（电路与系统专业论文）数字电视调谐器中基准电流源的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

籀要 摘要 基准源的构成形式繁多，其中带隙基准具有高稳定度、低温漂、低噪声而且构 成简单等优点，所以得到了广泛的应用。论文详细描述了一个采用一阶温度补偿的 带隙基准源电路的设计。温度系数和电压稳定性是基准源的两个重要指标，其性能 的好坏将直接影响到电路和系统的稳定性及多项性能指标，也是本文设计中关注解 决的重点。 本文设计了一个基准电流源，主要作用是为数字有线电视调谐器中的各个模块 提供稳定的偏置电流。数字有线电视调谐器是机顶盒中极其重要的一个部分，主要 完成射频信号的接收，然后送给解调模块。文章蓄先对c m o s t 艺下的两种常用基 准源元件，即亚阈值工作状态下的金属场效应晶体管( m o s f e t ) 和衬底p n p 双极 型晶体管( b 盯) 的温度模型及其影响因素进行了分析和比较，指出了衬底p n p 型 b j t 更适合作为带隙基准源的元件。然后通过比较，选择合适类型的基准电流源， 并对其组成部分进行了详细的分析。 本次设计采用中芯国际0 1 8 u m 混合信号c m o s 工艺库，利用m e n t o re l d o 仿真 工具及i cs t a t i o n 对整个带隙基准电路进行仿真、版图设计，结果显示所设计电路 输出电流在- 2 0 x 2 8 0 的温度范围内具有小于4 0p p m 的温度系数。当电源电压 在1 7 5 0 v 变化时，输出电流变化量仅为2 u a ；并且电路结构简单，具有较小的 芯片面积和功耗。 关键词：衬底p n p 双极型晶体管；带隙基准；p t a t 电流；c t a t 电流； 教字电视渭谐器中基准电流源的设计 a b s t r a c t s of a r , t h eb a n d g a pr e f e r e n c ei st h em o s tp o p u l a rc i r c u i t ，w h i c hs u c c e s s f u l l y a c h i e v e st h er e q u i r e m e n t s i te x h i b i t sb o t hh i g hs t a b i l i t ya n dl o wt e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t , a l s oh a sl o wn o i s ea n ds i m p l et o p o l o g y i nt h i sp a p e r ap r e c i s ec m o s b a n d - g a pc u r r e n tr e f e r e n c ew h i c hu s e s f i r s t - o r d e rc u r v a t u r ec o m p e n s a t i o ni s d e s c r i b e di nd e t a i l l o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n dh i g hs t a b i l i t yo fo u t p u tc u r r e n t i st h ek e yi m p o r t a n c et oa ni d e a lc u r r e n tr e f e r e n c e t h e ya r ea l s ot h ef o c u si nt h i s p a p e r a b a n d - g a pr e f e r e n c ew a sd e s i g n e da n dp r o v i d e db i a sc u r r e n tf o rt h eo t h e r p a n t h et u n e r i st h e v e r yi m p o r t a n tp a r ti nt h ed i g i t a lt v r e c e i v e rs y s t e m t h ek e y f u n c t i o no ft h et u n e ri sr e c e i v i n gt h er fs i g n a la n ds e n d i n gt ot h em o d u l e sb e h i n di n t h es y s t e mf o rd e m o d u l a t i o n t h et e m p e r a t u r er e l a t e dm o d e la n dt h ei n f l u e n c i n g f a c t o ro ft w ob a n d - g a pr e f e r e n c ed e v i c e s ，s u b - t h r e s h o l dm o s f e ta n dp n p s u b s t r a t et r a n s i s t o r , b a s e do