（微电子学与固体电子学专业论文）全cmos基准电压源的设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着c m o s 工艺技术进入深亚微米时代，输出电压在1 2v 左右的传统带隙基准电 压源已不再适合电源电压逐渐降低的集成电路，因此与标准c m o s 工艺技术兼容的低压 低功耗基准电压源电路设计成为模拟电路研究的主要课题之一。 本文主要研究可在低电源电压下工作，具有低功耗的全c m o s 基准电压源电路。首 先介绍了基准电压源的发展及国内外研究现状，给出了基准电压源的性能指标，分析了 m o s 晶体管阈值电压及其温度特性。确定电路主要架构后，分别对p t a t ( p r o p o r t i o 豫l t oa b s 0 1 u t et e m p e r a t u r e ) 模块、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 ) 模块及启动电路进行分析和比较，确定各模块使用的电路结构。我们主要利用阈值电压 与载流子温度系数相互补偿的原理分别设计了低压低功耗、宽温度范围、低温度系数及 多基准电压输出的四种c m o s 基准电压源电路。对于每种电路均给出了详细的电路原理 分析、相关电路公式及电路设计参数选择。 型，利用h s p i c e 电路仿真工具，针对t t ， 并且基于t s m c0 1 8p m 标准c m o s 工艺模 s s 和f f 工艺角，对所设计的基准电压源电 路进行了直流( d c ) 特性、交流( a c ) 特性和瞬态( t r a n ) 特性的仿真，四种电路中最 低电源电压为0 7v ，最小温度系数为2 0p p m ，最小功耗仅为4 闻，电源电压调整率 均在1 左右，高频电源抑制比在一6 0d b 左右。 关键词电压基准源c m o s 亚阈值h s p i c e a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec m o sp r o c c 鹳t c c l l i l o l o g ) rh 勰c o m ei n t 0d e e ps u b i i l i c r o na g ea n d 旧b 锄d g a p v o l t a g er e f 打锄c ew i l i c h 咖i c a l l yp r 0 、，i d 铬av o l t a g ea r o u n d1 2vh 船n o ts t l i t 如r 协e i n t 删e dc i 此l l i tw l l i c hp o w 贸v o l t a g ei sl o w e r 锄dl o w e lt h et a l d e n c yo fr 锶e a r c ho n v 0 1 a g e 硝孤l c ei sn l el o w - v o l t a g el 唧w e rc m o sv o l t a g er e 蛔l c e 嘣陋c hi sc o m p l e t e l y c o m p a t i b l ew i t l ln l es t 觚d a r dc m o sp r o c e 鲻t e c l l i l o l o g y 1 1 1 i sm e s i sm a i l ：l l yd i s c l l s s 锶t 1 1 el o w v o l t a g el o w - p o w c rf h l lc m o sv o n a g er e f 打e l l c e w bg 哪m 撕z e l ed e y e l o p i n gl l i s t o 巧觚dp e s e n ts i t u a t i o i l ，觚di n 们“c em ep c r 硒珊锄 i i l d c xo fv o l t a g e 坞衙铋c e ，a n d 柚a l y s i st 1 1 em o s f e tm r e s h o l d 柚di t st 锄p e r 柏l 豫 c h a m c t 甜s t i c s a f i e rw ei d 饥t i 匆m em a i n 咖c t u r c ，、e 孤a l y s i s 锄dc o m p 撕s o nt l l ep 毋盯 ( p r o p o n i o n a l t 0a b s 0 l u t e t 锨p 锄炯l r e ) m o d u l e c 似r ( c 伽叩l e m e i l t a 拶t 0a b s 0 l u t e t l m l