（微电子学与固体电子学专业论文）高速高精度adc中基准电压源的研究与设计.pdf

摘要 摘要 基准电压源电路作为模拟电路的基本单元，是模拟集成电路中一个非常重要的模块，被广泛地应用 在d c d c 转换、r f 中；特别在a d c 和d a c 中，基准电压源不仅产生参考电位，同时也产生系统的偏置。 本论文设计一个应用在t o b i t ，1 8 0 m s s 的p i p e l i n e da d c 中的基准电压源采用s m i c0 1 8 u m 、1 8 v 工艺。要求基准电压源随温度( 为了适合不同的应用需要，温度范围为一5 5 一1 2 5 c ) 和随电源电压 ( 1 6 v 2 o v ) 的变化小于0 5 l s b ( = 0 4 9 m y ) ，即要求温度系数小于5 p p m 。电源电压抑制比小于 i 2 5 m v v ( - 5 8 d b ) 。 论文首先概述了基准电压源设计的基础，包括基准电压源的指标、分类、基本原理、基本结构和 非线性温度补偿等。设计了应用在p i p e l i n e da d c 中的基准电压源的系统框架，包括两大部分，带隙 基准电路及对该带隙输出电压的处理电路。在带隙基准电路部分，进行了带隙基准电压源的系统架构 设计及一阶温度补偿的低温漂设计，依据温度补偿原理等确定各个参数包括电压、电流，电阻等参 数；分析运算放大器对带隙的影响，设计了一个高增益的两级运算放大器：设计了一个启动电路，并 进行了版图设计。最后对所设计的电路用h s p i c e 进行仿真，运放的增益达到8 0 d b ，带隙的温度系数在 一5 5 到1 2 5 内前仿可达到4 8 7 p p m ，后仿可达4 9 4p p m 。输出电压随电源电压的变化( i 6 v - 2 v ) 小于i m v v ，前仿为一6 6 d b ，后仿为- 6 5 5 d b 。在处理带隙输出部分主要是分析带隙直接输出遇到的问 题，并建立了参考输出在p i p e t i n e da d c 中的等价模型，利用该模型分析了开关电容负载对参考电压 输出的影响，并设计了一个缓冲器。 经流片并测试，测试结果并不理想，论文从版图和原理图两方面分析其原因，同时对设计的带隙 基准电压进行了几点改进：非线性温度补偿改进偏置电路以提高电源电压抑制比，改进结构使带隙 可以工作在更低的电源电压。 关键词：模数转换器带隙基准源温度补偿电源电压抑制比运算放大器频率补偿缓冲器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb 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 ti sav e r yi m p o r t a n tb l o c ki na n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t s w h i c hi s a p p l i e dw i d e l yi nd c _ d cc o n v e r t e r s 。r f e s p i c a l l yi na d ca n dd a c t h eb a n d g a pv o l t a g ei sa p p l i e dt on o t o n l yt h ec o m p a r a t i v er e f e r e n c ev o l t a g e ，b u ta l s ot h eb i a s e dv o l t a g e b a s e do ns m i cc m o s0 1 8 1 t ma n d1 8 v p o w e rs u p p l yp r o c e s s ，ab a n d g u pv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i ta p p l i e di n1 0 b i t ，1 8 0 m s sp i p e l i n e da d ci s i n v e s t i g a t e da n dd e s i g n e d i no r d e rt os a t t s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ea d c t h ev a r i a t i o nw i t ht h et e m p e r a t u r e ( 一5 5 一1 2 5 ) a n dt h es u p p l yv o l t a g e ( i 6 v 一2 0 v ) m u s tb el e s st h a no 5 l s b ( = 0 4 9 m v ) ，n a m e l yt h a tt h e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tm u s tb el e s st h a n5 p p m c ，a n dt h ep o w e r - s u p p l ym j e c t i o nr