（电路与系统专业论文）高性能cmos带隙电压基准源的研究与设计.pdf

摘要 摘要 电压基准源是模拟电路( 混合信号电路) 设计中广泛采用的一个关键的基本 模块，它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。采用标 准c m o s 工艺设计出应用于“微硅电容加速度传感器单片测试电路”中的高性能电 压基准源即是本文的主要研究目的。 本文首先介绍了电压基准源的国内外发展现状与趋势，给出了电压基准源的 性能指标，分析了带隙电压基准源的原理。然后通过比较和分析电流密度比补偿 型、弱反型工作型和多晶硅栅功函数差型三种带隙电压基准源电路结构的优缺点， 确定了电流密度比补偿型共源共栅结构作为本设计核心电路结构，运用负反馈技 术设计了基准输出缓冲电路、输出电压倍乘电路，改善了核心电路的带负载能力 和电流驱动能力。在考虑利用实际电阻的温度系数来进行带隙基准高阶温度补偿 的基础上，实现了带隙电压基准源的电路设计。接着应用无锡上华标准0 6 u mc m o s 工艺提供的元器件模型参数进行了电路仿真，并根据尺寸设计规则设计了整体电 路的的版图，最后运用c a d e n c e 中的版图验证工具集d r a c u l a 对电路版图成功地 进行了d r c ( d e s i g nr u l ec h e r k e r ) 、l v s ( l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ) 验证， 证明了电路版图设计的可行性，完成了i c 设计从前端到后端的设计流程。 仿真结果表明：在室温2 7 时，本文设计的电压基准源提供的两种输出电压 为1 2 4 9 9 4 v 和2 5 0 0 4 8 v ，非常接近项目所要求的标称1 2 5 v 和2 5 0 v 输出的要 求；在工作温度一4 0 - - 8 5 这个温度范围内，输出电压1 2 4 9 9 4 v 的温度系数为 1 7 8 p p m 。随着工艺角的变化，在5 v 工作电源下，本模块消耗的最大功耗为 1 9 4 m w ，最小为1 1 3 r o w 。在1 h z 6 0 0 m h z 的频率范围内，最差情况下的电源抑制 比为一2 0 7 d b 。整个电路设计符合项目总体设计要求。 关键词：电压基准源、共源共栅、电源抑制比、版图验证、c m o s a b s t r a c t a b s t r a c t v o l t a g er e f e r e n c ei sav i t a lb a s i cm o d u l ew h i c hi sw i d e l ya d o p t e di na n a l o g c i r c u i t s ( m i x e ds i g n a lc i r c u i t s ) i t st e m p e r a t u r es t a b i l i t y a n da n t i n o i s ec a p a b i l i t y i n f l u e n c ：之。p r e c i s i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m t h em a i np u r p o s eo ft h i s r e s e a r c hi st ou s es t a n d a r dc m o sp r o c e s st od e s i g nah i g hp e r f o r m a n c ev o l t a g e r e f e r e n c e ，w h i c hc a nb ea d o p t e di n a p r o g r a mn a m e dm i c r o s i l i c o nc a p a c i t i v e a c c e l e r o m e t e rm o n o l i t h i cm e a s u r e m e n td r c u i t s i n t h i sp a p e rt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t a lt r e n do fv o l t a g er e f e r e n c e s t u d i e sb o t ha th o m ea n da b r o a dw i l lb ep r e s e n t e d ，t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fv o l t a g e r e f e r e n c ew i l lb ei n t r o d u c e d ，a n da l s ot h ep r i n c i p l eo fb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ew