（微电子学与固体电子学专业论文）可调节电流基准源的设计.pdf

摘要 数模转换器( d a c ，d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ) 作为连接数字世界和模拟世 界的桥梁，是信号处理系统的关键模块。处理器和存储器的飞速发展极大的提高 了数字信号处理系统的速度和精度，与此同时也对数模转换器的速度和精度提出 了更高的要求。近年来携式设备快速发展，电源的续航能力已经成为衡量此设备 的重要指标之一，这就对数模转换器的功耗要求越来越苛刻。高速高精度低功耗 数模转换器的研究已经成为集成电路设计的重要方向之一。高性能的电流基准源 对于实现高速高精度低功耗数模转换器来说非常重要。 本文基于带隙基准电压源的技术指标和基本原理，先分析了几种带隙基准电 压源的几种结构，并指出常见的带隙基准电压源中存在的问题。基于t s m c0 1 3 p , m 1 p 8 m 标准c m o s 工艺，设计实现了一个双向可调节电流基准源，包括一个带隙 基准电压源，一个电压转电流电路和双向可调基准电流产生电路。本文包括电路 前端原理图设计和后端版图设计验证，并进行了流片测试。 仿真结果表明，当基准电流为7 8 6 9 9 a 时，最高正向和反向调节精度分别为 基准电流的1 1 2 0 1 和1 1 0 0 3 ；最高正向和反向调节范围分别为基准电流的1 4 5 9 和1 4 9 3 ；带隙基准电压源的温度系数为5 7 4 p p m 。c ，电流基准源的温度系数为 4 8 9 5 p p m 。c ；测试结果表明，带隙基准的输出电压为1 1 8 2 v 左右，基本满足设计 要求；可调节基准电流的测试结果也与设计要求一致，且这个电路在整个d a c 电 路中也工作良好。 关键字：可调节电流基准带隙基准运算放大器 i i 可调节电流基准源的设计 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t a sab r i d g eb e t w e e nt h ed i g i t a lw o r l da n dt h ea n a l o gw o r l d ，d i g i t a lt oa n a l o g c o n v e r t e r ( d a c ) i s t h ek e ym o d u l eo ft h e s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m t h er a p i d d e v e l o p m e n to fp r o c e s s o ra n dm e m o r yg r e a t l yi m p r o v et h es p e e da n dt h ea c c u r a c yo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m s ，a tt h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n tp u t sf o r w a r d h i g h e rr e q u i r e m e n t st ot h es p e e da n da c c u r a c yo ft h ed a c i nr e c e n ty e a r s ，p o r t a b l e d e v i c e sd e v e l o p e dr a p i d l y , a n dt h ea b i l i t yo fe n d u r a n c eh a sb e c o m ea l li m p o r t a n t i n d i c a t o rt oe v a l u a t et h i sd e v i c e ，w h i c hm a k e st h ep o w e rr e q u i r e m e n t so ft h ed a ca r e i n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g l o w - p o w e rh i g h - s p e e da n dh i g h p r e c i s i o nd i g i t a lt oa n a l o g c o n v e r t e rd e s i g nh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n td i r e c t i o n so fi cd e s i g n a c u r r e n tr e f e r e n c es o u r c e 研t l lh i 曲p e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n tf o rh i g h - s p e e d h i g h - p r e c i s i o nl o w - p o w e rc o n s u m ed a c t l l i sa r t i c l ed e