（电路与系统专业论文）一种改进的亚阈型cmos基准电压源.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着现代科学技术的发展，社会对集成电路的需求量越来越大，从宇航飞船、 汽车再到手机。可以说人们的生活越来越离不开这些半导体产品。也正是这些原 因，人们对芯片的性能和种类有了越来越高的要求。基准源也是芯片中极其重要的 电路单元，芯片中基准源的性能决定着芯片的性能。 通过分析m o s f e t s 器件在亚阈区的工作特性，及分析g c i u s t 0 1 i s i 在文献【3 】中 提出的基准源结构。再结合带隙基准的原理提出一种改进的亚阈型c m o s 基准电压 源。这种基准源采用简单的c m o s 结构，克服了双极性晶体管工艺复杂的缺点；采 用p t a t 偏置电路来提供正温度系数电压，简化了整体电路的结构。电路采用t s m c o 1 8 u mc m o s 工艺仿真，用h s p i c e 对电路进行仿真，结果显示：1 8 v 的电源电压 和室温下，低频电源抑制比为2 5 d b ，电源抑制比在频域内从l m 以后开始降为0 分 贝。在 4 0 ，1 0 0 o c 的温度范围内，改进结构的基准输出电压的温度系数为 3 6 5 印聊oc 。室温时，输出电压为5 2 9 m v 。结果表明，电路性能良好。但是电源抑 制比在低频域内较低，在较高频域内基本为零，这是需要改进的地方。 亚阈型c m o s 基准电压源普遍存在一个问题，就是电源抑制比在低频时不高 ( 大约在2 5 d b ) ，在高频域内基本为零的缺点。我们提出了两种改进方法，第一种 方法是在电源的输出端后面添加电压跟随器模块，用以实现提高p s r r 在频域内的 性能。第二种是在前端增加一个前置稳压模块，使次级电路工作在较为稳定的电压 下，通过这种方法来实现提高p s r r 的目的。我们采用t s m c0 1 8 1 l l i lc m o s 工艺对 电路进行h s p 【c e 仿真发现，增加电压跟随器模块的电路的温度系数没有明显变 化。p s l m 在较高频域内有明显提高( 从o 提高到大约2 5 d b ) ，而在低频域内没有 明显改善。对于第二种改进方法仿真分析发现，在 - 4 0 ，1 0 0 o c 的温度范围内，基准 源的温度系数约为4 3 5 印朋oc ，在室温下输出参考电压约为5 9 0 6 m v 。改进后的 p s r r 在低频域内约为5 l d b ( 比前面两种结构提高了约2 5 d b ) ，这种结构在较高 频域的p s r r 也是比较理想的。只有频率在l m 时p s r r 约为最小值9d b 。所以我 们发现第二种方法在提高p s i m 性能方面，效果明显。 关键词：亚阈值区；基准电压源；电源抑制比；版图设计 a b s t r a c t a 1 0 n gw i t hm ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h es o c i e 够1 sg e t t l n g b i g g e ra n db i g g e rt oi n t e g r a t e dc i r c u 矾d e m a n d ，舶mt h ea e r o s p a c e t om o b i l ep h o n e c a n b es a i dt h a tp e o p l e sl i v e sa r ei n c r e a s i n g l yd e p e n do nt h es e m i c o n d u c t o rp r o d u c t s i t l s a l s of o rt h e s er e a s o n s ，t h ep e o p l eh a dm o r ea n dm o r eh i g hr e q u e s t t om ec h i pp e 订b m a n c e a n dt h e 啦p e v o l t a g er e f e r e n c e sp e r f - o m a n c eo fc h i pd e t e 彻i n e st h ec h i p sp e r t i o n n a n c e ， w h i c hi sae x t r e m e l yi m p o r t a n ti nt h ec i r c u i tm l i t b ya n a l y z i n g 也ec h a r a c t e r i s t i c s o fm o s f e t sd e v i c e si n t h es u b t h r e s h o l d ，a n d c o r i l b i n ew i t ht h ep r i n c i p l eo fb a n d g 印r e f e r e n c e ，t h e np u t t i n gf 0 州a r da n o t h e rs t n j c t i l r e o ft h er e f i e r e n c ev 0 1 t a g es o u r