i l l b ea n a l y z e d b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h r e e k i n d so fv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t s ，t y p eo fc u r r e n td e n s i t yr a t i oc o m p e n s a t i o n 、w e a k i n v e r s i o nt y p ea n dt y p eo fp o l yg a t ew o r kf u n c t i o n ，ac a s c o d es t r u c t u r eo ft y p eo f c u r r e n td e n s i t yr a t i oc o m p e n s a t i o ni sc h o s e nt of o r i l lt h ec o r eo fv o l t a g er e f e r e n c e c i r c u i td e s i g n e di nt h i sp a p e r a p p l y i n gt h en e g a t i v ef e e d b a c kt e c h n o l o g y , a no u t p u t b u f f e ra n dm u l t i p l yb y 一2 - c i r c u i t sa r ed e s i g n e d ，w h i c hi m p r o v et h ec u r r e n td r i v i n g c a p a b i l i t y n ec i r c u i td e s i g no fb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ei sc o m p l e t e d ，c o n s i d e r i n g t h eh i g ho r d e rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nw i t hr e a lr e s i s t o r s t h ec i r c u i t sd e s i g n e dh a v e b e e ns i m u l a t e d ，u s i n gc s m c0 6 u mc m o sp a r a m e t e rf i l e s a i s o ，al a y o u to ft h ew h o l e c i r c u i t si sd e s i g n e db a s e do nt h ed e s i g nr u l ef i l e a tl a s t t h el a y o u ti sv e r i f i e dw i t h c a d e n c ev e r i f i c a t i o nt o o l s ，d r a c u l a d r c ( d e s i g nr u l ec h e r k e r ) a n dl v s ( l a y o u t v e r s u ss c h e m a t i c ) h a v eb e e nd o n es u c c e s s f u l l y , w h i c hi m p r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h e l a y o u td e s i g n s ot h ew h o l ei cd e s i g nf l o w , f r o mt h ef r o n te n dt ot h eb a c ke n do fa c i r c u i td e s i g n ，i sc o m p l e t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，a tr o o mt e m p e r a t u r e ( 2 7 1 ，t h ev o l t a g er e f e f e n c e d e s i g n e di nt h i sr e s e a r c hp r o v i d e sl 2 4 9 9 4 va n d2 5 0 0 4 8 vo u t p u tv o l t a g e s w h i c hf u l f i l t h er e q u i r e m e n t so f1 2 5 va n d2 5 vo u t p u tv o l t a g e ；a tt h et e m p e r a t u r er a n g eo f 4 0 t o8 5 。