（微电子学与固体电子学专业论文）低压低功耗cmos基准源补偿策略及电路设计.pdf

摘要 摘要 基准源包括基准电压源和基准电流源，它们是模拟电路的基本单元和重要模 块。近年来，集成电路的特征尺寸不断减小，芯片的供电电压和功耗不断降低， 并且对基准源的精度要求不断提高。温度补偿是保证基准源精度的最关键环节， 因此研究低压低功耗基准源的补偿策略是非常有意义的。 本文研究了基准输出非线性的来源，分析对比了常见的温度补偿策略，并进 行了性能对比。在此基础上，设计了一个低压低功耗电流模结构带隙基准电压源， 首先按一阶补偿进行初步设计，并分别采用两种方式进行了二阶补偿。由于采用 电流模结构，输出电压不受1 2 5 v 限制，本项目中输出电压为6 0 0 m v ，并可根据 需要继续降低。基于s m i c0 1 8 u r nc m o s 工艺进行了电路模拟，仿真结果表明， 电路实现了良好的温度特性、高电源抑制比和较好的电压调整率，低频电源抑制 比为7 5 d b 。未采用高阶补偿时，基准电压温度系数约为1 3 p p m c ；采用不同电阻 的温度特性法进行二阶补偿后，温度系数为i 1 p p m c ；采用v b e 线性化法进行高 阶补偿后，温度系数为1 6 p p m c 。 关键词：基准源补偿策略低压低功耗高阶补偿 a b s t r a c t r e f e r e n c es o u r c e si n c l u d i n gt h er e f e r e n c ev o l t a g es o u r c ea n dr e f e r e n c ec u r r e n t s o u r c e a l et h eb a s i cu n i t sa n di m p o r t a n tm o d u l e so fa n a l o gc i r c u i t s a st h ei n t e g r a t e d c i r c u i tf e a t u r es i z eg e t t i n gs m a l l e ri nr e c e n ty e a r s ，t h ep o w e rs u p p l yv o l t a g ea n dp o w e r c o n s u m p t i o ni sg e t t i n gl o w e ra n dl o w e ra n dm e a n w h i l et h ea c c u r a c y o fr e f e r e n c e s o u r c e si sg e t t i n gm o r ec r i t i c a li nt o d a y sa p p l i c a t i o n s t h es t u d yo ft h ec o m p e n s a t i o n s t r a t e g ya n dc i r c u i td e s i g no fl o w - v o l t a g el o w p o w e rc m o s r e f e r e n c es o u r c ei sv e r y m e a n i n g f u la st e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni st h em o s tc r u c i a le l e m e n t t oe n s u r ea c c u r a c y a n dp r e c i s i o n 1 1 1 es o u r c eo ft h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fr e f e r e n c es o u r c e si sd i s c u s s e d ，a n d s e v e r a lc o m m o nh i g h 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 nm e t h o d sa r ci n t r o d u c e d o nt h i s b a s i s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dal o w - v o l t a g e ，l o w - p o w e rc m o sb a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g e s o u r c e t h ec i r c u i ti sf i r s ti m p l e m e n t e dw i t hf i r s t - 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 ，a n d c o m p e n s a t e db yt w od i f f e r e n th i g ho r d e rc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yl a t e r a sar e s u l to f c u n e n t m o d ea r c h i t e c t u r e 。