s c r i b e st h et e c h n i c a li n d i c a t o r sa n dt h ep r i n c i p l e so ft h ev o l t a g e b a n d g a pr e f e r e n c e ，a n dt h e ns u m m a r i z e ss e v e r a ls t r u c t u r e so ft h eb a n d g a pr e f e r e n c e a t l a s t ，t h i sa r t i c l ep o i n t so u tt h ep r o b l e m so ft h ec o m m o nb a n d g a pr e f e r e n c e o nt h i sb a s i s ， t h i sp a p e ri m p l e m e n t sac u r r e n tr e f e r e n c es o u r c ew h i c hi sa d j u s t a b l ei nt w od i r e c t i o n s u s i n gt s m co 1 3 i t m1 p 8 ms d a n d a r dc m o sp r o c e s s t h i sc u r r e n tr e f e r e n c ei n c l u d e sa v o l t a g eb a n d g a pr e f e r e n c e ，av o t a g et oc u r r e n tc o n v e r t e ra n da l la d j u s t a b l ec u r r e n t g e n e r a t o r sp a p e ri n c l u d e st h ef r o n te n dc i r c u i td e s i g n ，l a y o u td e s i g na n dt e s t a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h e nt h ec u r r e n tr e f e r e n c ei s7 8 6 9 i t a ，t h e m a x i m u mf o r w a r da n dr e v e r s er e g u l a t i o na c c u r a c ya r e1 1 2 0 1a n d1 1 0 0 3o ft h e r e f e r e n c ec u r r e n t ，r e s p e c t i v e l y ；t h em a x i m u mf o r w a r da n dr e v e r s ea d j u s t m e n tr a n g ea r e 1 4 5 9 a n d1 4 9 3 o f t h er e f e r e n c ec u r r e n t , r e s p e c t i v e l y ；t h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f t h eb a n d g a pr e f e r e n c ei s5 7 4 p p m c ，a n dt h e t h et e m p e r a t u r ec o e f f j f i c i e n to ft h e r e f e r e n c ec u r r e n ti s4 8 9 5 p p m c ：t h et e s tr e s u l t ss h o w st h a tt h eo u t p u to ft h ev o l t a g e b a n k 印r e f e r e n c ei sn e a r1 18 2 v , w h i c hm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sw e l l ，a n dt h e c i r c u i ta l s ow o r k sw e l li nt h ed a c k e y w o r d s ：a d j u s t a b l ec u r r e n tr e f e r e n c eb a n d g a pr e f e r e n c e o p e r a t i o n a la m p l i f i e r i v可调节电流基准源的设计 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 信号处理分为数字方法和模拟方法，数字信号的处理相对于模拟信号的处理 具有很多优点。数字电路易于用最小尺寸的工艺实现，数字信号的处理速度很快 且数字信号易于存储，因此一般采用数字化的方式来处理和存储信号【l 】。然而自然 界的信号是模拟量，如飞机引擎的轰鸣声，潜艇的声纳收集到的回声等等。为了 利用快速发展的数字存储和处理技术存储和处理模拟信号，需要使用模数转换器 先将模拟信号转化成数字信号，运算处理后再利用数模转换器将数字信号还原为 模拟信号。