（微电子学与固体电子学专业论文）磁卡解码芯片中基准电路的设计研究.pdf

摘要 基准电路是模拟电路设计中的一个关键的基本模块，它包括基准电压源和基 准电流源。它们的温度稳定性电源抑制比以及抗噪性能等会影响整个电路的精度 和性能。采用c s m c 0 5 唧c m o s 工艺设计出应用于“s p m 2 2 0 0 磁卡解码芯片”中 的高性能基准电源是本文的重点研究方向。 本文首先介绍基准源的发展历史和现状，阐述了带隙基准的基本原理，以及 常见的基准电压源和基准电流源的性能指标和各项参数。接着以s p m 2 2 0 0 磁卡解码 芯片的实际电路需要为依据，在以带隙基准原理产生的基准电压的基础上，通过 电阻分压以及m o s 管特定条件下的电阻特性，设计出v c c 2 + 1 v ，v c c 2 + 0 1 v 的基准电 压。再通过带隙基准电路中产生的正温度系数电流与m o s 管基极一发射极产生的负 温度系数电流相互叠加，生成了电路需要的l o u a ，5 u a 的基准电流。再以c s m c 0 5 啪c o m s 工艺所给的模型参数进行仿真，结果显示它们都有着很高的电源抑制 比和很好的温度稳定性，符合实际电路的需要。然后进行了整个电路的版图设计， 最后运用c a d e i l c e 中的版图验证工具d r a c u l a 对电路版图成功地进行d r c 和l v s 验 证，证明了电路版图设计的可行性，版图验证完毕以后还进行了电路的后仿真， 完成了i c 设计从前端到后端的设计流程。 关键宇：带隙基准电源抑制比共源共栅 a b s t r a c t r e 蠡：r e n c ec i r c u i ti sav i t a lb a s i cm o d u l ei nt h ea n a l o gi cd e s i g n ，a n di ti n c l u d e s v o h a g e 觚dc u r r e n tr e f e r e n c e 1 1 1 e i rt e m p e r a t w es t a b i l n y 孤dt h ep o w e rs u p p l yr e j e c t i o n r a t i o ，a sw e l la sn o i s ea n ds oo nw i l la f f e c tt h ep e r f o m l a i l c ea 1 1 da c c u r a c yo ft t l ee n t i r e c i r c u “1 1 1 eh i 曲巾e r f 0 衄锄c ep o w e rr e 矗玎e n c e ，w h i c hi su s e dt oc s m co 5 u mc m o s t e c h n o l o g y 印p l i e dt o ”s p m 2 2 0 0m a 弘e t i c c a r dd e c o d e rc l l i p f ，i st h ef o c u so fr e s e a r c hi n t h i sa r t i c l e t m sa r t i c l e 觚t l yi n 仃o d u c et l l ed e v e l o p m e n to f h i s t o r ) ，a n dc u r r e n ts i t u a t i o no fm e r e f e r e n c e，a n ds e to u tm eb a s i cp r i n c i p l e so fb 观d g a pr e f - e r e n c e ，豁w e l la s p e r f o m a l l c ei n m c a t o r sa n d t 1 1 e p a r 锄e t e r s o ft h ec o m m o nv o l t a g ea n dc u r r e n t r e f e r e n c e 1 1 1 锄i na c c o r d a n c e 丽m s p i n 2 2 0 0m a 盟e t i cc a r dd e c o d e rc m p f ，a n db a s e d o nm eb a i l d g a pr e f e r c n c e ，w ed e s i g nv c c 2 + 1v ，v c c 2 + 0 1v v 0 1 t a g er e f e r e n c e 嬲d t h e10 u a ，5 u ac 1 】：盯e n tr e f 酹e n c e c s m co 5 啪c o m st 0f 讨t h e rt i ep r o c e s st 0t h e p a r a m e t e r so ft 1 1 em o d e ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a tm e yh a v ev e 巧h i 曲p o w e rs u p p l y r 白e c t i o nr a t i o 强dg o o dt 翎叩e r a t u r es t