（检测技术与自动化装置专业论文）高性能bicmos带隙基准电压源设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来由于集成工艺水平的提高，电路设计技术的不断改进，设计模拟集成 电路得到了较大的进展，同时也对所设计电路的性能提出了新的挑战。 带隙基准电压源之所以是模拟电路中的重要模块，是因为它能够提供近似恒 定的参考电压，此电压不随温度、电源电压和工艺之变而变。这一优良特性使得 带隙基准电压源在诸多集成电路中得到了广泛的应用。但它产生的基准电压精 度、抗干扰能力和温度稳定性等参数直接影响着整个电源的性能。因此，设计高 性能带隙基准源具有实际工程意义。 基于带隙基准的基本原理，设计了一种高精度、高电源抑制比( p s r r ) 、低 温度系数( t c ) 的带隙基准电压源。所设计的带隙基准电压源包括核心电路、运 算放大器( 运放) 、偏置电路和启动电路四个部分：核心电路选用b r o k a w 带隙 基准电路为基础进行设计：运放选择双极型晶体管为输入、m o s f e t 提供偏流 的两级差分运放电路；偏置电路采用低压共源一共栅电流镜和低压、自偏置共源一 共栅电流镜；启动电路中引入反相器，启动后可以自动断开电路以减少功耗。为 了进一步提高所设计的带隙基准电压源的性能，首先用指数曲率补偿技术来降低 温度系数，然后接入负反馈回路用来提高低频时电源电压抑制比，再在此基础上 加入共栅m o s f e t 屏蔽电源影响，最后在输出端接入r c 滤波电路，以提高高 频时的电源电压抑制比。 采用t s m c0 6g mb i c m o s 工艺参数，并通过h s p i c e 软件对整个带隙基 准电路进行了仿真。结果表明，在温度范围- - 4 0 。c 1 0 0 时，温度系数为7 2 p p m 。c ；在3 5v 电源电压和温度2 5 下，电源电压调整率为0 2 3m v v ；在 频率范围1 0h z 1g h z 时，平均电源电压抑制比已经达到1 0 0d b 以上；当电源 电压在2 5v 5v 范围内变化时，带隙基准源能产生9 9 7 6m v 的输出电压；静 态电流为1 6n a ；启动时问为5 0 0g s ；噪声低于6 5n v ( h z ) - i 2 这些指标都达到 了电路设计的目标，因而所设计的带隙基准电压源电路具有高电源抑制比、低温 度系数等技术优势。 关键词：带隙基准电压源；b i c m o s 器件；电源抑制比；温度系数 中图分类号：t n 4 3 2 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rp r o c e s sa n dc i r c u i t sd e s i g nt e c h n o l o g y ， a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i ti m p r o v e dg r e a t l yi nr e c e n ty e a r s t h e r ei sac h a l l e n g et ot h e p e r f o r m a n c eo fc i r c u i t s b a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g e sa r ei m p o r t a n ta n a l o gc i r c u i tb l o c k s i tc a np r o v i d ea n e a r l yc o n s t a n tr e f e r e n c ev o l t a g ew h i c hi ss t a b i l i z e do v e rt e m p e r a t u r e ，p o w e rs u p p l y a n dp r o c e s sv a r i a t i o n i tm a k e st h eb a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g eb eu s e de x t e n s i v e l y b u t i tg e n e r a t e dr e f e r e n c ev o l t a g ea c c u r a c y ，a n t i - j a m m i n g ，t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n do t h e r p a r a m e t e r sd i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fp