图1 1 为一般的信号处理流程【2 l 。近年来，集成电路设计方法和制造技 术在飞速发展，工艺特征尺寸越来越小，集成电路的规模越来越大；特别是存储 器和处理器的快速发展，使数字信号处理系统速度越来越快，精度也越来越高。 为了满足数字信号处理系统高速高精度的需要，高速高精度数模转换器的设计已 ” 经成为集成电路设计的重要方向之一。同时，高速、高精度、低功耗数模转换器 的设计是模拟电路设计中的众多难题之一。 嫠大器队矽 沪 叫滤波器ha o c 酬。s p 引。a cf u 图1 1 模拟信号处理的一股流程 数模转换器( d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ，简称d a c ) 和模数转换器 ( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ，简称为a d c ) 统称为数据转换器，是连接模拟世界和 数字世界的桥梁，广泛应用于信号的采集和处理，通信系统和多媒体技术等领域。 在许多信号处理和通信应用中，数模转换器是限制整个系统速度和精度的关键模 块。 便携式电子设备的飞速发展，对包括数模转换器在内的集成电路功耗要求越 来越苛刻。由于便携式设备的电池容量有限，电路的低功耗就变得至关重要。数 模转换器在便携式产品中应用广泛，如m p 3 、数码相机等，而且数模转换器的功 耗在整个系统中占有相当的比例，因此低功耗数模转换器越来越受到人们的青睐。 随着工艺技术的进步，电源电压越来越小，为d a c 的低功耗设计提供了很多便利 条件。尽管如此，人们开发了越来越多的电路技术以减小d a c 的功耗。随着集成 2 可调节电流基准源的设计 电路工艺的发展，晶体管尺寸的不断缩小，现在集成电路尺寸已进入到超深亚微 米阶段，例如英特尔4 5 n m 产品已经量产。虽然芯片电源电压越来越低，但由于电 路集成度的不断提高，单位面积芯片的功耗越来越高。低功耗、高速度、低噪声 等性能要求加大了集成电路设计的难度。特别是在一些便携式电子产品中，如手 机、笔记本电脑、掌上游戏机等，低功耗设计是芯片电路的重要性能指标之一。 我国从上世纪7 0 年代开始研究数模转换器，到现在已经开发出了多款性能优 越的d a c ，精度覆盖了8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位和1 6 位等多种精度，转换速率 也紧跟国际发展的步伐，有的数模转换器的采样频率已经达到了2 g h z 。近年来， 国内经济迅速发展，为i c 设计的发展提供了良好的经济环境，同时，国内的巨大 市场也为i c 设计产业的发展提供了广阔的前景。目前，在国家的大力支持下，国 内数模转换器设计和整个i c 设计产业正稳步快速发展。但是总体来说，与国外数 模转换器的发展相比，国内还有很大差距，正处于学习模仿向自主设计的过渡阶 段。据统计，无论是军用还是民用，国内大部分数模转换器仍然需要进口，这严 重限制了我国国民经济和国防事业的发展。 比较国内外数模转换器的产品，可以发现，目前国内d a c 的性能跟国外还有 很大差距，大部分产品仍然需要进口。此外，国内很多产品由于成品率低，可靠 性差，仅仅停留在实验室研究阶段，没有真正商品化。但是国民经济的发展，国 防工业的提高都依赖于微电子的快速发展。作为一种应用如此广泛的通用集成电 路，提高数模转换器的设计制造水平至关重要。 数模转换器作为一种通用集成电路，应用范围广泛。对于数模转换器，不同 的应用环境，具有不同的应用需求，这就决定了d a c 具有多种电路结构。根据加 权网络实现方法的不同，d a c 可以分为电压定标型d a c ，电荷定标型d a c 和电 流定标型d a c ，其中每一种d a c 又有不同的电路实现形式。 电流舵型数模转换器( c u r r e n ts t e e r i n gd a c ) 的转换速度是所有数模转换器中 最快的，且它能达到一个较高的精度，所以电流舵型d a c 具有非常广泛的应用。 基于匹配性和芯片面积的考虑，电流舵型数模转换器一般采用分段式结构，低位 ( l s b ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) 采用二进制码编码方式，高位( m s b ，m o s ts i g n i f i c a n t b i t s ) 采用温度计码编码方式。图1 2 为分段式电流舵型数模转换器的结构框图。 通过采用分段式结构，可以在性能和面积之间找到一个良好的平衡。 第一章绪论 3 带隙 基准 电路 舔 源偏 置电 路 m s b ( 温度计码) i l s b ( 二进制码) 温度计译码电路l同步电路 差分输出开关驱动电路 电流源阵列及差分输出开关 图1 2 分段式电流舵d a c 的结构框图 为了达到数模转换器高精度和低功耗的要求，一个高性能的电流基准源必不 可少。对于电流舵型数模转换器来讲，数模转换器的最后输出电流就是基准电流 的倍数，所以电流基准源的好坏直接决定着数模转换器的整体性能。基于低功耗 的考虑，在电流舵数模转换器的某些工作条件下，可以使基准电流减小以降低功 耗，但又不影响整体性能。