（微电子学与固体电子学专业论文）一种高精度带隙基准电压源的设计.pdf

学位论文的主要创新点 一、运算放大器和核心电路设计时采用共源共栅电流镜结构，有效地 提高了电路电源抑制比。 二、在设计核心电路时，用简单的电阻结构进行二阶温度补偿和用多 个双极性晶体管串联形式，有效地提高了带隙基准电压源输出的 精确度。 【 摘要 带隙基准电压源是许多模拟电路和电子系统中的重要组成模块，它已被广泛 的应用在比较器、数字模拟转化器、模拟数字转化器、动态存储器、闪速存储 器和其它的模拟和数字电路中，因此对集成于s o c 中的高性能带隙基准电压研 究具有重要的意义。一般的一阶温度补偿带隙基准的温度系数是3 0 p p m c ，随 着深亚微米集成电路技术的的不断发展，一阶温度补偿带隙基准不能满足高精度 系的要求，所以对高阶温度补偿带隙基准的研究就变得十分必要。 本文首先介绍了带隙基准的国内外发展的状况及趋势，然后介绍了带隙基准 的性能指标和工作原理，并对一阶温度补偿和二阶温度补偿结构原理进行了比较 分析。 在对各种带隙基准电压源分析比较的基础上，本文提出了一种采用t s m c 0 3 5 哪c m o s 工艺制作，应用于一款l e d 驱动芯片的二阶温度补偿的高精度带 隙基准电压源电路，该电路具有高电源抑制比和低的温度系数。整体电路用 h s p i c e 进行仿真，仿真结果表明，在2 5 + 1 2 5 温度范围内电路的温度系数为 1 8 5 p p m c ，电源抑制比达到8 0 d b ，电源电压在4 5 5 5 v 之间输出电压v r e f 的 摆动为0 4 1 m v ，是一种有效的基准电压实现方法。 关键词：带隙基准电压；电源抑制比：温度系数；二阶温度补偿 84 舢2嗍97删8iii1y 。j a b s t r a c t v o l t a g er e f e r e n c ei sa l le s s e n t i a ls u b c i r c n i t r yi na n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i ta n dl o t s o fe l e c t r o n i cs y s t e m s ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nm a n yc i r c u i t s ，s u c ha sh i g l lp r e c i s e c o m p a r a t o r s , a da n dd ac o n v e n e r s ，d r a m s ，f l a s hm e m o r yc i r c u i t s ，a n do t h e ra n a l o g o rm i x e dc i r c u i t s t h e r e f o r e ，v o l t a g er e f e r e n c ei s s i g n i f i c a n t t o d e v e l o p ah i g h p e r f o r m a n c ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t r yw h i c hi sa c c o m p l i s h e db yc m o st e c h n o l o g y a n dc 锄b ei n t e g r a t e di n t oas y s t e mo nc h i p ( s o c ) n o r m a l l y af i r s t - o r d e rc u r v a t u r e c o m p e n s a t i o nb a n d g a pr e f e r e n c e0 3 g r ) h a sat e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta b o u t 3 0 p p m 3 2 w i t h t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fd e e p - s u b m i c r o nt e c h n o l o g y ，a f i r s t - o r d e rc u r v a t u r ec o m p e n s a t i o nb g rc o u l dn o ta c h i e v et h er e q u i r e m e n to fs o m e h i g hp r e c i s es y s t e m ，i ti sv e r ye s s e n t i a l t o s t u d yt h eh i g h - o r d e rt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nb