（电路与系统专业论文）基于BiCMOS工艺的电压基准电路的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 基准电压源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集 成芯片( s o t ) 中，是集成电路中一个重要的单元模块，也是各种传感器，a d 、 d a 转换器以及通信电路中的基本元件。它的温度稳定性和电源电压抑制比是影 响整个系统精度和性能的关键性因素。因此，设计具有高温度稳定性和很好的电 源电压抑制比的基准电压源具有十分重要的现实意义。 基于基准电压源的重要性，本论文研究并设计实现了一种具有高稳定性的带 隙基准电路。 本文在分析比较各种基准电压源性能的前提下，选择了带隙基准电压源中的 b r o k a w 结构作为设计的基础，并对其原理进行了详细的分析。为了进一步提高 基准电压源的性能，在深入研究温度和电源电压的变化对带隙基准电路稳定性影 响的基础上，指出基极一发射极电压与温度的非线性关系以及沟道长度调制效应 引起的偏置电流变化是造成基准不稳定的主要原因，并采用了相应的补偿措篪。 针对前者，采用了一种高阶温度补偿法指数曲率补偿法来进行补偿：通过在 p t a t 产生电路的基极引入一个小电阻，从而在v r e f 中迭加个温度的指数函数 项来达到消除高次项的目的；针对后者，提出了一种钳位互补补偿法来稳定偏置 电流，进而稳定基准。另外，对所采用的运算放大器、启动电路和偏置电路也进 行了研究，并设计了优化合理的电路结构。 通过h s p i c e 验证，该电路的温度系数仅为1 4 3 p p m ，并具有0 1 0 5 m v v 的 电源电压调整率和直流p s r r 为6 5 d b 的高电源抑制比，以及高达8 0 d b 的交流 p s r r 和低噪声的特性。该电路不仅完全满足本论文涉及课题照相机闪光灯 白光l e d 驱动电路设计中基准电压源部分设计的需要，而且可广泛适用于高精度 要求的场合，具有很高的工程应用价值。 关键词：带踩基准，温度补偿，p s r r ，负反馈回路，钳位互补补偿 a b s t r a c t t h ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i ti sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ei n t e g r a t e dc i r c u i tt h a tu s e d i nm a n ya p p l i c a t i o n s ，s u c ha sa n a l o g u ec i r c u i t s ，h y b d dc i r c u i t ，s e n s o rf r o n tc i r c u i ta n d s y s t e mo nc h i p ( s o c ) t h e r m a ls t a b i l i t ya n dp 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 ) o f t h ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i ta r et h et w om a j o rf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ep r e c i s i o na n d s t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m t h e r e f o r , i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o par e f e r e n c ec i r c u i t 埘t i l1 1 i g ht h e r m a ls t a b i l i t ya n da ne x c e l l e n tp s r r s t u d y a n dd e s i g no nab 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 tw i mc u r v a t u r e c o m p e n s a t i o na n dh i g hp s r r i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a n a l y s e da n dc o m p a r e dw i t hm a n ys t r u c t u r eo fr e f e r e n c ec i r c u i t ，b r o k a wc i r c u i t i sc h o s e na st h eb a s i st od e s i g nb e c a u s eo fi t sg o o dp e r f o r m a n c e i no r d e rt oo b t a i n g o