本文基于一个1 2 位8 0 m s p s 电流舵型数模转换器设计“ 了一个双向可调节电流基准源，基准电流可以在1 5 6 3 蚣和7 8 1 4 蚣之间调节， 对于每一个基准电流可以进行双向调节，理论上最小调节精度为1 9 4 0 ，总的调节 范围为基准电流的1 3 5 。 1 2 本论文的主要内容及组织结构 本文利用t s m co 1 3 i _ t m1 p 8 mc m o s ( 电源电压1 2 v 2 5 v ) 工艺设计了一个 1 2 位8 0 m s p s 电流舵型数模转换器中的双向可调节基准电流产生电路。此电路包 括一个带隙基准电压源，温度计码译码电路，电压转电流及其补偿电路，双向可 调基准电流产生电路。 本文各个章节安排如下： 第一章：介绍了本文的研究背景和意义，简单总结了数模转换器的发展现状 以及本文的研究对象，并给出了论文的主要内容和组织结构； 第二章：介绍了本设计中会涉及到的一些基本理论知识，主要有带隙基准的 基本知识，并结合常规带隙基准源的结构提出问题，确定本论文的研究方向； 第三章：介绍了本设计的基本结构，并详细介绍了带隙基准电路、温度计码 译码电路、电压转电流及其补偿电路和双向可调基准电流产生电路的设计，着重 介绍了设计中带隙基准电压源中的运算放大器的设计； 第四章：介绍了模拟电路版图设计的一些基本技术，并给出了本设计的版图 布局方式，详细介绍了带隙基准的版图布局方式； 4 可调节电流基准源的设计 第五章：介绍了本设计的仿真结果和测试结果，包括带隙基准单独模块的仿 真及整体设计的仿真； 第六章：对本设计进行了全面的总结和对未来的展望。 第二章带隙基准源的基本理论 5 第二章带隙基准源的基本理论 基准电流一般是由带隙基准电压转换而来。性能良好的带隙基准电压对于基 准电流有着决定性的作用。本章首先介绍了带隙基准电压源的基本理论，主要包 括带隙基准电压源的技术指标和基本原理以及几种基本的带隙基准电压源的结 构。然后，分析了传统的带隙基准电压源对于现在的应用中出现的问题提出了本 文的研究内容。 2 1 带隙基准源的基本原理 基准源电路广泛的应用于模拟集成电路和混合信号集成电路中，如模数转换 器( a d c ) 和数模转换器( d a c ) 等。主要包括电压基准源和电流基准源，其主 要功能是给电路的其他模块提供与电源电压和温度无关的电压或电流。基准电压 源和基准电流源这二者并不是完全无关的，带隙基准电压可以转换为带隙基准电 流，同样带隙基准电流也可以转换为带隙基准电压。但是一般应用都是用基准电 压产生基准电流。 鉴于带隙基准源电路的重要作用，它的稳定性至关重要。无论是带隙基准电 压源还是带隙基准电流源，都要求它是电源电压以及工艺参数的弱函数，亦即不 随电源电压和工艺参数的变化而变化。随着的低电压高精度系统的快速发展和广 泛应用，对带隙基准源电路也提出了越来越高的要求。现在，各种不同性能需求的 带隙基准源被设计出来以满足某些方面应用的需要，例如低温度系数【n o 】、高电源 抑制比【1 1 _ 15 1 、低电压【1 纠7 1 、低功耗【1 8 1 9 】和低噪声 2 0 - 2 1 1 。 2 1 1带隙基准源的技术指标 带隙基准电压源的输出电压是一个随电源电压、温度和工艺参数变化很小的 稳定的直流输出值，其主要性能参数包括以下几点： 1 灵敏度 带隙基准电路的灵敏度s 是衡量电源电压的变化对带隙基准电路影响的一个 参数。关于v d d 的灵敏度定义为： 整理得， 踞= 躺= 瓦v d d 貉 ( 2 - 1 ) 6 可调节电流基准源的设计 鲁一o s 删v a a v m fo v d d v d d ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 表明带隙基准电压的相对变化等于基准电路对电源灵敏度和电源电 压相对变化的乘积。如果灵敏度为1 ，那么1 的删变化将会导致l 的，变 化。对于理想的带隙基准源电路而言，灵敏度应该为0 ，但是实际设计中是不可能 做到的，只能是灵敏度越低越好。 2 初始精度 初始精度是指带隙基准源的输出电压的容限，通常是在没有负载情况下测得 的。它在很多应用中是一个很重要的参数。初始精度一般用p p m ( p a r t sp e rm i l l i o n ) 或者百分比表征，它与导致误差的根源没有直接关系。 3 温度系数 温度系数是用来衡量带隙基准源的输出电压随着温度变化的稳定性，即在一 定的温度变化范围内，输出电压相对于温度的变化量。温度系数定义为： 1 a t c = ：翌 a 丁 ( 2 3 ) 一般而言，温度系数会乘以1 0 6 ，用p p r r f c ( p a r t sp e r m i l l i o np e rd e g r e e ) 来 表征。温度系数的计算公式为： ( 2 4 ) 其中，为输出电压最大值，加为输出电压最小值，圪硎为室温下输出电 压值，为最高工作温度，乙加为最低工作温度。 4 线性调整率 线性调整率是指当输入电压发生变化时，输出端测到的直流误差。 5 精度 带隙基准源的整体精度主要由初始精度，线性调整率以及温度漂移性能决定。 它的定义式为： 彳c c “阳c 1 ，：垒窒丝! ! 翌! ! 丝垒墨型皇! 翌旦墅兰_ 壁堑丝! 