a n d g a pr e f e r e n c e i nt h i st h e s i s t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t a lt r e n do f v o l t a g er e f e r e n c e s t u d i e sa b o u ta b r o a da n da th o m ew a sp r e s e n t e d , t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fv o l t a g e r e f e r e n c ew a sa n a l y z e da n dt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ew a sc o m p a r e d , t h e ns t u d yt h e s t r u c t u r e sa n dt h em a i n w o r k i n gp r i n c i p l e s o ff i r s t - o r d e ra n ds e c o n d - o r d e r t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n u n d e ra n a l y s i sa n dc o m p a r eo fs e v e r a ll o wv o l t a g eb a n d g a pr e f e r e n c es o u r c e s ，a p r o p o s e ds e c o n d - o r d e rt e m p e r a t u r ec u i n a t l 盯ec o m p e n s a t e db a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e c i r c u i tf o rl e dc i r c u i ti sp r e s e n t e d , t h ec i r c u i th a sh i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o o s r r ) a n dl o w - t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t b a s e do nt h et s m c0 3 5 岬c m o s m o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gh s p i c es h o wt h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to ft h e c i r c u i ti s1 8 5 p p m 。ca tt h et e m p e r a t u r er a n g eo f - 2 5 3 2t o + 1 2 5 3 2a n dt h ep s r ri s t h e - - 8 0 d b t h eb a n d g a po u t p u tv o l t a g ev r e fs w i n gi s0 1 4 m vw h e nt h ep o w e rs u p p l y v o l t a g ei sb e f t w e e n4 5 va n d5 5 v ，t h i sd e s i g ni sa l le f f e c t i v ew a yt oi m p l e m e n ta b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e k e yw o r d s ：b a n d g 印v o l t a g er e f e r e n c e ； s e c o n d - o r d e rt e m p e r a t u r ec u r v a t u r ec o m p e n s a t i o n a b s t r a c t v o l t a g er e f e r e n c ei sa l le s s e n t i a ls u b c i r c u i 仃yi na n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i ta n dl o t s o fe l e c t r o n i cs y s t e m s ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nm a n yc i r c u i