o dp e r f o m e n c e ，w es t u d i e dt h es t a b i l i t yo ft h ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i ti n f l u e n c e d b yt h ec h a n g i n go ft e m p e r a t u r ea n dp o w o e rs u p p l y , a n df i n d e dt h et w om a j o r i n f l u e n t i a lf a c t o r s t h ef i r s ti st h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ea n d b a s e e m i t t e rv o l t a g e ，a n dt h es e c o n di st h ec h a n g eo fb i a sc u r r e n tc a u s e db yt h e c h a n g eo fc h a n n e l sl e n g t h i no r d e rt ol o w e rt h ei n f l u e n c eo ft h e f i r s tf a c t o r , a r e s i s t a n c ei sa d d e di nt h ep r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ( p t a t ) c i r c u i t i tc a n g e n e r a t ea ne x p o n e n t i a lp a r tt or e c t i f yt h eh i g h o r d e rt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t f o rt h e s e c o n df a c t o r , an e wb i a sc u r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d ，c l a m p i n gc o m p l e m e n t a t i o n t e c h n o l o g y ，i sp u tf o r w a r dt oo b t a i nm o r es t a b l eo u t p u tv o l t a g e b e s i d e s ，o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r , s t a r t - u pc i r c u i ta n db i a sc i r c u i ta r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r h s p i e es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea v e r a g ed r i f to ft h ec i r c u i ti s1 4 3p p m cw h e n t h et e m p e r a t u r ec h a n g e sf r o m - 4 0 ct o1 0 0 a n d0 1 0 5 m v vw h e ns u p p l yv o l t a g e s c h a n g e sf r o m2 6 vt o6 6 va t2 5 。c m e a n w h i l e ，i t sp s r ri sa sh i g ha s 一8 0 d b ，a n dt h e c a p a c i t yt or e s i s tn o i s ei sa l s og o o d t h i sc i r c u i tc a nb eu s e di nm a n ya p p l i c a t i o n s w h i c hn e e dh i g hp r e c i s i o nv o l t a g er e f e r e n c e k e yw o r d s ：b a n d g a pr e f e r e n c e ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，p s r r ，n e g a t i v e f e e d b a c kl o o p ，c l a m p i n gc o m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g y i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：塞晶指 词年；月玎日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。