t h eo u t p u tv o l t a g ed o e sn o th a v eal i m i t a t i o no f1 2 5 v t h i s p r o j e c th a sa no u t p u tv o l t a g eo f6 0 0 m v , a n dm a y c o n t i n u et ob el o w e r e da sn e e d e d a s i m u l a t i o ni sc o m p l e t e db a s e do ns m i co 18 u mc m o st e c h n o l o g y ；t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ec i r c u i th a sv e r yg o o dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，h i g hp o w e r s u p p l yr e j e c t i o nr a t i oa n dg o o dv o l t a g er e g u l m i o n t h el o w - f r e q u e n c yp s r r i s7 5 d b t h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tw i t hf i r s t - o r d e rc o m p e n s a t i o n ，d i f f e r e n t r e s i s t a n c e c o e f f j c i e n tc o m p e n s a t i o na n dv b el i n e a r i z a t i o nc o m p e n s a t i o ni s13 p p m * c ，1 1p p m c ， 1 6 p p m cr e s p e c t i v e l y k e y w o r d ：r e f e r e n c es o u r c ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g y l o w - v o l t a g el o w - p o w e r h i g ho r d e rc o m p e n s a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位 本人签名 不实之处，本人承担一切的法律责任。 日期： 垫l 叟：主 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：查必 剔磁名去孥忒 l t h 7 vo 日期塑也：至 日期。觇斗 第一章绪论 第一章绪论 基准源包括基准电压源和基准电流源，它在电路中提供电压基准和电流基准， 是模拟和混合信号集成电路的重要组成部分。随着集成电路规模的不断增大，尤 其是系统级芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的发展，它也成为大规模、超大规模集成电 路和几乎所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路模块。 1 1 基准源电路的研究意义和价值 自从1 9 5 8 年k i l b y 发明第一块集成电路以来，数字化浪潮一直推动着整个i c 产业迅猛发展，高密度、高速度、超大规模的数字电路设计和制造变得越来越容 易，一些过去由模拟电路实现的功能模块也渐渐由数字电路模块所代替。但这并 不意味着模拟电路将会消失，我们生活的世界是一个连续变化的模拟世界，模拟 电路在集成电路中仍扮演不可或缺的角色。目前随着数字信号处理技术的迅猛发 展以及设计系统级芯片技术的流行，模拟电路的重要性进一步体现。 基准电压源是模拟集成电路的基础模块，它在电路系统中为其它功能模块提 供高精度的电压基准，或由其转化为高精度电流基准。一个合格的基准电压源对 电源电压、工作温度、输出负载变化、制造工艺不敏感，可以为其它电路模块提 供精确的参考点。 v ( a ) 基准源在模数转换器中的作用( b ) 基准源在数模转换器中的作用 图1 1 基准源在数据转换器中的作用 基准电压源广泛应用于模拟、混合信号集成电路和系统级：签片中，用于提供 适当的偏置或参考点。如运算放大器、模数转换器( a d c ) 、数模转换器( d a c ) 、线 性稳压器、射频收发器、随机动态存储器( d r v 1 ) 和闪存，都需要精确且稳定的电 压基准。