) 1 丝堕，生l n f 丛生1 ( 2 1 7 ) a 丁 口j c 2 月e 17 3 m o s 管阂值电压 假设源一衬底电压为零，即= o 闽值电压表达式为 ：磐+ 却，+ 加。一笋 ( 2 1 8 ) 其中，加。是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差的电压值，c “是单位面积的栅 氧化层电容，衍是费米能级，q 。是硅表面氧化物中正电荷密度，岛是耗尽 区中储存的电子密度 ：、压万币万万面 ( 2 1 9 ) 俨等，n 等= 等m ( 2 2 0 ) 掣 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 其中，嘶是本征载流子浓度，是t - o k 下，硅元素的能带间隙，c 是在 允许情况下导带边缘的浓度，。是在允许情况下导带边缘的浓度，假设。， 艮及与温度无关，将式( 2 一1 9 ) 代入式( 2 1 8 ) 并对其求导得 磐。l 尘攀+ 2 l 盟 ( 2 2 1 ) 打 c “， i 打 对式( 2 2 0 ) 求导并代入该式得 警= 等( 一鲁一n d 丁 口i2 尼丁2j日 ；一生+ 盟( 2 2 2 ) 2 口t 丁 将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 2 1 ) 得 警一精嘶 l 器砣】 d r t 2 口“i | c 如， 由于通常硅元素满足妒，( 2 口) ，从式( 2 2 3 ) 度升高而降低。 2 2 传统的几种结构 2 2 1 基于双极型工艺的带隙基准电压源 lw i d i a r 带隙基准源电路口6 1 ( 2 2 3 ) 可以看出阈值电压随温 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 v c c v e e 图2 2w i d l a r 带隙基准源电路 首先分析一下启动过程，刚上电时，q 3 截止，q 4 基极电压被拉高同时正 向驱动v 。，直到q 3 基极电压已经足够使其集电极电流近似等于1 3 ，电路将 会稳定在这个状态。下面就分析电路稳态时的特性： 如图2 2 所示，基准电压为勋，其表达式为 圪= 吻e 1 + y 矗1 ( 2 2 4 ) 由于卢 1 ，忽略晶体管基极电流，则，e 1 ；，1 ，垤3 = ，3 。 假设，1 如1 = ，3 如3 ，根据p 如= 圩l n 善，则 s n 姬l = 的陋3 ( 2 2 5 ) 从图2 2 和式( 2 2 5 ) 可以看出，r 1 和r 2 上的压降相等，可以得出1 1 和 1 2 的关系式 旦。丝 ( 2 2 6 ) ，2日 根据双极型晶体管的原理 q p k ，e 1 = ，s 1 e 七r g 圪f 2 ，2 = ，s 2 p 七丁 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 将式( 2 2 7 ) 与( 2 2 8 ) 相除得 堕丝；e 寺l 一2 ( 2 2 9 ) l e 2l 乳 对式( 2 2 8 ) 两边取对数整理后得 妇e = 嘞- 一恤z 一等h ( 鲁等) 心1 从电路上看，愧正好是电阻r 3 上的压降 妇e = ，2 尺3 ( 2 3 1 ) 由于口，1 ，忽略晶体管基极电流，则坛2 一，2 ，将式( 2 2 6 ) 、( 2 3 0 ) 和( 2 3 1 ) 代入( 2 2 4 ) 得 = + 等等h ( 鲁鲁) 1 z ， 口“3“1 s 1 ， 这是基本的带隙基准电压表达式，式中第一项具有负温度系数，第二项 具有正温度系数，k 倍数由比例r 2 r 3 、r r 1 和i s 2 i s l 决定，选择合适的值， 可以使正、负温度系数抵消，从而实现零温度系数。 对在温度功下求导数，且代入式( 2 1 0 ) 的近似值得到 盟。