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表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：象晶 旃年；月才日 两北下业人学硕十学伊论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 基准电压源是指被用作电压参考的高精确、高稳定度的电压源。理想的基准 电压源应该不受电源电压和工作温度的影响，在电路中能够提供稳定的直流输出 电压。基准电压源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统 集成芯片( s o c ) 中，是集成电路中一个重要的单元模块，是a d 、d a 转换器以 及通信电路中的基本元件。它的温度稳定性以及电源电压抑制比甚至影响到整个 系统的精度和性能。因此，设计一个好的基准电压源具有十分重要的现实意义。 在本次课题一照相机闪光灯白光l e d 驱动电路的设计中，基准电压源的稳 定性对该升压转换电路的稳定性和温度漂移有着直接的影响，关系着整个电路的 精度、稳定度及温度系数，具体体现在：( 1 ) 升压转换芯片在工作的过程中会 产生大量的高频噪声，基准电压源工作在该环境中就必须对电源抑制比提出较高 的要求，特别是在较高频带时，仍能有很好的电源抑制比，这样才能保证电路工 作的正常进行；( 2 ) 基准电压源在升压转换芯片中通过分压等方式为升压转换 电路、振荡器电路等重要模块提供用于比较的电压，该电压的精度直接影响到最 终升高电压的值及振荡器所产生信号频率的精度，关系到电路能否正常工作；( 3 ) 基准电压源在整体电路中还通过一些电路转换成为基准电流源，作为l e d 电流的 映射电流。由于l e d 电流是以该映射电流为基础成百倍或千倍放大得来的，所以 基准电压源的精度直接影响到l e d 电流的精度，影响到最终l e d 的亮度能否满足 用户的要求。 1 2 电压基准源的发展及现状 过去，人们常用反向击穿的齐纳二极管作为参考基准电压源。它与限流电阻 配合，并通过调节流过自身的电流来抵消电源电压变化所带来的影响。由于需要 较高的电源电压才能使二极管反向击穿，所以对电源电压在5v 以下的电路该设 计就不适合。还有一种技术是在m o s i 艺中用增强型m o s 管和耗尽型m o s 管之 间的阈值电压差来产生基准电压。它具有较低的温度系数，但工艺中离子注入的 浓度将直接影响m o s 管的阈值电压，使得输出的参考电压值不易控制，而且耗 尽型m o s 管也不兼容主流的c m o s 工艺。 l 西北下业大学硕十学付论文第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代初，w i d l 盯首先提出了带隙基准电压源的概念和基本设计思 想，因为其典型电压值为1 2 5 v ，非常接近硅带隙电压1 2 0 5 v 而得名【1 1 。后来， b r o k a w 等人在w i d l a r 带隙结构的基础上进一步研究和改进，提出了b r o k a w 结构等 多种带隙基准结构，使基准电压的精度进一步提高。 反映基准精度的主要指标有温度系数、电源电压调整率、电源抑制比等。温 度系数表示由于环境温度变化引起的输出电压的漂移量，反映了基准源在整个工 作温度范围内输出电压最大值与最小值相对正常输出值的变化，是衡量基准电压 源的关键性技术。对于一个高性能的基准电压源来说，低温度系数是必须的。电 源电压调整率是指基准输出电压自身的相对变化与规定范围内输入电源电压相 对变化的比值，反映了电源电压对基准电压源输出的影响。其值越小，表示基准 受电源电压变化的影响就越小，性能越稳定。电源抑制比是指电源电压存在的纹 波电压( 即噪声) 频率从低到高变化时，基准输出电压变化相对于电源电压变化 小信号增益的导数，反映了电源噪声对基准输出的影响。特别是在高频范围内， 由于器件本身的制约，往往使得电路的电源电压抑制比大大降低，基准性能变坏。 现在，许多学者从降低温度系数、降低电源电压调整率和提高电源电压抑制 比这几个主要方向入手，研究出许多改进的方法。温度系数主要表现为v 。- r r ( 基准电压值一温度) 曲线的曲率。在带隙基准源中，v r e r - t 曲线的曲率是有限 的，即带隙电压的温度系数在某一温度下为零，在其它温度下为正值或负值。这 曲率主要是由于基极一发射极电压、集电极电流和失调电压( 如果电路中含有运 放) 随温度改变而引起的。另外，在普通的c m o s 工艺下，由于采用标准c m o s 工艺的晶体管具有一些特殊性质，或c m o s 运放具有高失调和高温漂，以及带隙 电路含有固有曲率等问题，都使得传统的带隙基准电路的温度性能变差。针对这 一问题，目前有许多曲率校正的方法可以抑制v 旺f 的变化；如二阶温度补偿，指 数温度补偿，、飞z 线性化方法，以及利用不同材料电阻的相异温度特性进行曲率 校正的方法等。针对降低电源电压调整率和提高电源抑制比的问题，可归结为降 低电源对基准影响的大问题：常见的措施有：在电路结构中使用可以降低电源电 压对基准影响的共源共栅电路，采用高性能的运算放大器结构，引入多种反馈环 路等。