p e r 舭e ) m o d l i l ea n d 姗- u pc i r c i l “r e s p e c t i v e l y u s i n gt l l ei n t e r a c t i o no f 也r e ：s _ h o l d v o l t a g e 觚dm o b i l i t ) rt 即l p 蹦m 鹏d e p e n d e i l c i e s ，w ed 骼i 鲈f 0 盯c m o sv o l t a g c f 酾l c e c i r c u i t si nl o w - v 0 1 t a g ea r l dl o w - p o w e r w i d et e m p 豇a t i l r e ，l o wt a n p e r a t u r ec o e 伍c i e n t ，锄d m u l t i p l er e f h 眦c ev o l t a g e f o re a c hc i r c u i t ，t l l ed e t a i l e d 趾a l y s i so f n l ep r i n c i p l e ，t l l er e l 吖a n t c i 刚i t 允m m l aa n d 虹l ec i r c u i td e s i 鳃p 猢d e f sa 托西v 铋m a i l l l yu s i n gh s p i c e ，b 觞e d0 n t s m c0 18p ms t 觚d a r dc m o sp r o c 伪sm o d e l ，w es i n l u l a t et l l ed c ，a ca 1 1 dt ra nl h l d e r t t s s 觚df fp r o c e s sc o m e r s h l m ef o u rc i r 饥i t s ，t l l cl o w e s t p o w e r v d t a g ei s0 7v 锄dn 圮 l o w e s tt c n l p e m t ec o e 伍c i 饥ti s2 0p l 州，龇dm e1 0 w e s tp o w 盯i s4p w 觚dm cp 0 、懈l i 鹏 r e 叫a t i o ni sa r o u n d1 ，锄dt l l ep o w e rs u p p l y 喇e c t i o nm ：t i oi sa b o u t - 6 0d b k e y w o r d s ：v 0 l t a g er e f ；舢c e ；c m o s ；s u b n l r e s h o l d ；h s p i c e l i 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本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的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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作了明确 的说明并表示了致谢。 作者签名： 雠遛丞 日期：塑年月! 旦日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方格内打“ ) 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为硷删程宅豇砥锄珞淋铆茫的学位 论文，是我个人在导师褐遽娲指导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得 的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全 了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北 大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：隆丝歪日期：丝鲨年上月 2 日 作者签名：签烬寻 导师签名： 日期：超年j l 月厶l 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 电压基准源和电流基准源作为模拟、数模混合电路中的基本组成部分，被广泛的应 用于模数转换器( a d c ) 、数模转换器( d a c ) 叫、锁相环( p l l ) 阶1 和电源管理芯片 口1 等多种电路中。