nc m o sp r o c e s sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，a n d p o i n t e do u tt h a tt h ep n ps u b s t r a t et r a n s i s t o rw a sm o r ef i tf o rb e i n gt h eb a n d - g a p r e f e r e n c ed e v i c e c h o o s ep r o p e rc u r r e n tr e f e r e n c eb yc o m p a r e d ，a n da n a l y z e di t s p a r t si nd e t a i l t h es m i co 1 8 u r np r o c e s sm i xs i g n a lm o d e ll i b r a r yw a sc h o i c e df o rd e s i g n a n d t h em e n t o re l d os i m u l a t o rw a su s e df o rt h ec i r c u i t s s i m u l a t i o n ，i t - s t a t i o nw a su s e d f o r t h el a y o u t t h er e s t t l t sd i s p l a y e dt h a tt h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tw a sl e s st h a n 4 0p p m t ：毗t h er a n g eo f - 2 0 0 c 8 0 。c a n do u t p u tc u r r e n tv a r i a t i o no f2 u af o r s u p p l yv o l t a g er a n g ef r o m1 7v t o5 0 、j ：a b ot h ec i r c u i ts t r u c t u r eo ft h ep r o p o s e d r e f e r e n c ei ss i m p l ea n db o t hc h i pa r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o na r es m a l l k e yw o r d s ： p n ps u b s t r a t et r a n s i s t o r ；b a n d - g a pr e f e r e n c e ；p t a tc u r r e n t ； c 1 躲c u r r e n t 独创性声明 本人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。据我所知，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，也不包含为获得撇托荽或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同s - 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谢意。 学位论文作者签名：五争碚鸥签字曰期：) 一7 年中月2 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解守诒支太毒有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权撇砖打咀将学位论文的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：五多斓乞 导师签名： 酶季3 签字日期：炒7 年中月矽日 签字日期： 歹卵7 年p 月纠日 学位论文作者毕业去向： 工作单位：电话： 通讯地址： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 本章主要阐述电压基准和电流基准在模拟电路设计中的重要性，分析了基准源 的分类及其现阶段的发展状况，最后对本文后续章节的内容做简单介绍。 1 1 基准源的分类与发展状况 模拟电路中广泛地包含电压基准和电流基准。这种基准与电源、工艺参数和温 度的关系很小。例如，一个差分对的偏置电流就必须根据基准产生，因为它会影响 到电路的电压增益和噪声。在像a d 和d a 转换器这样的系统中i “，也需要基准来 确定输入或输出的全程范围。 “基准”这一术语说明基准电压和电流比一般电源有更高的精度和稳定性。模 拟电路使用基准源是为了得到与电源无关的偏置，或者是为了得到与温度无关的偏 置( 采用齐纳二极管参考和能隙参考) ，其功能是用来给其它的电路模块提供稳定的 电压或电流，所以基准电压源或基准电流源的性能好坏直接影响电路的性能稳定， 可见基准源是电子电路不可或缺的一部分，因此也可以说性能优良的基准源是一切 电子系统设计最基本和关键的要求之一。