此外，还有为降低噪声的影响而采取的优化电路结构、斩波技术等；为降 低启动时间而采用的快速启动电路结构等。这些方法的应用均为带隙基准电路今 天的高性能、高稳定性做出了极大的贡献。 带隙基准电压源由于在电源电压、功耗、稳定性等方面的优点，得到了广泛 的应用。在带隙基准电压源电路的发展历程中，传统的双极型工艺具有高速、电 流驱动能力强和模拟精度高的优点1 2 j ，使得这种工艺的电路最为成熟，在精度和 2 西北t 业大学硕十学位论文第一章绪论 稳定性方面具有很好的性能，因此在双极型集成电路中带隙基准电压源的技术被 广泛应用。随着集成电路工艺的迅速发展，又出现了c m o s i 艺，它具有低功耗、 高噪声容限、高集成度、高抗干扰能力的优点，但c m o s 器件的基本参数和工艺 参数都对温度有着强烈的依赖关系，这给电路设计带来了一定的困难。2 0 世纪8 0 年代初，出现了由c m o s 工艺和双极型工艺混合的b i c m o s i 艺。该工艺容合了 这两种工艺的优点，带隙基准电压源技术也获得了飞速发展。尽管这种工艺存在 着工艺复杂和成本偏高的缺点，但由此换来的高性能确是前两种工艺无法替代 的，这使其在模拟电路设计上具有很大的潜力。因此，本课题全部采用b i c m o s 工艺技术进行设计，本文也采用该工艺和带隙基准技术来设计高性能的基准源。 1 3 本论文的主要工作 本文的主要目的是设计并仿真实现一款低温度漂移系数、高电源电压抑制 比、低噪声、高性能的电压基准电路。本文将带隙基准电压源作为主要研究内容， 通过对国内外现有各种集成基准电压源的特点和性能进行比较，综合项目的需要 制定设计目标，确定基准电压源的基本电路结构，选用0 6 9 m b i c m o s 工艺的器 件模型，对所确定的电路进行设计，并通过h s p i c e 仿真模拟，调整电路结构及 器件参数使电路性能达到甚至优于所要求的指标。具体指标如下所示： ( 1 ) 能提供( o 6 0 0 1 ) v 的基准电压。 ( 2 ) 在常温2 5 ，电源电压变化2 6 v 6 6 v 的范围内，保证基准变化小于2 m v v 。 ( 3 ) 在3 3 v 工作电压下，温度变化- 4 0 1 0 0 的范围内，基准温度系数低于 2 0p p 耐a ( 4 ) 在典型条件下，工作频率0 h z l k h z 的范围内，运放的开环增益在5 0 d b 以上，相位裕度在6 0 0 左右，以保证电路稳定。 ( 5 ) 在典型条件下，工作频率0 胁l k i i z 的范围内，电路电源电压抑制比 ( p s r r ) 小于5 0 d b 。 ( 6 ) 在典型条件下，工作频率0 h z l k h z 的范围内，电路的噪声小于1 0 0n v 面。 ( 7 ) 基准为过温保护电路提供一个比较电压，从而保证整体电路在正常工作电 源电压3 3 v 下温度高于8 5 时自动关断。 西北t ：业人学硕_ f = 学位论文第一章绪论 1 4 论文安排 本论文的重点在于设计一款适用于照相机闪光灯白光l e d 驱动电路的基准 电路，以及详细介绍该基准电路中各部分电路的原理、结构和仿真实现。 第一章：介绍了本文的研究内容基准电压电路的重要性，研究意义和发 展情况，同时提出了本文的主要工作内容和指标。 第二章：对各种基准电路的具体结构作了说明，并对这些电路的优缺点进行 了分析比较。其中，具体介绍了带隙基准电路的电路结构和工作原理，并对基准 电路误差的来源和几项重要指标进行了介绍。 第三章：本文重点，阐述了本文设计的总体思路及改进方法，并对核心电路 的结构、工作原理和改进方法进行了详细说明。 第四章：本文重点，介绍了基准电路其它部分运算放大器、偏置电路、 启动电路的设计结构和工作原理，同时对所采用的另一种改进方法钳位互补 补偿法进行了详细的说明。 第五章：给出了具体的电路仿真结果及分析，并与国际上经典电路的主要指 标进行比较，证明其的可行性和优越性。 第六章：结论，对本文所做的工作进行了总结，同时指出了本文的贡献以及 可进一步研究的内容。 4 西北工业人学硕十学伊论文第二章基准电压源的基本原理 第二章基准电压源的基本原理 2 1 简单基准电压源原理介绍 2 1 1 电阻分压式基准电压 一个最粗略的基准电压可以通过两个电源之间的分压器实现。有源或无源元 器件都可以用作分压器1 3 】。图2 - l 中各举了一个例子遗憾的是，这种方法得到 的v r 即的值直接与电源电压成比例。 (a)(b) 图2 - 1 分压式基准电压( a ) 电阻实现 有源器件实现 引入灵敏度的概念，灵敏度是指输出变化量与输入变化量之比，反映了输入 量对输出量的影响大小。图2 1 ( a ) 中v r 既对v d d 的灵敏度可以表示为： 瓣2 黜= 急c 甜o v e m p ( 2 - 1 ) 对于上两个电路，电源电压v d d 的1 0 变化将引起基准电压v r e f 的1 0 0 4 变 化，v 灶f 相对于v d d 的灵敏度等于l 。即该电路自身没有稳压作用，输出电压的 稳定性完全依赖电源电压的稳定性。作为基准电压这是不希望的。 2 1 2p n 结及m o s 等效刚结基准电压 获得较理想基准电压的简单方法是采用如图2 - 2 所示的有源器件 3 1 。