a b i l i 够，i nl i n ew i m t h ea c t u a lc i r c l l i t a n dt h e n w ed e s i 趴m ec n t i r e1 a ) ，o u to f 也ec i r c u i t ，f i n a l l yu s et 1 1 ec a d e n c et 0 0 1 sf o r1 a ) ，0 u t v 嘶f i c a t i o no fc i r c u i t “d r a c u l a ，氨) rd r ca n dl v sv 矗f i c a t i o ns u c c e s s 如1 l y 7 r h e s e d e m o n s 仃a t em ef e 2 u s i b i l i t yo ft h ec i r c u i t1 a y o u td e s i g n a r e rt h el a y o u tv e r i f i c a t i o n c a m e do u t ，w es i i n u l a t et h et o pc i r c u i t t h ei c 盘o n t t o - b a c kd e s i 鼬i sc o n l p l e t e d i d e a l l v k e y w o r d ：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 ( p s r r ) c a s c a d e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：垂舀 日期上缱p 皇l 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撰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) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：至弩 导师签名： 日期丝里：三! 三! 日期上苹址 第一章绪论 第一章绪论 进入2 1 世纪，半导体行业进入了迅速发展的时期，特别是超大规模集成电路 技术的逐步成熟，以及c m o s 工艺不断改进，使得集成电路的应用变得相当广泛。 模拟集成电路作为集成电路的一个重要组成部分，在性能和成本方面占有很大的 优势。 随着集成电路工艺的发展，在数模混合电路和模拟电路中，片内集成的基准 源电路被普遍采用，它是模拟集成电路的一个重要模块。产生基准的目的是建立 一个与电源波动和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。它们的温度 稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。 由于电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块提出了更高的精度 和速度要求，这样也就意味着系统对其中的基准源模块提出了更高的要求。 微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型h b t ， m e s f e t h e m t ，c m o s 和b i c m o s 四大类型。其中，双极型工艺是集成电路中最早成熟 的工艺，c m o s 工艺技术是在p m o s 与n m o s 工艺基础上发展起来的，己经逐渐发展成 为当代v l s i ( 超大规模集成电路) 工艺的主流工艺技术。双极型集成电路具有较快 的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而c m o s 电路具有 功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低。b i c m o s 技术增强 了在c m o s 技术中提供的双极型晶体管的性能，这使其在模拟电路设计中具有潜力。 随着微电子技术的飞速发展，器件尤其是m o s 器件的特征尺寸迅速减小，c m o s 电 路的工作速度在模拟集成电路的设计中c m o s 技术逐渐可以与双极型技术抗衡。近 年来，模拟集成电路设计技术随着c m o s 工艺技术一起得到了飞速的发展，片上系 统( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 已经受到学术界及工业界广泛关注。由于s o c 要求很高 的集成度，而c m o s 工艺的特点正好符合了这种需求。因此，用c m o s 技术来设计 电路越来越成为集成电路的发展趋势。 本文是采用标准的c m o s 工艺技术来设计高性能的基准源电路。全文首先介绍 基准源的发展历史和现状，阐述了带隙基准的基本原理，以及常见的基准电压源 和基准电流源的性能指标和各项参数。接着以s p m 2 2 0 0 磁卡解码芯片的实际电路 需要为依据，在以带隙基准原理产生的基准电压的基础上，通过电阻分压以及m o s 管特定条件下的电阻特性，设计出v c c 2 + 1 v ，v c c 2 + o 1 v 的基准电压。