监( 2 - 5 ) “e t e r e n c e 第二章带隙基准源的基本理论 7 式中，角标厄指初始精度，t c 指温度系数，l n r 指线性调整率，相应的参 数则分别指它们所导致的带隙基准源的变化。 6 电源抑制比 电源抑制比所反映的是电源电压的变化引起的输出电压的变化，与线性调整 率不同的是，电源抑$ i jl l 是一个交流参数。电源抑制比包括对正电源的电源抑制 比p s r r + ，和对负电源的电源抑制比p s r r 一，但是对单电源供电的情况，电源 抑制比就是对正电源的电源抑制比p s r r + 。电源抑制比表示的是输出电压对电源 电压变化的抗干扰能力，电源抑制比越大，抗干扰能力越好，反之亦然。一般电 源抑制比的单位用分贝( d b ) 表示。定义为电源电压的变化率与输出电压的变化 率的比值，如下式所示： p s r r ：= o v d d v d d 矾时| v 峰 ( 2 6 ) 7 负载调整率 负载调整率是指由负载电流的变化导致的输出电压的误差。通常用p v m a 或 者p p m m a 单位表示，为了保证在负载端得到准确的基准电压，一般会在基准电 路的输出级使用缓冲放大器，从而使得带隙基准源的输出阻抗是频率的函数。 8 噪声 带隙基准源输出端的噪声主要包括宽带热噪声和窄带闪烁( 1 f ) 噪声。宽带 热噪声可以使用低通滤波器来有效的降低。然而，闪烁噪声，一般是指从o 1 h z 到1 0 h z 的范围，则是带隙基准源输出所固有的，不能被滤掉。因此，低频闪烁噪 声对于高性能的基准源电路而言是更为重要的。 2 1 2带隙基准源的基本原理 产生零温度系数的带隙基准源有两种方法，一种是寻找本来就直接具有零温 度系数的组件直接产生；另一种方法是用具有两种相反温度系数的组件进行抵消 设计，从而产生零温度系数的带隙基准源。然而在目前的工艺下，没有一种本身 就具有零温度系数且能产生稳定电压输出的组件。所以，现有的带隙基准源一般 是采用两种相反温度系数的组件进行补偿产生。基于补偿的思想，主要有三种基 准电压源：隐埋齐纳二极管基准电压源、带隙基准电压源和x f e t ( e x t r a i m p l a n t 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 ) 基准电压源。由于实际项目中的需要， 本文主要讨论带隙基准源。 研究表明：双极型晶体管的基极发射极电压具有负温度系数，热电压k 具有正温度系数，双极性晶体管的基极发射极电压v b z 具有负温度系数，室温下约 8 可调节电流基准源的设计 为一2 2 m v 。c ，热电压巧( = r t q ) 具有正温度系数，室温下约为0 0 8 5 m v 。c 。如 图2 1 所示，带隙基准源就是利用了这两种不同温度系数的组件，对二者进行适当 的加权求和，得到与温度无关的基准电压源。其输出电压一+ m k 。当选择了 合适的m 值后，即可实现与温度无关。 吃+ 叫 图2 1 带隙基准源原理图 1 与温度的关系 为了完全理解带隙基准的工作原理，首先必须了解与温度的关系。根据双 极型晶体管原理，当p n 结正偏时，其集电极电流密度以与正向导通电压的关 系为 以= 訾唧c 争 一k 7 ( 2 7 ) 式中，玩为电子平均扩散系数，为基区宽度，t i p 。为基区( p 型) 电子浓 度，为 刀? g p o2 亢 其中，m 为受主杂质浓度，为本征载流子浓度，它的取值为： 砰= d t 3 e x p ( - v 6 0 k ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第二章带隙基准源的基本理论 9 其中，d 是与温度无关的常数，圪。是硅的带隙电压( 1 2 0 5 v ) 。将式( 2 8 ) ， 式( 2 9 ) 带入式( 2 7 ) ，得到集电极电流密度的方程式： 以= 而q d n p o 胛e x p ( 学) = a t re x p ( 学) ( 2 - 1 0 ) 将式( 2 1 0 ) 中与温度无关的常数合并成单一常数彳，由于瓦依赖于温度， 温度系数y 稍微偏离3 。 由式( 2 1 0 ) 推倒出为： 又有： 带入式( 2 1 1 ) 可得： 考虑温度r o 时的以 吒= k m 嘉) + 圪。 形：一k t g = 坚q 坂嘉a i ) + j 小毋冲甚c k 啪 由式( 2 1 0 ) 和( 2 - 1 4 ) 可得以与以。之比为： 老矧唧 乱学一警) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 1 0 可调节电流基准源的设计 两边取自然对数得 一n 训n + 吾卜k 寺c k 协 由式( 2 1 6 ) 解出吃的表达式 唧心。旧h + 争+ 了k t n 协 由式( 2 - 1 7 ) 可以看出，是以的对数函数，反过来，以是的指数函数。 即当正向电压超过p n 结的导通电压后，正向电压的微小变化对应集电极正向电流 密度的的较大变化。而且吃是一个对温度比较敏感的物理量，下面定量分析的 温度特性。假定以芘t 口，将式( 2 1 7 ) 对温度求导得 因为 盟：监f ，1 一三、一鱼 o to tl t o ) 瓦 + 监+ 一) k t o l n ( t o t ) + 瓦g o t 等h ( 讣考h + 了k t 掣 堂o t 趔= 吾( 一昙t ) t 不k2 ， 型墨! 