在图 2 2 ( a ) 中，衬底b j t 通过电阻r 接至电源电压，p n 结电压为： 两北t 业大学硕士学仿论文第二章基准电压源的基本原理 v ：k r l i l ( 三) ( 2 - 2 ) gi s d d ( a ) 【b ) 图2 - 2( a ) p n 结基准电压 ( b ) p n 结基准电压的m o s 等效 式中i s 为反向饱和电流。如果v d v 远大于v e b ，则电流i 应为： j = 姓r 兰堡r ( 2 3 )、， 所以，该电路的基准电压可表示为： 等h c 净 图2 - 2 ( a ) 中v r e f 对v d d 的灵敏度则为： 踞2 面翕硒2 面i 葡 ) ” 1 1 1 f 乞“r 以) 】1 n ( ，) 、 因为i 通常比i s 要大得多，所以该灵敏度远小于1 。例如，若i - - l m a ， i s = l o 。1 5 m a ，则由上式可得灵敏度为0 0 3 6 2 ，即v d d 的1 0 变化只会在v r e f 中 引起o 3 6 2 的变化。 若将图2 - 2 ( a ) 中的b j t 用增强型m o s 管替代，得到的电路如图2 - 2 ( b ) 所示。 v a e f 可表示为： = = = 巧+ 五刀 ( 2 6 ) 忽略沟道长度调制效应，v r 邙为： 哥面i + 严萨+ 去 可求出图2 - 2 ( b ) 的灵敏度为： 两北t 业人学硕十学忙论文第二章基准电斥源的基本原理 踞= 砺万三= 丽( 急) 用先前的假设值可得v r e f 相对于v d d 的灵敏度值为0 2 8 3 。这个灵敏度不如 b j t 得到的好，这是因为对数函数对其自变量的灵敏度小于平方根函数。 2 1 3 自举基准 在图2 - 2 ( a ) 和图2 - 2 ( b ) q a ，有源器件上的电压灵敏度小于1 。若通过有源器 件上的电压产生电流，并设法利用该电流提供器件的初始电流，就可得到独立于 v d d 的、适用于各种用途的电流或电压。该技术称之为、7 r t 基准源，也叫自举基 准吲。图2 3 ( a ) 所示的是采用全m o s 管实现这个技术的一个实例。 v d d i 图2 - 3 ( a ) 阈值基准电路 c o ) ( a ) 的v - i 特性，说明如何确定偏置点 7 两北r 业人学硕十学位论文 第二章基准电压源的基本原理 m 3 和h “使得电流i l 和1 2 相等。i i 流经m i 产生电压v 6 s l ，1 2 流过r 严生电 压1 2 r 。因为这两个电压连接在一起，就确定出一个平衡点。图2 - 3 ( b ) 说明了该 平衡点的确定方法。在该曲线上，i i 和1 2 被看作是v 的函数。这些曲线的交点 定义为平衡点，用q 表示。其中， ：砖孚( 一巧) ：( 2 - 9 ) l = 导 ( 2 - 1 0 ) r 则描述这个平衡点的方程式为； 班( 魏” 因为i i = 1 2 = i q ，忽略沟道长度调制效应，可以解出： 岛呤睾+ 壶+ 去赝+ 寿 动 首先，i l 和1 2 都不随v d d 变化，于是i q 对v d d 的灵敏度几乎为零。通过 m 5 或m 6 镜像，将1 2 ( = i o ) 作用于一个电阻就可得到一个基准电压。 2 1 4 上述基准电路的缺陷 上述各种基准电路中，电阻或有源器件直接分压形成的基准不能独立于电 源，精度非常低。后两种形式，特别是自举基准的形式，可以获得独立于电源的 输出值，大大提高了基准的稳定性。遗憾的是，因为p n 结和栅一源电压都与温 度相关，所以这类独立电源基准易受温度的影响。 现在考虑图2 2 ( a ) 中p n 结的简单温度特性。考虑式( 2 - 4 ) 给出的基准电压表 达式，虽然v d d 与温度无关，但r 与温度相关。正偏p n 结二极管电流为： 兰i s e x p ( 軎g o ) ( 2 1 3 ) r i 等式两边对温度求导，并假设二极管电压是一个常数( v d = v d ) ，可得： - 蛀f f 妻万d i s t 鲁毛 ( 2 _ 1 4 ) i 。积y 。“ 由上式可得i d 的温度比例系数为： l o 等= i 1 等一务= ；+ r 孝， s ， 刀厶刀彤r 形。 、 西北丁业大学硕十学位论文第二章基准电压源的荩本原理 假设v d 等于0 6 v ，那么温度比例系数等于o 0 8 7 9 。可见温度每升高1 0 。c ，二极 管正向电流近似增加一倍。 图2 - 2 ( b ) p n 结基准的m o s 等效电路v r e p 的温度依赖性可以表达为： 鱼鳌： 刀 t + 再菰露1 鼋i 陀- 1 6 ) 可见，上述若干种基准电压不是受电源电压的影响，就是在获得不依赖电源 的独立基准的同时不能够得到令人满意的温度性能，都不适合本次设计高精度、 高性能的要求。 2 2 与温度无关的基准电压源带隙基准电压源 1 9 7 1 年，r o b e r tw i d l 盯提出了一种带隙参考电压源技术【l 】。该技术可得到一 种不依赖电源并几乎与温度无关的独立基准，可在低电源电压下工作，并与标准 c m o s i 艺兼容。这些优点使其获得了广泛的研究和应用，也是本次设计采用的 技术。 传统带隙基准能够达到m o p p m c 的温度系数。图2 4 给出了带隙基准的原 理。