实际应用中经常利用电压基准源电路产生基准电流，因此基准电压源 是二者中更为基础的电路，设计一个好的基准电压源具有十分重要的意义1 。 自从集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 诞生以来，i c 芯片的发展基本上遵循了 i n t e l 创始人之一的g o r d o ne m 0 0 r e1 9 6 5 年预言的摩尔定律嘲。目前，c m 0 s 工艺技术 已进入深亚微米时代n 帕，随着工艺尺寸的不断减小，集成电路的工作电压也愈来愈低， 传统的带隙电压源电路已不适合在lv 或更低的电源电压下工作。基于深亚微米标准 c m o s 工艺技术的各种低压低功耗c m o s 基准源模拟电路受到了人们的广泛关注。 1 2 基准电压源的发展及研究现状 理想的基准电压与电源电压、工艺参数及温度等参数的变化无关。过去，人们常用 反向击穿的齐纳二极管作为基准电压源，但由于其静态电流较大，精度不高，长期稳定 性差，并且其击穿电压一般都大于现在电路中使用的电源电压，目前已较少使用n 。 1 9 6 4 年，h il b i b e r 利用两组具有相反温度特性的电压之差得到不受温度影响的输 出电压，虽然该电路的输出基准电压具有很高的温度稳定性，但是由于电路中多个双极 晶体管串联，因此其需要很高的电源电压n 引。1 9 6 5 年，w i d l a r 指出双极晶体管基极一 发射极电压之差与绝对温度成正比n 引。在1 9 7 1 年，胃i l d a r 利用该p t a t 电压与具有负温 度系数的p n 结正向导通电压以适当的权重相加，提出了基准带隙电压源电路，获得与 温度无关的稳定电压n 钔。该电路电源电压明显小于眦1 b i b e r 提出的基准电压源电路所 需的电源电压。之后很多带隙基准电压源结构均衍生于h i l b i b e r 或w i l d a r 电路，被称 为电压模式带隙基准电压源。 1 9 7 9 年，t z a n a t e a s 等人利用工作在弱反型区m o s 晶体管获得了低功耗带隙基准电 压源u 副。 1 9 9 9 年，h i r o n o r ib a n b a 等人在电压模式带隙基准电路的基础上，利用与温度成 正反比的电流合成零温度系数的电流，再由电阻进行i v 转换，得到基准输出电压， l 河北大学工学硕士学位论文 称之为电流模式带隙基准电压源n 町，之后出现的大量lv 带隙基准电压源结构大多数衍 生自该结构。 1 9 9 9 年，a n n e 舱等人利用d t m o s 技术设计的低压带隙基准电压源，可在较低电源 电压下工作，且具有较好的性能参数，但是需要采用特殊的工艺，成本较高n 钉。 2 0 0 1 年，f i l a n o v s k y 等人在文献中指出在低于某一偏置工作点以下，偏置于固定 漏电流的m o s 晶体管的栅源电压与温度具有指数关系，这与双极型晶体管的基极一发射 极电压与温度的关系类似，实现了全c m o s 基准电压源的设计n 酊。 近年来，国内外对基于标准c m o s 工艺的基准电压源电路研究的最新进展主要集中 在以下几个方面： ( 1 ) 低电源电压基准电压源 虽然采用特殊器件和工艺技术可得到低电源电压带隙基准源电路，但是与标准c m o s 工艺技术不相兼容，增加了制造成本n 峭1 ；改进核心电路中放大器结构也可降低带隙基 准电压源电路的电源电压阻踟；采用可调节电流模式和反馈回路也可得到低电压的带隙 基准电压源。 ( 2 ) 低功耗基准电压源 降低电路功耗的首选方法为将m o s 晶体管偏置在亚阈值区一1 ；采用浮栅m o s 器件， 也可降低电路功耗，但是与标准c m o s 工艺技术不相兼容，成本较高陋3 幻。 ( 3 ) 低温度系数基准电压源 为了降低基准输出电压的温度系数，目前常使用二阶曲率补偿m 朋1 ，基于集成电阻 温度系数的补偿矧，基于v g s 加权补偿3 4 t 嘲，基于z t c ( z e r ot e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 点补偿m 一妇等方法。 1 3 基准电压源的性能参数 基准电压源输出电压是一个与电源电压、温度及工艺参数变化无关的稳定的输出直 流量，其主要性能参数包括啼： 1 温度系数( t e m p e r a t u r ec o e 仟i c i e n t ，t c ) 在一定的温度变化范围内输出电压的相对变化量，一般用p p m 来表征，表达式为 粥= ! 垡二垡! 1 0 。( 1 1 ) 圪一( 瓦娃一乙岫) 2 第1 章绪论 其中v 。为输出电压最大值，v - 。为输出电压最小值，v 一为常温下输出电压值，t 。为最 高温度，t 。