a t i n ( p s r r ) m u s tb el e s s t h a n1 2 5 m v n ( 5 8 d b ) i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fv o l t a g er e f e r e n c ei sa n a l y z e da n dt h ea r c h i t e c t u r e sa r es u m m a r i z e d ， i n c l u d i n gc o n v e n t i o n a la r c h i t e c t u r e s ，l o wv o l t a g ea r c h i t e c t u r e sa n dn o n l i n e a rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t h e n t h es y s t e mo fv o l t a g er e f e r e n c ei np i p e l i n e da d ci sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h eb a n d g a pg e n e r a t o rc i r c u i t sa n dt h e c i r c u i t sw h i c hd e a lw i t ht h eb a n d g a pv o l t a g eo u t p u t ，i nt h ef i r s tp a r t t h es y s t e mo ft h eb a n d g a pv o l t a g e r e f e r e n c ei sd e s i g n e d ，a n ds o m ep a r a m e t e r s ，m c l u d i n gt h ev o l t a g e ，t h ec u r r e n t ，r e s i s t o r ，e t e ，a r ef i x e do nt h e p r i n c i p l eo ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；t h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o n a m p l i f i e ro nv o l t a g er e f e r e n c ei sa n a l y z e d ， a n da tt h es a m et i m e ，ah i g h g a i nt w o - s t a g eo p e r a t i o n - a m p l i f i e ri sd e s t g n e d ；t h e nt h es t a r t u pc i r c u i ta n dt h e l a y o u to ft h ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i ti sd e s i g n e d t h er e s u l t sa r es i m u l a t e db yh s p i c e t h eg a i no fo p e r a t i o n a m p l i f i e ri sa b o v e8 0d b ，t h ev a r i a t i o no f t h eo u t p u tv o l t s g ew i t ht e m p e r a t u r e ( 一5 5 一1 2 5 c ) i s4 8 7 p p m c ， a n dt h ev a r i a t i o no f t h eo u t p u tv o l t a g ew i t hp o w e rs u p p l yb e t w e e n1 6 va n d2 0 vi sl e s st h a nl m v v ( - 6 6 d b ) i nt h es e c o n dp a r t , t h ea p p l i c a t i o no fv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t si sa n a l y z e 正am o d e lf o rv o l t a g er e f e r e n c ei n a d ci sp r o p o s e d ，a n dt h eb u f f e r sa r ed e s i g n e d t h eb a n d g a pr e f e r e n c ei st a p e do u ta n dt e s t e d ，t h er e s u l ti sn o tg o o d ，t h e nt h er e a s o n sa r ea n a l y z e d f i n a l