现在拥有内部基准源的集成电路已广泛应 用于军事装备、通讯设备、汽车电子、工业自动化控制及消费类电子产品等领域。 本文内的基准源由于需要集成在芯片内部，所以决定了本文的基准源是集成电 路基准源。基准源按性能分类，可分为交流基准源和直流基准源；按结构分类，又 可分为分离基准源和集成基准源，本节主要介绍直流集成基准源。直流集成基准源 分为电压源和电流源两种，每种又根据精度不同、基准参数不同、工作温度不同、 封装形式不同，分为多种类型。 集成基准电压源分类闭 目前国内外生产的基准电压源多达上百种，其主要分类如下； ( 一) 按电压温度系数分类 根据温度系数t c 不同，产品大致可划分成三类： 数字电视调谐器中基准电流源的设计 1 ) 精密型基准电压源，t c = ( o 3 5 ) p p m 2 ) 准精密型基准电压源，t c = ( 1 0 2 0 ) p p u d c 3 ) 普通型基准电压源，t c = ( 3 0 1 0 0 ) p p i i l ， 值得注意的是，在每一类中又可以根据温度系数的不同划分成几档。 ( 二) 按基准电压分类 目前形成的产品中，按输出基准电压大致可以分为两类： 1 ) 固定输出基准电压，输出电压大致可分为1 2 v 、2 5 v 、5 v 、1 0 v 等 五种。 2 ) 变输出基准电压，此类基准电压源的输出值可以是编程输出，也可设定 连续输出。 ( 三) 按用途分类 在同一系列产品中又有军品、民品之分。例如，l m l 9 9 ( 军品) 、l m 2 9 9 ( 工业 品) 、l m 3 9 9 ( 民品) 同属于一个系列，它们的内部电路与外形完全相同，只是工作温 度范围存在差异，前面历述三种集成基准电压源的工作温度分别为- 5 5 斟1 2 5 、 - 2 5 一卜8 5 、m 4 0 。 ( 四) 按封装形式分类 集成基准电压源按封装形式可以分为：豆瓣形塑料封装，圆形金属壳封装，普通 8 引脚双列直插式封装，小型双列直插式封装。 集成基准电流源分类 集成基准电流源集单片集成化、最佳性能指标、最简外围电路等优点于一身。 有的还能对输出电流进行连续调整，它代表着基准电流源的发展方向。除了根据上 述基准电压源的分类，集成基准电流源还可分为以下四种类型： 1 ) 三端可调型三端可调型基准电流源能在较大范围( 和5 0 0 m a ) 内精确调节 恒定电流。 2 ) 四端可调型四端可调型基准电流源的显著特点是，它不仅能在极宽范围 ( 3 u a 2 5 a ) 内对恒定电流进行精细调节，而且能调节本身的电流温度系数，使t c 为正负或等于零。 3 ) 高压集成型高压集成基准电流源的最高工作电压可达l o 1 5 0 v 。 2 第一章绪论 4 ) 集成温度传感器型此类产品属于集成温度传感器，但是原理上它们等效于一 个高内阻且输出电流与温度成正比的恒流源。 1 2 基准源的应用 为了满足各种应用场合的要求，模拟集成电路制造商推出了许多种类的集成基 准电压源。从工作原理的角度来看，设计基准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所固有的特征电压作为基准电压， 但由于硅半导体材料对温度敏感，所以为了解决温度漂移问题，通常又选择一种与 基准源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，从而使得总体温度系数趋近于零。 目前，像其他模拟集成电路一样，基准源也朝着缩小外形尺寸、减小功耗、降 低成本和提高性能的趋势快速发展。相比之下，带隙基准源由于其在电源电压、功 耗、长期稳定性等方面的优势，因而得到了更广泛的应用，除了数模( 模数) 转换器、 电压调整器等模拟器件外，通讯系统及电池供电的便携式设备中，都需要具有较低 电压的精密基准电压源。 1 3 主要研究内容与结构 本论文的主要任务是研究和设计一种完全基于标准c m o s 工艺的带隙基准电 流源，包括核心电路设计、二级运算放大器设计、启动电路和电流镜设计四个部分。 其中利用两个匹配的c m o s 衬底p n p 双极型晶体管b e 结电压降作为与温度相关 的基本信号，采用一阶温度补偿来得到低温度系数的基准电流。 本论文将按照如下结构组织： 首先介绍了基准源的分类及其现阶段的发展状况，对基准源的应用作出了说明。 第二，介绍了c m o s 工艺下的双极晶体管和电阻。对衬底p n p 双极晶体管和 电路中重要的无源元件作了研究和说观。 第三，总结和分析了现有基准源的种类，选择合适的基准电流源作为此次设计 的目标。并且对电路各个部分进行分析，最后完成整体电路的仿真。 3 数字电视调谐器中基准电流源的设计 第四，给出基准源的仿真结果，并对电路仿真结果进行分析。 第五，完成电路版图设计，最后对影响电路性能的因素以及在电路和版图设计 上的改进作了说明。 4 第二章带骧基准电流源的理论基础分析 第二章带隙基准源的理论基础分析 现有的c m o s 带隙基准源，一般采用电流密度比补偿型。该种形式是利用工作 在相同电流而不同电流密度的两个相同晶体管的正向基射结电压差的正温度系数来 补偿单个双极型晶体管基射结电压的负温度系数的输出电压( 流) ；目前广泛采用的 元件是工作在亚阈值区的m o s 场效应晶体管以及与c m o s 工艺完全兼容的衬底寄生 p n p 晶体管。