为最低温度。 2 电源电压调整率( p o w e r ll n er e g u i a t i o n ，p l r ) 电源电压在一定范围内的变化所引起的输出电压的变化，计算公式为 p l r = v 孵v ( 1 2 ) 3 电压抑韦0 比( p o w e rs u p p iyr e j e c tio nr a tio ，p s r r ) 电源电压小信号波动对基准源输出电压的影响，单位为分贝( d b ) ，基本计算公式 丧 蠕舡， 一= 笋 “3 ) v 眦 4 。静态电流( q u ie s c e n tc u r r e n t ) 静态电流与功耗密切相关，对于相同电源电压下的电路，需尽量减小静态电流以降 低功耗。 5 启动时间( s t a r t u pt i m e ) 从电源电压上电到输出电压稳定所需要的时间。大多数电压基准源输出基准电压上 升至稳定基准电压的o 1 所需要的时间一般小于1 0 。 当基准电压源进入产业化阶段时，基准电压源的可靠性变的非常重要，因此实际生 产中还需特别考虑影响基准源可靠性性能的参数，但在本文的设计中暂不作为重点。 6 负载调整率 在规定的负载电流的变化范围内，负载电流增量所引起的基准电压的变化量。 7 长期漂移率 在很长的一段时间里，输出的基准电压发生的缓慢变化。 8 。热滞后性 温度变化所引起的基准输出电压的变化。当基准电压源经历温度变化再回到初始温 度时，通常其输出电压值与初始的输出电压值并不相等。电压基准源i c 设计和封装使 热滞后性难以修正，当系统的温度变化范围大于2 5 时，热滞后性是一个重要的误差。 3 河北大学工学硕士学位论文 1 4 选题意义 基准电压源作为模拟集成电路中的一个重要单元，广泛的应用于各种模拟、数模混 合信号集成电路中，其稳定性影响到整个电路的性能。目前c m o s 工艺技术已经进入了 深亚微米时期，随着工艺尺寸的不断减小，集成电路的工作电压也愈来愈低。因此本文 主要采用t s m c0 1 8p m 标准c m o s 工艺，采用工作在亚阈值区m o s 晶体管取代传统的 带隙基准电压源电路中的双极晶体管，对低压低功耗的全c m o s 基准电压源进行研究和 分析，解决了双极型晶体管在深亚微米工艺技术下遇到的技术上的难题。 1 5 本文的主要工作及内容 本文对工作在亚阈值区m o s 晶体管的阈值电压等参数的温度特性进行了详细的分 析，基于基本的自偏置电流镜结构，设计无运算放大器、无双极型晶体管的全c m o s 基 准电压基准源。通过调整电路结构和器件参数分别得到低压低功耗、宽温度范围、低温 度系数、多基准电压输出的四种全c m o s 基准电压源电路结构。同时利用h s p i c e 工具， 仿真模拟t t ，f f 和s s 三种工艺角下各个电路的直流特性、交流特性、瞬态特性等，并 对仿真结果进行了分析。 本论文主要包括以下几个部分： 第一章主要介绍本课题的研究背景、研究现状和基准电压源的性能参数，指出课题 研究的意义。 第二章主要介绍m o s 晶体管的基本结构，亚阈值n m 0 s 晶体管i v 特性和阈值电压 的温度特性等。 第三章主要介绍亚阈值c m o s 基准电压源主要的电路结构及其工作原理，详细分析 了全c m o s 基准电压源电路的p t a t 模块、c t a t 模块和启动电路。 第四章，基于t s m co 1 8p m 标准c m o s 工艺技术，主要围绕低压低功耗、宽温度 范围、低温度系数、多基准电压输出设计了四种全c m 0 s 亚阈值基准电压源电路结构， 详细分析了各个电路的工作原理，电路参数设计，并给出了电路仿真结果的分析。 第五章，总结本文的主要工作并指出需进一步研究的内容。 4 第2 章亚阂值m o s 晶体管模型及其温度特性 第2 章亚阈值m o s 晶体管模型及其温度特性 2 1m o s 晶体管的基本结构嘲 图2 1 给出了n 沟道m o s 晶体管的基本结构图。器件制作在p 型衬底上，两个重掺 杂的n + 区形成源端( s o u r c e ) 和漏端( d r a i n ) ，一层薄s i 0 2 使栅与衬底隔离，分别在源 端、漏端及薄s i 0 2 层上面的重掺杂多晶硅区引出电极作为源极、漏极及栅极。在这种结 构中，源和漏是对称的。 图2 。lm o s 器件结构示意图 源漏方向的栅的尺寸称为栅长，记为l ；与之垂直方向的栅的尺寸称作栅宽，记为 w 。l 和氧化层的厚度对m o s 电路的性能起着非常重要的作用，m o s 技术发展中的主要推 动力就是不断减小沟道长度和氧化层的厚度。 衬底电位对器件特性有很大的影响。m o s 器件在典型的工作状态下，源漏结二极管 必须反偏，因此n m o s 器件的衬底要连接到系统的最低电位上。 