再通过带 隙基准电路中产生的正温度系数电流与m o s 管基极一发射极产生的负温度系数电流 相互叠加，生成了电路需要的1 0 u a ，5 u a 的基准电流。再以c s m c0 5 u mc o m s 工艺所给的模型参数进行仿真，结果显示它们都有着很高的电源抑制比和很好的 2 磁卡解码芯片中基准电路的设计研究 温度稳定性，符合实际电路的需要。然后进行了整个电路的版图设计，最后运用 c a d e n c e 中的版图验证工具d r a c u l a 对电路版图成功地进行d r c 和l v s 验证，证 明了电路版图设计的可行性，版图验证完毕以后还进行了电路的后仿真，完成了 i c 设计从前端到后端的设计流程。 1 1国内外发展现状与趋势 近年来，国内外对c m o s 工艺实现的基准源电路作了大量的研究，其中的技术 发展主要表现在如下几个方面。 电压基准源电路 1 低电压工作的电压基准源 s o c 的主流工艺是c m o s 工艺，目前，5 v ( 0 6 u m ) 、3 3 v ( 0 3 5 u m ) 、1 8 v ( o 1 8 u m ) 、1 5 v ( o 1 5 u m ) 、1 2 v ( 0 1 3 u m ) 、0 9 v ( 0 0 9 u m ) 等的电源电压已经 得到广泛的使用。随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的电压 基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压为1 2 v 左右，所以，对于电源电压低于1 2 v 的基准设计必须采用特殊的电路结构，许多 文献7 1 8 3 9 1 1 。1 都提出了输出基准电压低于1 2 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，不同运放的电路结构和m o s 管衬 底效成的高阈值电压是限制工作电压的主要因素。 2 低温度系数的电压基准源 低温度系数的电压基准源电路对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说 对于高精度的d a 、a d 结构，高精度的电流源、电压源等。对于普通的一阶温度 补偿的带隙结构的温度系数一般在2 0 5 0 p p m 卜“。因此，设计低温度系数的电 压基准源一般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 偿技术呲1 ，指数曲线补偿技术1 3 1 ，线形化v b e 的技术1 4 1 ，基于电阻比值的温 度系数的曲线补偿方法等”“。文献 9 中的基准电压源的基准输出在一5 0 一1 5 0 范围内的温度系数为4 p p 州，文献 1 5 中的基准源的基准输出的温度系数 5 3 p p m ，而文献 1 6 中的基准源的基准输出在o 1 0 0 范围内的温度系数为 1 5 p p m 。 3 高电源抑制比的电压基准源 在数模混合集成电路中，电路中可能存在的高频噪声和数字电路产生的噪声 对模拟电路产生信号干扰。在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内具有 良好的电源抑制比性能。国外文献中，使用运放结构的带隙基准技术，在直流 频率时的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 ，电源抑制比) 可达一1 1 0 d b ，在 1 m h z 的p s r r 达一7 0 d b ；而使用无运放负反馈结构的带隙基准“，在1 k h z 的p s r r 第一章绪论 为一9 5 d b ，在l m h z 的p s r r 为一4 0 d b 。 4 低功耗的电压基准源 低功耗设计对于p d a 以及依靠电池工作的便携设备等低电压工作的手持设备 具有非常重要的意义。低功耗电路可以延长电池的使用寿命。 电流基准源 为了提高集成电路的性能，对基准电流源的要求越来越高。目前常用的电流 源设计方法是基于带隙电压基准源加在基准电阻两端产生基准电流，但是这种基 准电流受基准电压精度的影响较大；如果采用外置的基准电阻，不仅增加成本， 而且难以保证基准源之间的一致性，必须采用新的电路结构实现高精度电流源。 本芯片中的基准电流源是在带隙基准的基础上，采用不同温度系数的两个电流进 n r l n 0 1 行相互补偿的方法实现的”1 ”。 1 2 基准源的结构 对于c m o s 工艺下的带隙电压基准源结构，一般分为电流密度比补偿型、弱反 型工作型和多晶硅栅功函数差型等三种形式。 电流密度比补偿型是利用工作在不同电流密度下的两个相同晶体管的正向b e 结电压差的正温度系数来补偿双极型晶体管b e 结电压的负温度系数，以得到低温 度系数乃至零温度系数的输出电压；弱反型工作型是利用m o s 器件在弱反型区内饱 和漏电流的指数特性，产生与绝对温度成正比的p t a t 电压，来补偿负温度系数的 双极型晶体管b e 结电压，从而获得稳定的基准输出电压；多晶硅栅功函数差型则 是借助反型重掺杂硅栅m o s 管的阈值电压差来构成的。 