o w e r t h e r e f o r e ，h i g h - p e r f o r m a n c e b a n d g a pr e f e r e n c ed e s i g nh a sp r a c t i c a le n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo f b a n d g a p r e f e r e n c e ，d e s i g nah i g hp r e c i s i o n ，h i g h 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 ) a n dl o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ( t c ) b a n d g a p v o l t a g er e f e r e n c e t h eb a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g ew h i c hi sd e s i g n e di n c l u d et h ec o r e c i r c u i t ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( o pa m p ) ，b i a sc i r c u i ta n ds t a r tc i r c u i tf o u rp a r t s c o r e c i r c u i ti so nb a s i so fb r o k a wb a n d g a pr e f e r e n c ec i r c u i td e s i g n o pa m pi sd e s i g n e d w i t ht h ei n p u tb i p o l a rt r a n s i s t o r ，m o s f e tt op r o v i d eb i a so ft w od i f f e r e n t i a lo pa m p c i r c u i t b i a sc i r c u i ti sd e s i g n e dw i t hl o w v o l t a g ec o m m o ns o u r c e - c a s c a d ec u r r e n t m i r r o ra n dl o ws e l f - b i a so ft h es o u r c e c a s c a d ec u r r e n tm i r r o r s t a r tc i r c u i tw i t ht h e i n v e r t e rc i r c u i t ，s t a r t sa u t o m a t i c a l l yd i s c o n n e c tt h ec i r c u i tt or e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o n t o f u r t h e r i m p r o v e t h e d e s i g n o f b a n d g a pv o l t a g e r e f e r e n c e p e r f o r m a n c e ，f i r s tu s ee x p o n e n t i a lc u r v a t u r ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u et or e d u c et h e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ，t h e nt h en e g a t i v ef e e d b a c kl o o pt oi m p r o v ea c c e s st o l o w f r e q u e n c yp s r r ，a n dt h e no nt h eb a s i si o i nt h ec o m m o n g a t em o s f e ts h i e l d e d p o w e ri nf l u e n c e ，a n df i n a l l ya c c e s st h eo u t p u tr cf i l t e rc i r c u i t ，t oi m p r o v et h eh i g h f r e q u e n c yp s r r t s m c0 6b mb i c m o ss k i l “su s e df o rt h eb a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g ew i t ht h e s i m u l a t i o nt o o lo fh s p i c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et cw i t ht e m p e r a t u r e ( 一 4 0 c - 10 0 ) i s7 2p p m 。