在c m o s 工艺技术中，n m o s 和p m o s 器件做在同一衬底上，其中某一类器件要在“局 部衬底 上，通常称为“阱 。对于目前大多数c m o s 工艺，p m o s 器件做在n 阱中，如 图2 2 所示。n 阱与最正的电源供给相连，即p m o s 器件的衬底要连接到系统的最高电位 上，使p m o s 晶体管的源漏结二极管在任何情况下都保持反偏。 室j ! 奎茎苫：堡圭茎堡耋圣 圈22p 衬n 阱工艺c m 0 s 器件 2 2 亚阈值m o s 晶体管的| _ v 特性 在对m o s 晶体管特性进行分析时，一般认为当k 时i 产o ，沟道是截止的，实际 上，此时半导体表面处于弱反型状态，沟道中存在很少的导电电子。对m o s 晶体管模型 作以下假设：l _ 沟道足够长，忽略沟道长度调制效应；2 忽略源、漏及栅极在空间电荷 区产生的电流：3 忽略表面卷密度及表面势的变化，税们得到了亚闷值区n m 0 s 晶体管 的i v 特性 护慨弘“p 簪) 卜一( 一剀 僻- ， 其中n 为亚闽值斜率修正因子，在标准伽o s 工艺中，n 约为15 ；阱为热电压( u t = k t q ) ， 室温下u = 2 6m v ：v 。为闰值电压，第三节有详细讨论；i i 为载流子迁移率，p ( t ) = ”( t 。) ( t t 。) 1 - ( p ( l ) 为载流子在参考温度t 。时的迁移率，是与工艺相关的经验参数， 一般在卜25 之日j ) 。 在实际电路中漏源电压k 远大于u t ，困此21 式可简化为 = 喊譬珥w 【气判 n ：， 22 式表明漏电流与k 具有指数关系，与双极晶体管中i k 的指数关系类似。圈2 3 给出了使用t s m co1 8 m 标准c m o s 工艺，亚阐值区n m o s 晶体管( w l _ 2 2p m 2 岬) i v 特性模拟曲线，从图中可看出当k o 。费米能级对温度的偏导为 筹= 一m 舟等 嘉“5 ) 旺9 ， 订 l gl 吩gl 2 玎川 在正常温度范围内，e 以l ( t 远远大于1 5 ，将2 9 式代入2 8 式可得 警一筹一；( 纠6 ) ( 2 + 毒) 旺 对于m o s 晶体管l ，l ( e g 2 q ) ，即l r i 昌 幽 脚 弓j 簿 图4 3 三种工艺角下输出电压与电源电压之间的关系 ( 2 ) 偏置电流与温度的关系 图4 4 给出了在t t ，s s 和f f 工艺角下，电源电压为0 9v ，温度在一2 0 至l o o 范围内，偏置电流i 哪随温度变化的仿真波形。由图中可看出，偏置电流的温度系数 约为o 8 3n a 。 工艺角对偏置电流的影响是线性的。室温时，s s 工艺角下偏置电流比t t 工艺角下 低约2 1n a ；f f 工艺角下偏置电流比t t 工艺角高约3 5n a 。但是在分析图4 4 时发现， s s 工艺角下的输出基准电压比t t 工艺角下约高1 0 1m v ：而f f 工艺角下的输出基准电 压比1 v r 工艺角下约低1 0 5m v 。根据4 2 式，输出基准电压不仅受偏置电流大小的影响， 而且还受m 6 阈值电压的影响。因此，即使偏置电流满足i 咖。豁 i 咖丌 i m ，盯，但由于偏 置电流的差值仅为纳安数量级，相对于三种工艺角下n m o s 晶体管的阈值电压的差值 ( v n l 竹= v m o 1 v = v 仉矿0 1 v ) ，偏置电流的变化对输出电压的影响可忽略，输出电压 仍然满足v 肼阡 g v 幽 翘 习 薅 一t ti = ：二二：= 二j ：二：= s s ，! ：l ：；：? ：二一! 一一一一一：一一一一；一一一一一一 f f r 图4 1 l 三种工艺角下启动时间仿真曲线 ( 2 ) 补偿电容c c 对电路启动时间的影响 在t t 工艺角下，考虑补偿电容取值大小，对基准源电路进行瞬态特性仿真分析， 河北大学工学硕士学位论文 如图4 1 2 所示。当c c = op f 时，启动时间为2 左右，c 。越大，启动时间越长。造成 这种现象的原因是c c 具有一定的上电时间，导致基准电压源电路的启动时间延长，c c 越大，启动时间越长。补偿电容c c 提高输出基准电压电源抑制比的同时也增加了电路的 启动时间，因此设计电路时需要折衷考虑c c 的取值，在本电路中取c f l o op f ，电路的 启动时间为1 5 。 暑 v 蹬 羽 丑 簿 图4 1 2t t 工艺角下，补偿电容对启动时间的影响 4 2 宽温度范围c m o s 基准电压源 通过4 1 节对启动电路的详细研究，我们发现由于启动电路电流高温时突然增大， 使输出基准电压的高温特性变差。