（微电子学与固体电子学专业论文）高电源抑制cmos基准源的设计.pdf

摘要 摘要 基准源模块广泛的应用于模拟和混合电路中，如a d 、d a 转换器，电压调谐器，电压表，电 流表等测试仪器以及偏置电路其输出的基准信号稳定，与电源电压、温度以及工艺的变化无关 本文给出了一种应用于数字电视调谐芯片的基准电流源的设计，其作用是为芯片中的其他模块提供 稳定的青流偏置电流。本文设计的摹准电流源包括两个部分，基准电压源产生一稳定的基准电压，电压 一电流转换电路将基准电压转换成基准电流并输出给其他模块。 基准电压源的设计采用韵是带隙基准电压源的阶温度补偿技术实现，设计得到输出电压的温度系 数的仿真结果为1 4 6 p p m ：c 。本文对带隙基准电压源中由于工艺偏差引起的五种参数失配因素包括 电流镜失配、电阻失配，电阻容差、运放的失调电压和双极型晶体管的失配进行了分析，得到了各 个失配因素对输出电压偏差钓贡献比较。并给出了电路设计时的改进措施。本芯片应用于射频接收 机系统，工作频率达到了i g i - - i z ，由于电路容性通路的存在及闭环增益随着频率的升高而下降，在高 频下来自电源端的干扰信号得不到足够的抑制，芯片内部的基准源在整个频段内对电源噪声的抑制能力 韵好坏将影响到整个芯片在整个频段尤其是高频下的工作性能。因此本文着重对带隙基准电压源的电镢 抑制频率特性进行分析。通过对带隙基准电压源的电源抑制的频率特性进行小信号建模，推导其电 源抑制频域的传输函数表达式，根据传输函数表达式适当的调整参数并采用补偿电容技术对基准电 压源的电源抑制进行优化，优化后的电源抑制性能为低频段1 0 3 d b ，高频段低于5 0 d b 。 电压一电流转换电路的设计采用的是由n m o s 管和低温度系数电阻的电流负反馈电路实现，并 采用一个高增益的运放来提高n m o s 管的跨导，使得电流更稳定。低温度系数的电阻是由工艺库提 供的两种相反温度系数的多晶电阻线性叠加实现。本文对电路参数失配即运放失调，电租容差和电 流镜失配进行了分析，采用了一种可调电流镜像比的t r i m m i n g 结构来调整输出电流的大小设计的 基准电流源的温度系数为4 8 p p m c ，电源电压稳定性为 o “搬2 5 v 4 v ) 本文所设计的基准电流源模块用c h a r t e r e d0 2 5 p m n 阱c m o s 工艺实现，所有仿真结果基于仿 真工具h s p i c e 仿真，模型计算分析采用m a t l a b 工具。全芯片在c h a r t e r e d 流片，基准源韵流片测试 结果表明在2 5 v 4 v 的电源电压变化范围内，基准电流l r e f 的变化率为1 7 ，测试点v 。随温度 变化趋势与仿真结果基本相符，与温度成正比变化。 关键字：带隙基准电压源，温度系数，电源抑制，参数失配，基准电流源，微调 a b s t r a e t r e f e r e n e e 瓤瑚黼a mw i d e l yu s e di na n a l o ga n dm i x - m o d ec i r c u i t s , s u c ha s 加。d ae o n v e r l c r s 。 v o l t a g er e g u l a t o r s m e a s u l r c l n e n t s , i n s l t u m e l l l a t i o ne i l _ c l l i t s ，a n db i a sc i l r c u i t s r e f e r e n e es o u r c eo u t p u t sa s t a b l er e f e r e n c es i g n a lw h i c hi si n a e p e l 岫to f p o w e rs u p p l yv o l t a g e 岬t u r ea n dp r o c e s s t h i st h e s i s d e s i c n e d1 1c u r r e n tr e f e r e n c ef l o u r c t ow l a i e hw a sa p p l i e di nt u n e rc h i pf o rd i g i t a lt v t b cf u n c t i o no ft h e a 山百髓tr e f e r e n c es a u 托ei st os u o p i vad cs t a b l eb i a sc u r r e n tf o r t h eo t h e re i r e u i t si nt h ee h i p 1 h ed e s i g no f t h ee t t r r e n ts o t u c ei n c l u d e dt w o 群i 鸭o w a st h ev o l t a g er e f e r e n c e w h i c hg e l m a t e das t a b l eo u t p u