l y s o m ei m p r o v e m e n t sf o r t h eb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ea r ed e s i g n e d , i n c l u d i n gt h en o n l i n e a rt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n ，t h eb i a s e dc i r c u i tf o rh i g hp s r i l a n dt h ea r c h i t e c t u r ef o ri n wv o l t a g e k e yw o r d s ：a n a l o g t o - d i g i t a lc o u v e r t e r ( a d c )b a n d g a pv o l t a g e r e f e r e n c e t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o np o w e r - s u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ( p s r r )o p e r a t i o n a la m p l i f i e rf r e q u e n c y c o m p e n s a t i o n b u f f e r i i 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，论文中不包含其他入已经发表或撰写 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： 蛰e l 期：j 幽眵 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。 研究生签名：翌整星导师签名：羔塑日期：矽- 平，铲 第一章绪论 第一章绪论 本章简要阐述基准电压源( v o l t a g er e f e r e n c e ) 电路在模拟电路及模数转换器( a d c ) 设计中的重要 性，并对本文后续章节的工作进行简要的介绍。 1 1 背景和意义1 m m l 在模拟集成电路中基准电压源是一个非常重要的模块，一个有效的基准电压源在一定范围内基本上 与电源电压变化、工艺参数变化、温度变化等无关。自从w i d l a r 基准电压源被介绍以来，在双极性集成 电路中带隙基准电压源技术被广泛应用。随着一些新的电路被设计和技术的革新，例如，温度补偿、激 光修正等技术。促进带隙基准电压源的性能不断得到提高：在c m o s 技术迅速发展的今天，带隙基准电 压源技术也获得了飞速发展。因而基准电压源被广泛地应用在d c - - d c 转换、r f 中；特别在a d c 和数 模转换器( d a c ) 中的应用，基准电压源产生的参考电压联系着模拟信号和数字信号，如图1 1 ( a ) 是3 位f l a s h 模数转换器，每个参考电压对应着一个数字代码，例如，代码0 0 1 对应的参考的电压是0 8 ) v r 。 图1 1( a ) 3 位f l a s h a d c 结构( b ) p i p e l i n e d d a d c 结构 图1 1 ( b ) 是一个l o 位p i p e l i n e da d c 结构及其每一级的具体组成部分示意图，从中可以看出a d c 、 d a c 中需要基准电压源；其实在2 x g a i n 中运算放大器的偏置及a d c 、d a c 中的偏置也需要基准来 产生。更重要的问题是在a d c 中，基准电压源的精度必须优于a d c 本身的精度，否则会严重影响a d c 东南大学硕士学位论文 的性能。为了达到n 位分辨率的a d c 或者d a c 所要求的精度，基准电压源的精度要小于0 5l s b ( l e a s t s i g n i f i c a n tb i t ) 。例如：要设计一个l o 位a d c ，要求基准电压源的精度最大不能超过0 5 l s b ( 1 2 “) = o 0 0 0 4 9 ；同时随着工艺的改进和电源电压的降低。对基准电压源的设计提出了挑战。综上所述，可以 看出基准电压源在a d c 中的重要性及设计难度。 因此如何设计一个适合a d c 的基准电压源是a d c 设计的关键之一；并且在实际的电路中，理想基 准电路是不可能实现的，只能通过电路结构原理上的改进及优化设计，版图布局布线技术，工艺等方面 改进才能更进一步提高基准电路输出电压的稳定性，从而满足a d c 的要求。 1 2 研究内容及主要工作 除第一章绪论外，本论文用以下各个章节深入讨论和研究基准电路的设计。 第二章主要概述基准电压源的有关参数，精度、温漂，时漂、噪声、负载调整率和电源电压抑制比 等基本指标；基本基准电压源的分类。包括隐埋齐纳二极管基准电压源、带隙基准电压源和x f e t 基准 电压源；分析三极管和m o s 管的温度特性：接着重点分析带隙基准电压源的工作原理以及几种基本低 电压工作的结构；还分析几种非带隙的高性能基准电压源；这一章最后分析几种基准电压源的非线性温 度补偿。 