1 3 芯片总体介绍 本文所设计的基准源电路应用于磁卡解码芯片s p m 2 2 0 0 ，图1 1 是整个芯片的 管脚分布图。 磁条卡是一种运用磁性物质制成的标识卡。s p m 2 2 0 0 是应用于磁条卡解码系统 中的一个芯片。它会把磁头信号中的f 2 f 信号解码成数字脉冲信号。而本文设计的 基准源电路( 基准电流和基准电压) 将为s p m 2 2 0 0 中的解码电路，纠错电路以及放 大电路提供参考电压与参考电流。由于s p m 2 2 0 0 采用c s m c o 5 u mc m o s 工艺进行加 工流片，因此，项目中所有模块都采用3 5 v 工作电源。项目中的基准模块要求具有 较高的电源抑制比( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ，p s i 水) 。温度系数是基准源的一个 重要参数，为了保证芯片测试精度，要求基准模块的温度系数不高于6 0 p p n l 。 本文采用电压源和电流源基准是专门为s p m 2 2 0 0 芯片实际需要设计的。 硅卡解码蕃片中基准电路的设计研究 - 卜刁a ? ，一、】 - 5 ，n cr j ：p a z ，r dr d 0 - i i 1 1 ，d _ 。一。j = 、，l t 川一， j s v 。f c h pt c p f r 。 厂2 厂or c k ) - f ，f hr d ： 圈1 _ 1 锄0 芯片整体电路及管脚分布 1 3 1 磁卡解码的原理及性能指标 磁卡是一种磁记录介质卡片。它广泛的被制作成为银行卡，身份识别卡公 交卡，电话卡。公路交费卡等，有着很广泛的运用领域。 磁卡解码芯片设计是应用于磁条卡信息读取系统f ，邛解码苍片可| ；【从磁头中 把到2 f 信号解码为数字时钟信号，它会根据刷卡速度等外部环境的不同读取速度在 每秒3 0 0 比特到1 5 0 0 0 比特之闻自由切换。 磁卡解码芯片掣叫啪具有以下基本性能： ( 1 ) 工作电压：d c3 o _ d v ( 2 ) 工作温度：- 4 0 一1 2 0 ( 3 ) 刷卡速度：1 0 啪，s 1 5 0 c m ，s ( 4 ) 数据处理速度：3 0 0 1 5 0 0 0 b 呻愀 ( 5 ) 工作电流：3 5 m a d c 3 3 v _ 如l a 月孵5 帆7 ( 6 ) 处理信号幅度：3 加1 v _ 3 0 0 m v 1 3 2 磁卡解码芯片基本模块 根据电路的实际需要，我们将电路分为4 个部分；e 血锄c 郴分，模拟信号放大 部分，强编码部分，数字解码部分。磁卡解码芯片的系统结构如图l 硝示 第一章绪论 图12 磁卡解码芯片的系统结构 图1 4 芯片电路概围 整个芯片的电路结构如图1 3 。左边是电源基准模块，包括带隙基准、参考电 压、参考电流、时钟脉冲电路以及p o 即o w lo nr l s 明电路。右边是苍片的 两个通道，每个通道内部电路是一致的。每个通道内部电路包括放大电路，f 2 f 解码电路，数字解码电路。 r e 向即电路部分如图15 所示，为芯片工作提供所需要的电压和电流。具体 到本芯片中，就是提供带隙基准电压1 2 5 v ，v c ( 1 5 v 和2 5 ，v c c ，2 h v ， v 0 + o 1 v 等参考电压以及l o i | a 和5 u a 的参考电流。 磁卡解码芯片中基准电路的设计研究 嚣i t 7 图l _ 5r e f e r e n c e 基准电路 前置放大电路主要是把从磁卡中读取的3 0 3 0 0 m v 的小信号，放大到l v 。以便 后面的模拟数字解码电路对信号进行解码。前置放大部分的主要组成就是运算放 大器，这里要设计适合实际电路性能指标的运放，包括合适的带宽和增益。 f 2 f 解码电路是把前置放大器输入的电压信号转换为二进制编码，实现从模拟 信号到数字信号的转化。 数字解码电路是通过算法的设计对f 2 f 编码进行解码，目的是将二进制编码 转换成十进制编码。 其中，基准源电路作为为整个芯片提供参考电压和参考电流的基准，它的性 能的好坏对于整个芯片成功与否有着很大的影响。 第一章绪论 1 4 论文的基本框架 本文第一章是绪论，介绍基准源的发展趋势和现实意义，并且对整个芯片做 简单介绍，阐述基准源在电路中的作用。 第二章对基准源的指标、电路结构分类及性能进行比较，阐述了带隙基准的 相关原理。 第三章对c m o s 工艺下的几种带隙基准源进行比较，着重讨论了本芯片所采用 的基准的原理和优点。 第四章以本芯片中实际采用的基准电路为依据，通过各种仿真数据，阐述了 带隙基准在基准电压源和基准电流源的实际应用。 第五章是整体版图的设计及验证，以及后仿真。 最后是结论和致谢以及参考文献。 第二章 基准源电路结构和电气特性 9 第二章基准源电路结构和电气特性 模拟电路广泛包含了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，但与温度的关系是稳定的。它的温度稳定性以及抗噪声能 力是影响到电路精度和性能的关键因素。由于带隙基准电压、电流源电路的输出 电压及电流几乎不受温度和电源电压变化的影响，这就使得片内集成的带隙基准 电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。 