堕+ 生丝1 i l f 堕垫1 ；堕迹+ 生堕1 n f 堕丝1 ( 2 3 3 ) d rd z q 月3lr 1 ，5 lj 功吁r 3 ir 1 ，s 1 令等；o ，则有 。= 。+ 詈鲁h ( 等等) c z l 4 ， 口 3“1 矾j 从式( 2 3 4 ) 可以看出，该电路输出电压的温度补偿只取决于电阻比例 和晶体管发射极面积比，而与电阻的绝对值及其他参数无关，因此，可以不 受电阻温度系数的影响，保持良好的温度稳定性。由于电流i ，受电源决定， 这样它将随着电源电压的变化而变化，这将使式( 2 2 5 ) 不再精确成立，从 而导致式( 2 2 6 ) 的比例关系不能精确相等，最终使输出电压受到电源电压 的影响。 2 b r o k a w 带隙基准源电路口7 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 v c c v e e 图2 3b r o k a w 带隙基准源电路 如图2 3 所示，q 1 和q 2 的发射极面积不等，q 2 比q l 的大，所以q 1 和q 2 的发射极电流密度不同，两管的吻e 也就不同，它们的陆之差恤加 在电阻r 3 上。电阻r 1 和r 2 相等，v 。l 是基准电压输出端，当v 。l 电压较小 时，r 3 上的压降很小可以忽略，q 2 发射极面积大于q 。发射极面积起主要作 用，流过q 2 的电流较大，加在放大器负端的q ：集电极电压低于正端的q 1 集电极，放大器提高v 。l ；当v 。电压较大时，反馈电阻r 3 起主要作用，流 过q 1 电流较大，加在放大器负端的q 2 集电极电压高于正端的q l 集电极电压， 放大器降低v 。1 ；当v 。1 等于平衡电压点即基准电压，流过q l 和q 2 的电流相 等，通过放大器的反馈作用使v 。稳定在基准电压。 当电路处于平衡态时，由于r l = r 2 且运算放大器正端和负端的电压相等， 所以q 1 和q 2 的电流相等1 1 = 1 2 ，由式( 2 1 6 ) 得 ：妇e 1 一2 ：竺l n f 掣1 ( 2 3 5 ) 口 月e 1 流过电阻r 。的电流是o l 和q 2 的电流之和，正温度系数电压由r 。上的压降 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 慷4 提供，基准电压值呈现在q 1 和q 2 的基极，是q 1 的和r 4 上的压降坛4 之和 恤，慨= 慨m 惫等h 等 嘣， 从式( 2 3 6 ) 看出，k 倍数由比例r 4 瓜3 和a e 2 ，a - e 1 决定，选择合适的r 4 r 3 ， 也可实现正负温度系数相抵消。 与w j d l a r 带隙基准表达式式( 2 3 2 ) 相比，在对数项中的电阻比不存 在，需要调节的参量变少，受工艺影响的因素相应减少，同时与电源电压无 关，所以基准电压的精度更高了。 2 2 2 基于c m o s 工艺的带隙基准电压源 在c m o s 工艺中，可以利用固有的寄生双极型器件来实现，比如，在n 阱加工时，衬底的p n p 晶体管，如图2 4 所示，假设c m o s 的运算放大器是 无限大的放大倍数，但失调电压v o s 不为零。因为c m o s 晶体管的阈值电压 失配和单位电流的跨导很小，c m 0 s 工艺运算放大器的输入失调电压通常要 比双极型工艺的大【3 8 1 。 v e e 图2 4n 阱c m o s 的带隙基准源电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 假设晶体管q l 和q 2 的发射极面积分别为a e l 和a e 2 隔离出来后的运算放大器是理想的，经过它的反馈调节后 压相等，电流i 。和1 2 的关系如下 ，l 曰2 ，p k1 2r 1ij 2 | r 2j 由于将失调电压 正端和负端的电 ( 2 3 7 ) 产生于电阻r 3 上的为 = 帅偿等) 。 同时将式( 2 3 7 ) 、( 2 3 8 ) 代入输出电压为 _ z + 魄，+ 唿：。愧z + ( 1 + 舍) ( 1 + 急) 哳。