第三章主要设计了一个应用在p i p e l i n e da d c 中的带隙基准电压源。首先设计系统框架，主要有两 部分，带隙基准电路和对带隙输出电压的处理电路。在带隙基准电路部分。进行了带隙基准电压源的系 统架构设计及一阶温度补偿的低温漂设计，依据温度补偿等原理确定各个参数，包括电压、电流，电阻 等参数；分析运算放大器对带隙的影响，并设计了一个两级运算放大器；设计了一个启动电路。最后对 所设计的电路用 s p i c e 进行仿真。在处理带隙输出部分，主要是分析带隙直接输出遇到的问题并建立 了参考输出在p i p e l i n e da d c 中的等价模型，利用该模型分析了开关电容负载对参考电压输出的影响， 并设计了一个缓冲器。 第四章主要概述了在版图设计中需要考虑的几个问题匹配性问题、耦合问题和寄生问题。依据这 些分析和各个模块的特性设计了各个模块的版图，包括电流源版图、运放的版图，电阻版图和三极管的 版图。在版图设计好后，对带隙基准电压源进行了后仿真。 第五章主要介绍基准电压源的芯片测试，分析测试结果。同时对原来的电路进行了几点改进，一是 温度的非线性补偿，二是改变偏置电路以提高电源电压特性，三是改进了结构可以适应更低的电源电压。 最后对本论文进行了总结。在本文取得一定成绩的同时指出了存在的问题。 2 第二章基准电压源概说 第二章基准电压源概述 基准电压源是当代模拟集成电路中极为重要的组成部分，它对模拟电子技术的应用与发展具有重要 的作用。在许多集成电路中，如数模转换器，模数转换器、线性稳压器和开关稳压器都需要精密而稳定 的电压基准。在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统测量和校 准的基准。因而电压基准电路对温漂、精度，电源电压抑制比等有关的指标要求比较高。 2 1 主要技术指标 2 1 1 精度温漂时漂 基准电压源的精度通常用基准电压的绝对误差和相对误差来表示。在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。如果基准电压产生+ 1 误差，则d a c 模拟输出增加l ，而a d c 数 字输出减少1 ，因为d a c 产生的模拟输出与基准电压和输入数字量的乘积成正比，而a d c 产生的数 字量输出与模拟信号相对基准电压的比率成正比，即与基准电压成反比。 在高分辨率数据采集系统中，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。用于a d c 和d a c 的基准电压源的精度必须优于a d c 和d a c 的精度。对于n 位分辨率a d c 或d a c ，为了保持0 5l s b 的精度，基准电压v r 的绝对精度v 及其在t 温度范围内的温度系数t c ( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 分别为： a v = 2 “ ( 2 1 ) t c = ( a v f 7 r 肛f ) 丁= 1 ( 2 “r )( 2 2 ) 从t c 的表达式可以看出，分辨率越高或者工作温度范围越宽，对基准源的t c 要求也越高。应当 指出，在做相对测量的系统中基准源的绝对精度就不重要，但噪声和短期稳定性仍然很重要。 基准电压源的精度除了随温度漂移( 即温漂) 之外，还随时间漂移( 即时漂) ，通常用长期稳定性来 表示，单位为p p m k h r s 。这种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。 2 1 2 噪声 基准电压源的噪声一直没有统一的表示方法。例如有的基准源用0 1 1 0 h z 带宽范围内的噪声峰峰值 v p - p 表示，有的基准源用规定带宽范围内的噪声有效值v r m s 表示。对于低频测量系统，时域中的噪声 的峰峰值是很有用的，因为噪声峰峰值增加了每个单独数据点的不确定度。对于高频测量系统，噪声的 有效值是很有用的，因为它通常包含更多的信息，例如信噪比与噪声有关的有效值密切相关。 用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。因为白噪声是 一种统计结果，所以给定的噪声谱密度一定与规定带宽的相应噪声的峰峰值有关系。为了达到n 位分辨 率a d c 或者d a c 的要求精度，基准电压源的噪声峰峰值应小于0 5l s b 。可以看出提高分辨率或者降 低满幅度电压值都会提高对基准电压源噪声要求。可以对电压源进行外部滤波，来降低带宽，从而降低 噪声。 当比较不同的基准电压的噪声影响时，标准不一样常常会出现问题。最好的比较方法是对不同的 基准( 规定带宽内) 的噪声谱密度与直流输出电压的比值进行比较。 东南大学硕士学位论文 2 1 3 负载调整率与电源电压抑制比 负载调整率( 灵敏度) ，又叫输出阻抗( 或内阻) 指在规定的负载电流变化范围内引起的输出电压 的变化，通常用v m a 或者p p m m a 单位表示。应当注意。