t , c o l l a g ea n dt h eo t h e rw a st h ev - ic o n v e r t e rc i l c u i lw h i c hc o n v e r t e dt h er e f e n e ev o l t a g et or e f e r e n c e c l u r ta n do u t p u ti tt ot h eo l h e l - b l o c k si nt h ec h j d t h ed e s i g no f v o l t a g er e f e r e n c ei nt h i st h e s i sa d a p t e db a n d - g a pf 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 t e c h n i q u e ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l to ft e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ( t cf o rs h o r t ) o ft h eo u t p u tv o l t a g ei s 1 4 6 p p n v | c t h i st h e s i sa n a l y z e df i v em i s m a t c ha d u e t op r o c e s si nt h eb a n d - g a pv o l t a g er e f e r e n c e t h e y a c u r r e n t m i r r o r m i s m a t c h , r e s i s t o r m i s m a t c h 。r e s i s t o r t o l e r a n c e o f f s e t v o l t a g e a n d b i p o l a r t r a n s i s t o r m i s m a t c h 1 1 l i st h e s i sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fe a c hm i s m a t c he i t o ra n dp r o p o s e di m p r o v i n gm e t h o d s s i n c et h ec l a i pi sa p p l i e di nr fr e c e i v e rs y s t e m , a n dt h eo p e r a t i o nf r e q u e n c yi se x t e n d e di o1 g l i z t h e p o w m - s u p p l y 捌e c t i o n ( p s rf o rs h o r t ) i x f f o r m a c eo f t l r e f e r e n c e8 0 l l r c ci nt h ew h o l e 丘i 啊l c yr a n g e w i l li n f l u e n c et h ew h o l ec h i pp e r f o m l me s p e c i a u yi nh i g hf r e q u e n c yb e c a u s et h a td u ei ot h ee x i s t i n go f t h ec a p a c i t i v et h r o u g ha n dt h er e d u c t i o ni nt h el o o pg a i nw i t t if r e q u e e y s p u r i o u ss i g n a l sc o m i n gf r o mt h e p o w e r s u p p l y l i n c c a n n o t b ea a e q u a t e l y 喇e e t e d 1 1 l j s t h e s i s u l y z e d t h e p s r p e r f o r m a n c e o f t h e b a n d - g a p v o l t a g er e f e r e n c et h r o u g hm o d e l i n gf i l ep s rp e r f o r m a n c e i n f r e q u e n c yd o m a i na n dd e t r u d i n g1 1 1 c t r a n s f u n e t i o ne x p r e s s i o no fp s 1 1 l i st h e s i sa l s o 删u s t e at h ep a r a m e t e rb a s e do nt h er a m