在带隙基准电压源电路的发展过程中，双极型电路最为成熟，由于采用了带 隙基准或齐纳击穿电压作为稳定的电压单元，使其在精度和稳定性方面都达到了 相当高的水平。而在m o s 电路中，由于器件的选择有限，而且器件的基本参数与 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。但是， 由于m o s 电路，特别是c m o s 电路的低功耗、高噪声容限、高集成度和高抗干 扰等独特优点，以及其高速问题的逐步解决，使得c m o s 技术得到了迅猛发展。 2 1 带隙基准的基本原理 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 压或者电流。在大多数应用中，所要求的温度要求采用下面三种形式的一种： ( 1 ) 与绝对温度成正比( p d 玎) ( 2 ) 常数g m 特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数 ( 3 ) 与温度无关 与温度关系很小的电压或者电流基准被证实在许多模拟电路中是必不可少。 值得注意的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与工 艺温度无关的话，也就是与温度无关的。 2 1 1 与温度无关的基准 带隙基准实现是由两个具有完全互补温度特性的电压相加实现的。一般方法 是在一个随温度上升而下降的具有负温度系数的电压，加上一个随温度上升而上 升的具有正温度系数的电压，从而实现输出电压的零温度系数。例如，对于随温 度变化向反方向变化的电压y 。和y ：来说，我们选取口。和以：使得 口。a y ，a 丁+ 以：a y ：a 丁= o ，这样就得到了具有零温度系数的电压基准， 磁卡解码芯片中基准电路的设计研究 y 脚= 口，y 。+ 以：y ： ( 2 1 ) 接下来就是如何产生正温度系数和负温度系数的两种电压。在半导体工艺的 各种不同器件参数中，双极晶体管的特性参数被证实具有很好的重复性，并且具 有能提供正温度系数和负温度系数的，严格定义的量。尽管m o s 器件的许多参数 已被用于基准产生，但是双极电路还是形成了这类电路的核心。 2 1 2 正温度系数和负温度系数电压 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极电 压的差值就与绝对温度成正比。如果两个同样的晶体管( ，= ，：) 偏置的集电极 电流分别为，z ，。和，。并忽略他们的基极电流，那么 矿肥= y 朋。一y 舾： 哳血凳以哇 = y r 砌，z ( 2 2 ) 这样，矿船的差值就表现为正温度系数：竺笔= 号砌，z ( 2 3 ) 双极晶体管的基极一发射极电压，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 1 3 与c o m s 工艺的兼容性 无论对于正的或者是负的温度系数的量，与温度无关的电压都是依赖于双极器 件的指数特性。所以我们必须在标准c m o s 工艺中找到具有这种特性的结构。 在n 阱工艺中，p n p 晶体管可以按照下图2 1 结构组成。n 阱中的p + 区( 与p f e t 的源漏区相同) 作为发射区，n 阱本身作为基区。p 型衬底作为集电区，并且必然 接到最负的电源( 通常为地) 。 第二章基准源电路结构和电气特性 2 1 4 带隙基准 图2 1c m o s 工艺中p n p 双极晶体管的实现 利用上面得到的正负温度系数的电压，我们可以设计出一个令人满恿的零温度 系数的基准。 图示2 2 为带隙基准的原理示意图。双极晶体管的基极一发射极电压y 二具有负 温度系数，其温度系数在室温下为一1 5 m v 。k 。而热电压y r ( 矿r = 灯g ) 具有正 温度系数，其温度系数在室温下为+ o 0 8 7 m v 。k 。将y r 乘以常数k 并和y 膪相加 得到输出电压y 脚 y 脚2y 肥+ k y 丁 ( 2 4 ) 将式对温度t 进行微分，并将矿雎和y r 的温度系数带入可求得常数k 同时得 到了一个具有零温度系数的输出电压矿脚。图中，处于深度负反馈的放大器a 以 矿工和矿y 为输入，驱动r 1 和r 2 的上端，使得x 点和y 点的电压近似相等。同时通 过使q 1 和q 2 发射极的面积成一定比例而使它们的工作电流密度比为一个固定值n 。 那么y 肥。= 肼+ 矿船：，即2y 心一y 盯：2y r i l ln 。所以矿d ：= y 肥：+ y r 砌，z ， 意味着如果砌刀2 1 7 2 ，矿d ：就可以做与温度无关的基准。 磁卡解码芯片中基准电路的设计研究 图2 2 1 r 带隙基准原理电路 2 2 基准源的电路结构 理想的电压基准源应该具有完美的初始精度，并且在负载电流、温度和时间 变化时电压保持稳定不变。实际应用中，设计人员必须在初始电压精度、电压温 漂、迟滞以及供出吸入电流的能力、静态电流( 即功率消耗) 、长期稳定性、噪 声和成本等指标中进行权衡与折衷。 两种常见的基准源是齐纳和带隙基准源 2 3 1 。齐纳基准源通常采用两端并联拓 扑；带隙基准源通常采用三端串连拓扑。 