t s ，s u c ha sh i g hp r e c i s e c o m p a r a t o r s ，a i ) a n dd ac o n v e r t e r s ，d r a m s ，f l a s hm e m o r yc i r c u i t s ，a n do t h e ra n a l o g o rm i x e dc i r c u i t s t h e r e f o r e ，v o l t a g er e f e r e n c ei s s i g n i f i c a n tt od e v e l o pah i g h p e r f o r m a n c ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t r yw h i c hi sa c c o m p l i s h e db yc m o st e c h n o l o g y a n dc a nb ei n t e g r a t e di n t oas y s t e mo nc h i p ( s o c ) n o r m a l l y ，af i r s t - o r d e rc u l n a t u r e c o m p e n s a t i o nb a n d g a pr e f e r e n c e ( b g r ) h a sat e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta b o u t 3 0 p p m 。c w i t l lt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fd e e p - s u b m i c r o nt e c h n o l o g y a f i r s t - o r d e rc u r v a t u r ec o m p e m a t i o nb g rc o u l dn o ta c h i e v et h er e q u i r e m e n to fs o m e h i g hp r e c i s es y s t e m ，i ti sv e r ye s s e n t i a lt os t u d yt h eh i g h - o r d e rt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nb a n d g a pr e f e r e n c e i nt h i st h e s i s ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t a lt r e n do fv o l t a g er e f e r e n c e s t u d i e sa b o u ta b r o a da n da th o m ew a sp r e s e n t e d , t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fv o l t a g e r e f e r e n c ew a sa n a l y z e da n dt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ew a sc o m p a r e d , t h e ns t u d yt h e s t r u c t u r e sa n dt h em a i n w o r k i n gp r i n c i p l e so ff i r s t - o r d e ra n ds e c o n d - o r d e r t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n u n d e ra n a l y s i sa n dc o m p a r eo fs e v e r a ll o wv o l t a g eb a n d g a pr e f e r e n c es o u r c e s ，a p r o p o s e ds e c o n d - o r d e rt e m p e r a t u r ec h r v a ：t h i ec o m p e n s a t e db a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e c i r c u i tf o rl e dc i r c u i ti sp r e s e n t e d , t h ec i r c u i th a sh i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ( p