s f u n c t i o n e x p r e s s i o n a n du s e dac o n l p 蛐s a t i o nc a p a c i t o rt oi n l p l o v et h ep s rp e r f o n m c 七1 1 b es i m u l 娟o nr e s u l to f p s rp , m o m m a f t e ro p t i m i z a t i o ni s - 1 0 3 d bi nl o wf r e q u e t l e ya n dl o w e rt h a n 5 0 d bi nh i c hf r e q u e n c y t h ed e s i g no fv ic o n v e r tc i r c u i ti nt h i st h e s i sa d a p t e das e r j 韶一s 酮嚣f e e d b a c kc i r c u i tw h i c hw 鼬 c o n s i s t e do f an m o sa n dal o wt cl e s i s t o r i tu s e dah i i g l l 蚪i no p at oi n a 愀t h et r a n s e o n d u e t o ro f t h e n m o st os t a b i l i z et h er e f e r e n c ee u r l 1 t h el o wt cl s i s t o rw a sc o m b i n e do ft w op o l yr e s i s t o r sw i t h d i f f e r e n tt ci ns e r i 嚣1 1 1 i st h e s i sa l s oa n a l y 捌t h ep m m e t e rm i s m a t c h 嬲o t t 娩- tv o l t a g eo ft h e0 p a r e s i s t o rt o l e r a n c ea n de u l r e n ti n i l t o rm i s m a t c hi nt h ev - ic o n v e r tc i r c u i t sa n da d a p t e d a d j u s t a b l ec u t l e t m i r r o rr a t i oc i r c u i tt ol z i m m i n gt h eo u t p u tr e f e r e n c ec m 枷lt b es i m u l a t i o nr e s u l to ft co ft h eo u t p u t e t u m n t i 8 4 8 p p m ，a n d p o w c l s u p p l ys t a b i l i t y i ss m a l l e r t h a n 0 6 4 ( 2 5 v - - 4 v ) t h cd 曙i 鲷r e f e r e n c es o u l ei nm i 8t h e s i sw a sf a b r i c a t e di nc l t a r t e r e d0 2 5 t a mn - w e l lc m o sp r o c l s a 1 1t h es i m u l a t i o n 煳i t s 哪b a s e do nl - l s p i e es i m u l a t o r , a n dt h em o d e l i n ga n a l y s i su s e dm a t l a bt 0 0 1 t b e e l a i ow a sf a b r i e a l e di nc h a r t e r c x l 1 1 砖m n tr e s u l t so f t h ec u r r e n tr e f e r e n c e8 0 l l r e es h o w e dt h a tt h e p o w e rs u p p l ys t a b i l i t yo ft h eo u t p u tr e f m m 雠e u r r ti s1 7 ( 2 5 v q v ) a n dt h et r e n da l o n g 曲峙 t e l r i p e m t u r eo f t h et e s tp o i n ti st h e 秘i n 茸w i t hs i m u l a t i o nr e s u l tw h i c hi sd i r e c tp r o p o r t i o nt o 佃i 啪n i m k e yw o r d s ：b a n d - g a pv o h 妒r e f e t e l a c e , t e m p e r m t u r ee o e f n e l e n t , p s r , p a a l l m e l t e rm i s m m t e h ，c u r r u a t r e f e r e n c e , t r i r a m i 哩 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：主益銎坠日期：坐 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生繇趁垒丛导师躲幽日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着2 0 0 3 年已经启动的广播电视数字化的推进，数字电视将拥有一个十分广阔的市场前景。