而电阻在带隙基准源中也是必不可少的元件之一，其特性也将直接影 响到电路性能。 2 1m o s f e t 的电学特性与温度特性 2 1 1m o s f e t 的电学特性 以n m o s 管共源接法为例，按照漏电流随栅源电压的不同变化关系，可将输出特 性分成四个区域： 1 ) 截止区 圪s p 0 ，在栅氧化层的表面会出现n 型反型层， 即形成源区和漏区之间感应的导电沟道，但如果此时漏源电压为零，则沟道内各处 电压相同，不能形成漏源电流。当 0 ，在沟道内产生横向电位梯度，因此形成 漏源电流，而且当p k 增加时，电流i d 也随之增加，即如与呈线性变化关系，此 时源区和漏区之问感应的沟道就相当于一个线性电阻。所以在实际电路设计和应用 中，电阻可以用m o st 作在该线性区来代替。其伏安特性方程如下： 数字电视调谐器中基准电流源的设计 = “- 么一，锄) i 么一去矿2 馏】 ( 2 一i ) 其中，：孚以乞 厶 3 ) 饱和区 当继续增加到一 盘( 口为m o s 管的击穿电压) 时，漏极 沟道夹断而消失，k 增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上，以由于沟 道两端电压基本不变，所以漏电流不再随。增加而达到饱和值。但。的变化将影 响饱和电流值的大小。在模拟集成电路中，该区是m o s 管的主要工作区域。其伏安 特性方程如下： 1 1 ) ：要( 一) ：( 2 - 2 ) 4 ) 亚阅值区 在分析m o s f e t 时，一直认为当p 名下降到低于y r 掰时器件会突然关断。实际上 公“巧。时，一个弱的反型层仍然存在，并且存在很小的漏源电流甚至当y 4 ，则在亚阈值工作状态下的m o s 场效应晶体管漏极电流岛可由等式( 2 8 ) ，( 2 9 ) 表示， 扣，砰簪d 华卜砰刖警 8 ， 在这里我们认为丸= 2 九， 扣，砰刖引 ( 2 _ 9 ) 在b s i m 3 v 3 模型中，盱为修正常数项。因此比较式( 2 - 8 ) 与( 2 - 9 ) ，当漏极电 流为相等时，得到 8 第二章带骧基准电流源的理论基础分析 监当! _ 鱼：以一2 b ( 2 - l o ) 表面势垒热以及费米势中l b 与温度t 的关系可由文献【3 】中得到，则有 们m 俐i t 一了3 k tl i l + 竽一了e g c t ) i t ( 2 _ 1 1 ) 与 九例= 九俐争3 2 k g t d l t 瓦广1e 丁s ( t ) 一百e g ( t ) i t ( 2 1 2 ) 由等式( 2 1 0 ) 和( 2 - 1 1 ) ，把以- 2 九作为温度函数有 疙( d 一2 九( i o = 【丸( 瓦) 一2 九( 瓦) 】( 2 - 1 3 ) 因此对于给定的漏极电流，根据等式( 2 1 0 ) 有 ( 即= 即+ + 怒i v y ( t o ) 一( t o ) 一】丢 ( 2 1 4 ) 假定拧回随温度变化很小( 即n ( t ) * 疗瓴) ) ，以及建模阈值电压为， r r j = 佴j + 珞( t t o 1 ) ，且秭 0 。则对于我们得到 ( d a v g s 岱) + 晤一 ( 2 1 5 ) 其中 k 兰珞+ ( 瓦) 一( 瓦) 一 ( 2 1 6 ) 对于典型值的厨、和一，肠是负数，当漏极电流而固定时，将会随 温度的升高而降低。 虽然亚阈值工作的m o s 管功耗非常低，但是对于硒0 s 管的亚阙值特性模型的研 究目前并不十分完善，亚阂值状态的不稳定性及其随工艺变化较大的弱点限制了它 的应用。因此目前较多使用的是下面将要讨论的衬底p n p 双极型晶体管。 硅双极型晶体管b - e 结势垒( 珞e ) 是一个与温度相关的量，并且具有很好的 稳定性，这个特性可以广泛的应用于带隙基准源当中。 9 数字电视调谐器中基准电流源的设计 u uu l u = 叫， n - n 图2 - 2 n 阱c m o s 工艺下寄生双极型p n p 晶体管 f i 9 2 - 2p a r a s i t i cs u b s a i t ep n pi nn - w e l lc m o s 在c m o s 工艺中有两种方式能实现p n p 双极型晶体管 s - i a l ，分别为纵向p n p 管和横向p n p 管，其结构如图2 - 2 所示。纵向p n p 管也叫衬底p n p 管，n 阱中的 p + 区( 与p m o s f e t s 的漏源区相同) 作为发射极，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) 。为了和n l e l lc m o s 工艺兼容， 需要采用寄生三极管技术实现，主要有2 种结构：纵向双极晶体管 ( c m o sv e r t i c a lb i p o l a rt r a n s i s t o r ，c 聊) ，横向双极晶体管 ( c m o sl a t e r a lb i p o l a rt r a n s i s t o r ，c l b t ) 。c v b t 的主要缺点在于集电极和芯片 衬底短接，限制了它的应用范围。