c eb a s e do n s u b t l l r e s h 0 1 dc m o sw i ma n a l y s i so fg c i u s t o l i s ii n 【3 】p r o p o s e dt h er e f e r e n c es t m c t l l r e t h er e f e r e n c ew i t has i m p i es t m c t u r eo f c m o sh a dd e f e a t e dt h ec o i n p l e xo fb i p o l a rt r a n s i s t o rt e c h n 0 1 0 9 y t h ec i r c u i to fp t m ? c a ns i m p l i 匆 t h e i n t e g r a t e c i r c u i t ss t n l c t u r e ， s i m u l t a n c o u s l yp r o v l d e s t h ep o s l t l v e t 唧e r a t l 】r ec o e 筑c i e n tv o l t a g e t h er e f e r e n c ei s s i m u l a t e di nt s m c0 18 u mc m o s p r o c e s sa n dt h eh s p i c es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tm ev 0 1 t a g er e f e r e n c e c a nw o r k n o m a l l v ：i nt h ec o n d i t i o no f1 8 vp o w e rs u p p l yv o l t a g ea n dr o o mt e m p e r a t u r e ，t h el o w 。 雠q u e n c yp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i oi s - 2 5 d b t h ep s r r w i l l r e d u c et o0d bl a t e rs t a r t i nt h ef 托q u e n c yr a n g e 仔o mlm w r h e nt h et e m p e r a n i r er a n g e s 矗o m 一4 0 t o10 0 ，t h e t e m p e r a ：c u r cc o e f j e i c i e mw h i c hm eo u t p u tv o l t a g eo ft h er e f e r e n c ew i t ht h ei m p r o v e m e n t s t r u c t u r ci s3 6 5 矽p 聊oc t h e0 u t p u tv 0 1 t a g ei s5 2 9m v i nr o o mt e m p e r a t u r e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec i r c u i th a sg o o dp e 墒m a n c ea n dm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t t h ep s r r i sl o wi nt h el o w 丘e q u e n c yr a n g e ，i sz e r oi nt h eh i 曲- 行e q u e n c yr a n g e s o t h i si st h ep l a c e w h i c hn e e d st oi m p r o v e t h ev o l t a g er e f h e n c eb a s e do ns u b t h r e s h o l dm o s f e t sh a dap r o b l e m ，a b o u t 2 5 d b ，w h i c hi tw a s te n o u g hh i g ho ft h ep s r r i nl o w f r e q u e n c y ；w h i c hi tw a sz o r e1 n h i 曲f r e q u e n c y w bp r o p o s e dt w o m e t h o d so ft h ec i r c u i t si m p r o v e m e n t ，t h ef i r s tm e t h o d i si n c r e a s et h e 、，o l t a g ef o l l o w e rm o d u l eb e h i n dp o w e rs o u i c e so u t p o r t ，a n dr e a l l z e st o e n h a n c e sp s r ri nt h ef r e q u e n c yr a n g ep e r f o n _ 1 1 a n c e t h e s e c o n dk i n di si n c r e a s e sa c o n s t a n tv o l t a g em o d u l ei nf 如n te n d ，c a u s e st h es e c o n d a 巧c i r c u i tw o r ku n d e ras 切b l e r v o l t a g e ，r e a l i z e st h r o u g ht h i s m e m o dt oe n h a n c e sp s r rt h eg o a l t h er e f e r e n c ei s s i m u l a t e di nt s m co 18 u mc m o sp r o c e s sa n dt h eh s p i c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ev o l t a g ef o l l o w e rm o d u l ec i r c u i t st e m p e r a t u r ec o e 伍c i e n t h a d tt h eo b v i o u sc h a n g e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a n dt h ep s ：r rh a dt h eo b v i o u sc h a n g e si nh i g h - f r e q u e n c y ，疳o m0 d bt o 2 5 d b ，b u ti t h a d tt h eo b v i o u sc h a n g e si nl o w 一丘e q u e n c y a b o u tt h es e c o n dm e t h o d ，t h et e m p e r a t u r e r a n g e s 行o m 一4 0 t o10 0 ，t h et e m p e r a t u r ec o e 伍c i e n tw h i c ht h eo u t p u tv o l t a g eo ft h e r e f e r e n c ei s4 35 即所uc t h eo u t p u tv o l t a g ei s5 9 0 6 m vi nr o o mt e m p e r a t u r e t h e p s r ro fi m p r o v e m e n tc i r c u i ti s - 51d bi nl o w 舶q u e n c y ，e n h a n c ea b o u t 2 5 d bt h a nt h e b e f o r e 呻e ，t h i sk i n do fs t m c m r e sp s r ri sq u i t ei d e a li n h i g h 一行e q u e n c y o n l yw h e nt h e 疳e q u e n c yi nlm t h ep s r ri sm i n i m u mo f 9 d b t h e r e f o r ew eh a dd i s c o v e r e dt h ee f f e c t o b v i o u st h a tt h es e c o n dm e t h o de n h a n c e dt h ep s r rp e i f o n n a n c e k e y 、m o r d s ：s u b t h r e s h 0 1 d ；v o l t a g er e f e r e n c e ；p s r r ；l a y o u t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 集成电路从发明到现在，虽然经历了很多年的历史了，但是其发展的速度仍然 非常迅速，是任何其它行业无法比拟的。集成电路使电子设备向微小型化、高速 度、低功耗和智能化方向发展，加快了人类进入信息化时代的步伐。现代人的生 活、工作、学习和娱乐都要使用到集成电路芯片。国家的建设和国防的现代化更是 离不开集成电路。从手机到航天飞行器，其核心部件都有很多集成电路存在。近十 年来，不管集成电路国际市场波动的周期性如何，我们国家集成电路产值年平均增 长率都在3 0 以上，市场消耗值占全球的2 5 左右，生产产值超过全球的6 。国家也 投入大量的人力和物力在这方面，努力把我国建设成为集成电路的强国。 从全世界来看，以集成电路为核心的电子信息产业已经发展为第一大产业，超 过了汽车、石油和钢铁为代表的传统产业，成为拉动国民经济增长的强大引擎。近 十年来，集成电路的年销售额大约平均每年增长1 5 。集成电路在整机系统总成本中 占的比例也逐年提高。集成电路已经成为各个行业实现智能化、信息化的基础。社 会信息化的程度是由主体对信息的掌握和处理能力及应用程度来决定的，集成电路 就是使用一块小芯片来实现对信息的存储、传输及处理。集成电路对于经济发展、 社会进步的重要作用越来越突出。 