c a n dw i t ht h e3 3v p o w e rs u p p l yv o l t a g ea n d2 5 t e m p e r a t u r e t h ep o w e rs u p p l yr e g u l a t i o ni sa b o u t0 2 3m v v i nt h ef r e q u e n c yr a n g e l0h z lg h z ，t h ea v e r a g ep s r rh a sr e a c h e dm o r et h a nl0 0d b w h e nt h es u p p l y v o l t a g e2 5v - 5vr a n g eo fc h a n g e s ，b a n d g a pr e f e r e n c ep r o d u c e sa no u t p u tv o l t a g eo f 9 9 7 6m v q u i e s c e n tc u r r e n ti s1 6n aa n ds t a r tt i m ei s5 0 0 “s n o i s ei sl e s st h a n6 5 n v ( h z ) 1 化t h e s ei n d i c a t o r sh a v er e a c h e dt h eg o a lo fc i r c u i td e s i g n t h u s ，t h ed e s i g n o fb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i th a sah i g hp s r r ，l o wt co ft e c h n i c a l a d v a n t a g e s 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 ；b i c m o sd e v i c e s ；p s r r ；t c 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：周浑 签字日期：m 年月f 日 导师签名：潮立 签字日期：望口f o 年6 月1 9 - n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：阀年 日期：知年钼f 蝈 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1研究的背景和意义 2 0 0 9 年世界半导体行业的持续稳定增长带动了全球电子信息产品市场的进 一步发展，通信、消费类电子及汽车电子领域己成为先导。3 g 手机的视频多媒 体等各种新应用对传统的电池寿命和电源管理技术提出了更高的要求和更严峻 的挑战。高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性、小体积和低成本等是今 后电源产品的发展方向l l l 。 集成电路是信息社会的基础。随着全球信息化和知识经济的到来，集成电路 显得越来越重要，它已经成为国民经济、人民生活和信息安全的基础性、战略性 的产业。带隙基准电压源是模拟集成电路和数模混合电路的重要单元电路之一， 它与电源电压、制备工艺、温度的相关性很小2 1 。正是由于这一特性，带隙基准 源在诸多集成电路( 如a d 及d a 转换器、集成稳压器、低温漂放大器和温度 传感器等) 中得到广泛的应用。但它产生的基准电压精度、抗干扰能力、温度稳 定性等参数直接影响着整个电源的性能1 3 j 。因此，设计高性能带隙基准源具有工 程实际意义。 1 9 7 1 年，r o b e r tw i d l a r 提出了一种带隙基准电压源技术1 4 】。利用该项技术可 得到一种不随电源电压之变而变、几乎与温度无关的基准电压源。相对于其它类 型的带隙基准源，该基准源可在低电源电压下工作，并与标准的c m o s 工艺兼 容。为了降低带隙基准源电压等级，并进一步提升温度性能，可用b i c m o s 技 术来大幅度提高基准源的相对精度【5 卅。