数 字电视的调谐器是数字电视接收机的前置级部件，在数字电视技术中占有十分重要的地位东南大 学a s i c 工程中心所设计开发的数字电视调谐器专用芯片采用三波段单变频结构实现射频到中频的转换。 其基本原理是射频信号翊过三个跟踪滤波器被分为u h f ，弧h 和 fl 三个波段，再通过两级跟踪 滤波器来实现频段选择，接着经过跟踪滤波器的选择后的窄带r f 信号进入芯片，该窄带r f 信号与芯片 内部的v c o 输出的本征l o 信号通过芯片内部的混频器混频降到个固定的中频信号，并通过中频放大 器输出。芯片还集成了一个锁相环，其作用是通过1 2 c 配置，不仅输出v o d 的控制电压使v c o 的输出本 征l o 信号稳定，还要输出跟踪滤波器的控制信号以调节跟踪滤波器的中心频率。 芯片内部的v c o ，混频器以及锁相环中的各个模块均需要个与温度无关，与电源电压无关。稳定 性良好的偏置电流，因此该芯片内部需集成一个具有多路输出的基准电流源，其作用就是为芯片的各个模 块提供个稳定的偏置电流，而其输出电流的稳定性将直接影响各个模块的性能。 基准电压源和基准电流源广泛的应用于模拟和混合电路中，如a d ，d a 转换器，电压调谐器， 电压表，电流表等测试仪器以及偏置电路。传统的基准电压源或电流源更多的是考虑其温度稳定1 型1 聃， 精度陬”、功耗”h 1 5 垮性能，但随着射频集成电路和数字电路的发展以及带隙基准源在高频电路应用中 的推广，电源抑制性能成为了基准源在高频及数模混合电路应用中的个重要衡量标准。这是因为电路 容性通路的存在及闭环增益随着频率的升高而下降，来自电源端的干扰信号得不到足够的抑制而 在射频和数字电路环境中由于窜扰和衬底耦合噪声干扰的增加使这一问题变得尤为突出本芯片的 最高工作频率达到i g h z ，因此芯片内部的基准源在整个频段内对电源噪声的抑制能力的好坏将影响到整 个芯片在整个频段尤其是高频下的工作性能。 基准源属精致的模拟模块，为了降低其对工艺偏差的敏感度，应在版图设计时稀d 考虑。同时由工艺 偏差引起韵基准源的参数失配其中主要包括电流镜的失配，运放的失调、双极型晶体管的失配、电 阻的失配等分析和评估这些参数失配对输出信号的影响，对整个电路的可靠性具有重大的意义 1 2 论文主要工作 本课题的目标是设计一个适用于射频接收机系统的基准电流源。在输出电流值，温度稳定性， 精度，功耗等满足设计要求的前提下重点优化其电源抑制性能指标 主要工作如下： 1 ) 课题调研，查阅资料了解主流的摹准屯流源原理和结构，分析优缺点； 2 ) 根据系统要求，对基准电流源的各性能指标定义； 3 ) 根据性能指标确定基准电流源拓扑结构及各部分电路； 4 ) 对电路各部分进行仿真和优化达到设计目标： 5 ) 分析由工艺偏差引起的参数失配，评估其对电路的影响； 6 ) 对基准电流源中的基准电压源的电源抑制频率特性建模并优化； 7 ) 版图设计及物理验证，后仿真并验证性能指标，实现流片； 8 ) 测试及调试，整理数据，分析和评估。 东南大学硕士学位论文 1 3 论文结构 本文分为七章对高电源抑制c m o s 基准源的设计进行了详细的讨论和分析。本章为绪论，主要 介绍课题背景。 第二章主要介绍基准源的基本原理和基础理论。总结并比较了基准源的主流技术，分析了带隙 基准源的基本原理，介绍了电源抑制的概念和发展现状，最后介绍了基准电流源的一些基本原理和 实现方法 第三章和第四章主要分析带隙基准电压源的设计过程，其中第三章首先介绍了基准源所关注的 性能指标并给出了系统对基准源的指标定义，然后阐述了整个带隙基准电压源电路的具体设计过程； 第四章则着重分析了带隙基准电压源的电源抑制频率特性建模和优化过程 第五章给出了基准电流源的具体设计过程，包括v i i 转换电路和电流输出级电路的设计 第六章总结了一些版图设计技巧并给出整个基准电流源的版图设计。 第七章给出带隙基准电压源和基准电流源的前后仿真结果的分析，并根据系统对基准源的指标 定义对基准所达到的性能指标进行评估，最后是测试结果的分析和讨论 本文豹最后是对整个基准源设计的总结和展望 2 第= 章基准源理论基础 第二章基准源理论基础 在模拟电路设计中，偏置电路作为一个基本的电路单元是不可缺少的，其功能是用来给其他电 路模块提供稳定的电压或电流，即基准电压和基准电流基准电压源和基准电流源两者并不是孤立 的，电压基准可以转换为电流基准，反之亦然。