c l b t 的不足是由于基区掺杂浓度的偏差造成的沟 道下载流子迁移率的不均匀性，以及侧向扩散导致的基极发射极面积和基极宽度无 法精确控制，所以，这种晶体管的电流增益一般小于5 。 对于衬底p n p 管，理想情况下其集电极电流与b e 结电压的关系在正向偏置 时( 如图2 3 ( a ) 所示) ，可由式( 2 1 7 ) t 1 给出( 忽略晶体管基极电流尾，且集电极 电流尼等于发射极电流- r e ) 毛= 厶e x p ( ) ( 2 1 7 ) 其中巧= k t q ，式中i s 为晶体管发射极反向饱和电流正比于蒯，其中为少 数载流子迁移率，刀i 为硅的本征载流子浓度。 同二极管一样，正向电压p k 可以用温度信号来测量，表示为 k k g r 峨 ( 2 - 1 8 ) 在p n p 晶体管中，s 的值是一个强烈依赖温度的量【1 4 - 垌，可以表示为 1 0 第二章带陈基准电流源的理论基础分析 毛诹砰嚣 ( 2 - 1 9 ) 其中，丁为绝对温度，单位为k ；a 。为发射极面积；吼为基区宽度；n d b 为基区掺 杂浓度；互0 为基区少数载流子平均迁移率 乒品、托是与温度相关的量，可以近似表示为 吩吒”斗簧 c 蝴， 砧= 鲡，t ” 2 - 2 1 ) 其中，是硅的带隙电压( 室温时匕* 1 1 2 v ) ，历是有效迁移率指数( 对于空穴 m = 2 2 ，对于电子埘= 2 4 2 ) ，c 缸。与c 缸是温度非相关常数 为了获得一般性表达式，我们通常使用集电极电流尼的温度相关等式表示，这 个实际等式相对于前面的公式简单许多16 ，埘，如下 毛= 毛( 爿 浯2 z ， 其中a 为温度指数，j 是集电极在温度死时的电流。则e 变为 = 匕一珞l n f 鲤l c 。e a b n m1 ) 一( ，一妙l l l ( 丢) q z s ， y - - - - 4 - - m ，巧= k t q 。在t o 时，b - e 结势垒e 变为e o 。氓等j t j 监。o a , , n o , ) 1 ( 2 - 2 4 ) 其中，是硅在温度t o 时的带隙势垒。式( 2 - 2 3 ) 即为晶体管b - e 结压降与 温度的关系式。式中何一口，硌加( 翔对数中温度的交化并不显著；而巧= k t ，鼋项 与温度成正比。由此可见，大体上随温度减小而线性增大。当线性外推到绝对 零度时，p h 达到硅的带隙电压值= 1 2 0 5 v ，如图2 - 3 ( b ) 所示。 数字电视调谐嚣中基准电流源的设计 嘞 图2 - 3 基射结与温度的关系 f i 9 2 - 3 v e i s u st e m p c r m u 2 3c m o s 工艺下的电阻 电阻是模拟电路最基本的元件，在集成电路中有多种设计和制造方法。在带隙 基准源电路中，由于大范围的温度测量以及i c 工艺中制造的偏差，电阻由于二者所 产生的影响已经不能忽略。但是在大多数情况下，电阻阻值的绝对值不如他们之间 的比值那么重要。在s m i c0 1 8 p mc m o s 工艺下，有五种电阻可以选择： 1 ) n + 扩散电阻 2 ) p 扩散电阻 3 ) n + 多晶电阻 4 ) p + 多晶电阻 5 ) f i r 多晶电阻 表2 1 是五种电阻的各种系数： 第二章带昧基准电挽源的理论基础分析 表2 - 1s m i c0 1 8 i l m 五种电阻参数 b e s t t y p i c a l w b r s t j c 2d ld w t y p e( o h m ( o h m s ( o h m t c l t c 2 j c l aj c l b j c 2 a b ( u m ) ( u r n ) s q )q )s q ) n 十r s 3 65 8 27 6 1 5 1 e4 2 2 e7 6 7 e5 8 8 e2 2 5 e 1 4 0 3 80 3 3 2 b ( s a b ) _ 0 3- 0 7- 0 5- 0 90 849 1 3 p + r s 7 61 3 01 5 6 1 4 1 e 6 8 7 e 1 9 84 8 l1 5 1 e 3 6 o 3 8- o 0 5 l b ( s a a ) 0 3- 0 7e d 5e 1 00 8 65 1 5 n + p o l yr s 2 4 52 5 23 2 5 一1 3 52 2 9 e 1 0 1 e 3 5 8 - 1 9 5 3 9 0 0 9 7 bo 0 7 6 ( s a b ) e 0 3- 0 60 3e - 0 8e 0 8 4 1 3 p + p o l y _ r s 2 5 03 1 23 3 0 1 - 6 37 4 6 e4 0 0 e1 0 7- 3 4 3 - 7 1 2 b - 0 4 2 0 0 1 8 ( s a b ) e - 0 4 - 0 7 - 0 5 e - 0 8 e 1 01 1 4 h r 7 9 51 0 5 01 1 9 5 - 8 5 21 9 8 e1 4 0 e- 4 3 5- 2 7 9 - 1 o - 0 0 l 9 bo 2 6 4 p o l y _ r s e - 0 4- 0 60 4e - 0 9e - 0 96 1 3 电阻计算的表达式为 ，；r s h 尝0 + y e l l d v + v c 2 d v 2 ) ( 1 + t c l ( t a t o m ) + t e 2 ( t m o r n ) 2 ) ( 2 2 5 ) w a w 其中，r s h 为方块电阻：z 为长度；w 为宽度；v c l ，v c 2 为电压系数；t c i ，t c 2 为温度系数；r 为温度；撕册为室温2 5 0 c 。