基于此，设计了结构和工艺改进型 b i c m o s 带隙基准电压源电路。 1 2国内外发展现状和趋势 随着集成电路设计技术的不断进步和制造工艺的不断发展，带隙基准电压源 的各种缺陷被逐渐地认识和克服。基准电压源的性能得到了较大幅度的提升和改 善。尤其是近十几年，信息技术( i t ) 行业的迅速发展为带隙基准电压源的应用 开拓了更大的空间。以下是近十几年来基准电压源的设计技术进展概要。 1 低电压工作的基准电压源 由于集成电路的主流制作工艺的尺寸越来越小，工作电压也逐渐降低，采用 江苏大学硕士学位论文 在亚微米以下工艺并且与数字电路同步的低电压工作模拟电路结构成为系统集 成研究中的主要焦点之一。近十几年来，电池供电的便携式系统的要求得到广泛 应用，这也使设计低工作电压的模拟电路的要求日益迫切。它要求设计在同一基 片上的数字和模拟电路都工作在低压1 5v 以下。这一趋势就给模拟电路( 比如 运放、滤波器和数据转换器等) 的设计带来挑战，这是因为m o s 管的阈值电压 不会等比例下降。这些挑战也是设计基准电压源所面对的难题，目前已经有许多 方法获得低工作电压的精密基准电压源1 7 - 8 1 。然而，许多基准源的工作电压无法 降低主要是受所使用的运放的输入共模电压范围的限制，这样又相应地出现了使 用互阻抗运算放大器( 简称运放) 技术，或者将运放改用单输入放大器。 2 低温度系数的基准电压源 低温度系数的基准电压源对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说，对 于高精度d a 、a d 转换器、高精度电流源和电压源等。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 0p p m 。c 。为了进一步降低温度系数， 般需要进行高阶温度补偿。目前出现的高阶补偿技术包括二阶曲线、指数曲线 补偿技术、分段线性补偿技术、基于电阻比值的温度系数曲线补偿方法等【9 1 2 1 。 当电路在某一温度范围内使带隙基准输出电压值达到某个特定值时，运放电路的 失调电压的温漂会导致温度系数漂移，有如下方法可以减少失调电压温漂的影 响：第一、用大尺寸器件的运放电路；第二、减少失调电压在基准电压中的比例； 第三、去掉运放电路，转而采用自偏置电流源电路。 3 高电源抑制比的基准电压源 在数模混合集成电路中，电路本身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。在数模混合电路中，基准电压源应该在较宽的范围 内具有良好的电源抑制比。目前主要有以下四种方法：第一、带隙基准电压源的 核一t , e g 路由内部校准过的电压，为其提供供电电压或电流【1 3 小】；第二、在电源电 压和基准电压源的核心电路部分增加共源一共栅器件用以隔离；第三、提高运放 的增益和电源抑制比；第四、引入负反馈环路以提高电源抑制比。一般使用运放 结构的带隙基准技术，在直流频率时的p s r r 可达一1 1 0d b ，在lm h z 的p s r r 为- - 7 0d b ；而使用无运放负反馈结构的带隙基准源，在lk h z 时的p s r r 为一 9 5d b ，在1m h z 处的p s r r 为- - 4 0d b 。 2 江苏大学硕士学位论文 4 低功耗基准电压源 低功耗设计对于个人数字助理( p d a ) 、笔记本电脑及依靠电池工作的便携 式设备具有实用价值。所以基准电压源也存在着低功耗设计这一趋势，因为工作 在亚闽值的c m o s 基准电压源，利用两个m o s 管栅一源极之问电位差的j 下温度 系数与双极型晶体管发射结的负温度系数相抵消溽1 8 】，这种方法虽然与b i c m o s 电路相比降低了功耗，但由于这需要对工艺精度提出更高的要求，且由此带来温 度系数不很理想。此外，避免使用运放不仅可以实现低压状态下工作，而且对基 准电压源的低功耗设计也有着重要的意义。 1 3论文的主要内容 论文将带隙基准电压源作为主要研究内容，结合比较国内外现有的各种集成 基准电压源，确定了基准电压源的基本电路结构，选用0 6g mb i c m o s 工艺的 器件模型，设计出一款高性能的带隙基准电压源电路，并藉助h s p l c e 仿真工具， 调整电路结构及器件参数使电路性能达到所要求的指标，包括电压调整率、温度 系数、电源抑制比、启动时间等，从而得到最佳的电路结构和参数。具体内容如 下： 第一章介绍了课题的研究背景、意义和国内外研究现状。 第二章首先介绍了基准电压源的性能指标、分类和基本原理，然后详细分析 了几种传统的基准电压源的基本架构，并分析各自的优缺点。 第三章在深入分析温度系数的一阶补偿技术的基础上，对几种温度系数的高 阶补偿技术做出了分析和比较，选择指数型温度曲率补偿技术。 