通常来讲都是用电压基准来产生电流基准 无论是电压基准还是电流基准都要求其输出特性稳定，包括低温度系数，低功耗，良好的负载 特性，高精度，高电源抑制及与工艺无关早期的基准源主要是考虑消除其温度效应，随之应运而 生了许多消除温度效应的技术。随着高频电路的发展，基准源的高频特性如电源抑制和噪声越来越 受到人们的重视。下面就基准电压源的温度特性和电源抑制特性分别介绍其主流技术及原理。最后 讨论基准电流源的实现形式。 2 1 基准电压源概述 1 稳压二极管基准源 工作在雪崩状态的齐纳二极管的击穿电压具有正的温度系数约为+ 2 m v c ，而正向硅二极管具 有负的温度系数约为- - 2 m v c 。两者可以相互抵消通常在一只反向的齐纳二极管上再串联一个正 习二极管来调整输出电压的温度特性。 如果选用高精度运算放大器与隐埋齐纳二极管组成基准电路，可以调整电路的输出精度。成熟 的产品有a d i 公司的a d 5 8 8 和a d 5 8 6 ，输出电压的温度系数可以达到l 2 p p 州虽然温度特性 可以做得很好，但是这的电源电压必须大于7 v ，工作电流也( 毫安级) 很大，所以功耗很大，在一些 便携式的或者是电池供电的系统中就不能采用这种结构的参考电压源。 2 带隙基准源 带隙基准电压源不仅可以将输出电压的低温度系数做的很低，同时还可以工作在低电压( 甚至 可以低到i v ) 下是目前应用最广泛的一种技术。 带隙基准电压源的基本原理是利用双极型晶体管基区发射区电压v b e 具有的负温度系数，而不 同电流密度偏置下的两个基区发射区的电压差v 具有正的温度系数的特性，将这两个电压线性叠 加从而获得低温度系数的基准电压源 精度要求不高的电路一般只要一阶温度补偿就够了，精度要求高的电路就需要采用二阶补偿甚 至是高阶补偿来获得更好的温度特性理论研究上最好的输出电压的温度系数可以达到0 2 弹n l ， 实际流片出来的最好效果可以达到0 s p p m c 。 纵向p n p 管的工艺可以与c m o s 工艺兼容，所以这种技术可以应用在c m o s 集成电路中，这 也是带隙技术应用最广泛的原因之一 3 结型场效应管基准源 这种电路中一般包括两个结型场效应管，其中一个在制造时外加一步离子注入工艺，这样就使 两个管子的夹斯电压有一个差值。在相同的驱动电流和电源电压下。就可以将这个差值转移到栅极 电压上v o s 具有负的温度系数，通过加一个具有正的温度系数的电流i v r a t 来实现输出电压的零温 度系数。 这种结构的电路本身会受到工艺的跟制，在c m o s 工艺中无法实现，所以应用并不广泛输出 电压的温度系数一般可以达到8 1 0 p 叫 东南大学硕士学位论文 4 e d n m o s 基准源 e dn m o s 基准电压源是利用增强型与耗尽型m o s 管的开启电压之差形成温度稳定的基准电 压源其输出电压的表达式： 匕= 一( 一) = 确一九+ 掣+ 圳i 1 一亨1 * l e - - c i 式中q 为单位面积注入的电荷量，与温度无关，比较容易控制： c 是c o x 与注入沟道的深度 形成的电容之串联值。显然输出电压与温度无关 这种电路输出电压的温度系数可以达到2 0 p p n v c 。但是它的缺点是有耗尽性管子，工艺比较复 杂，并且v t e 、v 1 d 韵值一般难以做到理想。所以应用不是很广泛 表2 1 列出了4 种主流技术的优缺点比较。 表2 1 基准电压源4 种主流技术比较 整奠一酝繇二“ 温度特性电源拇豺 功彰篡i 芑实蕊?噪声”羹 采用稳压二极管的 成熟的产品通过工 可以做到不高大 比较复杂 艺降低 雪崩击穿电压 1 2 p p m x 2 噪声 可以做的很 有很多 采用带隙技术l p p m c小兼容c m o s - r 艺方法降 好 低噪声 8 l o p p m 和c m o s 工艺不 采用结型场效应管 较差一般 一般 兼容 e dn m o s 基准电压 源 2 0 p v m x ? 比较高一般比较复杂一般 综上所述，带隙基准电压源以其综合优势在c m o s 电路中应用最为广泛，下面一节将具体分析 带隙基准电压源的原理及电路 2 2 带隙基准电压源温度补偿 在半导体工艺的各种不同的器件参数中，双极型晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性， 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 器件韵许多参数已被考虑用于基 准产生，但是双极电路还是形成这类电路的核心 带隙基准电压源的基本原理是利用双极型晶体 管基区发射区电压v m 具有韵负温度系数，而不同 电流密度偏置下的两个基区发射区的电压差v m 具有正的温度系数的特性 将这两个电压线性叠加从 而获得低温度系数的基准电压源。如图2 1 所示 2 2 1 双极型晶体管v b e 温度特性冒2 1 带隙基准电压源的温度补偿原理 双极型晶体管集电极的电流密度可以表示为： 厶= 警d 等 c 第二章基准源理论基础 式中j c 为三极管的集电极电流密度，q 表示基本电荷量，d 。