为了消除高温时启动电路电流对输出基准电压温度特 性的影响，展宽低压低功耗电路的工作温度范围，我们利用高温时栅源短接的p m o s 晶 体管的反相漏电流也随温度升高而迅速增大( 如图4 1 4 所示) 的特性，在原来的电路 结构基础上增加结构简单的高温补偿电路，得到宽工作温度范围基准电压源，如图4 1 3 所示。 补偿电路由m c l 、m c 2 和m c 3 组成，其工作原理为：低温时溉l 、m c 2 及淝3 的漏电 流几乎为零，对输出基准电压没有影响；当温度升高至一定值时，m c l 、m c 2 及m c 3 的 漏电流i 戤、i 配及i 豁迅速增大至纳安数量级。根据4 1 式可知流过电阻r 1 的电流i 知 的大小只与m 3 、m 4 的栅压之差及电阻r 1 有关，补偿电路电流对i 胁的大小没有影响。 当温度增大至一定值时，m s 2 增加，由于电流i k 。、i 衄及i 鼢的存在，使电流镜m l 、姚 和m 3 中的电流基本不变，减小了高温时m s 2 导致的正温度系数偏置电流增加给电路性 第4 章全m o s 基准电压源设计 能造成的影响。我们将m c l 、m c 2 及m c 3 的宽长比取为1 0 1p m 2 1 肛m 。 图4 1 3 消除启动电路影响，展宽工作温度范围改进电路 2 0 o 2 0 4 0 3 - 6 0 爆 脚 嘿1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 二j ： 驯_ 一 一一一一一一 ，、 o5 01 0 0 温度( ) 图4 1 4 t t 工艺角下栅源短接p m o s 漏电流与温度的关系 4 2 1 直流( d c ) 特性仿真分析 ( 1 ) 基准电压与电源电压的关系 分别在1 v r ，s s 和f f 工艺角下，在0 5 1 8v 电源电压范围内，对电路进行d c 分 析，其仿真波形如图4 1 5 所示。t t 工艺角下，输出基准电压的电源电压调整率约为 ( 0 6 2 7 0 6 1 6 ) ( 1 8 0 8 ) 1 0 0 = 1 1 。从图中可看出，t t 工艺角下，最小电源电 河北大学工学硕士学位论文 压为o 8v ：s s 工艺角下最小电源电压最高，约为0 9v ；而f f 工艺角下最小电源电压 最低，约为0 7v 。 当电源电压为0 9v 时，t t 工艺角下输出基准电压为6 2 1m v ，s s 工艺角下输出基 准电源为7 2 2m v ，f f 工艺角下输出基准电压5 1 6m v 。相对于t t 工艺角，s s 工艺角下 输出基准电压的相对误差为( 7 2 2 6 2 1 ) 6 2 1 1 0 0 = 1 6 2 ；f f 工艺角下的相对误差为 ( 5 1 6 6 2 1 ) 6 2 l 1 0 0 = 一1 6 9 。 增加的高温补偿电路除了使原有电路输出基准电压降低约3m v 外，对最小电源电压， 输出基准电压的电源电压调整率及各个工艺角下的相对误差等参数基本不产生影响。 图4 1 5 三种工艺角下基准输出电压与电源电压的关系 ( 2 ) 基准电压与温度的关系 图4 1 6 给出了在，r ，r 工艺角下，电源电压为0 9v ，温度在一2 0 至1 4 0 范围内， 图4 1 3 所示基准电压源输出基准电压与温度的关系。图4 1 所示电路的输出基准电压 温度系数为( 6 3 6 6 2 5 ) ( 6 2 5 1 6 0 ) = 1 1 0p p m ，最佳工作温度范围内的输出基准 电压温度系数为4 0p p m ；图4 1 3 所示电路的输出基准电压温度系数为( 6 2 4 6 2 1 ) ( 6 2 1 1 6 0 ) = 3 0p p m 。由此可见，增加高温补偿电路后，不仅扩展了最佳工作温 度范围，而且提高了输出基准电压的温度稳定性。 第4 章全m o s 基准电压源设计 图4 1 6 输出电压与温度的关系比较 图4 1 7 给出了t t ，s s 和f f 工艺角下，电源电压为lv ，温度在一2 0 至1 4 0 范围内，输出基准电压随温度的变化。在t 1 工艺角下，输出基准电压的温度系数为 ( 6 2 3 6 2 0 ) ( 6 2 0 1 6 0 ) = 3 0p 州；在s s 工艺角下，输出基准电压的温度系数为 ( 7 3 卜7 2 6 ) ( 7 2 6 1 6 0 ) = 4 3p p m ；在f f 工艺角下，输出基准电压的温度系数为 ( 5 2 卜5 1 3 ) ( 5 1 4 1 6 0 ) = 9 7p p m 。 量 、一 幽 脚 习 舞 一一- 一t t s s f f _ - 一。 温度( ) 图4 1 7 三种工艺角下，输出基准电压与温度的关系 4 2 2 交流( a c ) 特性仿真分析 图4 1 8 给出了t t ，f f 和s s 工艺角下，输出基准电压的电源抑制比的仿真曲线。 