盘! ：亟上a 丁：血竺生：竺 规j cjc q ) ct ) ，l 带入式( 2 。1 8 ) 可得 ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 第二章带隙基准源的基本理论 1 1 丝h=一堡toot+ 等一丛q + 警= 必t o + ( 口训考 ( 2 捌) 即。 瓦g 、 叫g a 和) ，的通常值分别为1 和3 2 ，当v t , e o 7 5 0m v 时，则室温下的温度系 数为1 5 m v p c 。 2 热电压k 的产生 如前文所述，热电压k 具有正温度系数，那么如何得到k 昵? 两个具有不同 集电极电流密度的双极型晶体管的之差为 叱叱= 了k tl n ( 2 2 2 ) 由式( 2 2 2 ) 可见，的差值表现出正温度系数，将式( 2 2 2 ) 对温度求导 盟：_ kl n f 血1 _ 墨l n n o t qt , 4 2 g ( 2 2 3 ) 其中，为两个晶体管发射结面积之比，并且正温度系数只与比值有关。 为了在时达到零温度系数，联立式( 2 2 1 ) 和( 2 2 3 ) 得 即 令 = + m ( 2 2 4 ) 鲁k 学小训i k + m “纷。 沼2 5 ) 丝i ，r ：幺二坠+ ( a - r ) k o + 盟l n r 五1 ：o ( 2 - 2 6 ) o t 卜司。 r ot ot o l 以2 j 1 2 可调节电流基准源的设计 解得k 为 m n 肚一i n ij 吵，l ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) 由于k 由设计者控制，所以只需要选择合适的k ，就可以得到零温度系数。 将上式带回式( 2 2 4 ) ，可得 i t = t o = 。+ k 。( 7 - a ) 2 2 带隙基准源的几种结构 ( 2 2 9 ) 2 2 1w i d l a r 带隙基准电压源 第一个带隙基准电压源由r o b e r tw i d l a r 于1 9 7 1 年提出【4 】，具体结构如图2 2 所示。输出基准电压由q 3 的基极一发射极电压v b e 3 加上电阻恐上的压降组成。 即 = 吃3 + 2 ( 2 - 3 0 ) 若忽略q 2 和q 3 很小的基极电流，则流过电阻尺2 的电流和电阻r 3 的电流相 等。而电阻r 3 两端的电压为三极管q 1 的基极- 发射极电压l 和q 3 的基极一发射 极电压之差，所以为 v r 2 = 平坞= 惫 所以输出基准电压为 叱+ 等吃 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 第二章带隙基准源的基本理论 1 3 由前面的理论分析可知，只要选择合适的电阻比例关系，即可实现零温度系 数的输出基准电压。 流过电阻飓的电流为 流过电阻r 2 的电流为 厶3 = l 2 = i c 2 + 厶2 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 实际上，虽然流过三极管q 2 的集电极电流和其发射极电流不等，但是流过电 阻i 也的电流可以和流过电阻r 3 的电流相等，因为三极管q 3 的基极电流补偿了 三极管q 2 的基极电流。 图2 2w i d l a r 带隙基准电压源 2 2 2 k u i j k 带隙基准电压源 在w i d l a r 提出第一个带隙基准电压源后，k u i j k 于1 9 7 3 年提出了k u i j k 带隙 基准电压源结构【5 】，具体结构如图2 3 所示： 1 4 可调节电流基准源的设计 图2 3k u i j k 带隙基准电压源 与w i d l a r 结构不同的是，k u i j k 基准源采用了运算放大器对电阻r l 和r 2 两端 进行“钳位”，使得流过电阻r l 和r 2 的电流几乎相等。即 流过电阻r 3 的电流为 所以 l = 1 2 i r 3 - 警= 等= 厶 = 吃- + r 厶s = 吃- + 鼍吃 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 由式( 2 3 7 ) 可见，只要选择合适的比例系数，即可实现零温度系数的输出基 准电压。同时，由该结构的原理图可见，运算放大器的失调电压会影响输出基准 电压。 2 2 3b r o k a w 带隙基准电压源 b r o k a w 带隙基准电流源由p a u lb r o l a w 于1 9 7 4 年提出【6 】，其电路结构如图2 4 所示： 第二章带隙基准源的基本理论 1 5 图2 4b r o k a w 带隙基准电压源 由图2 4 可知：输出基准电压由三极管q 1 的基极一发射极电压加上电阻r 2 上的压降构成。即 = t + z ( 2 - 3 8 ) 电阻尺鲥和尺3 口的阻值相等，而且两端的压降几乎相等。因为两个电阻的一端 共同接v d d ，另一端分别接运算放大器的两个输入端，由负反馈原理可知，运算 放大器两个输入端的电压几乎相等，所以流过电阻r 3 a 和飓口的电流相等。