电阻的选用应根据不同的需求而选定， 在带隙基准源中，为了得到低温度系数的电压( 流) ，应当选用温度系数较低的p + 多 晶电阻。而考虑到电阻要占用很大的面积，增加芯片成本，可以适当考虑方块阻值 较大的h r 多晶电阻。 2 4 带隙基准原理 所谓能带间隙，是指硅材料在热力学温度为零度( o k ) 时的带隙电压，其数 值约1 2 0 5 v ( 如图2 _ 4 ) 。带隙基准基本设计思路，就是利用晶体管b - e 结电压差a v b f 的正温漂去补偿晶体管b - e 结电压p 缸的负温漂，从而实现零温漂。双极型晶体管 b - e 结压降珞e 随温度减小而近似线性增大，同时两个晶体管的b - e 结电压差a 蚝e 具有正温度系数，当利用该正比于绝对温度( p t a t ) 的电压昂t a t 叠加于上， 并巧妙地补偿e 和之间的差值，即可得到基本上不随温度变化的零温漂电压。 数字电视调谐嚣中基准电流源的设计 如前所述，晶体管b e 结电压e 中包含温度t 的高阶项，为了得到更加理想 的温度系数，需要采用二阶甚至高阶的温度补偿。但是由于二阶或者高阶温度补偿 电路过于复杂，增加了芯片的面积与芯片的成本，因此目前应用较多的仍然是一阶 温度补偿。 r 啦； o 【1 2 _ 一 ， 1 图2 - 4p h 与温度的关系 f i 9 2 - 4 蚝ev e r s u st e m p e r a t u r e 秘眦。舞攫缒 图2 - 5 一阶补偿原理图 f i 9 2 5i l l u s t r a t i o no f f i r s to r d e rc u r v a t l u ec o m p e n s a t i o n 1 4 ； 第二章带隙基准电流源的理论基础分析 2 4 1p t a t 电流( 压) 的获取 目前，k u j i k ，a h u j a 以及s o n g 等人分别提出了三种基于标准c m o s 工艺的不 同带隙基准源b g r ( b a n d g a pr e f e r e n c e ) 结构 1 9 1 。k 1 a s a n e n 等人基于a h u j a 电路 提出了工作在亚阈值状态下的低功耗基准电压发生器电路跚。由于m o s 管的亚阈 值理论目前并不完善，对工艺的要求非常苛刻，因此电路的工作存在很大的不稳定 因素。 直观上，m o s 管亚阈值工作区的可控偏置比较困难。首先必须确定亚阀值区的 范围，其次必须保证当电流电压变化或工艺漂移时，亚阈值工作区域能够稳定不变。 亚阅值区又称为弱反型区，介于强反型与截止区之问，即以强反型为边界的弱开启 区。满足如下条件 = k 茹一巧 2 n 巧 ( 2 2 6 ) n 的范围介于1 1 5 之间，巧2 6 n n , ( 在室温下，即3 0 0 k ) ，这样偏置最 多只能大于鲮d 8 0 t i n , ，以满足弱开启条件。通常，考虑工艺漂移或衬底偏置效应， y 刍的变化可达到1 0 0 m v 2 0 0 r m , ，所以很难保证器件在所有状态下都能处于亚阀 值区。 而在1 9 6 4 年人们已经认识到，如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度 下，那么它们基极发射极电压的差值就与绝对温度成正比( p t a t ：p r o p o r t i o n a l t o a b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 。 2 4 1 1 正温度系数( p t a t ) 电压 如图2 - 6 所示，如果两个相同的晶体管偏置的集电极电流分别为彪l 和厶并忽略 它们的基极电流，那么 = 。一= v t n i 生一l n 争= 巧1 n 雅 ( 2 2 7 ) 。c ,s 2 两边对t 求导，可以看出y 矗的差值就表现出正温度系数： 丝鳌：生l n 榨( 2 - 2 8 ) 数字电视调谐器中基准电流源的设计 2 4 1 2 正温度系数( 陌a t ) 电流 p t a t 电流在许多应用中是很有效的，它可以通过图2 7 所示电路产生 图2 - 6 p t a t 电压的产生 f i 9 2 - 6c i r c u i to f t h ep t a t v u i t a g eg e n e r a t o r 图2 7 p t a t 电流的产生 f i 9 2 - 7c i r c u i to f t h ep t a t c u r r e n tg e n e r a t o r q a 、q b 处于正向工作状态，则 = = 等哮 ( 2 _ z 9 ) 圪= = 等咚 ( 2 - s o ) 其中，蚝队，珞即分别为晶体管q a 、q b 正偏时的b - e 结压降；如。