在工作电流很大的情况下，如果布线不细 心输出端外部线路压降可能产生很大的误差。为了减小负载电流引起的误差，在基准电压输出端应使 用短粗线与负载直接连接以减小压降。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 使用缓冲放大器从而使基准源的输出阻抗是频率的函数。 电源电压抑制比或电源电压灵敏度是指在规定的输入电源电压变化范围内引起的输出电压的变化， 它可以用“v ，v ，或p p m v 单位表示。在直流和低频情况下，这种误差很容易彼噪声淹没。对输出级带 运算放大器的基准源，电源电压抑制比( 或者电源调整率) 随频率增加而降低。 2 2 基准电压源的分类及其特点阀 为了满足各种应用场合的要求，模拟集成电路制造商推出许多种类的高精度集成基准源。从工作原 理角度来看设计基准电压源最关键的问题是精度高和温漂小。为了实现高精度，通常都利用硅半导体 材料本身固有的特征电压作为基准电压( 比如齐纳二极管反向击穿电压或者基射结电压v ) 。但由于硅 半导体材料对温度敏感( 具有一定的温度系数) ，所以为了解决温度漂移问题，通常选择一种与基准电压 的温度系数极性相反但绝对值相近的器件或电路，使两者结合起来，相互温度补偿，使总体温度系数趋 近于零。根据这个设计思想，主要有三种基准电压源：隐埋齐纳二极管、带隙和x f e t 。 2 2 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了减小温度漂移或温度系数f r c ) ，通常在一只反向齐纳二极管上串 联一只正向二极管。如图2 1 ( a ) 所示。因为工作在雪崩状态的齐纳二极管的击穿电压为7 v 左右，具有正 温度系数( 约+ 2 m v o c ) ，而正向硅二极管具有负温度系数( 约为- 2 m v o c ) ，这可以相互抵消。但是，由 于这两个温度系数的绝对值并不相等，而且随电流变化而变化，所以很难得到零温度系数。 这种温度补偿二极管( d 2 ) 和齐纳二极管( d 1 ) 的击穿主要发生在硅表层( 见图2 1 ( b ) ) ，称作表层齐纳二 极管。由于硅芯片表层与其内部相比有较多的杂质，晶格缺陷和机械应力，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外界环境的影响。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( f a e , 9 1 2 1 ( c ) ) 使击穿发生在表层下面，从而可以避免表层影响，使 其在温漂、时漂和噪声特性等方面得到明显的改善。 但是，由于在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的绝对值和温 度系数等参数的误差比较大，常常超过允许误差。 d i ( b )c 图2 1 ( a ) 齐纳二极管基准电压源基本原理图( b ) 表层齐纳二极管( c ) 隐埋齐纳二极管 4 第二章基准电压源概说 2 2 2 带隙基准电压源 隐埋齐纳二极管基准电压源存在的缺点是电源电压必须大于7 v ，工作电流相当高，通常几个毫安， 显然这种基准源不适合用于便携式和电池供电的应用场合，而带隙基准电压源是一种低t c 低电压基 准源。 带隙基准电压源的基本原理图2 2 所示。它的设计思路是这样的，利用v b e 具有负温度系数av s e 具有正温度系数，两者线性叠加至少理论上使基准v r e f 的温度系数为零。由于v r e f 这个数值等于硅 半导体材料的在热力学温度零度时的外推禁带宽度( 能带间隙) 。因此这种基准电压称为带隙基准电压源， 带隙基准电压源的核心电路是v b e v b e 实际上是两个不同电流密度的匹配晶体管q l 和q 2 的基射 结电压差，q 1 的电流密度是q 2 的n 倍，则有： ( 2 3 ) = i 一2 = “ i n n ( 2 5 ) g 由此可见，构造v 口的目的是为了消除与温度密切相关的饱和电流i s ，所以a v m 与绝对温度成 正比( p t a t ) ，具有正温度系数。 带隙基准电路存在的问题是输出电压受负载和驱动电流影响较大，而且输出电压1 2 5 v 左右固定不 变，不能输出通常需要的标准电压值，例如2 5 v ，5 v 等。解决负载驱动问题的最好方法是采用缓冲器， 同时也可提供所需要的输出电压值。 () ：() - + r 、 v a ，4 t f - - 0 吲m f ， ) 一r 广仁 mj l n 李。 卜 歌； 图2 2 带隙基准电压源的基本原理图图2 3x f e t 基准电压源的原理图 2 2 3x f e t 基准电压源 带隙基准电压源实际上是基于双极型晶体管( b j t ) 的带隙特性进行设计的。对于工作电流很重要的系 统( 例如电池供电系统) ，在很低的电源电流( 2 0pa ) 情况下，能否提供低温度系数，低噪声的基准电 路? 这对b y r 带隙电压基准电路是个难题。然而利用结型场效应管( j f e t ) 的夹断电压差特性设计出的一 种新型基准电压源成功地解决了上述问题。 这种电压基准电路的核心是利用j f e t 设计的。