高频时，工艺角对电路的输出基准电压的电源电压抑制比影响不大，只会造成卜2d b 3 l 河北大学工学硕士学位论文 的差别；而低频时影响相对较大，当频率为1 0k h z 时，t t 工艺角下，输出基准电压的 电源抑制比为一3 3d b ；s s 工艺角下输出基准电压的电源抑制比为一1 6d b ；f f 工艺角下 输出基准电压的电源抑制比为一4 0d b 。与图4 1 所示电路相比，图4 1 3 所示电路的高 频电源抑制比变差，主要是由于高温补偿电路的引入降低了自偏置电流源的闭环增益， 导致输出电压在高频时电源抑制比变差。 图4 1 8 三种工艺角下输出电压电源抑制比 4 2 3 电路性能参数比较 表4 2 给出了t t 工艺角下低压低功耗基准电压源与宽温度范围基准电压源性能参 数的比较。 表4 2 低压低功耗基准电压源与宽温度范围基准电压源性能参数比较 低压低功耗基准电压源宽温度范围基准电压源 最低电源电压 0 8v0 8v 功耗4 卿( = o 9v )4 埘( v 萨o 9v ) 4 0p 姗( 一2 0 一1 0 0 ) 温度系数 3 0p p m ( 一2 0 1 4 0 ) l1 3p p m ( 一2 0 1 4 0 ) 一3 3d b ( l oi d l z )一3 3d b ( 1 0k h z ) 电源电压抑制比 一6 0d b ( 1 0 0 姗z )一5 5d b ( 1 0 0 姗z ) 电源电压调整率 1 2 1 1 输出基准电压 6 2 4m v6 2 1m v 由表中可看出，经高温补偿后电压基准电压源不仅可在低电源电压下工作，具有较 3 2 第4 章全m o s 基准电压源设计 低的功耗，且在较宽的温度范围内具有较小的温度系数，工艺角对两种电路性能参数的 影响基本相同。 4 3 低温度系数c m o s 基准电压源 通过对低压低功耗基准电压源电路增加高温补偿电路，我们在较宽的温度范围内得 到了低压低功耗基准电压源，但是这两种电路的输出基准电压温度系数均大于3 0p p m 。为了得到更小的温度系数，我们在前面两种电路的基础上，改进输出级电路结构， 得到了温度稳定性较好的基准电压源电路结构，如图4 1 9 所示。 图4 1 9 低温度系数c m o s 基准电压源 偏置电路仍采用自偏置p e a k i n g 电流源，由m l - m 4 及电阻r 1 组成，m 3 及m 4 工作在 亚阈值区；高温补偿电路由p m o s 晶体管m c 卜m c 4 组成；启动电路由m s l 、m s 2 及c s 组 成；输出电路结构采用l a l e hn a j a f i z a d e h 提出的输出电路结构嘞1 ，由m 5 一m 8 、电阻r 2 和r 3 及补偿电容c c 组成，输出电压v l u e f 为 = 惫+ 惫 5 ， 吗坞 由上式中可看出输出基准电压的值由电阻r 2 、r 3 的比值决定。 前两节中已详细讨论了偏置电路、补偿电路及启动电路的设计参数，这里主要给出 输出电路设计参数的选择。根据3 3 节的分析，偏置在饱和区的n m o s 在偏置电流较大、 宽长比较小时其栅源电压具有正温度系数；而亚阈值n m 0 s 晶体管的栅源电压的温度系 数为负值，这两种电压相互补偿可得到零温度系数的基准电压输出电压。在具体电路设 河北大学工学硕士学位论文 计中，将m 8 偏置在亚阈值区；同时通过调节m 5 的宽长比，增大m 6 的漏电流使m 6 偏置在饱和区；电阻r 2 、r 3 值不能太小，否则输出基准电压受电源电压影响较大；电 容c c 为补偿电容。电路中器件参数值如表4 3 所示。 表4 3 低温度系数基准电压源电路参数 ( w l ) 峙1 0 1 1p m 2 1p m( w l ) _1 0 1p m 2 lp m ( w l ) 盯1 0 1 p m 2 1p m ( 霄l ) 囊 1 0 l 岬2p m r 21 1 6 1 垃r 36 5 9 8 m cc1 0 0p f 4 3 1 直流( d c ) 特性仿真分析 ( 1 ) 基准电压与电源电压之间的关系 分别在t t ，s s 和f f 工艺角下，在0 4 1 8v 电源电压范围内对电路进行d c 分析， 其仿真波形如图4 2 0 所示。从图中可看出，1 i t 工艺角下，最小电源电压为o 9v ，输 出基准电源电压的电源电压调整率约为 ( 0 6 2 8 一o 6 2 0 ) ( 1 8 0 9 ) 1 0 0 = o 8 。s s 工艺角下最小电源电压最高，约为1v ；而f f 工艺角下最小电源电压最低，约为o 8 v 。 t t 工艺角下。相对宽温度范围电路，该电路最低电源电压略有增加。 