由于双极型晶体管的基极一发射极电压v b e 具有负温度系数( 室温下温度系 数为- 2 2 m v ) ，而两个不同电流密度的双极型晶体管之间的基极一发射极电 压差产生的热电压v t ( = k t q ) ，其与绝对温度( p t a t ) 成正比，室温下温度系 数为+ o 0 8 5 m v c 。若电压v t 乘以常量k 加上电压v b e ，则输出电压为： = + 足k ( 2 1 7 ) 将上式对温度求导，用v b e 和v t 的温度系数求出理论上不依赖于温度的k 值。 同时，因为表达式与电源几乎无关( 如图2 3 中的自举基准) ，所以带隙基准与 电源电压几乎无关。 图2 - 4 带隙基准的一般原理 9 西北丁业大学硕十学付论文第一二章基准电压源的荩本原理 下面，对带隙基准中所使用的两种具有相反温度系数的电压进行介绍【4 j 。 2 2 1 与电源电压无关的常用标准电压的温度特- 性 2 2 1 1 晶体管基极一发射极电压v 旺 首先，考虑v b e 对温度的依赖。考虑在双极型晶体管中集电极电流密度的关 系： 厶= 警唰争 。 一k 。 、 其中： j f 集电极电流密度( a m 2 ) n 。俨基区电子平衡密度 d n _ 电子的平均扩散常数 w b = 基区宽度 平衡浓度可以表示为： 2 玄 其中： q 2 = d t 3 e x p ( 一，巧) d 是与温度无关的常数，v o o 是带隙f b 压( 1 2 0 5 v ) 。将上式联立， 集电极电流密度的方程式： 如= 裘凹3 唰半，。虬 一 巧 7 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 就可得到下面 r 2 2 t ) 卅吲学) ) 在式( 2 - 2 2 ) e ：，将式( 2 - 2 1 ) q 屿温度不相关的常数合并成单一的常数a 。由于 d 。依赖于温度，温度系数y 稍偏离3 。 由式( 2 - 2 2 ) v 髓的关系可进一步表示为： = 等衄知+ ( 2 - 2 3 ) 现在考虑温度1 o 时的j c ： 两北工业大学硕十学位论文 第一二章基准电压源的基本原理 如。= a r o e x p - 导- ( p k 。一。) 】( 2 - 2 4 ) j j c 与j c o 的比为： 去= 白7 e x p e q c 毕一半刀 q 整理式( 2 - 2 5 ) 可得v b e ： = o 一号，+ 。白+ 等咯，+ 等眦匀 q 乏回 在t 0 处推导式( 2 - 2 6 ) 与温度的关系( 设j c 与温度的关系为j c = j c o t 8 ) ，v a e 与温度的关系显然为： 等k 牛峥力寺 可见，在给定温度下温度系数还与v a e 本身的大小有关，由于v g o v a e ， 在忽略第二项的情况下，该式的值小于零，即v a e 为负温度系数。常温3 0 0 k 时， v b e 关于温度的变化约为- 2 2 m v c 。 2 2 1 2 晶体管基极一发射极电压v l 之差v 睢 进一步研究两个面积相同但具有不同电流密度的双极型晶体管v 髓的关 系。用式( 2 - 2 3 ) 所给的关系，a v b e 的关系可以表示为： = 一z = 等岖净 ( 2 - 2 8 ) 因此，v a e 的差值表现出正温度系数，将该式对温度求导得： 监c 3 t q 哮 、以，7 、 假设两个双极型晶体管发射极面积不同，分别为a e l 、a ，且流过的电流 相等，即j o j - j c 。将( 2 - 2 4 ) 式代入得： = 一z2 等l n ( 寿_ ) 一等h ( 寿) = 等嘶等) ( z 。) 因此，v a z 的差值仍表现为正温度系数。将该式对温度求导得： 曼坐篮：h ( 争) ( 2 3 1 ) o t q 、以l 7、7 西北r 业大学硕十学付论文第二章基准电斥源的基本原理 综合以上两种情况，得到在不同三极管发射极面积、不同集电极电流密度下，有： 2 一：= i k t u q i j c l 石a e 2 ) ( 2 - 3 2 ) 等t = 孝q 呱乏等 a 、厶，4 。，7 、 2 2 2 基准表达式计算 为了在t 0 时达到零温度系数，式( 2 2 7 ) 和式( 2 2 9 ) 中给出的v s e 和a v b e 的变 量加起来必须为零。在数学上表述为： k 弋争m 抄警+ 竺学= 。 仁s 其中，k 是通过调节可使式( 2 - 3 4 ) 成立的电路常数。定义： k = k ”i n t ，c 1 ，厶2 】( 2 - 3 5 ) 将其带入式( 2 3 4 ) ，得到： 嗤，+ 警+ 竺半= 。 解得k 为： k ：鱼当酵必( 2 - 3 7 ) y i o 由于k 由设计者控制，所以可以得到零温度系数。重新整理式( 2 3 7 ) 得： r v , o = o f 么o + k o ( ，一口) ( 2 3 8 ) 式( 2 3 8 ) 中的k 与式( 2 - 1 7 ) q b 的是一样的，都是要求达到零温度系数时的常数。 把式( 2 - 3 8 ) 代入式( 2 一1 7 ) 可得到： ，名口1 7 ；5 = o + 巧o ( ，一c r ) ( 2 - 3 9 ) 2 2 3 几种传统的带隙基准结构 2 2 3 1 基于c m o s 工艺的带隙基准电压源 在c m o s 工艺中，可利用固有的寄生双极型器件来实现正负温度系数的组 1 2 西北t 业大学硕十学位论文第二章基准电压源的基本原理 成部分。