为电子的平均扩散系数，n p o 表示基 区电子的平衡浓度，表示基区宽度，指热电压( = k t q ，k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对 温度) 。 基区电子的平衡浓度”。o 可以表示为 。，。：孚：罢 。x p ( _ 。巧) ”一。2 矿2 百唧。一 ( 2 - 2 ) 式中d 是与温度无关的常数rt 是绝对温度，n a 是受主浓度，o 是禁带宽度约等于1 1 2 e v 由 ( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 两式可以得到电流密度的表达式为； 厶= 跷e d 警 c ：。， 一7 麟- ( 半 ( 2 - 4 ) 式中的彳= 以d 阡i ，是一个与温度无关的常数，d ：是d 。与温度无关的常数部分，由于 d 。和温度有关，所以( 2 4 ) 式中的，和( 2 - 3 ) 式中的3 稍有不同考虑在温度瓦时刻的电流密度 厶，得到： j c o = a 彤叫老叱。) j 结合( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 两式可以得到： 老= ( 习7 e d 詈( 毕一半 进一步推导可以得到： = ( 一刳+ 。( 寺) + 等h ( 争 + i k t k ( 老) 设j c 与温度的t 。有关，进一步推导式2 - 7 可以得到： 2 + 吾( 。一。) - ( r - - 0口) 等n ( 吾0 1 y 1 我们不难看出，第一项是与温度无关的常数，第二项是关于温度豹一阶项， 5 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 第三项是关于温度 东南大学硕士学位论文 y 8 e = a o + a i t + a z t l + a 3 t 。+ + 4 ? 。( 2 - 9 ) 式中的a o , a l 一是与温度无关的常数。经验表明，在温度t = 3 0 0 k 的时候，v m 的温度系数 大约为1 5 m v i c 2 2 2 温度补偿实现方法 l 阶补偿 对于两个工作在不相等的电流密度下且面积比为n l 的双极晶体管。如果它们的工艺参数都一样， 如图2 2 ，那么可以得到它们的基极一发射极电压的差值v e e 的表达式为1 6 】： = ，一z = _ l n 等一_ l n 去= 巧l n 删( z 。) 其中巧= k t q ，则v * 与温度成正比关系 取k = 1 3 8 0 6 6 2 x 1 0 - z 3 。c ，q = 1 6 0 2 1 8 9 2 1 0 1 9 c ，可得 固2 2 正温度系数电压产生电路 ( 2 1 1 ) 通过调节m ，n 的值可调节v b e 的温度系数，与v n 相叠加抵消式( 2 - 9 ) v e g a l t 项这种 补偿方法仅能补偿v b e 中关于温度的一阶项。因此称为一阶补偿或线性补偿。一阶补偿的温度系数 一般在1 0 2 0 p p 州左右，对于温度稳定性要求不高的系统一阶补偿已能满足要求，而对于温度稳 定性要求较高的系统还需通过高阶补偿的来实现。 2 高阶补偿 1 9 8 0 年t s i v i d i s 在文献1 1 中对v b e 的温度模型进行了详细推导，得到了v 关于温度t 的精确 模型，箕表达式为： ( d = ( n 一( 争( ) + ( 号) ( e ) 一( 玎一( 等m ( 争 ( 2 - 1 2 ) 其中t r 为参考温度，q 为迁移率的温度因子，0 为集电极电流的温度因子，v j 为硅的带隙电压，它 也是一个与温度有关的量。 每一次理论的突破必然带来技术的革新! 继该文之后应运而生了许多带隙基准电压源的高阶补 偿技术。( 1 ) 利用两个偏置在具有不同温度系数的集电极电流的双极型晶体管的v m 具有温度高阶 项的高阶补偿技术4 2 1 4 5 i 1 9 x 2 0 n 2 “。( 2 ) 利用v m 的温度高阶项的高价补偿技术【”i 卸( 3 ) 利用 与温度成非线性关系的电阻的高阶补偿技术唧】( 4 ) 利用双极型晶体管的电流增益因子p 与温度成 指数关系的特性的指数补偿技术嘲“c 5 ) 利用具有温度系数的电阻的串并联得到温度高阶项的高 阶补偿技术疆1 “。 3 其他补偿技术 还有一种简单有效的补偿技术称为分段补偿技术研】，其原理是将输出电压随温度变化分段补偿， 一般的一阶补偿的方法仅有一个参考温度t r ，对温度进行适当的分段后，在不同的温度段各设有一 6 第= 章基准源理论基础 个参考温度弼，对每一段进行阶补偿从而降低误差大小。 目前c m o s ，b i c m o s 和b i p o l a r 三种工艺下带隙基准电压源达到的最好的温度特性分别为 5 3 p p m c t 2 6 ，1p p m c t ”，0 5p p m c 川( 均为测试结果) 2 3 带隙基准电压源电源抑制 2 3 1 电源抑制定义 电源抑制是用来衡量电路对电源噪声抗干扰能力的特性。