例如在运算放大器中，基准电压源用来提供准确的电压电流偏置；在模 数数据转换器中，如图1 1 ( a ) 所示，基准电压源提供了一个参考电压，与输入电压 进行比较以确定适当的数字输出；在数模转换器中，如图1 1 ( b ) 所示，基准电压源 提供了一个参考电压，根据数字输入产生与基准电压成比例的模拟输出；在低压 2低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 降( l d o ) 线性稳压器中，如图1 2 所示，基准电压源提供了一个已知的基准电压值， 用它与输出电压作比较，得到一个用于调节输出电压的反馈：在电压检测器中， 基准电压源提供触发点门限电压。 图1 2 基准源在低压降线性稳压器中的作用 对电路系统而言，基准源的性能将直接影响到整个系统的精度和性能，基准 的任何偏差和噪声都会严重地影响其它电路的线性度和精度。因此，系统的精确 度在很大程度上依赖于内部或外部基准的精度，没有一个满足要求的基准电路， 就不能正确有效地实现系统预先设定的性能。 近几年来，电子信息产业加速发展，新的应用、新的需求陆续诞生，各类无 线通信设备、消费电子产品等层出不穷。集成电路的特征尺寸仍在按摩尔定律l l 】 不断缩小，4 5 n m 工艺已经量产，并已经开始向3 2 n m 和2 2 n m 过渡；芯片工作电 压不断降低，4 5 r i m 工艺对应的工作电压仅为0 6 v 或0 5 v ；第4 代移动通信已经 正式商用试点，新的通信发展要求模数数模转换器能够提供更高的精度和更宽的 带宽；智能手机等掌上设备性能不断增强，低功耗成为了首要设计因素。模拟与 混合信号技术随着i c 产业共同进步，并对基准源的电学性能提出了更为严格的要 求。传统基准电压源电路迫切需要实现低电压、低功耗、低噪声和高精度的设计， 这给基准电压源电路设计带来了更大挑战。 综上，对于基准源的研究具有非常重要的意义。高精度的基准源一直是研究 的热点，而温度补偿是保证基准源精度的最关键环节，因此研究低压低功耗基准 源的补偿策略是非常有意义的。 1 2 基准源发展历史、现状与趋势 在集成电路工艺发展的早期，基准源主要采用齐纳基准源( z e n e rr e f e r e n c e ) 实 现，如图1 3 ( a ) 所示。它利用齐纳二级管被反向击穿时两端的电压，当工作在6 v 第一章绪论 3 左右的工作区域时，这个电压几乎不随通过的电流变化。在最初应用时，由于半 导体表面的玷污等原因，齐纳二极管噪声严重且非常不稳定。后来人们把齐纳结 移到表面以下，制成掩埋型齐纳基准源( b u r i e dz e n e rr e f e r e n c e ) ，噪声和稳定性有 较大改观，如图1 3 ( b ) 所示。 齐纳二极管结构简单，具有低的温度系数，并且输入电压范围较大。但是它 也有着明显的缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6 - 8 v ，不能应用于低电压的 电路；并且高精度的齐纳二级管对工艺要求非常严格，其造价相对较高，不够经 济。 f 今 齐纳扩散区 埋一 | 莹i r - ( a ) 表面齐纳二极管( b ) 掩埋型齐纳二极管 图1 3 齐纳二极管 1 9 7 1 年，w i d l a r 首次提出带隙基准结构【2 】。它利用了v b e 的正温度系数和a v b e 的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。相比齐纳基准源，w i d l a r 型带隙 基准具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。 接下来的1 9 7 3 年和1 9 7 4 年，k u j i k 和b r o k a w 分别提出了改进带隙基准结构 3 1 4 1 。新的结构中使用了运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。 以上三种经典结构奠定了带隙基准理论的基础。2 0 世纪七八十年代以来， c m o s 工艺逐步发展，逐步占据了集成电路制造的主导地位。由于齐纳基准源不 能兼容标准c m o s 工艺并且不适应低电源电压，带隙基准源由于其成本和功耗上 的优势而成为了主流基准源。 近年来，国内外对基准源的研究大体可分为如下几个方向： 1 ) 低温度系数的基准源 低温度系数的基准电压源对于高精度系统来说是至关重要的，比如高精度的 d a 、a d 转换器、高性能线性稳压器等。普通的一阶温度补偿的带隙结构的温度 系数一般在2 0 - - - 6 0 p p m c 【5 】，为了进一步降低温度系数必须进行高阶温度补偿。目 前出现的高阶补偿技术包括二阶曲线补偿技术 6 1 ，指数曲线补偿技术【7 】，线形化 v b e 技术【8 】，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法【9 】等。目前，工业界主要采 用二阶温度补偿，其在各项性能指标上做出了较好的折中。 2 ) 低压低功耗的基准电压源 集成电路的特征尺寸越来越小，工作电压也随之越来越低，s o c 及混合信号 系统中的低压低功耗基准源逐渐成为了研究的热点。普通带隙基准的输出电压为 1 2 5 v 左右，所以其供电电压一般高于1 2 5 v 至少一到两个阈值电压。