从理论上来讲，j f e t 在沟道中导电的截流子是多子。 5 土厶 l b 吒 越 打一g 灯一碍 = = 东南大学硕士学位论文 而双极型晶体管在基区导电的截流子是少子，而少子所遇到的晶格碰撞等产生噪声的机会要多于多子。 所以用j f e t 制成的基准源的噪声相对小。又由于j f e t 工作在饱和电流下，处于夹断区，源漏电流不会 很大，一般为pa 量级，而b j t 带隙构成的基准电路工作在放大区，它要求的偏置电流较大，所以y f e t 管子的功耗较小。与b y i 带隙电压基准电路类似，f l ：e t 的电压基准电路利用一对具有不同夹断电压的 j f e t ，并将其差分输出电压放大以产生一个稳定的基准电压。因为这种电路具有很低的负温度系数，这 样仅需要一个很低的正温度系数补偿电路，所以与带隙相比，噪声明显降低，因为带隙基准源的大部分 噪声来自温度补偿电路。由于两个i f e t 中有一个j f e t 在制造时外加了一步离子注入工艺，所以称为外 加离子注入结型场效应管( e x t r ai m p l a n a t i o ni u n c t i o nf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r - - x f e t ) 。如图2 3 中结型场 效应管j l 和j 2 是基准电路的核心。j l 和j 2 是有一对匹配的电流源i i 和h 驱动。右边的j i 是外加了离子 注入的j f e t 。从而产生j i - j 2 的夹断电压差，约为5 0 0 m v 。在相同的驱动电流( i i ；1 2 ) 和电压条件下， 由于有意造成的两个管子夹断电压v p i 与v p 2 之间的偏差，从而在其两个栅极上呈现出电压差 a v p ：v e t o v p 2 。 在闭环反馈环路作用下，使j i 和j 2 的源极电压保持相等。把两个源极电压加到运放的输入端。运放 的输出驱动反馈电阻r 广码，这个环路形成之后。再由r 广r 3 的抽头出形成一个稳定输出电压。实际上 它就是i l j 2 的栅极之间产生的所需要电压差v p 因此运算放大器适当放大v p 便可产生标准电压 h ： 却( 1 + 半川一r 3 ( 2 6 ) 从上式可以看出，基准电压v ”由两部分构成，a v p 具有负温度系数，而与温度成正比( p t a t ) 的电 流源i 一具有正温度系数，所以这两部分相互补偿后总的温度系数比较低。同时适当的调整电阻( r 广r 3 ) 可产生不同的标准输出电压。 2 3 带隙基准电压源的基础 从上面三类基准电压源看出。隐埋齐纳二极管基准电压源需要很高的电源电压，x f e t 需要特殊的 工艺，不适合普通的c m o s 工艺，而带隙基准电压源可以工作在较低的电源电压，同时正常的c m o s 工艺就行了。下面主要分析三极管，m o s 管的温度特性，为分析和设计高性能基准电压源提供理论基础。 2 3 1 双极晶体管的温度特性 要使基准电路正常工作对b j t 来讲，必须保证其处于导通状态，对m o s 来讲则要根据具体情 况使其工作在饱和区、线性区或者亚闽值区。而且b f i 的导通电压v b b 和m o s 管的阈值电压v n i 的 特性【5 】在很大程度上决定了电路的输出特性。因此，在下面将重点讨论v b e 和v t h 的特性，主要是温度 特性。 由于在实际电路正常工作的情况下，发射结通常处于正偏状态所以本节重点讨论p n 结在正偏时的 一些特性。根据双极型晶体管原理，当p n 结正向偏置时，其集电极电流密度与正向导通电压v b e 的关系 如式( 2 7 ) 所示： 护型乎僦p ( ( 2 7 ) 其中，万为电子平均扩散系数；为基区宽度； 2 瓷为基区删) 电子浓度呐本征载流子浓度。为受主杂质浓威 6 第二章基准电压源概说 酊= e x p ( 睾) d 鹃撒秩脯巍舳僦艴屁婪j ) t j 1 2 v ； u r ：! ! 为热电压。把以上各关系代入式( 2 7 ) ，可得： q 小帆q d d t 3 e x p n( 鳌u 。j 、 r 堋卜酬警) = a t r ，e x p ( k - ( v b e 吨) ) 上式中，= 3 。从上式可解得v 的表达式如下： = 等呱去) + 根据式( 2 8 ) 可得，c 在参考温度矗下的值，c o 为： j c o2 - a 弘e x p ( 老( 。一) 式中o 为在t = t o 时的值。由式( 2 8 ) 和式( 2 1 0 ) 可得，c j c o 得表达式如下： i j c = c 秒唧唼c 毕一警， 两边取自然对数得： 呱老) = 加( 号) + 吾( 一一i t ( 。一) ) 从式( 2 1 1 ) 可以解出v b e 的表达式如下。 ( d 2 。( 1 - 丢) + 。( 专) + 等i i l ( 争) + 等l n ( 老) ( 2 9 ) ( 2 i o ) 从上式可以看出，v 和i c 成对数关系，当正向电压超过p n 结的导通电压后，正向电压的微小变化对应 正向电流的较大变化。室温下，硅p n 结的正向电压为0 7 0 ，8 v 。 由以上关系式，可以看出v 是一个对温度较敏感的物理量，下面将定量地分析v b e 的温度特性。 