c ，t h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fo u t p u tv o l t a g e1 2 4 9 9 4 vi sa b o u t1 7 8 p p m 。c a st h ep r o c e s sc o l t l e r sv a r v t h ep o w e rc o n s u m p t i o nj s1 9 4 m wa tm o s ta n d1 1 3 m w a tl e a s t ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f5 vp o w e rs u p p l y i nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f1 h zt o 6 0 0 m h z ，t h ew o r s tp 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 ) i sa b o u t _ 2 0 7 d b t h ew h o l e c i r c u i td e s i g nf u l f i l st h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o g r a l nm e n t i o n e da b o v e k e y w o r d s ：v o l t a g er e f e r e n c e ，c a s c o d e ，p s r r ，l a y o u tv e r i f i c a t i o n ，c m o s 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 盘查翊日期：工吖6 年乒月u 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名： 翘缉 导师签名： 日期：如5 年4 月万e t 第一章绪论 第一章绪论 电压基准源( v o l t a g er e f e r e n c e ) 是指在模拟电路或混合信号电路中用作电 压基准的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。它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。 随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如a 、d a 转 换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也就意味着 系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。另外，电压基准源是电压稳压 器中的个关键电路单元，它也是d c d c 转换器中不可缺少的组成部分；在各 种要求较高精确度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源。 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【l j 。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，已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。由于c m o s 工艺中“按比例缩小理沧” 2 】的不断 发展，器件尺寸按比例缩小使得c m o s 电路的工作速度得到不断的提高，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。为了顺应集成电路技术的发展潮流，本文采用标准的 c m o s 工艺技术来设计高性能的电压基准源。 1 1 国内外发展现状与趋势 近年来，国内外对c m o s 工艺实现的电压基准源作了大量的研究，发表了 大量的学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。 电子科技大学硕士学位论文 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 ( o 6 u r n ) 、3 3 v ( 0 3 5 u r n ) 、1 8 v ( 0 1 8 u r n ) 、1 f i v ( o 1 5 u r n ) 、1 2 v ( 0 1 3 u r n ) 、0 9 v ( 0 0 9 u r n ) 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【3 】【4 】【5 】【6 堵b 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 衬底效应造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 。