s r r ) a n dl o w - t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t b a s e d0 1 1t h et s m c0 3 5 1 u nc m o s m o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gh s p i c es h o wt h et e m p e m t a r ec o e f f i c i e n to ft h e c i r c u i ti s1 8 5 p p m ca tt h et e m p e r a t u r er a n g eo f 2 5 ct o + 1 2 5 ca n dt h ep s r ri s t h e - 8 0 d b ，t h eb a n d g 叩o u t p u tv o l t a g ev r e fs w i n gi s0 1 4 m yw h e nt h ep o w e rs u p p l y v o l t a g ei sb e t w e e n4 5 va n d5 5 v ，t h i sd e s i g ni sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p l e m e n ta b a n d g 印v o l t a g er e f e r e n c e k e yw o r d s ：b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ；p s r r ；t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ； s e c o n d - o r d e rt e m p e r a t u r ec u r v a t u r ec o m p e n s a t i o n 日求 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景1 1 2 国内外的研究现状2 1 3 研究的目的意义2 1 4 本论文研究内容3 第二章带隙基准电压源的基本原理5 2 1 带隙基准电压源的工作原理5 2 1 1 负的温度系数电压5 2 1 2 正的温度系数电压6 2 1 3 带隙基准的产生7 2 2 基准电压源的主要性能指标8 2 2 1 温度系数t c ( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i c n o 8 2 2 2 电源抑制比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 ) 8 2 2 3 功耗9 2 2 4 输出噪声9 2 3 带隙基准电压源的几种结构9 2 3 1 利用p t a t 电流产生基准电压9 2 3 2 在运放的输出端产生的基准电压1 3 2 3 3 两种结构的性能比较1 6 2 4 带隙基准的几种曲率校正方法1 7 2 4 1 一阶温度补偿1 7 2 4 2 二阶补偿1 7 2 4 3 指数型温度曲率补偿1 9 2 4 4 利用不同材料电阻的相异温度特性进行曲率校正2 3 2 5 本章小结2 4 第三章非理想因素影响2 5 3 1 运放的失调电压和输出阻抗2 5 3 2 集电极电流变化2 8 3 3 与c m o s 工艺的兼容性2 9 3 4 本章小结3 0 第四章高精度带隙基准电压源的设计3 l 4 1 电路的实现要求3 1 4 2 电路的基本框图设计3 1 4 3 电路的设计步骤3 2 4 4 电流镜的设计3 2 4 5 运算放大器的设计3 6 4 5 1 运算放大器的性能参数3 7 4 5 2 运算放大器的分类3 9 4 6 启动电路设计4 4 4 7 一阶温度补偿带隙核心电路设计4 5 4 8 改近后的二阶温度补偿带隙核心电路设计4 7 4 9 本章小结4 9 第五章整体电路仿真与分析4 9 5 1 仿真工具的介绍4 9 5 2 温度分析4 9 5 3 直流分析5 1 5 4 交流分析5 1 5 5 瞬态分析5 2 5 6 本章小结5 2 第六章版图设计5 5 6 1 版图简介5 5 6 2 版图之前的准备工作5 5 6 3 版图设计中注意的因素5 5 6 4 后仿真分析5 8 6 5 本章小结5 9 第七章总结与展望5 9 参考文献6 3 发表论文和参加科研情况说明6 5 一、发表论文6 5 二、参加的科研项目6 5 致谢6 7 i i 第一漳绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着二十世纪八十年代末科技的进一步发展，集成电路产业也逐渐发展为设 计、制造、封装及测试等几个产业。这就要求设计公司不能根据自己的设计要求 来调整工艺参数，需要让自己的设计适应工艺参数的要求。