假定，co c t 8 。将式( 2 1 3 ) 对温度t 进行求导； 孥= 孥”争等等+ 等鼍产 + 争和扣每+ 等塑型 佗1 4 ) m 动 东南大学硕士学位论文 孥k 一等+ 等+ 等，鼍产+ k 。t i n ( ，j 。c ) 因为。 a h a ( t o t ) 一t ( t o ) 1 a t瓦t 。t ) l n ( j c j c o ) ：丛上话r 一：盘竺生：旦 己t j cj c 4j c tj c ot 因此，式( 2 1 4 ) 可简化为： 孥i r 喝一等+ 等一号+ 等 ：毕+ ( 口一力生 oq 佗1 5 ) ( 2 1 6 ) f 2 1 7 ) f 2 1 8 ) 口和，的值通常分别为l 和3 2 ，若o = o 6 v ，则可求得在室温下的温度系数约为 一1 8 3 m 矿，。 可知，v b e 具有负温度系数。在某些电路中，如果在温度特性方面要求较高，则一定要考虑如何抵 消v b b 的负温度系数，如果在稳定性上要求不高的情况下，v b e 则可作为一个较稳定的电压输出。 2 3 2m o s 管的温度特性 由m o s f e t 的伏安特性方程 1 线性区：，d = 所( 一) 一专嘧】 ( 2 1 9 ) d 饱和区：i d = ：p ( 一巧) 2 ( 2 2 0 ) 二 其中：= 以c 0 可看出，器件的电特性由8 和阈值电压决定，b 中与温度有关的是沟道载流子的迁移率， 因此m o s 器件的温度特性主要由迁移率和阙值电压的温度特性共同决定。 l 、阙值电压的温度特性嘲 在m o s 结构中，为了使半导体表面出现强反型，从而形成导电沟道所需加的栅源电压称为阈值电 压，用v t h 表示。所谓强反型是指表面积累的少子浓度等于甚至超过多数载流子浓度的状态，即能带弯 曲至表面势等于两倍费米势的状态，若用v s 表示表面势，v b 表示费米势，则： 比a2 r , ：2 ( e , - e p ) ( 2 2 1 ) q 对于理想的m o s 结构，在外加栅压为零时，能带处于平直状态，施加栅压后，能带发生弯曲，半 导体的表面势产生。即： = + ( 2 2 2 ) 8 第二章基准电压源概说 式中，v 。代表栅氧化层上的压降。这表明，外加栅压的一部分降落在栅氧化层上，从而在m o s 结 构中产生感应电荷；而另一部分则降落在半导体表面上，使表面能带弯曲，产生表面势，以提供相应的 感应电荷。根据以上分析，可得理想m o s 管的阈值电压： n f o = + 2 = 一! ；j ! 塑苎_ + 2 ( 2 2 3 ) q b m x 为表面耗尽层中单位面积上的电荷密度最大值， c 。为栅氧化层的单位面积电容。 但是在实际m o s 结构中存在表面态电荷密度q 鹞。金属一半导体功函数差w 。因此，在栅压为零 时由于q s s 和w 。的作用，表面能带己经发生弯曲，为了使能带恢复到平直状态，必须在栅极上施加 一定的栅压，使能带恢复到平直状态所需加的栅压称为平带电压v m ，可得： ：一一a t j c 2 4 ) 因此，可得实际m o s 结构的阈值电压表达式如下： ：p 矗+ + 2 v ：一q $ $ + = a b , m x + 2 一 ( 2 2 5 ) 当忽略表面态电荷密度q 随温度的变化时，将上式对温度t 求导可得阈值电压随温度的变化关系 如下： 争一等+ 万dc z ”嘉譬 偿z 回 式中： 等= 品c 兰产，= 鲁c 吉c z + 每+ 置一砟，一，z 鲁 c z 刀， 旦r 垒监) _ 上 2 o e , n a ( 2 v s _ f , s s ) 1 1 2 曼生：上堡堕垡生( 2 2 8 ) d t 、q 乞2 一d tq2 一d t 、。 将式( 2 2 7 ) 和式( 2 2 8 ) 代入式( 2 2 6 ) ，可将阈值电压随温度的变化关系简化为： 垡鳌：d v s ( 1 + 了1 等血争) ( 2 2 9 ) d t d t c 02 一 、 可见阈值电压的温度系数与名争同号。对于n 型硅，费米势： ：丝i l l 丝 ( 2 3 0 ) 因而： d v s ：旦譬l n 生) ：- k i n 监+ k r d ( h a 马 ( 2 3 1 ) d t d t 、q”t 。q“tq d t n l 。 将玛2 ：后于7 2 已历代入t 式可得： 9 东南大学硕士学位论文 旦h等=一旦h(krartd t ”e 鲁) = 一三上t 一皂2 k t托 2 2 因此： 等= 专c 一等z 一扣堋 f 2 3 2 ) f 2 3 3 ) 由于在m 。s f e t 的沟道掺杂范围内v 。始终小于 手即 o 6 。因此，在n 型硅中，号笋 o 。 根据式( 2 2 5 ) 可知，d v ，m o 。也就是说，对m o s 而言，其阈值电压的绝对值随温度的升 高而降低，其温度系数大约为一2 3 m v 。 2 、载流子迁移率随温度的变化 实验证明，对于m o s 而言，如果表面电场小于l o h c c r a 则沟道内电子与空穴的有效迁移率近似于 常数，约等于半导体体内迁移率的一半。实验发现， 似成反比关系。