然而目前主 流工艺的供电电压逐步接近甚至低于1 2 5 v ，必须采用特殊的电路结构来设计基准 4低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 源电路，如亚阈值工作型【1 0 l ，开关电容型等。许多文献都提出了输出基准电压低 于1 2 5 v 的电路结构，采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放 的工作电压，并最终受限于m o s 管的阈值电压。 最近几年，手机、笔记本电脑等掌上消费电子加速普及，功耗作为电子系统 的评价指标，也占据越来越重要的地位。文献【l l 】中给出电路的功耗只有3 p w ，文 献f 1 2 】中电路的功耗为2 2 0 p w 。 3 ) 高电源抑制比的基准电压源 在数模混合集成电路中，供电电源可能存在较大的噪声。为了抑制电源的变 化对基准输出的影响，我们需要基准产生电路在较宽的频率范围内都有较好的 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 ) 性能。现在常用的提高p s r r 性能的方法有以 下几种【1 3 j ：第一，对基准电压产生模块的电源电压进行预校准，减小其抖动【1 2 j 【1 4 j ； 第二，在产生基准电压的核心支路上采用c a s c o d e 结构【1 5 1 ；第三，提高运算放大 器的增益【1 6 1 和电源抑制比【1 7 1 1 8 1 ；第四，将电源电压的波动直接馈送到基准的反馈 环路中，通过环路来提高电源抑制比 1 9 1 ；第五，在基准电压的输出支路上采用大 的旁路电容来提高p s r r 性能。 4 1 其它研究热点 基准源近几年的其它热点研究方向有t r i m l e s s ( 无需微调) 的基准源、对工艺 变化不敏感等等。 t r i m m i n g 一直是半导体加工的一个重要步骤，它对与保持芯片r u n t o r u n 性能 指标的稳定有重要作用。但是，t r i m m i n g 也不可避免带来芯片整体制造成本的增 加，可以采用特殊的电路结构来避免, t r i m m i n g 。文献【2 0 】在芯片的复杂度和t r i m m i n g 成本中做出了较好的折中。 1 3 本文的主要内容 本文主要由以下几部分构成： 第一章绪论，介绍了基准源电路研究意义，国内外发展趋势以及本文所做的 工作。 第二章介绍了带隙基准源电路的工作原理、传统电路结构和低压低功耗带隙 基准的电路结构，分析了基准源的主要性能参数。 第三章详细讨论了三极管器件的高阶温度特性，介绍了常见的高阶温度补偿 策略，并将各种方法进行了性能比较。 第四章设计了一个低压低功耗带隙基准电压源，并分别采用不同电阻的温度 特性法和v b e 线性化法进行了高阶补偿。 第五章针对上一章所设计的电路完成了版图实现，并重点探讨了版图误差对 第一章绪论 5 带隙基准性能的影响。 第六章结论，对整个电路设计工作进行了总结。 第二章基准源电路的工作原理及性能分析7 第二章基准源电路的工作原理及眭能分析 目前，基准源电路的主流实现方式为带隙基准。因此，本章将以带隙基准为 重点，依次介绍其工作原理和电路结构。 2 1 带隙基准源的工作原理 带隙基准电压的核心思想是利用三极管基极发射极电压v b e 的负温度系数特 性和两个三极管基极发射极电压差a v b e 的正温度系数特性，两者取合适的权重相 加即可得到零温度系数。下面几个小节将进行详细的分析。 2 1 1 v b e 的负温度系数特性 三极管的基极发射极电压v 距，或者更一般的说，p n 结二极管的正向电压， 具有负温度系数2 。 考虑发射结正偏的三极管，其集电极电流密度与v b e 的关系如式( 2 - 1 ) 所示： 厶= 警唧 柳， 其中，d 。为电子的平均扩散常数；w b 为基区宽度； 为基区电子平衡浓度，q 为本征载流子浓度，以为受主杂质浓度； q 2 = 刀厂3 e 印( 一等) ，。是与温度无关的常数；是带隙电压，约为2 。5 v ； 匕：丛为热电压，室温下约为2 6 m v 。 。 口 将上述各参量代入式( 2 - 1 ) ，得： 钙q _ d d t se x p ( 乎) = a t re x p ( 学 拥 式( 2 2 ) 中与温度不相关的常数合并成单一的常数a ，由于d n 依赖于温度，温度 系数y 稍微偏离3 。整理式( 2 2 ) 可得： = 了k t n ( 嘉) + 加司 空以 = 8 低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 根据式( 2 - 2 ) ，司得j c 在爹考温度t o 卜的值j c o 为： 一f c o = a 耻印悟( 。) j 式( 2 q 其e e v b e o 为、r b e 在t - t o 时的值。由式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 4 ) 可得j c 与j c o 的比为： 去吲唧 盖( 毕一竿 娴 整理式( 2 5 ) 可解出v b e 的表达式为： 叱卜+ 等n 时纠矧船6 ， 设j c 与温度的关系为r ，即厶2 厶。