摩尔在1 9 6 5 年就预测了集成电路的发展，他提出集成度随时间指数增长的规 律，又于1 9 7 5 年提出了摩尔定律：集成度大约是每1 8 个月翻一翻的增长。集成度 每三年4 倍的增长规律就是世界公认的摩尔定律，到目前为止，集成电路的发展也 一直遵循着这个摩尔定律的。缩小器件尺寸、提高集成密度就一直是集成电路发展 的主要推动力之一。如何缩小器件尺寸是需要理论的指导。随着特征尺寸减小、集 成度不断提高，现在已经能够把整个电子系统或子系统集成在一个芯片里了，集成 电路正在向集成系统方向发展。我们所处的时代是一个信息化的时代，能与英特网 结合的可移动的便携式实时信息处理的系统芯片将是一个重要的发展方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 常用的集成电路工艺分为双极型h e m t 、c m o s 、m e s f e t h e m t 和b i c m o s 型。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，已经逐步发展成为当代v l s i ( 超大规模集成电路) 工艺的主流工艺技术。双极型电路具有较快的器件速度，适合设计高速电路，但是 器件的功耗相对较大；而c m o s 电路虽然器件速度较低，但是功耗低、器件面积 小、集成密度比较大。b i c m o s 技术增强了模拟电路设计的潜力。近几年来， c m o s 工艺技术的高速发展，使模拟集成电路设计得到很大提高，用c m o s 技术来 设计集成电路成为现在i c 的主要发展方向。 通过工艺技术的改进，缩小特征尺寸提高集成密度，使电路性能不断提高，使 单位功能电路的成本不断降低，提高产品竞争力不断推动集成电路向前发展。器件 和电路结构的改进也是集成电路的一个重要发展方向。把微电子与其它学科结合起 来，也将为集成电路的发展开辟新的方向。光电子学与微电子技术相互结合发展起 光电集成电路。机械力学与微电子技术相互结合发展起微电子机械系统( m e m s ) ， 生物学与微电子技术相互结合诞生d n a 生物芯片。微电子技术还将与其它学科相结 合，产生出另外的新兴学科和新的发展方向。 1 2 研究意义和价值 数字信号处理算法功能的日益增强，而v l s i 技术的发展使得每一块小小的芯 片上能够集成数百万甚至上千万的晶体管。由于这些算法能够在硅片上有效地实 现，因此很多传统上使用模拟电路形式来实现的功能比较容易在数字领域完成。例 如，数字音频和无线蜂窝电话。尽管大多数类型的信号处理的确都已经转移到数字 领域，但是在很多复杂的、高性能的系统内模拟电路从根本上被证明是不能或缺 的。从根本原因分析不难发现，就宏观角度来说，自然界产生的信号就是模拟量。 由于这些信号最终都会在数字领域内进行一系列的处理，所以每个这样的系统都会 用到一些必要的模拟电路模块。 在模拟集成电路中，基准源( 电流源或电压源) 是极其重要的基本电路单元。 基准源的性能会直接影响整个电路系统的精度和性能，基准源的噪声和偏差都要影 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 响电路系统中其它电路的精度和线性度。因此，电路系统的精确度在很大程度上， 都依赖于系统内部或外部基准源的精度。如果基准源不满足电路的要求，就不能正 确的、有效的实现系统的各项预设性能指标。因此，一个高性能的基准源在芯片中 起到的作用越来越重要。通过对亚阈型c m o s 基准电压源的研究，不仅可以了解器 件在亚阈区的工作特性，而且可以对基准电压源的结构有更进一步的认识，而且对 以后自己从事这方面的工作也有很大帮助。 1 3 论文章节安排 第一章是绪论，介绍发展趋势、研究意义和论文章节安排等。 第二章分析带隙基准的基本原理，以及讨论亚阈区m o s f e t s 的工作特性和模型 等。 第三章具体分析了一种亚阈型c m o s 基准电压源的结构，根据理论分析和软件 仿真，提出了一种改进结构。 第四章根据第三章的分析比较，继续进行讨论，提出两种不同改进方式的亚阈 型基准电压源，并对两种结构进行了讨论、仿真和分析比较。 第五章是对改进结构的基准源的版图设计，同时在本章里介绍了模拟版图设计 的工具、基本方法以及准则等，以使设计的版图达到性能的最优化。作为整个版图 设计的组成部分之一，版图设计的流程也是本章所考虑的内容。 最后，在论文中对此段时间的工作做了总结，分析了设计过程中的失败教训以 及成功经验，与此同时结合所设计的模块，提出了相应的改进设想，以图进一步优 化设计方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章带隙基准源原理及亚阈区m o s f e t s 的特性 2 1 基准电压源的几项主要性能指标 1 温度系数( t e n l p e r a t u i 。ec o e m c i e n t ，单位p p i i l o c ) 温度系数是基准电压源在整 个扫描的工作温度范围内，输出电压的最大值和最小值的差值，相对于正常输出电 压的变化。温度系数表征基准电压源电路受温度变化影响的大小，性能优异的基准 源电路设计具有非常小的温度系数。