即： l 2 一t 由此得到迁移率的温度系数： i 出l d t t 2 4 高性能基准源的基本原理与结构 在5 5 - 1 2 5 c 1 拘温度范围内，迁移率与温度t 近 ( 2 3 4 ) 为了得到具有高电源电压抑制比( p s r r ) 和低温度系数的高性能基准电压源，需要对电路从原理及结 构上加以改进。 在电路结构上，采用自偏置结构可以得到理论上与电源电压无关的电流，由于受到沟道长度调制等 二阶效应的影响，输出值与电源电压具有一定的相关性。如何提高p s r r 这个参数，是电路设计的重要 内容。另一个重点是如何减小温度系数，对基准电压源来讲，大多采用电压叠加的办法得到基准电压， 所叠加的电压并不是随意选择的，通常是两个具有相反温度系数的电压，通过调整正，负温度系数的比 例即可得到零温度系数的电压，在有些情况下，甚至是用三个电压进行叠加以进一步抵消二阶甚至高阶 温度系数。所谓一阶温度补偿是指：在温度域内选取一点，使得基准源输出在该点对温度导数为零，只 要这一点的位置合适，就能获得较小的温度系数。二阶或高阶温度补偿有时也统称为非线性温度补偿， 因为有些参量与温度的函数关系包括非线性项，经泰勒级数展开后，包含有温度的高阶小量，非线性补 偿即是考虑如何消除非线性项的影响以进一步减小温度系数。 具有负温度系数( i p t a t ) 的电压有v b e 、v n i 其原理在2 3 节己作了详细介绍。 具有正温度系数( p t a d 的电压主要有：和p 岳( m o s 工作在亚阈值区) ，它们的表达式分别 如下。由式( 2 1 3 ) 推导得： ：。一：坚l n ( 鱼) ( 2 3 6 ) g j c 2 第二章基准电压源概说 式中，j c = 上 _ 。如果m o s 工作在亚阈值区，可以得到： a t r e d = 一：= 等h 器等 大多数基准电压源利用上述电压的不同组合来形成零温漂的基准电压，其中比较典型的就是带隙基 准源。除了电压外，个别电路使用迁移率的负温度系数进行温度补偿。 2 4 1 带隙基准源的基本原理 带隙基准电压电路的原理【9 1 是使v s m 的负温度系数和u l r 的正温度系数所产生的温漂相抵消。其原理 框图如图2 4 所示。设输出电压为v r e f ，则有： y f = y b e + k a y 要满足在某一温度下的输出电压具有零温度系数，必须保证： 鲁i 一坼等b = 。 图2 4 带隙基准源工作原理框图 等= 吉h 白 将上式和式( 2 1 7 ) 代入式( 2 3 8 ) 得： 坚讹一力等坼等- n c 丢瑚 令k = k 1 n ( j - 老- 2 ，所以式c z 。- ，简化为： 气m 一 等镏鲁= 。 由该式解得k 值为： = 4 - k v , ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) f 2 4 2 ) 东南大学硕上学位论文 足-vc_,o-vbeo-uro(a-7) u o 将式( 2 4 3 ) 代入式( 2 3 8 ) 得： k o = o + f u r o = o + 一o + ( y a ) u m = ，+ ( y 一叻【，r o 将各值代入，可求得v r 口l2 6 2 v 。 由于这一输出电压十分接近硅的带隙电压，所以该电压称为带隙基准电压，这种结构也被称为带隙 基准电压源( b a n d g a pv o l m g er e f e r e n c e ) 。 从温度补偿的角度来看，上述的带隙基准电压源为一阶温度补偿。即带隙基准电压的输出值只能保 证在某一温度下温度系数为零在其它温度下存在一定的温漂，根据v 的表达式( 2 1 3 ) 可知。它和 温度的函数关系中即有线性项和非线性项，而热电压u l r 与温度成线性关系，虽然v b e 和u t 具有相反的 温度系数，但不能完全抵消，只能在一定程度上使温度在一定范围内有较小温漂。典型的带隙基准电路 如果只采用一阶温度补偿，其输出电压的温漂可以控制在几十p p m c 以内。 根据电路的性能指标，如果要求输出电压有更小的温漂，则必须采用高阶温度补偿，进一步减小v b e 随温度的非线性变化。高阶温度补偿有时也称为非线性温度补偿。采用这种方法将导致电路结构比较复 杂，所以对于系统架构的选择还应从更多方面的权衡考虑。 2 4 2 带隙基准源的典型电路结构 1 、w i l d a r 基准电压源 第一个带隙基准源由r o b e r tw i d l a r 于1 9 7 1 年提出【l o l ，其结构如图2 5 所示。 图2 5w i d l a r 带隙基准电压源 由图2 5 可列方程如下： 1 2 图2 6b r o k a w 双极型带隙基准源 ( 2 4 5 ) 盥坼一母毕 第二章基准电压源概说 假设n = 矿矗3 则，l r l = 1 2 r 2 ，由式( 2 4 5 ) 可化简为： 扣等h c 瓮， 输出基准电压v m 的表达式如下： = 1 2 r 2 + ，= 惫h ( 等等) + ， f 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 按照上式通过选择合适的参数即可使输出电压约为1 2 5 v ，并有较小温漂。 2 、b r