第四章阐述了带隙基准电压源的设计思路、目标，并对具体电路结构进行了 分析，最终设计出完整的高性能带隙基准电压源电路。 第五章藉助仿真软件h s p i c e 对电路进行了完整的仿真，分析了是否达到所 需要的设计目标。 第六章是论文工作的结论和展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章带隙基准电压源的基本原理及发展状况 在集成电路中建立一个与电源和工艺无关、且具有确定温度特性的带隙基准 电压源有着实用价值。传统的基准电压源通过硅稳压二极管实现，电压随温度的 变化明显。随着带隙基准电压源的问世，无论是在温度特性、电源电压、功耗等 方面都取得了很大的进步。多年来，在集成电路系统中已经采用许多种方法来研 发基准电压源。包括以下方法【1 9 1 ： ( 1 ) 稳压二极管； ( 2 ) 利用增强型m o s 管和耗尽型m o s 管之间的阈值电压之差异； ( 3 ) 利用负温度系数的p n 结电压和正温度系数的热电压相互抵消。 目前的带隙基准电压源以第三种方法为设计思路。自从2 0 世纪7 0 年代以来， 国内外针对带隙基准电压源的实现，提出了一些电路结构，随着电路结构不断改 进和新工艺开发应用，电路的性能也在逐步得到改善。本章阐述带隙基准电压源 的基本原理，并介绍几种传统的带隙电压源的电路结构。 2 1 基准电压源的性能参数 1 精度 基准电压源的输出电压与标称值的误差。包括绝对误差和相对误差，称为该 电路的精度，一般在空载条件下测量。在很多应用中，精度是重要的指标之一1 2 0 1 。 2 温度系数t c 基准电压源的温度漂移特性通常用相对温度系数来表征，单位是p p m c ( p p m 表示百万分之一) ，它表示由于环境温度变化引起的输出电压的漂移量， 反映基准源在整个工作温度范围内输出电压最大值与最小值相对于正常输出时 的变化，是衡量基准电压源的关键技术指标。 肚【- 耥j 1 0 6 滔。 3 噪声 基准输出电压中的噪声包括两类：一类是宽频带的热噪声；另一类是低频1 f 噪声【2 。在高频时主要是热噪声，这种宽带噪声可以在输出端和共同端之间增加 一个寄生电容，而1 f 噪声是基准源的内在固有噪声，与工艺有关，一般在o 1 到1 0h z 范围内定义，此噪声无法抑制。在高精密度电源设计中，噪声因素是不 4 江苏大学硕士学位论文 可忽视的。 4 负载调整率 负载调整率是基准输出电压自身的相对变化与规定范围内负载电流相对变化 的比值，单位通常用r t v m a 或p p m m a 。为了保证在负载端得到准确的基准电 压，一般总可以用缓冲放大器隔离基准和负载。负载调整率越小说明基准电压源 带负载的能力越强。 5 启动时间 启动时问是指电源上电后，基准源输出电压达到j 下常值所需要的时问，通常 均为s 数量级。 6 电源抑制比p s r r 电源抑制比指电源电压存在的纹波电压频率从低到高变化时，基准输出电压 相对于电源电压变化的小信号增益。 7 电源电压调整率 电源电压调整率是基准源输出电压产生的相对变化与规定范围内输入电源电 压相对变化的比值，可用i t v v 、v 、p p m v 为单位表示。电源电压调整率越 小说明电源电压对基准电压源的输出电压影响越小。 2 2 基准电压源的分类与性能比较 1 隐埋齐纳二极管基准电压源 早期的齐纳二极管基准电压源为减少温度漂移或温度系数，通常在一只反向 齐纳二极管上再串联一只正向二极管2 2 1 ，如图2 1 所示。因为工作在雪崩状态的 齐纳二极管的击穿电压为7v 左右，具有正温度系数( 约为+ 2m v ) ，而正偏 的硅二极管具有负温度系数( 约为一2m v ) ，二者相互抵消。但是由于这两个 温度系数的绝对值并不相等，而且都随电流而变化，所以很难得到零温度系数。 这种温度补偿二极管( v d 2 ) 和齐纳( 雪崩) 二极管( v d l ) 的击穿发生在硅 表层( 图2 1 ) ，所以称为表层齐纳二极管。由于硅芯片表层与其内部相比有较多 的杂质、晶格缺陷，所以表层齐纳二极管的噪声较大、长期稳定性差，而且容易 受到表面氧化层中迁移电荷及环境温度的影响。为了克服上述缺点，改进制造工 艺，采用隐埋齐纳二极管结构( 图2 1 ) ，使其击穿发生在表层下面，从而可以避 免表层的影响，使其在温度漂移、时间漂移、噪声特性等方面得到明显的改善。 江苏大学硕士学位论文 但是由于表层下面的扩散工艺比表层上面难控制，所以在制造过程中使基准电压 源的绝对值和温度系数等参数的分散性比较大，常常超过允许误差。因此必须设 计一种电路结构，能对基准电压源的绝对值和温度系数进行调整。 g c c v d i v d ， 队u e f 击穿区 a 表层齐纳二极管 隐埋 击穿区 b 隐埋齐纳二极管 图2 1 齐纳二极管基准原理、表层和隐埋齐纳二极管结构 隐埋齐纳二极管比带隙基准具有更好的性能。