，尽b 为q a 、 q b 的反向饱和电流，且有l s s = r d s a 、该值是一个与工艺相关的量。 当将m o s 管m 1 、m 2 、m 0 设计为相同尺寸时，有 = l = 厶 ( 2 - 3 1 ) 根据运算放大器在深度负反馈工作下输入“虚短”的特性。有 v o = 圪 ( 2 - 3 2 ) 因此基准源可以使用这个特性，利用两基极发射极电压差获得p t a t 电压 = v o - v , ( 2 - 3 3 ) 由式( 2 3 0 ) ( 2 3 3 ) 可以得到 1 6 第二章带隙基准电流源的理论基础分析 ：一圪：e 一：主! l n ( 2 3 4 ) g 可以看出式( 2 3 4 ) 中只有温度r 一个变量，因此电阻r o 上的压降即为一 个p t a t 电压信号。当我们采用电阻值随温度变化较小的多晶硅电阻时，则流过r o 的电流为 l = 悱为蛔 ( 2 _ 3 5 ) 忽略电阻的温度系数，结合式( 2 3 1 ) ，则有 堕：毒i n 行 ( 2 3 6 ) a t g 足 所以i v l 2 管的漏极电流五亦是一个跟温度成正比的电流。 2 4 2c t a t 电流( 压) 的获取 c t a t 电压( 流) 一般是通过对正偏的双极性晶体管的基极一发射极进行分接产 生的，从前面的分析中可以看出双极型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 5 亚阈值型基准源 随着半导体工艺技术的不断进步，啪s 器件特征尺寸已进入亚1 0 0 n m 阶段，这 迫使数字和模拟电路系统的工作电压不断降低，以解决日益显著的系统功耗问题， 为配合电源电压的降低，将m o s 管偏置在亚阙值工作区已成为一个重要的低压低功 耗设计方法。 亚阈值区又称为弱反型工作区，介于强反型与截止区之间。该基准源的设计原 理是：利用m o s 器件在亚阂值区内饱和漏电流的指数特性，产生与绝对温度成正比 的电压源以孙偿双极型晶体管基射结电压p 。的负温度系数，从而获得温度稳定的 基准电压k ，。实践证明，由亚阙值工作的m o s f e t 所组成的c m o s 电路，其功耗非 常低。通常采用亚阈值工作原理的基准源其典型功耗一般在u w 级。 1 7 数字电视调谐器中基准电流源的设计 由于工作在亚阈值区的m o s 管，其特性类似于双极型，因此，完全可将双极型 模拟电路的一些特点移植过来。在c m o s 技术中，就是利用m o s 管在弱反型区内饱和 漏电流的指数特性，由此组成p t a t 基准源。基本的亚阙值区b a n d g a p 结构电路如图 2 - 8 所示 图2 - 8 亚阚僵原理b a n d g a p 电路 f i 9 2 - 8s u b t h r e s h o l db a n d g a pc i r c u i t 如图2 8 所示m 1 、m 3 、m 5 为三个n 沟道增强型m o s f e t ，并且构成一组镜像电 流镜，其相同，宽长比w l 可以不同；m 2 、m 4 为两个p 沟道增强型m o s f e t ，同 样构成一组电流镜，并且和第一组电流镜组成反馈式闭合环路。当电路启动时，环 路增益l w 3 偈l , - 丽形2 l 2 大于1 ，由于电阻置的负反馈作用使环路增益等于1 时环路 达到平衡，这时电阻r 1 上存在电压珞。假设m 1 m 5 都工作在亚阔值区，并确保 m 1 、姒进入饱和。当1 1 2 、m 4 两管的栅压相等时。有 名2 = 名4 ( 2 3 7 ) i = l r i ( 2 3 8 ) = 譬如卅e x p ( - 嘉) ( 2 _ 3 9 ) 由亚阈值区工作的r l 沟道增强型m o s f e t 漏电流公式( 2 3 9 ) 1 8 第二章带隙基准电流源的理论基础分析 = 糌缈= 箍 倍4 。， i t 眠| l w 3 l k 一 经整理，得到的表达式为 k 等( 跆丽w , l , ( 2 - 4 1 ) 上式表明，。仅仅与热电压f 等1 和m o s 管的宽长比有关。 m o s 管宽长比固定的 lg 情况下，与温度t 成正比，即为p t a t 电压。同时，流过电阻r 1 的电流也 与温度t 成正比，可以褥到 。 铲鲁= 嚣h ( 跆剽( 2 - 4 2 ) 此时，m 5 管的电流为 厶。箍鲁=茜，器h(箍箍(2-43)l3 r 7 玛墨。g 厶l 上：岛j 上式说明，l 与温度t 成正比，l i pp t a t 电流。 在上述基本的p t a t 电压或者电流的基础上，加上衬底寄生双极型晶体管基射极 电压和电阻r 2 形成的c t a t 电压或者电流，二者进行温度补偿，即可得到输出基 准电流或电压如图2 - 8 所示，该基准源的输出基准电压p 可由式( 2 4 4 ) 表示 = + 厶r z ( 2 4 4 ) 双极型晶体管q 1 的基射结电压p k 可以表示为 = ( 一刳+ 。晤 + ，i k t h 争 c z 一4 s ， 将式( 2 4 5 ) 和( 2 - 4 4 ) 带入，得到 = 等鲁薏笼l i l 甓绥老纠+ ( 一翔+ 。+ ，了k t k 争c 2 4 e ， 将上式对t 求导。