c t 7 】，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【8 】，指数曲线补偿技术【9 】，线形化v b e 的技术【1 0 ，基于电阻比值的温度系数的 曲线补偿方法1 1 1 】等。文献 5 中的基准电压源的基准输出在一5 0 。c 1 5 0 。c 范围内的 温度系数为4 p p m 。c ，文献 1 1 中的基准源的基准输出的温度系数为5 3 p p m 。c ， 而文献 1 2 中的基准源的基准输出在0 。c 1 0 0 。c 范围内的温度系数为1 5 p p m * c 。 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 6 1 ，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【1 ，在1 k h z 的p s r r 为- - 9 5 d b ，在1 m h z 的p s r r 为一4 0 d b 。文献 1 4 提出的电路结构在2 m h z 时的p s r r 为一5 9 d b 。 4 低功耗的电压基准源 低功耗设计对于p d a 、l a p t o p 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。文献【4 】 中给出电路的功耗只有3 u w ，文献 6 w 电路的功耗为2 2 0 u w 。 第章绪论 1 2 研究的意义及内容 本课题来源于一个“微硅电容加速度传感器单片测试电路”项目。在这个项 目中电容的基准值为5 p f ，随着外部加速度的变化电容值最大偏移为l p f ，测量 精度为o 0 1 p f 。电压基准源作为其中的一个子模块，基准的精度直接影响了整个 系统的测量精度，因此，设计一个好的电压基准源对于本项目是一个关键。由于 本项目用c s m c 0 6 u m ( 5 v ) c m o s 工艺线进行加工流片，因此，项目中所有模块 都采用5 伏工作电源，这样也就确定了电压基准模块的设计电源电压也必须是5 伏。采用c m o s 工艺完成的电压基准模块具有较小的芯片面积，有利于s o c 的 高密度集成。由于在项目中存在振荡电路，从振荡电路中出来的高频信号会耦合 到电源线上，从而影响项目中其他模块的电路，因此，项目中的电压基准模块必 须具有较高的电源抑制比( 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 ，p s r r ) 。温度系数是电 压基准源的一个重要参数，为了保证整个项目的整体测量精度，要求基准模块的 温度系数不高于3 0 p p m 6 c 。本电压基准电路的设计属于专门性电路设计。 1 3 本文的主要内容 本文第一章是绪论，介绍课题的发展趋势以及课题的意义。 第二章是对项目的一个总体的介绍，包括对弛张振荡器、p w m 调制解调模块、 电压基准源、高性能仪表放大器等模块设计的简单介绍。 第三章是对电压基准源的一般性介绍，包括基准源的指标、电路结构分类及 性能比较，同时介绍带隙电压基准源的相关原理。 第四章到第六章是电压基准源电路设计的完整介绍，是本论文的重点所在。 第四章介绍电路的设计目标、电路结构的选择和设计工具的简单介绍。第五章介 绍电路参数的计算和相应的仿真结果，并对仿真结果进行简要的分析。第六章是 版图的设计及验证。 最后是结论。 电子科技大学硕士学位论文 第二章“微硅电容加速度传感器单片测试电路”总体介绍 加速度传感器主要作用是检测加速度的变化，使人们对系统加速度的情况得 到准确的掌握。它己广泛应用于多种领域，从航天航空、国防军事到汽车电子、 消费电子等各个领域都涉及到加速度传感器的应用。而加速度传感器测试电路的 作用是把加速度的变化转化为一些便于检测的物理量( 如电压、频率) 的变化。 它和传感器一起共同完成检测加速度的功能。 由于在硅片上集成加速度传感器具有体积小、重量轻、易于测试和控制电路 的集成，有利于大规模批量生产等优点，几十年来的快速发展，微硅加速度传感 器的研究得到越来越广泛的关注。在多种微硅加速度传感器中，电容式微硅加速 度传感器从7 0 年代末发展至今，已形成了一套比较成熟的理论体系，它具有结构 较为简单、制作工艺与常规微电子加工工艺兼容、灵敏度高、使用简便等优点， 目前得到了较为广泛的应用。 2 1 项目总体简介 本项目测量的是微硅电容式加速度传感器中的电容变化量，其中微硅电容部 分是由合作单位设计和制造，其设计要求为：当外界加速度为零时，移动臂处于 平衡位置，它与固定臂构成的电容器的电容量为5 p f ；当外界的加速度不为零时， 移动臂与固定臂形成的电容器电容量最大为6p f ，最小为4p f 。要求所设计的测 量电路的测量精度达到o 0 1p f 量级。 