而对于模拟集成电路 的设计，工艺的参数稳定性尤为重要，决定着电路的性能好坏。这就要求设计公 司迅速适应代工厂的工艺参数，使其设计的产品成熟稳定。 尽管随着集成电路的不断发展，数字电路起着越来越重要的作用。数字化己 成为当代电子产品发展的趋势，但模拟电路作为数字电路的基础，是数字化时代 不可缺少的。大量的电子设备原始信号都是模拟信号，如麦克风，扬声器，电磁 记录等，他们产生的信号都是模拟信号。同时，数字信号不能直接被现实社会所 接受，数字化处理以后的信号必须被还原为模拟信号。近年来，随着单片系统集 成s o c 的迅速发展，从技术角度看，数字集成电路系统的单片集成并不困难，而 模拟部分的单片集成是很困难的，c m o s 工艺日益发展的今天，采用c m o s 技 术制造的高性能模拟电路已经成为人们研究的热点。在新的设计规则要求下，如 何设计出性能合适的电路是我们需要研究的主要方向。基准电压源作为模拟集成 电路的重要组成部分，它对模拟集成电路的应用和发展具有及其重要的作用。高 精度的基准电压源己应用在数模转换器( d a c ) 、模数转换器( a d c ) 、开关稳压 器、温度传感器、通信电路和充电电池保护芯片心1 。基准电压源的稳定性在很大 程度上决定着系统的主要性能，模拟电路的稳定性已逐渐成为集成电路系统性能 提升的瓶颈，因此，高性能模拟电路设计在集成电路设计中占有极其重要的地位。 近年来，随着b i c m o s 工艺技术迅速发展，越来越多的集成电路设计采用 了b i c m o s 工艺。理想的基准电压源应是不受电源电压和温度的影响的，为电 路能够提供稳定的电压值，“基准”这一术语就说明电压源的数值的稳定性。通 常情况下，基准电压都是用电阻作为分压来实现的，但它只能提供放大器的工作 电流或作为放大器的偏置电压。这主要是由于其自身没有稳压性，其输出电压的 稳定性完全依靠电源电压的稳定性，另外，二极管的正向压降也可以作为基准电 压，它可克服上述电路的缺点，得到的输出电压不依赖于电源电压的变化，具有 一定的稳定性，但其电压的稳定性并不高，具有负的温度系数，大约为2 m w c 。 也使用硅稳压二极管( 称稳压管或齐纳管) 的击穿电压作为基准电压值，它克服了 天津工业大学硕士学位论文 正向二极管作为基准电压的一些缺点，但它具有正的温度系数，约为+ 2 m v 。 随着科学技术的飞速发展，以上几种基准电压均不适合应用于要求高的场合1 3 1 。 因此，在市场迫切的需求下和设计者的不断努力创新下，高精度的基准电压源应 运而生，出现了很多种类。在集成电路设计中，有三种基本常用的基准源：带隙 ( a a n d g a p ) 基准源、掩埋齐纳( z e n e o 基准源、x f e t 基准源，其中带隙基准电压源 占主导的作用。 1 2 国内外的研究现状 目前，随着产业集成度的不断提高，半导体产业的发展已经远远超过了人们 的预期。在2 0 0 4 年国际会议上，国际技术路标半导体( i t r s ) 曾经预测：2 0 1 2 年 时芯片集成度将达到数十亿晶体管，特征尺寸将达到4 5 r i m 。而目前半导体行业 巨头美国的i n t e l 公司称其特征尺寸为4 5 n ms o l 工艺已经基本成熟，将在下半年 开始投入生产，在最近几年国外主流芯片的生产工艺的特征尺寸为1 3 0 r i m 6 5 n m 。 但是国内的发展则相对落后，主要的工艺尺寸从o 8 1 u n 到0 1 3 1 u n 都有一定的份 额。国内多数模拟c m o s 集成电路的设计公司还是基于特征尺寸在0 3 5 p x n 及其 以上的工艺。在2 0 世纪7 0 年代初，w i d l a r 首先提出设计带隙基准电压源的基本 设计思想，由于其在电源电压稳定性、功耗小等方面具有显著的优点，因此带隙 基准电压源得到了广泛的应用。现在带隙基准源模块已广泛应用于通讯设备、军 事装备、汽车电子、消费类电子产品及工业自动化控制等领域。迄今已有许多含 有带隙基准源模块的电子产品在国际上问世，生产者主要是外国的公司，带隙基 准电压源的温度系数已达到3 一- - 4 p p m 。德州仪器( t i ) 是最大的供应商，美国国 家半导体( n s ) 、飞兆半导体( f a i r c h i l d ) 、意法半舟体( s t ) 和安森美( o n s e m i c o n d u c t o r ) 也分列市1 0 p p 州场前几名。此外，美信( m a x i m ) 、凌特( l i n e a r ) 、 国际整流器( i r ) 、i n t e r s i l 、p o w e ri n t e g r a t i o n 也是目前市场中的重要厂商，从厂商 格局可以看出，美国厂商仍然具有明显优势 4 1 。国内的起步较晚，目前设计的带隙 基准电压源的温度系数在1 0 p p m c 左右，且具有一定规模的i c 设计公司不是很 多。因此，大力培养i c 专业人员，发展国内半导体行业是当前迫切的任务。 