即 流过电阻尺l 的电流为 i d = i c 2 r i 峄= 等 忽略三极管q l 和q 2 的基极电流，所以 ( 2 - 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) 1 6 可调节电流基准源的设计 i r 2 = 乞l + l 2 = 2 i , 2 = 2 i r l 所以输出基准电压为 一, + 2 r 坞e 吃 ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 由式( 2 4 3 ) 可见，只要选择合适的比例系数，就能实现零温度系数的输出基 准电压，而且由于电阻r 2 多一个系数2 ，使得该结构在三极管q 1 和q 2 相同的集 电极电流密度之比的情况下，减小了电阻尺2 的值，因此可以有效减小电阻所带来 的噪声；而且该结构的输出基准电压直接在产生电流的支路上生成，不仅简化了 电路结构，更重要的是减小了功耗。但是该结构也有缺点：由于使用了运算放大 器，所以运算放大器的失调电压对输出基准电压有影响；由于基极电流不能忽略， 而且也没有采用其他补偿方法，所以会对输出带隙基准电压带来影响。 2 2 4n e u t e b o o m 低压基准电压源 n e u t e b o o m 电压源由n e u t e b o o m 等人于1 9 9 7 年提出【2 6 1 ，其电路结构如图2 5 所示： 图2 5n e u t e b o o m 低压带隙基准电压源 第二章带隙基准源的基本理论 1 7 该结构的基本原理是基于电阻分压技术，从而获得一个低于硅带隙电压的输出基 准电压。如图2 5 所示：它由三个纵向p n p 三极管组成，发射结面积见图中所示； 由于运算放大器的钳位作用，在电阻r 1 两端产生圪6 ，从而产生一个流过电阻天 l 的与温度成正比的电流( p t a t ) 。低压电压基准的是通过在传统电压基准的结 构上并联一个电阻尺3 实现。推导如下：流过电阻r l 的电流为 1 r ! - 毕= 等 ( 2 4 4 ) 由于p m o s 管m 1 ，m 2 和m 3 尺寸相同，所以，流过这三个管子的漏电流相 等。所以 + 恐卜蝴是睁一等) 协4 5k 整理可得 ( ，+ 惫) = ，+ 鲁 所以输出基准电压为 = 彘h i r 2 ( 2 4 6 ) ( 2 - 4 7 ) 可见，括号内为传统基准电压源产生的硅的带隙电压。该结构将传统的基准 电压源乘了一个比例系数，从而实现低于硅带隙电压的基准电压，而且可以通过 调节电阻尺3 和尺2 的比例关系，调整基准电压源的输出电压值。 2 2 5b a n b a 低压基准电压源 b a n b a 电压源由b a n b a 等人与1 9 9 9 年提出【2 7 】，具体结构图如图2 6 所示： 1 8 可调节电流基准源的设计 r 2 a 图2 6b a n b a 低压带隙基准电压源 b a n b a 电压源与其他使用运放的电压源的区别在于：b a n b a 结构在运放的两个 输入节点采用的是电流求和的模式，而其他的结构在运放的两个输入节点采用的 是电压求和的模式。由于运算放大器的“钳位”作用，使得流电阻尺纠和电阻r 2 b 的电流相等，同时，电阻r e a 两端的电压为三极管q l 的基极发射极的电压，它具 有负的温度系数，忽略电阻的温度系数，流过r z a 的电流具有负温度系数。又由于 连接到运算放大器两个输入端的两个p m o s 管尺寸相同，所以，流过三极管q 1 和q 2 的集电极电流相同，使得两个三极管的电流密度之比只取决于三极管的个数 之比。电阻r l 两端的电压为圪 圪砣，即圪6 ，所以流过r l 的电流具有正温度系 数。p m o s 管m 3 镜像该具有两种温度系数的电流，最终只要选择合适的电阻比例 关系，即可实现零温度系数的基准电压输出。具体推导如下： 流过电阻r e a 的电流为 流过电阻r l 的电流为 i r 2 = i v e b l 1 k 枷平= 警2 k 警 ( 2 4 8 ) ( 2 - 4 9 ) 第二章带隙基准源的基本理论 1 9 流过p m o s 管的电流为 卜”铲等+ k 警 流过电阻r 3 的电流也为，所以基准源输出电压为 整理得 叫= 马( 等+ k 百i n n ) = 乏( 吃。+ k h 鲁) ( 2 - 5 0 ) ( 2 - 5 1 ) 可见，基准源的输出电压为硅带隙电压乘以一个系数，从而产生低于硅带隙 电压的基准电压。而且，可以通过调整电阻尺3 的阻值调节基准源输出电压的值。跨 2 3 常见电流基准源中存在的问题 壹 基准电流在模拟集成电路中具有广泛应用，因为电流在长金属线上没有损失， 而电压却有损失，所以在布线比较复杂的模拟电路中，电流基准更受欢迎。 传统的电流基准电路一般是通过运放和电阻将一个具有低温度系数的基准电 压转换为电流，如图2 7 所示，然后通过电流镜装置复制这个电流得到一个或多个 基准电流。复制的基本原理是，工作在饱和区且具有相同尺寸及栅源电压的两个 晶体管传输相同的电流。在不考虑二级效应的情况下，饱和区电流为： 如= 三眠譬k 一) 2 ( 2 - 5 3 ) 其中i o 为流过m o s f e t 的电流，p 为沟道载流子的迁移率，在n m o s 管中为 电子迁移率，在p m o s 管中为空穴迁移率，巳为单位面积栅氧化层电容，为 栅源电压，为阈值电压。