图2 - 1 电容加速度测量电路总体框图 4 v 第二章“微硅电容加速度传感器单片测试电路”总体介绍 电路总体主要分为四个部分：弛张振荡器模块、p w m 调制解调模块、电压 基准源模块、高性能仪表放大器模块。电路总体框图如图2 1 所示。 2 1 1 微硅电容加速度传感器的工作原理 1 微硅电容加速度传感器结构模型 这里介绍的微硅电容加速度传感器是目前最为常见的种电容加速度传感 器，它采用质量块一弹簧一阻尼器系统来感应加速度，其结构如图2 2 所示。图中 只画出了一个基本单元，它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结 构( 图2 2 只给出其剖面示意图) 。图中的质量块是微加速度传感器的执行器，与 质量块相连的是移动臂，与移动臂相对的是固定臂。移动臂和固定臂形成了电容 结构，作为微加速度传感器的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材 料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度传感器中的作用相当于弹簧。 图2 - 2 微硅电容加速度传感器结构模型【l “ 2 微硅电容加速度传感器的工作原理 图2 3 给出了微硅电容加速度传感器的电学模型，图中c s l 的下极板和c s 2 的上极板认为是一体连接的极板。该加速度传感器的工作原理可概述如下：当加 速度计连同外界物体( 该物体的加速度就是待测物理量) 一起加速运动时，质量； 块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移量受到弹簧和阻尼 器的限制。显然该位移量与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时， 质量块具有确定的位移量；外界加速度变化时( 只要变化不是很快) ，质量块的位 移量也发生相应的变化。根据力学原理： h = 一，n a ( 2 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 z ；竺竺( 2 。2 ) k 其中k 为弹簧的为倔强系数，只与弹簧的原长、粗细和材料有关，7 为质量块的 质量，z 为移动臂的位移。 器工 蠕2 图23 微硅电容加速传感器的电学模型 另一方面，当质量块发生位移时，由移动臂和固定臂( 即感应器) 形成的电 容就会发生相应的变化。当移动臂处于平衡位置时，它与两固定臂之间的距离相 等，均为以。它与两固定臂组成的电容器电容量为： c o = e a 6 0 ( 2 3 ) 其中，为移动臂与固定臂之间介质的介电常数，爿为固定臂与移动臂的垂 直重叠面积。 当移动臂相对平衡位置向上移动位移量x 时，可得： 睁嚣2c o 意m 。壶吲卜云+ 印2 6 0 直q 。巳- c o = c o ( 6 意_ x ) c 2 = c o - ，c , z2 c o ( 丧) ( 2 4 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) n 三“ p ， 三羔氏 q 上咭 q x 立驴 q 告 e 第二章“微硅电容加速度传感器单片测试电路”总体介绍 电容总的变化为 电容的相对变化为 略去高次项可得 c 屯_ c 矿c 0 2 云+ 2 ( 云) 3 + 】 ( 2 勘 等3z 云【1 + 嗉) 2 + ( 毒) 4 + 弦， 笪。2 三：一2 m a c o6 0t 6 0 ( 2 1 0 ) 因此，如果能测得感应器的电容变化量，就等同于测得了执行器( 质量块) 的位移量，也就相当于测出了运动物体的加速度。 常见的微小电容测试方法有谐振法、充放电法、运算法和交流电桥法，项目 中采用了充放电法，也就是采用弛张振荡器的方法。这种方法可以方便地将实现 电路集成到块芯片上，同时简化设计过程，其缺点是测量精度较低。 2 1 2 弛张振荡器电路的设计 1 弛张振荡器的工作原理 弛张振荡器，也称为电容充放电振荡器，它通过不断对电容进行充放电，从 而输出连续不断的振荡波形，它的一般结构如图2 4 所示。先用一个电流源，1 向 电容充电，这时电容上的电压将会不断上升，将电容上的电压通过比较器与设定 的闳值电压相比较。当电容上的电压高于高位比较器的阈值电压k 时，控制部分 将会控制开关动作，使断开，l 导通，电容开始通过，放电，电容的电压开始 下降，设此时时刻为；当电容的电压下降到低于低位比较器的阂值电压k 时， 控制部分再次使开关动作，使导通，2 断开，又重新对电容充电，设此时时 刻为f ，。这样不停反复就可以在电容上输出连续不断的振荡波形，图2 5 给出了 采用理想元件仿真出来的振荡器输出波形。 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 弛张撒荡器的结构框图 令墨= j ：= 毛，弱： l 珊嬲j ； f f f f _ f l “。 “甜 4“ 闰2 - 5 振荡器的输出波形 史铡c = 参羔c l 宴 瓯一坞一巧一吾8 ：吲 z 十竿 ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 其中玩为电容的输出电压幅度，c 为电容的大小。 上式给出了充电( 放电) 时间的表达式，由于在每个振荡周期都有一个充电 过程和一个放电过程，所以振荡器的周期为2 f ，频率，为： f ；三：j l( 2 1 5 ) 。 2 t 2 c ( v 2 一k ) 从( 2 1 5 ) 式可以麓出，著傈持t 和k 一巧不变，剿振荡器输出信号频率仅 与电容大小c 有关。 第二章 “微硅电容加速度传感器单片测试电路”总体介绍 2 应用弛张振荡器对微小电容进行检测 在应用弛张振荡器对微小电容进行检测时，一般以物体加速度为零时对应的 输出频率作为基准来测试。此时电容移动臂处于平衡位置，它与两固定臂之间的 距离相等，设此时它与两固定臂组成的两个电容的电容量都为c n ，则由式( 2 - 1 5 ) 可知此时对应的振荡器输出频率 为： 厶2 瓦i i i 厕c ( 2 1 6 ) 当物体的加速度不为零时，移动臂与两固定臂组成的电容器的电容大小发生 了改变，分别为e 。、e ：。这时与它们对应的振荡器的输出频率分别为： 伽赤。磊毫“云 j 7 小杰3 石隶。云 q 。1 8 6 0 笛= f s 2 一f n = 2 气 d 0 ( 2 1 9 ) 在式( 2 1 9 ) 中，若保持j 。和k k 不变，c 。为电容移动臂处于平衡位置时 与两固定臂组成的电容器的电容量，当微硅电容加速度传感器制造完成时即形成 一个固定值，因此，0 也是固定不变的。，只由x 决定，频率的变化也就反映了移 动臂位移的变化，测试出频率的变化也就相当于测出加速度的变化。因此弛张振 荡器模块的主要任务是检测厂。 2 1 3p w m 调制模块的设计 经过两个弛张振荡器作用后，把加速度的变化转化成了频率的变化。为了检 测频率的变化，可以采用脉冲宽度调制进行测频的方法。如图2 - 6 所示，由于弛 张振荡器输出的是三角波，为了采用脉冲宽度调制，必须先把三角波转化为方波， 这可以通过一个比较器来实现。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 6 调频解调电路原理框图 由于所测量的电容是两个相互关联的电容，因此通过前面的弛张振荡器可以 产生两路方波信号，把两路方波信号都接到图2 - 6 所示的宽度调制模块。由于两 路信号处理相同，取凡进行讨论。比较器的作用是把三角波转化为脉冲波，并不 改变信号频率。宽度调制的目的是将脉冲调频波调制成为高电平的宽度固定而占 空比随物体加速度变化的脉冲序列。宽度调制的过程只是改变了调频脉冲波的高 电平脉宽，而不改变调频波的瞬时周期，所以经过宽度调制后的脉冲序列的瞬时 频率和振荡器输出的瞬时频率是一样的。经过宽度调制后的输出波形如图2 7 所 乐。 v v n 图2 7 调制后的脉冲波形不意图 设经过宽度调制后的脉冲高电平为，低电平为屹，脉冲宽度为r ，如图 2 - 7 。则在任一个周期t 内积分，可得在任一周期内的平均电压k 。 k ，= r + 7 u ( t ) d t = ! 二：! 二t 型 ( 2 2 0 ) = 屹+ ( 一圪) r 正。 ( 2 - 2 1 ) 从式( 2 2 1 ) 可以看出，由于、屹、r 都是常数，因此k 。的值和信号频率 有一一对应关系。在工程上，积分的过程其实就是一个滤波的过程。所以，只要 将宽度调制后的信号通过一个低通滤波器就可以得到被调制信号。 同理，我们令输出频率为上：的振荡器也接到同样的宽度调制模块，这时可得 输出k 。为： k ：。圪+ ( p 鲁一圪) f 正： ( 2 - 2 2 ) 1 0 第二章“微硅电容加速度传感器单片测试电路”总体介绍 2 1 4 高性能仪表放大器的设计 从公式( 2 - 1 7 ) 至( 2 2 2 ) 可以看出，将脉宽调制解调模块的两路输出信号k 。 和k ：相减，代入式( 2 - - 1 9 ) 即可以得下式： 矿2 k z k 。( 一k p ( 丘z t - ) 2 嘛一屹扣v = 2 ( 一屹弦，o 云( 2 - 2 3 ) 上式中( 一k ) 、百、，0 、6 。都是已确定的量，因此我们最后得到的输出电压与x 之间是一对应的关系。 所以通过将脉宽调制解调模块的两路输出信号相减后可以得到与直接位移成 正比的电压信号( 和加速度也成一一对应关系) ，而且通过相减可以将脉宽调制解 调模块两路输出信号本身的共模信号( 移动臂处于平衡位置时，电路对应的输出 电压) 及电路上的噪声和其他干扰一起消除掉。另外，也可以通过将输出信号叠 加到一个基准电压上以单端形式输出，作为后续电路的输入信号。这些工作可以 通过一个仪表放大器模块来实现，并且可以根据需要用它以适当倍数精确地放大 前端的输入微弱信号。 i n - i 声i o g f 孓 确审a 。l 。 一沁 _ 图2 8 采用c c i i 的电流模仪表放大器原理圜 仪表放大器模块一般也是一个差分放大器，其功能是精确放大仪表或其他系 统的微弱差分电压输出信号，并能够很好的抑制掉其中的较大共模电压信号。