1 3 研究的目的意义 模拟电路中广泛的包含着基准电压和基准电流，这种基准源受工艺的参数、 电源和温度的影响很小。基准电压性能的好坏对电路的性能稳定性有直接的影 响，是一切电子系统最基本和最关键的模块之一。随着微电子技术的发展，各种 2 第一章绪论 便携式可移动设备趋于小型化，如笔记本电脑、掌上电脑、手提各种医用设备等， 这些产品对电源的稳定性要求很高，更重要的是要求在减小电源尺寸同时能延长 龟池寿命。因此具有高集成度、高性价比、最佳性能指标、能构成高效电源等优 点的电源管理电路具有广阔的市场前景。 随着中国电子产品消费需求的迅速增长，电源管理芯片市场在中国保持较快 速度的发展。但是目前，电源管理芯片市场大部分被国外产品所占据，研究开发 国内的电源管理芯片产品，能夺回巨大的市场，有很大的发展空间。l e d 驱动 芯片是电源管理芯片中的一种，因此本文以高精密带隙基准电压源作为研究方 向，并对一款l e d 驱动芯片的高精度带隙基准电压源进行完整的设计分析，为将 来国内电源管理集成电路的发展做出贡献。 随着微电子技术不断发展，目前常用的半导体工艺大体上可分为双极型、 c m o s 、m e s f e t 、b i c m o s 四种类型。集成电路中最早成熟的工艺是双极性晶 体管，以后在p m o s 与n m o s 工艺基础上发展出来c m o s 工艺，它已经逐渐发 展成为目前v l s i ( 超大规模集成电路) - i 艺的主流技术。双极型集成电路具有较 快的器件速度，适合高速、不考虑成本的电路设计，但相对来说，器件有较大的 功耗，成本高。而c m o s 电路具有器件面积小、功耗低、集成密度大等优点， 但是器件速度较低，因此，为了满足集成电路的发展要求，产生了融合这两种技 术优点的新技术b i c m o s 电路，从而使带隙基准电压源得到飞速的发展啼1 。尽管 这种工艺也存在工艺复杂和成本偏高的缺点，实现了高精确度很高，但是稳定性 却是前两种工艺无法达到的，因此本文也将采用b i c m o s 工艺，设计出一种高 精度带隙基准电压源。 1 4 本论文研究内容 为了实现高精度带隙基准电压源的设计，本文首先将着手研究带隙基准电压 的工作原理和结构、影响带隙基准电压稳定性的各种的因素及提高性能的方法。 在此基础上设计出一款在低电压下工作的高精度带隙基准电压源电路，借助 h s p i c e 仿真工具对电路进行模拟仿真，包括带隙基准电压源的温度系数、电源 抑制比、启动时间等，并借助c a d e n c e 软件进行版图设计和后仿真。 本文的主要内容如下： 第一章介绍本课题的研究背景、国内外的研究现状及研究的目的和意义。 第二章详细介绍基准带隙电压源的工作原理、性能指标及分类和几种基本 结构，并分析其优缺点。 第三章介绍影响带隙基准的各种非理想因素。 3 天津工业大学硕士学位论文 第四章对高精度带隙基准电压源电路总体进行介绍，并对各部分电路进行 详细的设计分析。 第五章借助h s p i c e 仿真工具对电路进行仿真分析。 第六章应用c a d e n c e 软件进行版图设计及后仿真验证。 第七章总结与展望。 第二章带隙基准电压源的基本原理 第二章带隙基准电压源的基本原理 基准电压源主要有隐埋齐纳二极管、齐纳二极管和带隙基准电压源三种，齐 纳二极管工作反偏状态，其具有相对稳定的击穿电压，因此，可以通过一定的反 向电流作为驱动以产生稳定的基准源。它的主要的特点是输入范围大，一般输入 的范围是2 v 2 0 0 v ，但是其精确度不高，达不到应用的要求，而且静态电流较 大，达到几毫安，功耗较大，不能满足现代电子产品低功耗的要求。隐埋齐纳二 极管是采用了植入硅表面以下的结构，比常规齐纳二极管具有更好的稳定性，它 也具有输入电压范围宽的特点，但是部分器件不能吸入电流。 带隙基准源的性能比其他两种基准结构有很大的提高。它的温度系数小( 可 以达到1 0 1 ) ，输出电压范围广，可以获得1 2 2 v 到1 0 v 输出基准电压。由于 采用晶体管具有正负温度系数性质得出带隙电压，因此比齐纳二极管有更好的稳 定性能。同时，带隙基准源的工作静态电流很小，电源抑制比高，输出的基准电 压受电源电压的影响很小，因此基准电压得到了广泛的应用。 2 1 带隙基准电压源的工作原理 2 1 1 负的温度系数电压 带隙基准电压源最主要的特性就是输出参考电压不随温度的改变而改变，大 多数工艺参数是随着温度的变化而变化的，所以，如果一个基准是与温度无关的， 那么通常它也是与工艺无关的。如果将两个具有相反温度系数的量以适当的加权 相加，那么结果就会显示出零的温度系数。在半导体技术的不同器件参数中双极 型晶体管的基极一发射极电压，或一般的说为p n 结二极管的正向电压，被证明 具有负的温度系数，这样很容易得到简单的关系式，从而导出温度系数的表达式 哺1 。对于一个双极晶体管的基极一发射极电流，我们可写出i c y = 1 。