2 2 1 齐纳二极管和并联拓扑 齐纳二极管优化工作在反偏击穿区域，因为击穿电压相对比较稳定，可以通 过一定的反向电流驱动产生稳定的基准源。 齐纳基准源的最大好处是可以得到很宽的电压范围，2 v 到2 0 0 v 。它们还具有 很宽范围的功率，从几个毫瓦到几瓦。 齐纳二极管的主要缺点是精确度达不到高精度应用的要求，而且，很难胜任 低功耗应用的要求。例如：b z x 8 4 c 2 v 7 l t l ，它的击穿电压，即标称基准电压是2 5 v ， 在2 3 v 至2 7 v 之间变化，即精确度为8 ，这只适合低精度应用。齐纳基准源 的另一个问题是它的输出阻抗。上例中器件的内部阻抗为5 i i l a 时1 0 0 q 和l m a 时 6 0 0q 。非零阻抗将导致基准电压随负载电流的变化而发生变化。选择低输出阻抗 的齐纳基准源将减小这一效应。 第二章基准源电路结构和电气特性 埋入型齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊齐纳二极管，这是 因为采用了植入硅表面以下的结构。作为另一种选择，可以用有源电路仿真齐纳 二极管。这种电路可以显著改善传统齐纳器件的缺点。m a x 6 3 3 0 就是一个这样的电 路。负载电流在1 0 0pa 至5 0 m a 范围变化时，具有1 5 ( 最大) 的初始精度。 2 2 2 带隙基准源和串联模式拓扑 并联基准源和串联基准源的最大不同是三端串联模式电压基准不需要外部电 阻，并且静态功耗要小得多。最常见的是带隙基准源。 带隙基准源提供两个电压：一个具有正温度系数、另一个具有负温度系数。 两者配合使输出温度系数为零。正温度系数是由于运行在不同电流水平上两个 y 肛的差异产生的；负温度系数来自于y 雅电压本身的负值温度系数。 在实际应用中，两个温度系数之和并不精确为零。这依赖于很多设计细节， 如i c 电路设计、封装和制造测试等，这些器件通常可以实现每摄氏度5 至1 0 0 p p m 的y d 叮温度系数。 采用并联还是串联结构一般由实际应用和希望达到的性能决定。 2 3 带隙基准电路结构选择 对于c m o s 工艺下的带隙电压基准源结构，一般分为电流密度比补偿型、弱反 型工作型和多晶硅栅功函数差型等三种形式。电流密度比补偿型是利用工作在不 同电流密度下的两个相同晶体管的正向b e 结电压差的正温度系数来补偿双极型晶 体管b e 结电压的负温度系数，以得到低的温度系数乃至零温度系数的输出电压； 弱反型工作型是利用m o s 器件在弱反型区内饱和漏电流的指数特性，产生与绝对 温度成正比的p t a t 电压，来补偿负温度系数的双极型晶体管b e 结电压，从而获 得稳定的基准输出电压；多晶硅栅功函数差型则是借助反型重掺杂硅栅m o s 管的 阈值电压差来构成的。以下将分别就这三种形式的c m o s 带隙电压基准源电路展开 讨论。 2 3 1 电流密度比补偿性带隙基准电路 图2 3 一图2 7 是采用运放结构的c m o s 带隙电压基准源电路。图2 3 中，由于 运放工作在深度负反馈状态下，运放的两个输入端迫使结点a ，b 的电压相等，即 磁卡解码芯片中基准电路的设计研究 y 雎l2y 雎2 + y 矗3 。 因此可以得到电阻r 3 的电压为y 肥= y 朐一y 肥：= 矿r 砌咒。假如运放为理 想运放，流过电阻r 1 和r 2 的电流都等于流过电阻r 3 上的电流，= y r 砌，z 尺， 所以运放输出为 讥。+ 龛m ，z ( 2 - 5 ) 运放的输出端给基准核心支路提供电流。如果要求电路功耗低，则运放的工 作电流必须很小，其带负载能力有限；图2 4 所示的电路采用了三条支路实现基 准输出，同样，由于运放的深度负反馈，结点a ，b 的电压相等，流过r 1 电阻的 电流满足 ，。2 ( y 船。一y 艇：) r ； ( 2 6 ) 因为m o s 管m l ，m 2 ，m 3 的宽长比一般为1 ：1 ：1 ，所以电路的输出电压为 y d w = ( y 舾。一y 肥：) ) r ：尺。+ y 雎， ( 2 7 ) 图2 3 t 图2 4 该电路相对于图2 3 ，多了一条电流支路，因为电路功耗增加。电路的另外 一个缺点就是电流经m l ，m 2 ，m 3 之间的跨导的失配以及沟道长度调制效应都会给电 压增加新的误差。因为a ，b 结点的电压为一个发射结电压，约为0 6 6 5 v ，所以m 3 与m 2 ，m 1 之间必然因为沟道长度效应给输出电压带来误差。 图2 5 和2 6 可以说是图2 3 的改进电路，运放的输出都直接接到m o s 管的栅极， 因而不需要提供电流。图2 5 的p m o s 管的m 1 是一级共源放大结构，运放的输出电压 比电源电压低一个阈值电压，该电路的电源电压最小是带隙电压加上m 1 的过驱动 电压。如果能设计出低压工作的运放，那么可以应用与p d a 等低压工作设备的芯片 第二章 基准源电路结构和电气特性 1 5 中去。图2 6 的n m o s 中的m 1 的作用相当与是给电路加个一级缓冲，运放的输出电压 等于带隙输出加一个n m o s 管的阈值电压，因此该电路的最低电源电压有运放所需 要的工作决定。