典型地情况下，隐埋齐纳二极 管基准源具有0 0 1 0 1 的初始精度，温度系数为l 1 0p p m 。c ，低于1 0u , v p p ( 0 1 - 1 0h z ) 的噪声，长期稳定性一般为6 1 5p p m 1 0 0 0h 。 2 带隙基准电压源 隐埋齐纳二极管基准源的缺点是电源电压必须大于7v ，工作电流相当高， 通常为几个毫安，显然这种基准源不适合于便携式和电池供电等应用场合。 带隙基准源是一种低温度系数、低工作电压的基准源，如图2 2 所示。其基 本原理是：b j t 发射结压降e 具有负温度系数( 室温下温度系数约为：一2 2 m v c ) ，但两个工作在不同电流下的双极型晶体管( b j t ) 之间的结电压之差魄e 比c 图2 2 带隙基准电压源的原理图 却正比于热电压昕，此时e 具有正温度系数( 室温下约为：+ 0 0 8 5m v 。c ) ， 6 江苏大学硕士学位论文 它与绝对温度成正比( p t a t ) 。若昕乘以常量k 加上电压e 后，再选择合适的 k 值，就可得到理论上温度系数为零的基准电压昧e f 。因此，低温度系数带隙基 准源电路的输出电压昧e f 可表示为： 昧e f = u b e + k u t ( 2 2 ) 图2 2 中k 为比例系数。在典型情况下，温度系数为1 0 - - , 5 0p p m o c ，输出电 压噪声为1 5 - 3 0p v p p ( 0 1 l oh z ) ，长期稳定性为2 0 - - - 3 0p p m 1 0 0 0 h 。 由于电路模块的设计无法采用隐埋齐纳二极管基准电压源，所以只有选择带 隙基准源来设计基准电压源。带隙基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数， 是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。 2 3 带隙基准电压源的基本原理 2 3 1负温度系数电压的产生 如图2 3 ( a ) 所示，如果忽略晶体管基极电流，则其集电极电流等于射极电 流，其电流大小可表示为1 2 3 l ： 毛= 忝7 k t ( 2 3 ) 式中，s 为晶体管发射极反向饱和电流，它的大小与发射极面积成正比，与掺杂浓 度成反比；k 为为波尔兹曼常数，g 为电子电荷量，r 为绝对温度。由式( 2 - 3 ) 可知： = u i n 盼岫( 警 防4 ， 式中彳e 为晶体管发射极面积，风基区电子扩散系数，甄基区宽度，b 基区杂 质浓度。 由于彳e 、d n 、b 均与温度无关，所以可设： f ：鱼( 2 5 ) 敝m 风根据爱因斯坦公式可表示为： 现= 昕。 ( 2 6 ) 由式( 2 4 ) 式( 2 6 ) ，可得 =futg。ni2(2-7) 式中船i 2 为硅本征载流子浓度，胁为硅电子迁移率，分别表为： 7 江苏大学硕士学位论文 h i 2 = c t e x p ( 一u r e f 昕) ( 2 8 ) n - - d t r ( 2 - 9 ) 式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 中，c 、d 为与温度无关的常数，y 是与基区掺杂浓度有关 的参数，f 为带隙基准输出电压。 联立式( 2 4 ) 、式( 2 - 7 ) 、式( 2 8 ) 和式( 2 - 9 ) 解得： e = u ti n i c q t 4 一 e x p ( u r e f 昕) f k c d ( 2 1 0 ) 式中七与温度有关，因而可表示为： l c - - g r ( 2 1 1 ) 式中g 、u 均为常数。把式( 2 1 0 ) 代入式( 2 - 11 ) 得： u b e u r e f u r ( 4 一r - u ) 1 1 1 卜l i l ( q g k f c d ) ( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 即为晶体管发射结电压e 与温度丁的近似关系式。式中昕 ( 4 一r - u ) l i l 丁项与温度有关，并通过对数关系反映出来，其变化不显著；而u t = k q t 项 与温度成正比。由此可见，e 大体上随温度减少而线性增加。如果将温度线性 外推到绝对零度，则u b e 达到硅的带隙电压值f = 1 2 0 5v ，如图2 3 所示。 阼f e ( v ) 1 2 0 5 0 1 0 02 0 03 0 0 t ( k ) 图2 3 三极管基射结电压及温度特性 b j t 在2 0 15 0 的温度范围内较好地保持着这一特性。