：一。， = ：一( t + 鲁) + 惫玢- n 卺鲁( 一麓) 由式( 2 3 9 ) 可以看出，v o s 有可能导致基准源输出电压相当大的误差， 假设该失调电压相对温度是独立的，为了使输出的温度系数为零，必须调整 ( 1 + r 2 r 3 ) 使场e 和冶两项的温度系数相消，此时，输出电压将是期望 输出基准电压与输出失调电压之和，只有当失调电压为零时，输出电压才是 期望的基准电压值。在假定输出电压为期望基准电压的条件下，从上面的分 析可以得出两种情况：( 1 ) 当v o s o 时，( 1 + r 2 承3 ) 将小于无失调时的值， 这样正温度系数电压的系数减小，导致最终的输出电压随温度的增大而减小， 即呈现负温度系数；( 2 ) 当v o s 0 时，( 1 + r 2 r 3 ) 将大于无失调时的值，这 样正温度系数电压的系数增大，导致最终的输出电压随温度的增大而增大， 即呈现正温度系数。具体的计算分析如下： 当v o s 不为零，但期望输出不变时，由式( 2 3 9 ) 可知，因子( 1 + r 2 r 3 ) 在一。n 塘调整之后偏离了理想值，忽略v o s 对恤的影响，输出电压 在温度如下的温度系数为 盟1 ：一f 1 + 堕1 堕曼堕 ( 2 4 0 ) d z7 丁o l尺3 p 童e d r 由于a e 与温度成线性关系，式( 2 4 0 ) 又可整理如下 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 剿：一f 1 + 丝1 堕坐刊。一f 1 + 堕1 堕( 2 4 1 ) d 丁i r 。r o i r 3j p 砬丁1 r ：丁o i r 3j 功 从式( 2 4 1 ) 看出，当( 1 + r 2 r 3 ) 调整到在某一温度使输出电压为期 望基准电压时，运算放大器的失调电压的漂移造成了输出电压温度系数的漂 移，是造成温度系数不为零的最主要原因。此外，如果v o s 还是温度的函数， 以上分析显示，它对基准电压源的线性稳定性及温度稳定性都会产生不良影 响， 因此，消除v o s 是提高该基准电压源性能的关键。从v o s 在式( 2 3 9 ) 中的系数来看，主要可以通过以下一些方法降低v o s 对基准电压源输出电压 的影响：第一，通过版图设计来减小v o s ，实际中运算放大器可采用大尺寸 器件并仔细选择版图布局使v o s 最小；第二，通过增大场e 来减小了正温 度系数电压的系数，具体方法有增大1 1 1 2 、a e l a - e 2 、1 2 ，但是由于这些量都 要取对数而且受到功耗、版图面积等限制，所以对于增大喱的贡献也是 有限的；第三，通过增大妇的系数。如采用两个p n 结串联的形式可使 增加一倍。还有一种方法就是不使用运算放大器，采用比例电流镜反 馈来使电流i l 、1 2 满足一定的比例关系。 从以上的讨论中可以看出，是一个很重要的参数，它的温度特性在 带隙基准电压源的实现中扮演着重要的角色。带隙基准电压源的实现电路大 多数都是通过合理的电路设计，设法补偿恤随温度变化对输出电压的影响， 以获得接近零温度系数的基准源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第三章高性能带隙基准电压源的电路设计 在模拟及数模混合集成电路设计中，电压基准是非常重要的电路模块之 一，而通过巧妙设计的带隙电压基准更是以其与电源电压、工艺、温度变化 几乎无关的特点，广泛应用在l d o ( l 0 wd r o p o u t ，低压差) 线性稳压器及 d c d c 转换器、射频电路、高精度a d 和d a 转换器等多种集成电路中 【3 9 _ 4 ”。这类器件的发展对基准的噪声、电源纹波抑制比佃s r r l 及启动速度等 提出了非常高的要求，本文因此将针对l d o 及d c d c 两种集成稳压器中对 基准电压源的一些具体要求，提出相应的设计指标，完成整个电路的设计。 