由于n m o s 管的衬底接地，无形中增加了m 1 管的阈值电压，因此电 路低工作电压要高于图2 6 的最低电源电压。 图2 5 2 3 2 弱反型工作型c m o s 带隙基准电路 图2 6 弱反型工作型c m o s 带隙基准电压源出现的比较晚，主要是对p t a t 电压源认 识的困难。该类型基准源设计的原理是：利用m o s 器件在弱反型区内饱和漏电流 的指数特性，产生与绝对温度成正比的电压差以补偿双极型晶体管b e 结电压的负 温度系数，从而获得温度特性稳定的基准电压。实践证明，由弱反型区工作的 m o s f e t 所组成的c m o s 电路，其功耗非常低。 弱反型区是指衬底表面能带发生弯曲，其表面势介于本征和强反型之间的一 种工作状态。在n 沟道增强型m o s 管中，当y 。略小于阈值电压y ，时，管子处于 截止状态，但是由于栅氧化层中正电荷的作用，沟道中仍有少量可动电荷，能够 提供一定的漏电流。这种处于弱反型区域的漏电流称为亚阈值电流。这时，m o s 管 的转移特性呈现指数特性。厂随着y 指数增加，但是当y 增加到一定值后， 厂。偏离指数，进入强反型区。由于亚阈值电压的存在，使得m o s 管不能突然截止， 对于逻辑电路而言，这是不希望的。但是，在模拟电路中却是得到很好的应用。 在集成电路的集成度不断提高的情况下，降低功耗成为了突出的主题。因此，对 于m o s 管的亚阈值区的小电流条件下工作的研究越来越被重视起来。 图2 7 是一个弱反型工作型c m o s 带隙基准电路的例子。图中所有m o s 管都工 1 6 磁卡解码芯片中基准电路的设计研究 作在弱反型区域，p m o s 管的m 3 ，m 4 ，m 5 构成第一组镜像电流源电路，n m o s 管的m 1 ，m 2 构成第二组镜像电流源，这两组电流源组成反馈型闭环回路。电路进入正常工作 状态后，有 y 邯。= 矿田：+ y r ， ( 2 8 ) t y 矗。= ，胄。r ， ( 2 9 ) 由于m 1 ，m 2 管都工作在弱反型区域，流过m 1 和m 2 管的电流特性为指数特性， 即 驴删畿， 他 这样可以得到 除孵砌参 他 综合可得 ，胄。= f y r 知笋尺， ( 2 1 2 ) d 2 上式得到的电流为正温度系数的电流，电流流经镜像后流过电阻r 2 ，形成一 个正温度系数电压。 叫r 等船。砌受帆。 第二章基准源电路结构和电气特性 上式中右边第一项为正温度系数的电压，第二项为负温度系数电压，通过调 节r l ，r 2 ，( w l ) ，就可以得到某一温度下零温度系数的电压。 为确保该基准源的正常工作，必须做到：在整个工作温度范围内，即使在额 定的最高温度下，也应满足器件在弱反型区内的工作条件，这在普通的工艺上很 难实现；必须减小泄露电流，以防止这些电流成为高温度误差的主要来源。由于 m o s 管要工作在弱反型区，只有当器件的宽度大或者漏电流小才能满足这样的条 件，因此弱反型电路的速度是非常有限的。 2 3 3 多晶硅栅功函数差型带隙基准电路 在采用特殊硅栅工艺的场合，可以借助反型重掺杂硅栅m o s f e t 的阈值电压差 来构成c m o s 带隙电压基准源电路。通常的硅栅为n + 型重掺杂，而c m o s 工艺则提 供了制作p + 型重掺杂硅栅的方便。假若两个m o s 管的几何图形和沟道类型完全相 同，但多晶硅栅的掺杂类型不同，及分别为p + 和n + 。这样，两个m o s 管的饱和漏 电流栅压的特性曲线之间存在一个与偏置电流无关的恒定电压。假定氧化层的 电荷相同，则两者的栅压之差仅于p + 和n + 多晶栅之间的功函数有关。在c m o s 技 术中，多晶硅层的掺杂浓度很高，以增大低电阻率的横向接触面。 对于一般的一级温度补偿，实现硅的带隙电压再加上正比于绝对温度的电压， 即可达到由外推法得到的绝对零度时硅的带隙电压值。因此，该类型基准源的基 准电压只取决于两个相反掺杂的硅栅m o s 管的平带电压之差，并且完全与c m o s 硅 栅工艺技术相兼容。虽然这种基准电路具有较为灵活的设计，但是这种电路完全 依赖于工艺掺杂，对于工艺掺杂要求太高。 前面讨论的三种不同带隙电压基准电路的优缺点，我们这个项目选择了电流密 度比补偿性带隙基准电路。因为：对于弱反型工作型c m o s 带隙基准电路，由于它 要求整个工作温度范围内，即使在额定的最高温度下，也应满足器件在弱反型区 内的工作条件，这个由于本项目所选工艺有限，予以排除；对于多晶硅栅功函数 差型带隙基准电路，它对工艺掺杂的控制，它所要求的工艺是可以控制的硅栅掺 杂工艺，上华o 5 u mc m o s 工艺是不可控制的，也予以排除。综合考虑，本芯片设 计采用了电路密度比补偿带隙基准电路作为基准参考电路。 1 8 磁卡解码芯片中基准电路的设计研究 2 4 基准源的性能指标 一个具有良好性能指标的基准电路， 用，而影响基准源性能参数的因素有很多， 1 精度 对整个芯片的设计具有很大的影响作 下面就列举几个比较重要的参数。 基准源的输出电压与标称值的误差，包含绝对误差和相对误差，称为该电 路的精度，一般在空载的条件下测量。在很多应用中，比如在高精度d a c a d c 这样 需要绝对测量的系统，精度是最重要的指标。 2 温度系数t c 温度系数反映因环境温度变化引起的输出电压的变化，一般用p p m 来表征。 