l 号j ，则在t o 处推导v b e 与温度t 的 关系为： 刮tm = 警十训 胡， a i7 二 、 叫i 母j 17 i r - 矗 u 、1 在t o = 3 0 0 k 时，由典型值y = 3 2 、t ；t = 1 ( 在偏置电流为p t a t 的情况下) ， v b e 关于温度的变化为2 m v k 左右，并取决与v b e 0 的值。 在以上的推导中，只考虑了v b e 的一阶温度特性，其高阶温度特性将在第三 2 1 2 a v b e 的正温度系数特性 由上一节的推导可知，三极管的基极发射极电压v b e 具有负温度系数。我们 只需再找到一个正温度系数的电压，即可通过合适的组合得到零温度系数电压。 1 9 6 4 年，h i l b i b e r l 2 2 发现如果两个晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它 们的基极发射极电压的差值a v b e 就与绝对温度成正比。如图2 1 所示，n 为两个 晶体管的电流之比，m 为两个晶体管的发射结面积之比。 忽略基极电流的影响，可得： a = 。一： = k _ z 9 - n 掣k t n i 百e o 刳q j c l l q 、js1 k t = i n r 式( 2 8 ) 第二章基准源电路的工作原理及性能分析 9 由式( 2 8 ) 可知，a v b e 的正温度系数只与两个晶体管的集电极电流大小之比n 和发射结面积之比m 有关，而与温度或集电极电流特性无关。 图2 1 正温度系数电压产生电路 2 。1 。3带隙基准电压的产生 通过以上两小节的分析，我们已经得到了正温度系数和负温度系数的电压， 妥善选择加权组合的比例，即可得到零温度系数的电压，这也就是带隙基准的一 阶温度补偿。 带隙基准的框图如图2 2 所示， 图2 2 带隙基准原理框图 设输出电压为v r e f ，则有： = + 髟 式( 2 9 ) 要满足在指定温度t o 下具有零温度系数，必须保证： 咝l + 髟，丝纠 a ri ma r i = 0 式( 2 - 1 0 ) l o 低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 妖豆瓦( 2 。7 ) 、式( 2 8 ) 、式( 2 - 1 0 ) ，司得： ( 口一机等 + 鲁n ( 乞 + 生产= 。 令= 7 l n r t 丛s ：、1 j ，则式( 2 1 1 ) 可表示为： ( 叫) + 哮+ 警= 。 由该式解得值为： ：堡! 二垡! 二竺! ! 竺二：! o 将式f 2 1 3 ) 代入式f 2 9 1 得： 式( 2 1 1 ) 式( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 3 ) k = 。+ = 。+ 嵋。 = k 掰。+ 吃。一k 啪+ ( 厂一口) 巧。 式( 2 - 1 4 ) = 吃。+ ( 厂一口) 将各参数的值代入，得室温( 3 0 0 k ) 下，v r e f 1 2 6 2 v 。 这样输出的基准电压就只由一些基本的参数所决定，即硅的带隙电压v c , o ，迁 移率的温度指数和热电压v t 。在绝对零度下，_ 。，这就是该类电压源叫带 隙电压源( b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ) 的原因。 2 2 传统带隙基准源的电路结构 自从带隙基准源问世以来，提出了很多种电路结构，它们大部分以几种传统 结构为基础，本节将分别介绍这几种经典的带隙基准源的电路结构。 2 2 1w i d l a r 带隙基准源 不。 历史上第一个带隙基准源由w i d l a r 在1 9 7 1 年提出【2 1 ，其电路结构如图2 3 所 第二章基准源电路的工作原理及性能分析1l 由图2 3 可知： 图2 3w i d l a r 带隙基准结构图 = 。+ ，2 尼 又可知： 乞= 警= 州键 式中，i m 与i s 2 的比值由q i 与q 2 的发射结面积比值决定。 设，。，则，1 曩= 1 2 r , ，再联立式( 2 1 5 ) 和式( 2 - 1 6 ) - i 得： = + 乞是= + 卺咋n ( 麓) 式( 2 一i s ) 式( 2 1 6 ) 式( 2 1 7 ) 妥善选择电阻的比值，可以得到较低温度系数的基准电压，约为1 2 5 v 。 2 2 2 k u j i k 带隙基准源 k u j i k 带隙基准源由k u j i k 在1 9 7 3 年首次提出f 3 】，其电路结构由图2 4 所示。 图2 4k u j i k 带隙基准源结构图 1 2低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 在k u j i k 带隙基准源中，利用了运算放大器的钳位和反馈作用，因此a 点和b 点有相同的电压。 忽略运算放大器的输入端电流，可得： 1 0 。= l 善t 式( 2 1 8 ) 加载在电阻r 3 的a v b e 为： 刮n ( 铡卅n r 2 i s 2 ) 式( 2 - 1 9 ) 输出的基准电压为： = ，+ 名：局尹鼻昔忍 郁珈) + 纠象挣3 在k u j i k 结构中，运算放大器需要有很高的增益来保持a 、b 两点的电位一致。 