本章所设计的高性能的基准电路避免了使用运算放大器，从而消除了失 调对基准输出电压的影响，提高了温度稳定性，而且加入了提高p s r r 的电 路结构，同时通过补偿电路扩展了p s r r 的频带宽度。 下面分别介绍针对电源稳压芯片提出的性能指标，基准电路整体架构的 设计及工作原理，并对架构中各个子模块的设计和原理进行了分析。 3 1 设计指标 l d o 线性稳压器是输出电压恒定的电压源，能够随着负载电阻大小的改 变而改变芯片内部电阻的大小，从而输出一个恒定的电压值 4 2 1 。典型低压差 线性稳压器的系统框图如图3 1 ，一般包括四个基本模块：基准电压源，误 差放大器，反馈网络和调整管。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 v r e f v d d 图3 1 典型低压差线性稳压器的系统框图 具体的工作原理是通过反馈网络r l 和r 2 组成的分压器将输出电压采样 之后，误差放大器将基准模块输出的电压与采样电压进行比较放大，输出到 p m o s 调整管的栅极，驱动调整管，使输出电压保持恒定。对整个输出电压 的精度影响最大的因素之一就是基准电压的温漂和电源抑制特性，为提高整 个芯片的工作效率需要降低静态工作电流，作为基本模块的基准电压源的静 态工作电流也成为主要的组成部分。从上面的分析可以看出：对于基准电压 源在电源抑制比、热稳定性、静态电流方面有着较高的要求。 d c d c ( 直流一直流) 集成稳压器也是输出电压恒定的电压源，能够 随着负载电阻大小的改变而改变芯片内部开关管的开关频率或开关的占空比 的大小，从而输出一个恒定的电压值。图3 2 所示是一个采用电压模式p w m ( p u l s e w i d i hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 控制方式的升压d c d c 变换器，通过 分压电阻将输出电压反馈到误差放大器，误差放大器将基准模块电压输出的 电压与采样电压进行比较放大，然后将放大后的误差电压差值与产生的斜坡 信号进行比较，输出高低电平控制开关的通断，这个差值越大，开关导通的 时间越长，反之越短。高效率作为d c d c 变换器相对于线性稳压器的一个 重要优势，对于降低它的静态电流来进一步提高它的效率有着重要意义。功 率管的开关过程会在电源电压上产生很大的高频干扰，高频干扰分量比重很 大，这个干扰会影响基准电压，所以对基准电压源的高频电源抑制能力也有 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 较高的要求，另外，电压基准源作为基准直接输入到比较器的输入端，虽然 其需要提供的负载电流较小，但由于考虑其精度及稳定性，同样也要考虑具 有一定的负载能力。 + v o u t 图3 2 升压d c d c 变换器的系统框图 基于以上的分析，提出同时适用于l d o 线性降压变换器和d c d c 变换 器的带隙基准电压源的设计指标如下： 表3 1 带隙基准电压源的设计指标 参数名称最小值典型值 最大值 单位 工作温度一4 02 71 2 5 工作电压2 53 65 5 v 工作电流 1 0 1 5 u a 温度系数 1 02 0 p p m 电源电压调整率 2 0 04 0 0u v ，v 电源电压抑制比( 1 m h 2 ) 一1 0 0一9 0d b 启动时间7 0 0 负载电流调整率0 0 4o 0 6m v u a 3 2 设计思路 基于以上指标，第一章中对基准电压源发展现状中提到：现有的提高电 源抑制眈的方法都只能在较低频率上改善p s r r ，在高频率上p s r r 仍会迅 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 速下降。为了能有效改善输出基准电压在抑制电源高频纹波的性能，可以通 过在基准输出端接入补偿电容电路，来改善p s r r 的高频性能，但是由此也 带来了一些问题，加入的电容增加了基