对于具有输入信号的模拟模块，用电 源抑制比p s r r ( p o w e r s u p p l y r e j e c t i o n r a t i o ) 的概念，其定义为输入到输出的增益与电源电压到输出 的增益的比值，公式表达式为： p s r r ：塑 钆 ( 2 1 3 ) 其删沪昔b ，如2 詈b 而对于基准源，由于没有输入信号，为此引入了电源抑制p s r ( p o w e r s u p p l yr e j e c t i o n ) ，其定义 为电源电压到输出增益的倒数，公式表达式为： p s r ：上 a “ 其中一：鳖 ( 2 1 4 ) 2 3 2 电源抑制研究现状 随着射频集成电路和数字电路的发展以及带基准源在高频电路应用中的推广，电源抑制性能成为了 基准源在高频及数模混合电路中的个重要衡量标准。因此基准电压源的电源抑制及其频率特性分析逐 渐被设计者们重视。 圈2 3 采用内都校准电压的带隙基准电压潦 不少论文从改进电路结构的角度来提高电源抑制， 7 圈2 a 采用电压减法嚣帕带腺基准电压灏 如在传统的带隙基准电压源电路的基础上目 东南大学硕士学位论文 入一个内部校准电压v r ，通过反馈来调节使v t e g 的电压不受v d d 的影响从而提高电源抑制性能， 如图2 y “，这种方法得到的电源抑制性能为- 9 5 d b i k l l z ，- 4 0 d b i m h z 。另外一种方法是通过在 电源和运放输出之间加入电压减法器，使得电源噪声直接处于反馈环路中，通过反馈调节p m o s 电 流镜的栅源电压，从而降低p m o s 管漏电流的变化并降低参考节点对电源电压的敏感度，如图2 4 1 ”， 这种方法得到的电源抑制特性为- 9 8 d b i k h z ，4 0 d b 1 0 0 k h z 。 更为一般的方法是根据定义求出p s r 频域的传输函数。然后调整传输函数表达式中相应的参数， 或者根据传输函数表达式采用相应的补偿技术来提高电源抑制特性 3 0 1 3 ” 目前理论上带隙基准电压源电源抑制得到的最好结果为一1 4 9 d b l h z ，- s 2 d b 1 0 k h z l 3 q ，该文 采用了内部校准电压的方法伺时采用共源共栅的结构实现而目前市场上一些应用于高频系统的基 准源产品的电源抑制性能低频一般在- 9 0 d b ，高频在- 4 5 d b 左右，其中美信公司提出的m a x 6 5 2 0 电 源抑制性能最好达到了一1 1 5 d b f f i h z ) ，- 5 0 d b ( 1 ； o i k h z ) 2 a 基准电流产生原理 基准电流的产生通常是通过摹准电压转换得到。传统的结构如图2 5 所示，带隙基准基准电压源 产生的基准电压通过运放，晶体管和电阻构成的负反馈电路转换成电流并通过电流镜镜像输出，由 图可知： ， 。一2 盲 ( 2 1 5 ) v d 为带隙基准电压源的输出电压，若电阻为理想电i g s f j 得到的基准电流k 将与电源电压无关，温 度系数与v d 相同这种结构的输出电流特性与屯阻的关系很大，实际上不可能有理想的电阻存在， 在实际的工艺中电阻的绝对值偏差较大且具有一定的温度系数，因此需在电路中可以加入t r i m m i n g 结构相同的工艺下，电容的精度和温度系数比电阻要好得多，可以用开关电容电路来代替电阻， 如图2 5 3 3 ，c l k i 和c l k 2 为两个非交叠的两相时钟，得到的电流为； l 畸= 2 y 呵c 呵 圈2 5 电阻和开关电容形式的基准电漉源 ( 2 1 6 ) 其中c 为c 。，c 2 的电容值，k 为时钟频率。由于两相时钟信号的实现比较复杂，有些系统不支持， 因此也可以采用图2 6 的结构，由圈可知： b 第= 章基准源理论基础 ，= 2 r 2 = 心，等= 鲁。 将上式对温度求导可得： 丝：生( 丝+ 堕一盟、 d t r 、d t d td t 7 圈2 6 电驵比倒形式的基准电漉鞭 妊 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 如果r 1 和r 2 具有相同的温度系数且r i = r 2 ，则v o s l 的温度系数与v w 的温度系数相同，这样就可 以得到同样温度系数的电流。 9 东南大学硕士学位论文 第三章带隙基准电压源的设计 由第二章的讨论可知，基准电流源内部通常都包含一个基准电压源，而且基准电压源的性能在 整个基准电流源的性能中起关键作用，因此基准电压源的设计将是整个基准电流源设计的重点。本 章将首先介绍基准电压源的主要性能参数并给出本系统对基准源的指标定义，然后重点介绍完整基 准电压源的设计过程，包括启动电路，偏置电路，运放和基准核心单元电路的设计，最后将给出工 艺偏差引起的参数失配，包括电流镜的失配，运放的失调，电阻的失配，电阻的容差和双极型晶体 管的失配对输出电压的影响分析 3 1 基准源主要性能参数及指标定义 基准源输出的电压或电流为一直流量，其目的是产生一个与电源电压、工艺无关，具有特定温 度特性的稳定的输出电压或电流，其主要关注的性能参数如表3 1 所示，表3 1 中的后三项参数主要 是针对基准电压源可靠性提出的，是基准源进入产业化阶段需特别考虑的指标，在本文钧设计中暂 不作为重点。 