并且，运放的失调电压会显著影响输出基准电压的精度，降低运放的失调电压也 是十分重要的。 2 2 3b r o k a w 带隙基准源 b r o k a w 带隙基准源由b r o k a w 在1 9 7 4 年提出【4 1 ，其电路结构由图2 5 所示。 由图2 5 可知： 图2 5b r o k a w 带隙基准源结构图 v b 第二章基准源电路的工作原理及性能分析 1 3 = 。+ 。 其中。= 厶，墨= ( ，口，+ ，口：r 1 。 由于运放的钳位作用，有： q 1 = 铲等 综合式( 2 21 ) 和式( 2 2 2 ) 可得： 式( 2 2 1 ) 式( 2 2 2 ) 。t + 2 台e 1 a z 雎 讹3 ) + 2 象忡 扎卜“ 其中n 为q 2 和q l 的发射结面积之比。 通过合适的选择n 值和r 1 与r 2 的比值，即可得到较小的温度系数。 从式( 2 2 3 ) 可以看出，相对其它结构，b r o k a w 结构的v t 放大系数增大了一倍。 其带来的最大的好处就是他将所需的r 2 的值减小了一半，并且直接在产生电流的 支路上生成带隙基准电压。这样不仅使得电路结构简化，同时减小了所需的静态 功耗。除此之外减小的值还能够减小输出电压的噪声。由于以上的优点，使得它 成为了一种非常流行的结构。 2 2 4c m o s 带隙基准源 c m o s 带隙基准源的基本结构如图2 6 所示。由于采用c m o s 工艺，只能使 用p n p 三极管。运放在电路中起到了负反馈的作用，使a 、b 两点电压相等，并 通过c m o s 电流镜使两条支路的电流相同或成对应比例。 由图2 6 可知， 。 = ：+ ： 式( 2 2 4 ) 由于c m o s 电流镜的作用，l = ，2 ，因此可得： h = 等= a 吩v a e = 专n 靴5 ) 其中，n 为q l 与q 2 的发射结面积之比。 由式( 2 - 2 4 ) 和式( 2 - 2 5 ) 可得： 1 4 低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 = ：+ 乞是= 噜讪 式( 2 - 2 6 ) 选择r 2 与r l 的比值和n 的值，即可得到较小温度系数的基准电压。 图2 6c m o s 带隙基准源结构图 由图2 6 可知最小的电源电压：v d d ( m i n ) 州r e f - i - v d a s t 。 处于饱和区工作的m o s 管，其v d a s t 大约为0 1 v - - , 0 3 v ，理论上最低电源电 压可以为1 s v 左右，但实际上工作的最低电源电压与运放的结构有很大关系，如 果工艺所提供的m o s 管阈值电压较高，则整个电路的最低工作电压将由运放来决 定 2 3 低压低功耗带隙基准源的电路结构 随着电池供电的便携式设备大量出现，对供电电压和电路功耗提出了更加苛 刻的要求。部分便携式系统的供电电压降为1 5 v 甚至1 v ，上一节介绍的传统带 隙基准源结构的输出电压约为1 2 5 v ，不能满足低电压应用要求。近几年提出了一 系列低压带隙基准源结构来解决这一问题，下面将介绍几种主流实现方式。 2 3 1 电流求和带隙基准源 对于在电流求和( 电流模) 结构，其核心思想是直接对电流进行补偿，使其 包含v b e 与a v b e 项，从而生成一个与温度无关的电流。最后再将这个电流作用与 一个电阻，即可产生基准电压。在这种结构中，输出电压不受限制，可以任意改 变输出端的电阻来调节输出电压，因而广泛应用于电路中。 第二章基准源电路的工作原理及性能分析1 5 如图2 7 所示，为一个电流求和带隙基准源，该电路可以在低至0 9 v 的电压 下工作。该电路包括三个子电路：第一个子电路由m l m 4 及r l 组成，组成 b e t a - m u l t i p l i e r 电路，产生p t a t ( 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 ) 电流，并给 q l 提供偏置电流；第二个子电路由m s m 8 以及q 1 和r 2 组成，用来提供i v s e ，即 c t a t ( c o m p l e m e n t a r yt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 电流：第三个子电路由m 9 、m l o 和 组成，用于镜像上述p t a t 和c t a t 电流并将其相加，流过m 9 的电流为c t a t ， 流过m 1 0 的电流为p t a t ，i r 4 为m 9 和m l o 两条支路电流之和。选择合适的参数， 就可以得到很小的温度系数【2 3 1 。 第四章所设计的带隙基准应用了电流求和模式，在第四章中将对电流求和模 式进行更详细的分析。 图2 7 电流求和基准源结构图 2 3 2使用d t m o s ( 动态闽值电压m o s 管) 的带隙基准 用栅与背栅连接的m o s 二极管代替用三极管连接的二极管，可以得到与带隙 相似的特性，比如p d t m o s 器件，v c , o = 0 6 v ，温度系数为1 m v k 。