单位面积栅氧化层电容值巳和阈值电压都与工 艺有关。在实际芯片制造中工艺参数在一定范围内具有随机性，因此即使给定栅 源电压，也会导致实际基准电流值和预先设计值之间的差异。若电路中存在大量 2 0 可调节电流基准源的设计 的电流源复制此基准电流( 如电流舵型数模转换器) ，会使复制后的电流产生偏差， 最终影响整个芯片性能。 v d d 、3 e g n d 图2 7 传统的基准电流产生电路 为了解决上述问题，本文的目的是提供一种可通过端口控制的精确双向可调 的基准电流产生电路。这个电路主要由带隙基准电压源、电压转电流装置、译码 电路和双向可调基准电流产生电路。 这个电路基于标准c m o s 工艺，不需要额外的工艺，易于实现：电流源开关 调整单元中电流源电流值大小呈等比数列变化，使得基准电流的调节精度高。另 外，通过外部输入信号控制两组开关阵列，使调整电流从电流镜中流出或流入电 流镜，从而实现双向调节基准电流的功能。 2 4 小结 本章主要介绍了带隙基准源的基本理论，主要包括带隙基准源的技术指标和 基本原理，然后介绍了带隙基准源的几种结构，有常规的和低压结构的，最后提 出了常规带隙基准源中存在的问题，并提出了本论文的研究方向。 第三章电流基准源的电路设计 2 1 第三章电流基准源的电路设计 由上一章可知，为了得到高性能的基准电流，必须先得到一个高性能的带隙基 准电压。然后，这个基准电压通过电阻转换为基准电流。本章基于第二章的理论 基础设计了一个双向可调节基准电流产生电路，具体包括带隙基准电压源，电压 转电流电路，译码电路和双向可调基准电流产生电路。 3 1 电路的系统架构 本文中设计的具体电路框图如图3 1 所示，主要包括带隙基准电压源，电压转 电流电路，双向可调基准电流产生电路和译码电路。带隙基准电路给电压转电流 电路提供一个高品质的基准电压，译码电路是将3 位二进制控制端口数据转换为7 位温度计码控制信号，电压转电流电路将基准电压转换为基准电流，电阻的温度补 偿电路给电压转电流电路中使用的电阻提供补偿，双向可调基准电流产生电路将基 准电流通过8 位控制端口来控制它的双向调节。 图3 1 可调节电流基准源设计框图 3 2 带隙基准源的设计 带隙基准源电路如图3 2 所示，虚线左边是启动电路，右边是带隙核心电路。 下面分别介绍带隙核心电路的设计和启动电路的设计。 可调节电流基准源的设计 v d d v r c f 图3 2 带隙基准源示意图 3 2 1带隙基准源中运算放大器的设计 1 各种结构的运算放大器的性能比较 常见的运算放大器主要有：两级运算放大器、套筒式共源共栅运算放大器、 折叠共源共栅运算放大器和增益提高型运算放大器。它们的性能对比结果见表3 1 。 表3 i 常见运算放大器结构的性能比较 增益输出摆幅速度功耗噪声 套筒式共源共栅 中中高低低 折叠式共源共栅中中高中中 两级运算放大器葡高低 中 低 增益提高运算放 高中中高中 大器 作为使用在带隙基准中的运算放大器，首先要求功耗不能太高，所以不能采 用增益提高型运算放大器，综合表中所列指标，本设计选用的是折叠式共源共栅 结构的运算放大器。本设计运算放大器的结构图如图3 3 所示。 第三章电流基准源的电路设计 v d d g n d 图3 3 本设计中折叠共源共栅运算放大器结构图 2 折叠共源共栅运算放大器的设计 首先，根据功耗确定运算放大器三条支路的电流。在此，取尾电流源所在支 路的电流为1 0 0 1 t a ，另外两条支路电流为3 0 9 a ，这样整个运算放大器的功耗就很 小。然后，分配右边两条支路上每个管子的过驱动电压。在此，给这些管子从上 到下分配的过驱动电压分别为1 5 0 m v 、1 0 0 m v 、1 0 0 m v 和2 0 0 m v ，因为最下面的 一对n m o s 管的电流比较大，所以给这两个管子分配较大的过驱动电压，避免这 两个管子的宽长比太大。最后，根据本设计所采用工艺可以得到所用到的p m o s 管和n o m s 管的阈值电压，单位面值栅电容c o x ，电子迁移率n 和空穴迁移率 p ，这样结合第二步得到的过驱动电压就可以根据处于饱和区的m o s 管的电流估 算公式得到这些管子的宽长比。 3 运算放大器偏置电路的设计 基于这个运算放大器的性能和规模的考虑，这个设计的运算放大器采用与电 源无关的自偏置电路，如图3 4 所示。p m o s 管m p 4 m p 6 和n m o s 管m n 2 - m n 5 以及电阻r 共同组成了一个与电源无关的偏置电路。其中， 2 4可调节电流基准源的设计 棼溉潋，毂 协， 警) 删：= ( 警) 删。( 等) 删，= ( 譬) 删， 所以，m p 4 、m p 5 、m n 2 、m n 3 所在支路电流厶和m p 4 、m p 5 、m n 2 和m n 3 所在支路电流厶相等。又有 所以有 ( ) 枷，+ ，l 哝= ( ) 删， ( ) 删，( ) 删， 厶= 厶= 互1 心t w ( 一) 2 ( 3 2 ) = 去 厩一厩 2 3 ) 由式( ) 可知，电流只与电阻r 以及n m o s 管m n 5 和m n 3 的宽长比有关， 与电源电压无关，所以电流是确定的。又因为支路3 ，4 ，5 ，6 与支路1 和2 组成了电 流镜的关系，所以支路电流厶，厶，厶和厶也是确定的