通过不断的试验， 并运用统计规律，可以取值：一2 2m y ，即温度每上升1 ，认为b j t 的 e 正向电压下降2 2m v ，而温度每下降l ，其正向电压上升2 2m v 。因此， 可以利用b j t 这一温度特性来产生基准电压所需要的负温度系数。 2 3 2正温度系数电压的产生 1 9 6 4 年人们认识到，如果两只b j t 工作在不相等的电流密度下，那么它们 的基一射极电压降就与由恒流源供电的晶体管电压的绝对值成正比，其发射结电 压e 随温度升高而减少【2 4 。2 5 1 。但是，制作在一块集成电路上的两个相同类型的 晶体管，如果两者的恒定电流密度的比值不等于l ，那么它们的u b e 之差e r 江苏大学硕士学位论文 随温度的升高而增加，即u b e 具有j 下温度系数。其原理推导如下： 根据b j t 的工作原理： 尼l = i s l ( e g - k l l ) ( 2 1 3 ) 如= 尽2 ( e q u mk l l ) ( 2 1 4 ) 当u b e k t q 时： i c l 尽l 矽1 7 k 7 如尽2 e q u 2 k 7 为了简化问题，可以先假设q l 、q 2 的几何尺寸完全相同， 将式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 相除得： 尼l 如= e q t u 啦k 7 对式( 2 - 1 7 ) 两边取对数，整理后得 a u b e = u b e j u b e 2 = k t qi n ( i c t l c 2 ) 这样，e 的差值就体现出正温度系数： ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 那么尽i 等于尽2 ， ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) 丝坠：墨l n 刀( 2 - 1 9 ) a t q 上式表明，魄e 的变化率与温度无关，且这个温度系数与温度或b j t 的输出特 性无关。 2 4 传统带隙基准电压源结构 2 4 1基于双极型工艺的带隙基准电压源 1 w i d l a r 带隙基准源电路 图2 4 存在一个启动过程：刚上电时，v t 3 还处于截止状态，因此将v t 4 的 基极电压抬高，正向驱动u r e f ；同时通过v t 2 、r 3 逐渐上拉v t 3 的基极电压， 使其集电极电流不断增大。当增大到近似等于厶时，电路将会进入正常的工作状 态。 在正常工作状态下，基准电压源输出u r e f 可表达为： e f = u b e , + u r i( 2 2 0 ) 由于 1 ，忽略晶体管基极电流，则有：1 e l = 厶，1 e 3 = 厶。设两管特性相同， 即i , i s l = 1 3 i s 3 ，根据u 8 e = u ri n ( 厄尽) 可得： u b e , = u b e 3( 2 2 1 ) 9 江苏大学硕士学位论文 由图2 4 和式( 2 2 1 ) 可以看出，r l 和r 2 上的压降相等。可得 和1 2 的关 系式为： 图2 4w i d l a r 带隙基准电路 i i h = r i r 2 根据双极型晶体管的原理： 将上两式相除得： ( 2 2 2 ) 垃q l ! b e 2 t 。= t 。e 朋，七= t ：e 盯 ( 2 2 3 ) 生生：p 寺( u n i - - u b e z ( 2 - 2 4 ) i ni s l 对上式两边取对数整理后得： u 。= 吒。一u 暇2 了k th l i j e ii j s 2 ) ( 2 - 2 5 ) 从电路上来看，e 正好是电阻r 3 上的电压降： e = e 2 r 3 ( 2 - 2 6 ) 因f l l ，故忽略晶体管基极电流，则i e 2 = h ，将上三式代入式( 2 2 0 ) 得： = 。+ 了k t i r 2l n i r 2i s 2 ) ( 2 2 7 ) 从式( 2 - 2 7 ) 可以看出，该电路输出电压的温度调节系数与电阻的绝对值及 其它的参数无关，只取决于电阻比值和b j t 发射结面积之比，因此可以不受电 阻温度系数的影响，具有良好的温度稳定性。由于电流3 由电源决定，所以当电 源电压变化时，其将跟随变化，这将使式( 2 - 2 1 ) 不再精确成立，从而导致式( 2 - 2 2 ) l o 江苏大学硕士学位论文 的比例关系不能精确相等，最终使输出电压受到电源电压的影响【2 们。 2 b r o k a w 带隙基准源电路 如图2 5 所示，v t i 和v t 2 的发射极面积不等，v t l 比v t 2 的大，所以v t l 和v t 2 的发射极电流密度不同，两管的e 也就不同，它们的e 之差e 加 在电阻尺l 上。电阻r 3 和r 4 相等，f 是基准电压输出端，当昧e f 电压较小时， 尺i 上的压降很小可以忽略。