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。 3 噪声 基准输出电压中的噪声通常包括宽带热噪声和窄带1 f 噪声。宽带噪声可以 用简单的r c 滤波器有效的滤除。1 f 噪声是基准源的内在固有噪声，不能被滤除， 一般在o 1 到l o h z 范围内定义，单位为川矿，一p 。对于高精度系统，低频的l f 噪声是一个重要的指标。 4 长期稳定性( l t s 长期稳定性( l t s ) 给出了某一封装或某类器件中潜在的硅片应力或离子迁移 的程度。注意，在温湿度极端情况下的电路板洁净程度对此参数有很大的影响。 还要注意长期稳定性在2 5 基准温度下有效，单位为p p m 1 0 0 0 h 。 5 电压基准源流出和吸入电流的能力 大多数应用只需要基准源对负载供出电流。但是考虑到许多基准源不能吸入 电流，如果偏置电流和漏电流超过基准源的吸入电流能力，结果会导致输出电压 明显变化。 6 输出电压温度迟滞现象( t h y s ) 输出电压温度迟滞现象是另一个不可修正的误差。t h y s 是2 5 基准温度下由 于温度正反向偏移( 即从热到冷，然后从冷到热) 所引起的输出电压的变化。其幅 度正比于温度偏移量。在很多情况下，电压基准源i c 的设计和封装使热滞后性难 以修正，对于经历温度变化范围在2 5 或更大时的系统，热滞后性是一个重要的 误差。 7 建立时间 建立时间是指电压基准源从电路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。 第二章基准源电路结构和电气特性 1 9 8 电源调整率 在规定的输入电源电压变化范围内，输入电压增量引起的基准输出电压的变 化，可用矿y ，v ，即聊矿单位来表示。 9 负载调整率 规定的负载电流的变化范围内，负载电流增量引起的基准输出电压的变化量， 它包括负载电流较大使功耗增加时所产生的自然热现象引起的输出电压的变化 量，通常用y ，列或即聊州单位表示。 第三章基准电路的设计 2 1 第三章基准电路的设计 由上一章的带隙基准原理可以知道，产生一个与工艺温度和电源电压几乎没 有影响的基准源对于整个芯片的性能提升是非常重要的。 3 1 设计要求 本文设计的基准电路，为磁卡解码芯片其他部分电路提供相应的参考电压和 参考电流，因此这里的参考电压和参考电流要有很高的精度，即良好的温度系数 和电源抑制比。 本芯片所需要的基准电路包括五大部分，如图3 1 所示，分别为： 1 带隙基准电压矿，= 1 2 5 v 要求：带隙基准电压达到1 2 5 v 时的电源电压要低于芯片最小工作电压3 v ，y 耐 的温度系数和电源抑制比( p s r r ) 符合芯片需要。 2 参考电压v c c 2 ( 1 5 v3 v ) v c c 2 + 1 v v c c 2 + o 1 v 要求：整个芯片的工作电压为3 v 5 v ，参考电压是在带隙基准电压基础上产生的， 也要求有电路需要的温度系数和电源抑制比。 3 参考电流1 1 = 1 0 u a1 2 = 5 u a 要求：参考电流为运算放大器以及解码电路提供偏置电流。 4 数字脉冲信号电路( 振荡电路) ，振荡频率为1 眦 要求：为取样电路，数字解码电路提供脉冲信号，其中振荡频率为1 m h z ，其 受温度和电源电压影响很小。 5 p o r 电路( p o w e ro nr e s e t ) 要求：在启动电路启动异常的情况下，可以使带隙基准电路重新启动，从而使 电路恢复正常。 磁卡解码芯片中基准电路的设计研究 3 2 1 启动电路 黧繁i 管“” 图31 基准电路 3 2 带隙基准的产生 在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的的问题就是“简并”偏置点的存 在，即电路存在两个平衡工作状态，其中一个中作状态是电源上电后基准产生模 块中所有的晶体管均传输零电流、并且可以无限地保持关断的状态，另一个是正 常的工作状态。由于电路可以稳定在两个工作状态中的任意一个，所以需要通过 增加一种电路，使得电源上电后能够驱动电路摆脱简并工作状态并且正常工作， 这种电路就是所需要的启动电路”。 启动电路的主要作用是将参考电路从零电流工作点状态转化到电路的正常工 作点状态。传统的启动电路在电路启动之后继续消耗恒定的电流，总体上会增加 电路的总消耗。另外一种启动电路在电路达到正常工作状态后，整个启动电路完 全截止，消耗零电流。 c t r 为功耗控制开关，如图3 2 所示，当c t r 为低电平时，m 1 2 导通，m 3 关 闭，则n 3 点电位为高，h 5 关闭，差分放大器尾电流为0 ，差分放大器没有工作， 整个电路也没有工作，处于省功耗状态：当c t r 为高电平时，m 1 2 关闭，m 1 3 导通， 则m l i 州1 6 组成的偏置电路为n 3 提供合适的偏星电压，使得差分放大器以及整个 电路正常工作。 第三章基准电路的设计 图3 2 启动电路 如图3 3 ，当v c c 接通瞬间，可能出现各支路电流为o 、n 5 点为高电平的情 况，这时电路处于非正常工作状态。但是通过启动电路，能够使电路回归到正常 工作点。具体为：当n 5 为高电平时，