当电源电压为lv 时，t t 工艺角下输出基准电压为6 2 2m v ，s s 工艺角下输出基准 电源为7 2 8m v ，f f 工艺角下输出基准电压5 1 6m v 。相对于t t 工艺角，s s 工艺角下输 出基准电压的相对误差为( 7 2 8 6 2 2 ) 6 2 2 1 0 0 = 1 7 ；f f 工艺角下的相对误差为 ( 5 1 6 6 2 2 ) 6 2 2 1 0 0 一1 7 。输出电压与之前两种电路的输出基准电压及受工艺角影 响基本相同。 _ 、 昌 、- ， 幽 脚 习 舞 图4 2 0 三种工艺角下，输出电压与电源电压的关系 3 4 第4 章全m o s 基准电压源设计 ( 2 ) 基准电压与温度的关系 图4 2 1 给出了t t 、s s 和f f 工艺角下，电源电压为lv ，温度在一2 0 至1 4 0 范围内，输出电压与温度的关系的模拟仿真曲线。t t 工艺角下，输出基准电压的温度系 数为( 6 2 2 6 2 0 ) ( 6 2 0 1 6 0 ) = 2 0p p m ；s s 工艺角下，输出基准电压的温度系数 为( 7 1 7 6 9 6 ) ( 7 1 0 1 6 0 ) = 1 8 4p p m ；f f 工艺角下，输出基准电压的温度系数为 ( 5 2 8 5 1 5 ) ( 5 1 5 1 6 0 ) = 1 5 7p p m 。可见基准输出电压的温度特性受工艺角的影 响较大。 g v 幽 御 羽 舞 l 1l 一- - 一 i 一一l 一“ t t ， 一s s it， 一一广 一一 ”f f 温度( ) 图4 2 l 三种工艺角下，温度与输出电压的关系 4 3 2 交流( a c ) 特性仿真分析 图4 2 2 给出了t t ，f f 和s s 工艺角下，输出基准电压的电源抑制比的仿真曲线。 从图4 2 2 可看出，高频时，工艺角对图4 1 9 所示电路的输出基准电压的电源电压 抑制比影响不大，只会造成卜2d b 的差别；低频时影响相对较大。当频率为lk h z 时， ，i 1 工艺角下输出基准电压的电源抑制比为一3 8d b ；s s 工艺角下输出基准电压的电源抑 制比为一2 4d b ，相对t t 工艺角误差为( 3 8 2 4 ) 3 8 1 0 0 = 3 6 ；f f 工艺角下输出基 准电压的电源抑制比为一4 2d b ，相对1 t 工艺角误差为( 4 2 3 8 ) 3 8 1 0 0 = 1 0 。 补偿电容对低频时输出基准电压的电源抑制比的影响几乎为零，但随着频率的升高 输出电压的电源抑制比迅速下降，直至一1 6 0d b 左右。 相对于图4 1 与图4 1 3 中的电路，图4 1 9 中的电路的输出电压高频段电源抑制比 受补偿电容的影响较大，但受工艺角影响较小。 3 5 河北大学工学硕十学位论文 频率( b g ) o 埘 图4 2 2 三种工艺角下，输出电压电源抑制比仿真曲线 4 3 3 电路性能参数比较 表4 4 给出了t t 工艺角下，低温度系数基准电压源与宽温度范围基准电压源性能 参数的比较。 表4 4 低温度系数基准电压源与宽温度范围基准电压源性能参数比较 低温度系数基准电压源宽温度范围基准电压源 最低电源电压 0 9v 0 8v 功耗7 闻( v d d ：o 9v )4 岬( v 吣= o 9v ) 温度系数 2 0p 硼( 一2 0 - 1 4 0 )3 0p p m ( 一2 0 - 1 4 0 ) 电源抑制比一2 5 曲( 1 0k h z )一3 3d b ( 1 0l 【i i z ) 一1 1 3 曲( 1 0 0 z )一5 5d b ( 售1 0 0m h z ) 电源电压调整率 o 8 1 1 输出基准电压6 2 2m v6 2 1m v 通过该表，我们发现通过对输出电路的改进，获得了温度稳定性较好的基准电压源 电路，该电路输出电压温度系数受工艺角影响较大，但其最小电源电压仍然低于1v ， 并且具有较低的功耗，电源电压调整率较好。输出基准电压可通过改变电阻的比值进行 调节，利用较为成熟的电阻微调技术即可减小晶体管器件误差对电路性能造成的影响。 同时我们还发现，利用阈值电压与载流子迁移率温度特性相互补偿的基准电压源电路， 其输出基准电压较固定。 第4 章全m o s 基准电压源设计 4 4 多基准电压输出c m o s 基准电压源 利用阈值电压与载流子迁移率温度特性相互补偿的原理，我们得到了三种具有较好 的温度系数及电源电压调整率的全c m o s 基准电压源电路，但是其输出基准电压是固定 的。根据3 1 节的分析，电流模式基准电压源电路的输出电压决定于输出支路的电阻值， 因此电流模式基准电压源电路可通过调节输出支路电阻的阻值来设定输出基准电压的 值。在前面讨论的电路结