由于v t l 发射极面积大于v t 2 发射极面积，所以流 图2 5b r o k a w 带隙基准电路 过v t l 的电流较大；加在运算放大器同相输入端的v t i 集电极电压低于运算放 大器反相输入端的v t 2 集电极，运放提高u r e f ：当电压昧e f 较大时，反馈电阻 r l 起主要作用，流过v t 2 电流较大，加在运放同栩输入端的v t l 集电极电压高 于运放反相输入端的v t 2 集电极电压，运放导致e f 减小；当昧e f 等于平衡电 压点即基准电压，流过v t l 和v t 2 的电流相等，通过放大器的反馈作用使f 稳定在基准电压的范围内。 当电路处于平衡态时，由于r 3 = 心且运放同相输入端和反相输入端的电压 相等，所以v t l 和v t 2 的电流相等： = 1 2 。由式( 2 2 5 ) 得： a u 睢：一吒。：坚l n ( 争) ( 2 2 8 ) q 流过电阻r 2 的电流是v t l 和v t 2 的电流之和，正温度系数的电压由r 2 上的 压降u r z 提供，基准电压值呈现在v t i 和v t 2 的基极，是v t 2 的u b e 和r 2 上的 压降沌之和： 江苏大学硕士学位论文 吣吣也：铊等等m 妻 纶2 从式( 2 2 9 ) 看出，k 倍数由比例r 2 r ! 和a e i 4 e 2 决定，选择合适的月2 佃l ，也 可实现正负温度系数相抵消。 与w i d l a r 带隙基准表达式( 2 2 7 ) 相比，在对数项中的电阻比不存在，需 要调节的参量变小，受工艺影响的因素相应减少，同时与电源电压无关，所以基 准电压的精度更高了f 2 。 2 4 2基于c m o s 工艺的带隙基准电压源 在c m o s 工艺中，可以利用固有的寄生双极型器件来实现，比如，在n 阱 加工时，衬底的p n p 晶体管，如图2 6 所示，假设c m o s 运算放大器有无穷大 的电压增益，但失调电压u o s 不为零。因为m o s f e t 的阈值电压失配及电流的 跨导很小，c m o s 工艺制备的运算放大器的输入失调电压通常要比双极型工艺的 大【2 引。 聆r 图2 6n 阱c m o s 的带隙基准源的电路 设晶体管v t i 和v t 2 的发射极面积分别为a e l 和彳e 2 ，由于将失调电压隔离 出来后的运放电路是理想的，经过它的反馈调节后，同相和反相输入端的电压相 等，因此电流 和1 2 的关系如下： 丢= 扣静 3 i ：r 、1 1 r 2 。 基准产生的在电阻r 3 上的u 8 e 为： = 岫c 丢争 协3 d 江苏大学硕士学位论文 同时将式( 2 3 0 ) 、式( 2 3 1 ) 代入输出电压u r e f 中，则有： = + + = + ( 1 + 会) ( 1 + 急) = 卅+ 扣+ 会帅 篱”剽防3 2 ， 由式( 2 3 2 ) 可以看出，s 有可能导致基准源输出电压相当大的误差。设该失 调电压相对于温度是独立的，为使输出的温度系数为零，必须调整( 1 + 尺2 r 3 ) ， 使- b e 和e 两项的温度系数相消，此时输出电压将是期望输出基准电压与输 出失调电压之和，只有当失调电压为零时，输出电压才是期望的基准电压。在假 定输出电压为期望基准电压的条件下，从上分析可得出两种情况： ( 1 ) 当u o s ov 时，( 1 + 尺2 r 3 ) 将小于失调时的值，这样j 下温度系数电 压的系数减小，导致最终输出电压将随温度的增大而减少，即呈现出负温度系数； ( 2 ) 当u o s u r e f ，b j t 没有开启，氐l 为零；当 胗t m 时，2u b e u r e f ，b j t 开启，氐l = ( u r e f - - 2 e ) 胤l 。 由式( 3 5 ) 可知，e 中的非线性项的比例很小，高温段e 又可近似表示 为u a e ( t i n ) - - a t ( a 表示线性项系数) 。高温段n l 又可以表示为n l = 2 a t r n l 。 因此，u r e f 表示为： = 惫：巍k 慧磊( 3 - 2 1 ) 通过适当调整系数k l 和砭，得到图3 7 所示的带隙基准输出电压，极大地改 善了带隙基准的温度稳定性。 江苏大学硕士学位论文 这种补偿技术是将整个温度范围分成若干段，对每段分别进行温度补偿，在 整个温度范围内有效地降低温度系数，克服了一阶补偿技术带隙基准输出电压只 有在参考温度附近才能获得比较好的温度补偿。该技术其最大优点是：( 1 ) 不需 要特殊的工艺，在一般b i c m o s 或双极型工艺下都能实现；( 2 ) 额外增加的电路 很少；( 3 ) 修复技术简单，只需对电阻做微调，就可以得到高精度基准，非常适 合实际应用。但是由于它的补偿电路结构复杂，令芯