图2 - 5 所示为传统的n 阱工艺c m o s 带隙基准电路。假设该c m o s 运算 放大器是理想运算放大器，但输入失调电压( v o s ) 不为零，且已经包含在电路中。 因为c m o s 晶体管的阈值电压失配和单位电流的跨导很小，c m o s 工艺运算放 大器的失调电压通常要比双极型工艺的大【5 1 。假设晶体管q l 和q 2 的发射区面积 分别为a e l 和a m ，那么r l 上的电压a v e a 为： 珞- = z 一一= = k m 寺一k 呱寺2 k 眦静 ( 2 - 4 0 ) 在不考虑失调电压的情况下，运算放大器迫使下述关系成立： ，1 尼= 2 马( 2 - 4 1 ) 图2 - 5c m o s 工艺存在失调电压阴雨际基准电路 所以，图2 5 的基准电压可以写成： = ：+ 厶马= ：+ 争 将式( 2 - 4 1 ) 代入式( 2 - 4 0 ) ，并将结果代入式( 2 - 4 2 ) 得： + 郫h ( 毪) 考虑到失调电压的影响，电流i 和1 2 的关系如下： 专= 扣稳局、r ( 2 - 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 将( 2 - 4 0 ) 、( 2 - 4 4 ) 式代入输出电压得： = ：一( 1 + 夸+ 噜) 讪【笼( 1 一静 ( 2 撕) 两北t 业大学硕十学位论文第二章基准电压源的基本原理 由该式可以看出，v o s 有可能导致基准源输出电压产生相当大的误差，因此减小 v o s 是提高该基准电压源精度的关键。 2 2 3 2 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 6 1 图2 - 6w i d l a r 带隙基准电路 。图2 - 6 存在一个启动过程：刚上电时，q 3 还处于截至状态，因此将q 4 的基 极电压拉高，正向驱动v o ：同时，通过q 2 、r 3 逐渐拉高q 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1 3 时，电路将会稳定在该状态，进入正 常工作状态。 在正常工作下，基准电压输出v 0 可表达为： = ，+ ( 2 由于b l ，忽略晶体管基极电流，则有：i e l = 1 1 ，i e 3 = 1 3 。设两管特性相同，即 i i i s l = 1 3 i s 3 ，根据= l n 等可得： s p k l = ( 2 - 4 7 ) 由图2 - 6 和式( 2 _ 4 7 ) 可以看出，r 1 和r 2 上的压降相等。可得i i 和1 2 的关系式为： 丢= 鲁 c 2 舶， 厶冠 、 根据双极型晶体管的原理： 将上两式相除得： ! 猛! 堑 j n = i s 一“，i e l = i s ” t 2 - 4 9 - 1 4 两北t 业人学硕士学位论文第二章基准电压源的基本原理 争孕：。昙屹2 ( 2 5 0 ) 占2 矾 对上式两边取对数整理后得： a = t 一z = 等l n ( 每卺) ( 2 - 5 1 ) 从电路上来看，v b e 正好是电阻r 3 上的压降： ，幺= 厶2 玛 ( 2 - 5 2 ) 由于b 1 ，忽略晶体管基极电流，则i m = 1 2 ，将上三式代a ( 2 - 4 6 ) 得： k = - + 等冬k c 鲁净 q 弼， 从式( 2 5 3 ) 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 它参数无关，只取决于电阻比例和晶体管发射极面积比，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1 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 4 7 ) 不再精确成立，从而导致式( 2 - 4 8 ) 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 ) b r o k a w 带隙基准源电路【刀 图2 - 7b r o k a w 带隙基准电路 如图2 - 7 所示，q i 和q 2 的发射极面积不等，其比值为i ：m 。所以，q t 和 q 2 的发射极电流密度不同，两管的v a e 也就不同。它们的v 髓之差v 睢加在电 阻r 3 上，经前面分析是一个不随电源电压变化仅与温度有关的值。电阻r l 和 r 2 相等，v o l 是q l 和q 2 的基极电压，也是基准电压的输出端。在某温度下， 当v o l 电压较小时，两管基极电压降低，使流过r 4 上的总电流减小；而r 3 上的 西a l t 业大学硕七学位论文 第二章基准电压源的荩本原理 压降固定，电流大小不变，导致流过q l 的电流减小，加在放大器正端的q 1 集电 极电压高于负端的q 2 集电极电压，从而放大器使v 0 i 提高；当v 0 1 电压较大时， 两管基极电压升高，使流过r 4 上的总电流增大；r 3 上电流不变，使得流过q l 的电流较大，加在放大器正端的q 1 集电极电压低于负端的q 2 集电极电压，从而 放大器使v o l 降低；当v 0 1 等于平衡点电压即基准电压时，流过q 1 和q 2 的电流 相等，通过放大器的反馈作用使v 0 l 稳定在基准电压。 