一个低电压 的d t m o s 带隙如图2 8 1 2 4 i 所示，该电路由折叠式运算放大器、两个不等的匹配电 阻r l 和r 2 、栅和背栅连接d t m o s 的二极管组成。运放的输入端也利用d t m o s 管，它允许工作在低电压的情况下，运放的偏置采用了低电压电流镜。该电路的 最低工作电压为0 8 5 v ，在2 0 一1 0 0 c 范围内，输出变化4 5 m v 。虽然该电路有 良好的性能，但是对工艺的依赖性很强。 1 6 低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 图2 8 低压d t m o s 带隙基准结构图 2 4 基准源的主要性能参数 基准源为模拟电路单元或模拟数字混合电路单元提供精确电压和电流，其性 能的好坏直接影响到了系统的指标与性能。其主要性能参数【2 5 】【2 6 】如下： 1 ) 精度( a c c u r a c y ) 基准源的精度通常用基准输出值的绝对误差和相对误差来表示。在a d c 、d a c 等需要绝对测量的系统中，系统的精度完全依赖于基准源的精度。在高分辨率的 数据转换器系统中，尤其是必须工作在很宽的温度范围的情况下，必须使用高精 度、高稳定性的基准源，因为任何a d c 和d a c 的精度都受基准源的漂移和长期 稳定性的影响，这时基准电压源的精度必须优于a d c 和d a c 的精度。 2 1 温度系数( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 由于芯片内外环境的影响，芯片工作温度会发生显著的变化，电路器件的电 学参数也随之发生变化，进而影响基准源的输出值。温度系数定义为基准源在整 个工作温度范围内输出电压最大变化( 最大值与最小值的差值) 相对标称输出时 的变化率，其反映了基准源的温度漂移特性，单位一般为p p m c 。如下式所示： y “ “ 形2 丽m a x m r a i n 枷6 式( 2 - 2 7 ) 户 f 7 一7 二。) 刀n 册、腑x 岫7 其中，p 。呶为输出量( 电压或电流) 最大值，p m i n 为输出量最小值，p r 一为常 温下输出量的值，t n 慨为最高温度，t m i n 为最低温度。 第二章基准源电路的工作原理及性能分析1 7 3 ) 电源抑制比( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) 电源抑制比表示小信号情况下电源电压的变化量与基准的变化量之比，如下 式所示： 劂2 舞 式( 2 - 2 8 ) 4 ) 建立时间 建立时间是指基准源从电源上电到电路输出电压达到正常工作电压值所需的 时间。 5 ) 电源电压调整率( p l r ) 电源电压调整率定义为输出电压自身的相对变化与输入电压相对变化的比 值，如下式所示： 舢2 丽m a x m ，m l n 1 0 6 式( 2 2 9 ) ，( 矿一矿) 、 厅口门竹、m “m m ， 其中，f n m 为输出量( 电压或电流) 最大值，f m i n 为输出量最小值，f n 一为常 温下输出量的值，v n 舡为最高电源电压，v m i n 为最低电源电压。电源电压调整率 的单位一般为p p m v 。 电源电压调整率描述了直流情况下电源电压波动对基准的影响程度。调整率 越小，基准输出电压越稳定。它是基准电压的直流特性参数，与瞬时状态和纹波 电压无关。 6 ) 负载调整率 负载调整率( 灵敏度) ，定义为输出电压自身的相对变化与负载电流相对变化 的比值。通常用v m a 或p p m m a 单位表示。为了保证在负载端得到准确的基准 电压，通常在基准电路输出级加缓冲放大电路，而运算放大器的使用使得基准电 压源的输出阻抗成为频率的函数。 7 ) 长期稳定性 随着时间的变化，基准输出值也会发生缓慢变化，通常用长期稳定性来表示， 其单位一般为p p m l o o o h 。时漂的主要原因是封装或系列器件中的管芯应力、离子 迁移、电路板的洁净度等。 精密模拟器件的长期稳定性不能用经历时间按线性关系外推，而是按经历时 间的平方根关系计算的。即器件的前1 0 0 0 小时的性能并不能代表后1 0 0 0 小时的 性能。 8 ) 噪声 基准输出电压中的噪声通常是随机热噪声，也可能包含闪烁噪声和其它的寄 生噪声源。提高分辨率或降低满度基准电压值都会提高对基准源噪声的要求，因 1 8低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 此，对于高分辨率系统的电压基准，为了防止精度不够必须选择低噪声的电压基 准电路。 第三章基准源高阶补偿策略 1 9 第三章基准源高阶补偿策略 在上面的章节中，简要分析了v b e 和a v b e 的温度特性，利用它们的温度特性， 在关心的温度域内选取一点，可以使基准输出在改点与温度的导数为零，即一阶 温度补偿。 由于三极管温度特性的非线性，导致了带隙基准电压的非线性。传统的带隙 基准结构只采用一阶补偿，因而温度特性不好，往往不能满足高精度能够用的要 求，进行高阶温度补偿可以解决这一问题。 3 1v b e 的高阶温度特性 由2 1 1 节的分析可知，v b e 关于温度的关系可表示为： 叱睢卜+ 等- n + 等n 埘， 设j c 与温度的关系为r ，h i 厶= 厶。