e x p ( v 矗e v t ) ， 其中= k r q 伥为波耳兹曼常数) ，饱和电流i s 正比于肚巩2 ，式中为少数 载流子的迁移率，n ，是硅的本征载流子的浓度，与温度的关系可表示为 zo c j o t 4 ，式中m - 3 2 ，并且啊2 瞳t 3e x p ( 一e g 解) ，式中e g 1 1 2 e v ，是硅 的带隙能量。因此可以得到： l s = b t 4 + e x p ( 一知 5 ( 2 - 1 ) 天津工业大学硕士学位论文 式甲b 是一个比例糸数，根据双擞晶体霄基极一发射檄的电流公式司推出基檄一 发射极的电压公式为= l n ( i c ) ，因此就可以计算基极一发射极电压的温 度系数，我们给v b e 对t 取导数( v t 也是温度的函数) ，为了简化计算，假设i c 保持不变，这样可得： 冬：i a r tl i l 车) _ 一v tiais(2-2) a 丁 a 丁、，。，。a 丁 由式( 2 - 1 ) 可得： 等州圳产州鲁) + b t 4 + me x p ( 鲁) ( ( 2 - 3 ) 因此有： i v t 万a l s ( 4 圳( 争+ 争 ( 2 _ 4 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 4 ) 可知 等= 争山c 等，一c 4 + 肌，等一斋 一一( 4 + 朋) 一& = _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 二- r ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 给出了在一定温度t 下基极一发射极电压的温度系数。从上式中可以 知道a a r 的大小与v e e 的本身有关，当v b e = 7 5 0 m v ，t = 3 0 0 k 时， a y 矗a 丁= - 1 5 m v k 。 2 1 2 正的温度系数电压 在1 9 6 4 年人们就已经认识到，两个双极晶体管如果工作在不相等的电流密 度下，那么晶体管的基极一发射极电压的电压差值就会与绝对温度成正比。正温 度系数的产生示意图如2 1 图所示。如果有两个相同的晶体管( i s i = i s 2 ) 的集电 极电流分别设为n i o 和i o ，为了便于计算，忽略它们的基极电流，因此可得基极 电压的差值为 1 ： a = 一 = 蜘去) 一姒寺 = r # ny ( 2 - 6 ) 6 第_ 章带隙基准电压源的基本原理 j 图2 1 正温度系数的产生 这样，v b e 的差值就会表现出正温度系数为： 丝鳖：一k i n 刀 a t q 2 1 3 带隙基准的产生 ( 2 7 ) 1 9 7 1 年r o b e r t w i d l a r 提出了一种参考电压源技术，就是利用双极晶体管的 基极一发射极电压v 舵具有负温度系数和两个双极晶体管工作在不相等的电流密 度下，它们的基极一发射极电压的差值v 髓与绝对温度成正比阳1 ，在一定的条件 下v b e 的正温度系数与v 雎的负温度系数相互抵消，就可以实现低温漂、高精 度的基准电压，其表达式为： v o = + m v t ( 2 - 8 ) 室温下，v b e 的温度系数约为i 5 x1 0 。v 。而热电压v t ( v t = k t q ，k 为波耳兹曼常数) 的温度系数为+ 0 0 8 7 x 1 0 。v 。选择适当的放大倍数m ( m = 1 7 2 ) ，使两个电压的温度漂移相互抵消， 数为零的电压基准。此时， v o u t = o 6 5 + 1 7 2 x 0 0 2 6 = 1 2 5 v 从而就可以得到在某一温度下温度系 ( 2 9 ) 由于此电压等于硅的带隙电压( 外推的绝对零度) ，所以把这类电路称为“带 隙”基准电路。一种简单的带隙基准电压源结构如图2 - 2 所示曲1 。图中a 为运算 放大器，r i = r 2 。由于放大器的作用，使电路处于深度负反馈，使得x ，y 处 的电压近似相等。因此可以得到： k 叱+ 半( 马圳 7 天津工业大学硕士学位论文 = v k 2 - i - ( 仙硼+ 卺) ( 2 - l 。) 选择合适的r 2 、r 3 和n ，理论上就可以得到零温度系数的基准电压。 图2 - 2 带隙基准电压原理图 2 2 基准电压源的主要性能指标 2 2 1 温度系数t c ( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n 0 温度系数反映因外界温度的变化引起输出电压的变化，一般用p p m 。c 来表 示。温度系数的定义为基准源在整个工作范围内输出电压最大值与输出电压最小 值的差值相对标准输出时的变化率，如式( 2 - 1 1 ) 所示n 叫： t c ：当型二垒盟一1 1 0 6 ( 2 1 1 ) 。( 7 k 一7 赫) 温度系数直接决定温度的相关性，同时温度的相关性将直接反映基准电源的 精度和相关性。从式( 2 5 ) 和式( 2 - 7 ) 我们可以看出，双极晶体管的正温度系数与温 度无关，而负温度系数和温度本身有关系的。