表3 1 基准源的丰要件能参数列表 雾p a r a m e t e r ” u n 玎葛d e 骐舰麟”、。、一”锡 龇赫。i & 。 一 。 g 温度系数 p p m c 在一定的温度变化范围内输出电压( 电流) 的相对变 ( t e m p e r a a t r ec o e f f i c i e n 0 化量 电源电压稳定性电源电压在一定范围内的变化引起的输出电压( 电 流1 的相对变化量 电源抑制 d b电源电压在不同频率下变化时，从电源到输出增益 ( p o w e rs u p p l yf e j c c t i o n ) 的倒数 精度输出电压( 电流) 与标称值的误差 ( a , ：c u r a c y ) 噪声 科 厩 输出电压( 电流) 的电压噪声 ( n o i s e ) 功耗 m w静态功耗 ( p o w e rc o n s u m p t i o n ) 启动时间从电路启动到输出电压( 电流) 稳定的时间 ( s t a nu pt i m e ) 篝糕瀑其拖糨装氍魄参数 一 i丛8 丛羔e 8翅蝼 d e s c r p n o n i 黪 ，一 一一 g 负载调整率 p p r n n 请 规定的负载电流的变化范围内引起的基准电压( 电 流) 的变化 长期漂移率 p p m l o o o h r s 在很长的一段时间里输出电压( 电流) 呈现的缓慢变 化 热滞后性 基准源经历温度变化再回到初始温度时，输出电压 r 屯流) 与初始值的误差 本芯片应用于射频接收机系统，其应用频率范围为i h z i g h z ，因此除了基准源主要的温度特 性和电源电压稳定性的要求外，需特别关注其高频的一些性能参数：电源抑制和噪声根据调研一 第三章带隙基准电压源的设计 些应用于高频系统的基准源韵性能指标，以及本系统对基准源模块的要求，对基准源的主要性能指 标做了如下定义，见表3 2 。关于功耗，启动时间系统未给出具体的指标，在设计时应兼顾，此外噪 声虽也未给出具体指标，将以与关键模块的联调结果来衡量其是否满足要求本文的所有仿真结果 将在第七章给出 表3 2 摹准源的指标定义 ；输出信号。参数一8 、符芍 设计君标单位5备收“一一? ”一慧 鹏“。 温度系数 t cl o 2 0 p p m c 温度范围- 2 5 8 5 电源电压稳定性 1 电源电压变化范围 3 3 ：t ：2 0 基准 电源抑制 p s r 低频 1 0 0 d b 频率范围：i i g h z 电压高频 5 0 v r e f 噪声 n o i s e f l h z , 1 0 h z ，l k h z , n v ，瓦 1 0 d k h z , 1 0 m h z 1 g h z 基准电压源的输出电 压噪声 温度系数 t c5 0 p p m c 温度范围2 5 8 5 电源电压稳定性 1 电源电压v d d 变化范围 输出3 3 d ：2 0 电流 精度 1 输出电流大小与设计 l o u t 值之间偏差的相对值 ( 以6 0 0 u a 为例) 噪声 n o i s e f 1 h z l o h z ，l k h z 州 厄 1 0 0 k h z , 1 0 m h z ，i g h z 输出电流带负载时该 点的输出电压噪声( 以 6 0 0 u 为例) 3 2 带隙基准电压源电路设计 由第二章所述，带隙基准电压源以其综合优势以及与c m o s3 - 艺兼容钓特点在c m o s 集成电路 中得到广泛应用，本文将采用带隙的方法来实现基准电压 源的设计，同时给出相应的启动，偏置及运放电路的设计 3 2 1 带隙核心电路的设计 根据指标定义对温度系数的要求为1 0 2 0 p p m c ，设 计良好的阶补偿带隙基准电压源可以达到这一要求，这 里采用2 2 2 节中的一阶补偿技术。 图2 2 中的偏置电流可用p m o s 电流源来代替，由于 m o s 管的沟道长度调制效应会导致显著的电源电压依赖 性，为解决运一问题可利用共源共栅结构良好的屏蔽特性 删，电路中的电流源采用共源共栅结构。同时为了减小运 放失调电压的影响，可采用两个三极管级联的结构1 3 5 j 为 了降低输出电压和电流的l f 噪声，主要的方法是增加管子 圈3 i 带辣核心电路结构 嘲 i i l 0 l , n l 东南大学硕士学位论文 的面积i ，在共源电路中驱动管的噪声影响较大，因此在设计时应将由运放的输出驱动的靠近电源 电压的p m o s 管的面积设计得比较大m o s 管的过驱动电压一般为1 0 0 2 0 0 m v ，双极型晶体管的 v 一般为0 7 0 8 v ，若采用以上结构，条支路上需消耗的电压至少为2 v + 2 v d s s a r + i r 。 c h a r t e r e d0 2 5 p m 工艺提供的电源电压为3 3 v ，通过精心设计其偏置电路可以满足要求。偏置电路 的