根 据需要可以设计成单端输出，也可以设计成双端输出。由于项目中所要处理的信 号比较微弱，对噪声的抑制是一个相当关键的问题，因此，高性能仪表放大器单 独作为一块来考虑。图2 8 给出了采用c e i l 的电流模仪表放大器原理图。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 5 电压基准源的设计 由于在项目中多个模块里需要用到基准电压，因而电压基准的产生是一个重 要的工作。基准模块提供的电压精度，直接影响整个电路的测量精度。本模块采 用的结构是带隙基准源结构，作为本论文的研究重点，下文将进行详尽的阐述， 这里只作简单的描述。 带隙基准源的基本原理是：利用具有负温度系数的v e n 和具有正温度系数的 不同发射结电流密度下的两个基射结电压之差v b e ，将两者线性叠加，在理论 上可以在某个温度点得到零温度系数的基准电压。 如图2 - 9 所示电路中，电阻r 3 上的电压为v b e = v b e l 一v b e 2 = v t l n n 。假设 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1 3 = v t l n n 1 3 ，所以运放输出为： y j w ：p 如2 + r a + r 3v r i n n( 2 2 4 ) r 3 式( 2 2 4 ) 中的第一项为负温度系数的电压，第二项一般为正温度系数的电压， 通过调节( r 2 + r 3 ) r 3 的比值和q 1 、q 2 发射结面积比，可以得到在某一温度点 下的零温度系数基准电压v o u t 。 图2 - - 9 带隙电压基准源原理电路 本模块的设计目标：在- - 4 0 。c 8 5 。c 的温度范围，基准电压的温度系数不高 于3 0 p p m * c ，并且具有较高的电源抑制比，同时得到1 2 5 v 和2 5 v 两种输出电压。 本章简单介绍了项目中的各个模块的设计，给出了项目的总体设计思路，下 章开始，进入电压基准源电路的设计，也是本人承担的主要工作。 第三章电压基准源的分类及原理 第三章电压基准源的分类及原理 零温度系数的基准电压源，是人们在电子仪器和精密测量系统中长期追求的 一种基本部件。传统的基准电压源是基于晶体管或稳压管的原理制成的，其电压 温漂在m v 级，电压温度系数高达1 0 一 c 一1 0 。4 ，根本无法满足现代电子 测量的需要，因而需要找到更高精度的电压基准源。 随着带隙电压基准源的问世，上述愿望才变为现实。带隙基准电压源由于其 在电源电压、功耗、长期稳定性等方面的独特优势，一直为设计师所研究和关注， 因而得到了更广泛的应用。 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。 本章主要从三个方面进行阐述：电压基准源的性能指标【1 6 】【1 7 l 、电压基准源的 分类及性能讨论 1 7 】f 1 9 】和带隙电压基准源的原理。 3 1 电压基准源的性能指标 1 精度 电压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 ( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t l 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 。c 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f 最大值与最 小值的差值) 相对标称输出时的变化率，如式( 3 - - 1 ) 所示。 激予辩接大学硕士攀钕论文 t c ；l 坠：墅 | 。1 0 6 | 残”m k “融一t , u w ) | ( 3 1 ) 3 。噪声 蘩准输密电藤中静繇声遥常露括宽祭热嗓声弱窜带l 篷曝声。宽鬻臻声冒良 溺麓攀静r c 滤波黎搿效的滤滁。i 疆醺声是鏊溪源静漆在鋈畜噤声，不蔹滤除， 一般在0 1 到1 0 ”h z 茈溺内窀义，鼙位为醛v p - p 。对予赢穰凄蓉统，燕藏懿l 簏 臻声楚一个羹装鹣接标。 4 。长期稳定憔( l t s ) 期稳定性( l 丁s ) 给出了巢封装或某类器件中潜在酌酸片应力绒离子迁移 的程麓。注意，在滠激发极端请况下的电路板涪海度对j 礅参数脊裰大酶影响。还 婺注意l t s 仅猩2 5 鏊猴温发下有效，单位为p p i n 1 0 0 0 h 。 5 。建立辩闼 建立时闻是豢电鹾纂准源从电路媳源上电剃愈路输出屯压达到正潜工 乍电酸 壤获蒜豁薅阀。 。毫源调整率 在袋定黪输入电瀵秀莲燮纯范丽巍，输入魄压臻蹩弓| 莛懿蘩难输爨瞧压瓣交 健，露热咎v 、f v 、p p m v 为攀位寒表示。 了。负裴调整率 麓定静受裴迄滚游交倦菠鬻蠢，负载电滚蹭羹雩| 怒熬基涟输赛邀藤懿变纯爨， 它包括负载电流较太使功耗增翩时掰产生的裔然热蕊象引怒的输出溆压静交纯 蘩，遴常臻hv m a 袋p p m m a 擎莅袭示。 