当电路处于平衡状态时，由于r l - - 1 1 2 且运放的正、负输入端电压相等，所以 q l 和q 2 的电流相等i i = 1 2 ，由式( 2 3 2 ) 得： ：一：旦l n ( 孕) ( 2 4 4 ) q 气1 流过电阻的电流是q 1 和q 的电流之和，正温度系数电压由r 4 上的压降 v r 4 提供，基准电压值在q 1 和q 2 的基极取出，是q l 的v b e 和r 4 的压降v r 4 之 和： v o l = + k = v s 一+ 2 等等- n 鲁 g s s ， 从式( 2 5 5 ) 看出，比例r 4 r 3 和a e 2 a e l 决定了系数k ，原则上选择合适的 r 4 r 3 ，就可以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 5 3 ) 相比，在对数项中的电阻比不存在，需要调 节的参变量变少，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。 综合几种带隙基准电路的优缺点，b r o k a w 电路结构最为可取，因此本次设 计也采用该结构作为基本结构进行设计。 2 3 基准电压源的性能参数 ( 1 ) 相对温度系数t c ( t e m p e r a m r ec o e f f i c i e n t ) 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 是百万分之一) ，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正常输出值的变化， 是衡量基准电压源的关键性技术，低温度系数是必须的。 肛亡鲁m 鸭亡气碧竽m 旷 1 6 西j br 业大学硕十学位论文第二章基准电压源的基本原理 ( 2 ) 电源电压调整率 电源电压调整率是指基准输出电压自身的相对变化与规定范围内输入电源 电压相对变化的比值，通常用州，v 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。计算公式为： 电源电压调整率= i y r e f ( m 4 x ) - - 1 f _ r g f 一( m ”) ( 2 5 7 ) ，删 “) 一y o o ( m 2 2 v ) ( 3 ) 交流电源抑制比p s r r 电源抑制比是指电源电压存在的纹波电压( 即噪声) 频率从低到高变化时， 基准输出电压变化相对于电源电压变化的小信号增益的导数，反映了电源噪声对 基准输出的影响。在较大的带宽范围内，p s r r 越大，表示基准电路受电源噪声 的影响越小，性能就越好。其定义式为： 一等矧 任s s ， 其中v o 为输出电压，v i n 为输入电压，v d d 为电源电压。 ( 4 ) 启动时间 启动时间是指电源上电后到基准电压源输出达到正常之间所需要的时间，通 常都是邮数量级的。 ( 5 ) 噪声 噪声的因素是不可忽视的。影响基准电路的噪声包括两类：一类是宽频带的 热噪声，另一类是低频1 f 噪声。在高频时噪声主要表现为热噪声，这种宽带噪 声可以在输出端和地之间增加一个大电容来有效滤除；而1 ，f 噪声是基准源的内 在固有噪声，与工艺相关，一般在0 1 到1 0 h z 范围内定义，无法抑制。因为驱 动电路通常工作在低频条件下，所以该噪声是影响电路性能的主要因素之一，在 高精密设计中必须加以抑制。 2 4 影响基准精度的主要因素 设计精密基准的主要难点在于如何降低基准电压值的温度系数及其随电源 电压的偏差。在不采用修正技术的前提下，这两项指标一般在4 ( 对于1 2v 的 基准，相当t ：l s om v ) f j l 1 0 0p p m 左右佟1 3 1 。影响这两个指标的因素有很多， 下面比较详尽地分析了影响c m o s 带隙电压基准的各种误差，并给出了定量的数 学表达式和相应的改进方法【1 4 1 。 1 7 两北t ：业大学硕十学位论文第二章基准电压源的基本原理 2 4 1 运放的输入失调电压和有限增益、有限p s r r 的影响 2 4 1 1 直流失调电压的影响 实际中，运放输入为零时，输出并不为零。在室温( 2 5 ) 及标准电源电压下， 输入电压为零时，为了使运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压称为输入 失调电压。运放的输入失调电压总是存在，通常是由开环增益有限引起的，如图 2 - 5 所示。输入失调电压使v x v y ，因而在基准输出中引进误差。设运放的输 入失调电压为v o s ，前面已通过电路推导得： k 一= z 一( 1 + 鲁) + 噜) ki n 坞恐锄a e i ( 1 一麓】 ( 2 - 5 9 ) 一般c m o s 运放的输入失调电压在5 2 0 m v 左右，因此由它引入的误差在 5 6 2 2 4 m v 。为减小这一误