在不同的温度下，a 。归r 的值是 不同的，这样输出基准电压就不会具有零温度系数。温度的相关性变大，会影响 基准源的稳定性和精确度，要想输出温度相关性小的基准电压，就得使a 。卯 随温度的变化减小。在第四章将采用二次温度补偿的的办法降低a 。l a r 随温度 的变化率，设计出一款高精度基准电压源。 2 2 2 电源抑制比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 ) 电源抑制比反映了电源电压的变化引起的输出电压的变化n 。一般用分贝 ( d b ) 来表示，电源抑制比的定义是电源电压的变化率与输出电压变化率的比 8 第二章带隙基准电压源的基本原理 值。电源抑制比如下式所示： p s r r ：垒坠鳖 鼬时| v 时 2 2 3 功耗 ( 2 - 1 2 ) 功耗也是影响基准电压源的另一个很关键的性能指标。功耗是衡量电路在正 常工作情况下消耗电流多少的一个参数。为了获得更小的噪声以及更快的响应速 度，都需要增加功耗。然而芯片由于应用的要求，以及散热条件的制约，其功耗 是受到制约的。但随着现代科学技术的发展，电子产品的集成度越来越高，要求 更低的功耗。低功耗的电路设计迎合了现代电子产品的需要。对于模拟电路设计， 最理想的状态就是高精度、高速度、低电压、低功耗。在设计中各种性能指标是 相互矛盾的，因此在设计时在多种因素之间进行折中。根据不同的设计要求，选 取最佳的设计方案h “。在带隙基准的设计中也不例外要考虑各种因素，努力实现 高精度，低功耗的目标。 2 2 4 输出噪声 输出噪声是衡量带隙基准电压源输出端噪声大小的一个性能参数。该参数对 噪声敏感系统十分重要，例如，低噪声放大器( 1 0 wn o i s ea m p l i f i e r , l n a ) ，数模 转化器( d i g i t a l a n a l o gc o n v e l t c r , ) 等。其计算方法为：测量带隙基准的输出端的噪 声谱密度，在关心的频率范围内对噪声谱进行积分，在对积分进行开方，从而得 到带隙基准输出端在一定频率范围内的噪声大小。 2 3 带隙基准电压源的几种结构 本文主要介绍两种常用的带隙电压基准的电路结构： ( 1 ) 首先产生一个与绝对温度成正比( p r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ， p t a t ) 的电流，通过电阻将电流转换为电压，并与双极晶体管的v b e 相加，最终 获得和温度无关的基准电压。 ( 2 ) 利用运算放大器完成v ，b e 和的加权相加，就会在运算放大器的输出 端产生和温度无关的基准电压。 2 3 1 利用p t a t 电流产生基准电压 电路结构和基准电压的产生 9 天津工业大学硕士学位论文 根据式( 2 - 6 ) 和式( 2 7 ) 可知，如果两个双极晶体管工作在不同的电流密度下， 那么它们的基极一发射极电压的差值就与绝对温度成正比。如果将该电压差 值作用在一个电阻上，并利用电流镜镜像该电阻的电流，就能获得p t a t 电流。 图2 - 3 ( a ) 是一种常见的产生p t a t 电流的电路结构n 副。 芎彳 ( a ) p t a t 电流的生成( b ) 带隙电压基准电路 图2 3p t a t 电流的生成电路和相应的带隙电压基准电路 在图2 - 3 ( a ) 所示的电路中，m 5 、m 6 、和m 8 管构成电流镜，据电流镜的工 作原理有， 辱= c 争= 击。 q - 1 3 ) 使得i i = 1 2 = 1 3 m ，因此流过双极晶体管q l 和q 2 的电流相等，q 1 和q 2 基极 发射极电压的差值= i n n ，和绝对温度成正比。其中n 是q l 和q 2 管发射 结的面积之比。a l 是运算放大器，用于电路的深度负反馈作用，节点x ，y 的 电位相等，即v x = v y 。这样就会得到电阻r l 上的压降为双极晶体管q l 和q 2 基 极一发射极电压的差值e = i n 胛。因此，m 5 、m 6 和m 8 管的电流分别为： = ，2 = ( 巧- l n n ) r , 1 3 = m ( h l n ) r , ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 图2 3 ( a ) 是一种典型的p t a t 电流生成电路，将产生的p t a t 电流i 。流过电 阻r 2 就可以很容易产生p t a t 的电压，3 坞，再将这个电压加到双极晶体管q 3 的 基极一发射极电压上，就能获得输出为带隙基准的电压如图2 3 ( b ) 所示。 产生的基准电压是： d = + m 孑i n n ( 2 1 6 ) 。i 根据2 1 3 节中的分析，当r l ，r 2 ，m 和n 满足关系( 恐墨) m 1 7 2 i n , , 时， 1 0 第二章带隙基准电压源的基本原理 带隙电压基准理论上就可以在t - - - 3 0 0