8 。输出电压混发迟滞现象( t f l y s ) 簸凌毫露滋鏖迟滞瑷象疆珏￥s ) 是隽个不霹修正戆误差。t i t y s 是2 54 c 茎滚滚 度下幽于温度正反向偏移( 即从热到冷，然后从冷到热) 所引起的输出电厩的变化。 其幅度委篦予瀑度璃移鬃。在缀多媾况下，毫惩纂壤澈l g 静设诗密封装霞藤涤器 性难以修正，对于经历溢度变化范围猩2 5 。c 或驻大时的系统，热滞眉性是一个煎 瑟熬谟麓。 9 电堪旗准源流出嗣吸入电流的能力 大多羧反孀哭需燹蒸灌深对受载供凑电流。餐是考凑龚诲多基准源不麓凝入 第三章电压基准源的分类及原理 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。 3 2 电压基准源性能讨论 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 反向齐纳二极管上再串联一只正向二极管【1 8 ，如图3 - 1 所示。因为工作在雪崩状 态的齐纳二极管的击穿电压在7 v 左右，具有正温度系数( 约为+ 2 m v 1 ，而正向硅 二极管具有负温度系数f 约为2 r o w 。c ) ，二者可以相互抵消。但是由于这两个温度 系数的绝对值并不相等，而且都随电流而变化，所以很难得到零温度系数。 图3 - 1 齐纳二极管基准原理 谨叠錾黜l 2 = 一 穿区 胡磷内二前簪b 隐嶙虻瑚管 图3 - 2 表层和隐埋齐纳二极管结构 这种温度补偿二极管( d 2 ) 和齐纳( 雪崩) 二极管( d 1 ) 的击穿发生在硅表层 ( 见图3 - 2 a ) ，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 见图3 - 2 b ) ，使其击穿发生在表层的下面， 从而可以避免表层的影响，使其在温度漂移、时间漂移和噪声特性等方面得到明 显的改善。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，能够对基准电压源的绝对值和温度系数进行调整。 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o 0 1 0 1 的初始精度，温度系数( t c ) 为1 - 1 0 p p m 。c ，低于1 0pv p p ( 0 1 1 0 h z ) 的噪声。长期稳定性一般为6 - 1 5 p p m 1 0 0 0 h 。 枢 m o 池上 l t ! i 电子科技大学硕士学位论文 2 带隙基准电压源 隐埋齐纳二极管旗准源的缺点是电源电压必须大于7 v ，工作电流相当高，通 誉为足个毫安，显然这零孛基壤澡不适合子寝携式窝邀洼供电鳃应舄场合。 带隙基准源是种低温度系数、低工作电压的基准源，蕻基本原理是：利用 v b e 具有囊瀑疫系数，恧具骞不疑发瓣结毫渡密度熬n 4 - 基袈缝电压之羞av b e 具有正温度系数，将v b e 与av n e 加权线性鼹加，在理论上可以在菜个温度点得 到零瀑度系数戆基准淑压。在霆3 - 3 鳜示毂带骧基准源电路中，毒l 出电压v 0 为： v o = v b e i + ( v b e l 一v b e 2 ) 4 k ( 3 - 2 ) 其中k 是热较系数，v b e ，、v s a 2 分嗣楚两个模拟基鸯誊结窀压的二投鬻灞电压翻霞 设v b e i v b r 翌) 。 典型请黼下，带舔基准源静初始精度为0 0 5 一t + o ，温凄系数为1 0 ，5 0 p p m f c ， 输出电压噪声为1 5 3 0 v p - pf 0 1 - 1 0 h z ) ，长期稳定性为2 0 3 0 p p m 1 0 0 0 h 。 v f 囝 v d d 图3 弓带踩萋准源电龉 3 x f e t 电压旗准源 a d i 公司利用结黧场效应管( j 鞠t ) 的夹断电压差特性研制出了一种新型的 基准技术，即x f e t 基准电压源，这种基准源的核心是剥用j f e t 米设计的。从 理论上讲，j f e t 的淘道导电载流子是多子，褶对双檄晶体管的基区释电载流子是 少子而言，多子遇到鼹格碰攮产生噪声的机会要小于少予，因而x f e t 电压基准 源其有较低的噪声。由于j f e t 工作在饱和电流下，处于夹断区，漏电流不会很 大，一般为ua 量级，而带隙基准要求的电流较大。与b j t 带隙基凇源类似，基 于j f e t 的电援基准电路利用一对具商不同夹断电压的j f e t ，将萁麓分输出电压 放大以产生一个稳定的负温度系数的电压( 约为一1 2 0p p m 。c ，其绝对假大约是带隙 1 6 萨一 泌一 一 弛 一 ；， 一 f合丁li工一 第三章电压基准源的分类及原理 的1 3 0 ) ，然后用一个具有正温度系数的电压进行补偿，得到稳定的基准电压，并 且具有较低的噪声。由于两个j f e t 中的一个j f e t 在制造过程中外加了步离子 注入工艺，所以称为外加离子注