i 軎i ，进一步整理为2 7 1 ： 叱一弘) - ( 一) 盼n 叱一i 【v c o - - 气v b e o 一掣崛h 掣卜抑， = 气一 丁一a 2 t l n t 鼽毛叱，色= 毕一k ( r g - a ) l n r o ，乞= 型q ； a o 为常数项，- a 1 t 为线性项，a 2 t i n t 为高阶项。 由于a v b e 是温度t 的线性函数，而v b e 是包含温度t 的高次项的复杂函数。 因此仅靠一阶补偿不可能得到很好的温度系数，必须采用高阶补偿才能获得更好 的温度特性。 对v b e 进行高阶补偿主要有两个思路：一个思路是设计一个电路产生t i n t 项， 通过选择合适的比例消去高阶项，或者产生一个近似t i n t 项，如指数项来近似补 偿：另一个思路是将t i n t 进行t a y l o r 展开，并设计电路消去其高次项从而完成高 2 0低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 阶补偿。 3 2 常见高阶温度补偿策略 下面介绍几种常见的高阶温度补偿方法1 2 蚋。 3 2 1 v b e 线性化法 此方法的核心思路是构建电路消去v b e 中的t i n t 项，从而实现精确补偿【引。 图3 1v a e 线性化温度补偿原理图 如图3 1 ，设q l 由一个正比于温度的电流( 口= 1 ) 偏置，q 2 由一个近似于温度 无关的电流( 口= 0 ) 偏置，则由式( 3 2 ) 可得： 7 兀 丁 瓦 式( 3 3 ) 式( 3 4 ) 通过电阻r 4 ，可以产生一个含t i n t 项的电流i n l ： 气= 警叫n 鼬， 因此，基准电压可表示为： n n 、， 灯一g灯一9 ，一， 1 o 一 一 7 厂 一 一 一 一 吃 厂一瓦丁一瓦 一 一 圪 = i i 第三章基准源高阶补偿策略 2 l = ( + ，2 + 九) 忍 = 降+ 等吲n 卜 艄， = ( 卺) 吒治。+ f ，鱼r 1 1 ) 矿r - n r + ( 乏) 巧n ( 号) 联立式( 3 3 ) 和式( 3 6 ) ，显然只需将是i r 4 取为r - 1 ，那么v 即l 中的非线性项 既可被消除。当然，由于不可能得到完全精确的p t a t 和独立于温度的电流，再加 上电流镜的失配等，这一理论结果是难以达到的。 由于采用了电流模结构，该电路可以通过改变忍尼来调节输出电压，该电 路可以工作在l v 左右的工作电压下。 3 2 2 利用电阻的温度特性法 由于v b e 中的关于温度的非线性项为t i n t ，因此可对v 髓进行t a y l o r 展开为 如下形式( 此处只写出展开形式，具体系数将在第五章电路实例中详细推导) ： = 岛+ a 1 t + a z r 2 + + at 4 式( 3 7 ) 而利用两个不同温度系数的电阻的比值，同样可以进行t a y l o r 展开并得到关 于温度t 的高阶项，从而消除v 髓中的高阶项，达到高阶补偿的目的。 在图3 2 1 9 】中，r 1 、r 2 和为p 型扩散电阻，具有正温度系数；r 3 为高阻型 多晶电阻，具有负温度系数。 该基准源的输出电压为： 2 + 讪肌仙 枷) 式中，由于r 2 和r l 由同一种材料构成，具有相同的温度系数，因此其比值与 温度无关；r 3 和r i 采用了不同的材料，因此其比值会随着温度的变化而变化。 设k p d i f f 是p 型扩散电阻的一阶温度系数，为正值；k h 曲是高阻多晶电阻的 一阶温度系数，为负值。将危兄进行t a y l o r 展开，可得： 2 2低压低功耗c m o s 基准源补偿策略及电路设计 足( 乃 ：二一= 墨( 丁) = 器 1 + ( h ) 1 + k ( 厂一t o ) + k 2 ( 删t o ) = 器 1 + ( + ) ( h ) + ( 2 + k ) ( r 一瓦) 2 + 2 ( 删t o ) 式( 3 9 ) 联立式( 3 8 ) 和式( 3 - 9 ) ，可得： 屹+ 睁器卜+ ( 器卜町1 + ( + ) ( h ) + 式( 3 - 1 0 ) ( 2 + ) ( 厂一讯2 ( 州t o ) 图3 2 利用电阻的温度特性的高阶补偿原理图 结合式( 3 7 ) 可知，调整色 r 1 和尼墨可以完全消去一次项和二次项，但不 能保证更高阶项的完全消除。当然，虽然不能完全消去各高阶项，但是由于不同 材料电阻的正负温度系数，也能大大削弱这些项所引起的误差。显然，不同材料 电阻的温度系数正负差异越大，那么补偿效果就越好。 第三章基准源高阶补偿策略 3 - 2 3 指数曲率法 指数曲率补偿方法是在v r e r 上叠加一个温度的指数函数来达到消去高次项的 目的。 图3 3 指数曲率高阶补偿原理图 如图3 3 【7 1 所示，两个电流源i i 和1 2 是p t a t 电流源，则v r e f 可表示为： ( 耻v a z 3 郴r + 焉 栅1 ) 式中，b ( d 是三极管的电流增益。其可表示为： 朋钾x p ( - 剀 式( 3 - 1 2 ) 其中，乞为晶体管射区带隙能量衰减因子，其正比于发射区的掺杂浓度。尾 和乞都是与温度无关的常量。