得到零温度系数的条件为 】9 数字电视调谐器中基准电流源的设计 百r2丽wsl,ln(雅黔赢畋。)小-n了to(2-47)rl。彤坞l ：厶j蠕”7 。l r 将式( 2 4 7 ) 带入式( 2 4 6 ) ，得 吨+ 等卜争) ( 2 - a 8 ) 由上式可以看出，在t = t o 时，此亚阈值型基准源的零温度系数基准电压也接近硅 半导体材料的带隙电压。 尽管亚阂值区的带隙基准源具有低功耗的优点，然而由于m o s 管的亚阈值特 性模型的研究目前并不十分完善，亚阙值状态的不稳定性及其随工艺变化较大的弱 点限制了它的应用。亚阈值电路设计的关键，在于有选择的将所需要的m o s f e t 偏 置在可控的亚阈值工作区。 2 6 应用于数字有线电视调谐器的基准源 数字电视调谐器是数字电视接收机的前级部件，在数字电视技术中占有十分重 要的地位。它的作用是将已被调制的载有数字电视信息内容的射频信号进行射频接 收、放大、变频、滤波、a d 变换、解调、纠错解码等功能盯叫3 】 本次设计的系统架构采用单次变频三波段的结构，即将接收电视射频信号分成 三个频带分别接收。此次设计的芯片主要集成了混频器、中频放大器、振荡器和基 准电流源，如图2 - 9 所示。 本次设计的调谐器中由于基准源要为多个模块进行偏置，那么基准源采用电流 进行分配，而不是采用电压进行分配。其思路是将参考电流走线连到临近的模块， 并且就地生成镜像电流，如图2 1 0 所示，将连线电阻于电流源串连，如果电路模块 密集的出现在芯片上不同区域，这种方法可以减少系统的误差。同时在大的系统中， 为了减少误差，降低布线难度，最好采用几个局部的带隙参考电路。 冲一l l 。8 榜剖牲 l ：g 。匕 撼一q 一 _ 占“ 叫一i 一 l 髫掣匕 1 一睫一q 一 气一 * 磊m 播： 刊一ll 。础匕 习：= r 。l 一 二j h 叫亓碚f i e 量i n e r e n 。c ei l 一静l 尚 l ”竺。l 淞。一齐一 图2 固调谐器芯片结构图 f i 9 2 - 9s c h e m a t i cs t r u c t u r eo ft u n e r 图2 - 1 0 电流分布减小了连线电阻影响 f i 9 2 一l od i s t r i b u t i o no fc u r r e n tt o r e d u c e t h ee f f e c to fi n t e r c o n n e c tr e s i s t a n c e 数字电视调谐器中基准电流源的设计 2 7 主要性能指标 1 温度系数( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 温度系数( 简称t c ) 用于衡量一个电压基准，其输出电压因受环境温度变化而偏 离正常值的改变程度，它也是基准电压最重要的性能指标之一，通常用p p m 2 2 表示 ( p p m 是英文p a r t p e r m i l l i o n 的缩写，l p p m 表示百万分之。例如，一个基准标称 电压为1 0 v ，温度系数为1 0 p p m 2 2 ，则环境温度每变化1 2 2 ，其输出电压改变 1 0 v x l o x l 0 。= 1 0 0 z v 。需注意的是，温度系数可能是正向的，即基准的输出电压 随温度的升高而变大，也可能是负向的，即基准的输出电压随温度的升高而变小。 2 精度( a c c u r a c y ) 精度是指带隙基准源正常工作时，其输出值偏离正常值的大小。带隙基准源的 精度通常用正常输出值的绝对误差和相对误差来表示。在需要绝对测量的包含d a c ( a d c ) 的系统中，系统的精度完全取决于基准源的精度。比如现在全集成的各种 传感器中，基准源的精度决定了传感器中a d 转换器的精度，进而影响了传感器的 性能。 3 电源纹波抑制比( p s r r ) p s r r 是p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o 的缩写，中文含义为电源纹波抑制比， 是一个用来描述输出信号受电源影响的量。当电源电压由于交流干扰时，特剔是干 扰频率较高时，输出电流( 压) 会出现同频率的干扰信号。p s r r 的单位为分贝( d b ) ， 采用对数比值，基本计算公式为： p s r r ：2 0 l o g r i p p t e ( i n ) ( 2 4 9 ) r i p p l e ( o u t ) 从上面的式子可以看出，影响输出信号的因素除了电路本身之外，还受到了供 电电源的影响。 第三章c 螂带隙基准电流源的设计 第三章c m o s 带隙基准电流源的设计 本章主要介绍了此次片内带隙基准电流源的设计，包括核心电路、运算放大器 的选用及电流镜的设计。利用m e n t o re l d o 工具进行仿真，并对仿真结果进行分析。 3 1 基准电流源核心电路结构 根据带隙基准原理，应当产生两路电流信号，即电流信号j 蕊、分别为正温 度系数和负温度系数电流。当电流名t 、良好补偿时可以获得一个恒定的不随温 度变化的值。即相对于温度，。+ j 。= 常数 3 1 1 高性能基准电流源核心电路结构的设计 本文通过比较文献 2 1 3 0 q