温度的变化而引起输出电压的变化，其单位表 示为p p 州o c ，计算公式如下所示： 庀：一鳖二鳖 1 0 6 k 跏倒“( 五似一) ( 2 0 ) 2电源抑制比( 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 ，单位：分贝或d b ) 在小 信号情况下，基准电压源的输出变化量与电源电压的变化量之比。基准电压源电路 的输出电压，既要受到环境温度的影响，而且还要受到电源电压噪声的影响。所以 性能优良的基准电压源电路，能够很好的抑制电源电压对于电路的影响。 3 线性调整率：在直流状态下，电源电压的波动对于基准源的影响程度。其公式 为： 万：竖型生一 ( 2 1 ) 纥) d 俐r 一况国删 、 4 建立时间：从电源上电到基准源输出达到正常输出电压的那段时间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 2 带隙基准源的基本原理和结构 基准源在集成电路设计中是极其重要的基本单元电路，然后在不同的应用电路 中，经常需要设计不同的基准源。比如传统的带隙基准源电路，具有较低的温度系 数、较低的电源电压以及可以与标准c m o s 工艺兼容等等特点，成为一种广泛使用 的典型基准源电路模块。设计基准电路的目的是，为了建立一个与电源和工艺都无 关，而且具有确定温度特性的电流或电压。由于许多土艺参数要随温度的改变而改 变，所以如果所设计的基准源与温度没有关系的话，那么它与工艺也是没有关系 的。 典型的带隙基准源的工作原理是，让两个具有相反温度系数的量以适当权重进 行相加，那么所得结果就会是零温度系数。这两个相反的温度系数即：负温度系数 和正温度系数。用负温度系数和正温度系数相互抵消，来达到温度补偿的目的。比 如，对温度的改变有两个电压是互相反向变化的v l 和v 2 的话，那么我们可以假设 l 和2 使l a k a 丁+ 2 a k a 丁= o ，这样就可以得到令温度系数电压基准， = 1 k + 夕2 。如图2 1 所示，其中是具有正温度系数的电压，v 矗是具有负 温度系数的电压，将这两个电压按照一定比例相加，就能够得到零温度系数的基准 输出电压k e p 。 正温度系数电压的产生原理： = + 哪 图2 1典型带隙基准的原理图 如图2 2 所示，正温度系数的电压，可以通过两个双极性晶体管，在不相等的电 流密度情况下工作，从它们的基极一发射极的电压差值而得到。假如两个相同的晶体 管( 厶。= ：+ ) 偏置集电极电流分别是n i 。和厶，同时忽略他们的基极电流，则可以写 出下式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 = t 一= 讪等一讪去2 讪珂 ( 2 _ 2 ) 这样，v 矗差值表现为正的温度系数： 丝k ：生i l l 甩 a 丁 g n d 图2 2p t a t 电压产生电路图 负温度系数电压的产生原理： ( 2 - 3 ) 双极性晶体管的基极一发射极的电压，或者说，p n 结二极管正向电压，是一个 负温度系数的电压。对双极性器件来说，我们可以写出乇= 厶e x p ( 巧) ，其中 = 七r g ，饱和的电流t 正比于肚研，式中是少数载流子迁移率，n ；是硅本征 载流子浓度。这些参数与温度的关系式为风丁”，其中m 一3 2 ，并且 茸o c 丁3e x p 一乞( 七丁) 】，其中乓1 1 2 p y ，是硅的带隙能量。所以可以写出： i s = 6 r 锄e x p 鲁 ( 2 4 ) 其中，b 是比例系数。写出= 巧l n ( j c j s ) ，我们就能计算基极一发射极电压的温度 系数。在v 矗对t 取导数，我们肯定知道，c 保持不变。所以 盟：盟1 i l 生一堡亟 ， ( 2 5 ) a j rd r l s isd j r 由( 2 4 ) 式，可以写出 筹圳4 训p m e x p 鲁m 锄( e x p 鲁) ( 争) ( 2 - 6 ) 因此我们可以得到 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 鲁州训争售巧 由( 2 5 ) 和( 2 7 ) 两式，我们可以得到下式 誓寺h 丢叫训毒寺巧 8 tt i 。、。i 。k t z l ：垡二! 兰竺2 堡二鱼生 丁 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 式( 2 9 ) 给出了，在一定温度t 下基极一发射极电压的温度系数，从中能够得出， 其与v 矗本身的大小有关。在v 矗7 5 0 ，z y ，丁= 3 0 0 0 k 时，乱么a 丁一1 5 所y o k 。 从公式( 2 - 9 ) 可以看出，的温度系数其本身跟温度是有关系的，假如正温 度系数的量表现出一个固定的温度系数，则恒定基准电路中则会产生误差。 带隙基准源的原理： 带隙基准源利用正温度系数和负温度系数的两个电压，进行相互补偿而得到一 个温度系数接近于零的输出电压。因为有= q k + 呸( 巧l n 甩) ，所以l i l ，z 是两个 在不同电流密度下工作的双极性晶体管的基极一发射极电压的差值。由于在室温下 乱么a 丁一1 5 m 矿o k ，弭a 丁+ 0 0 8 7 柳y o k ，所以可以设q = l ，让呸l n 刀使得 ( a 2l n 船) ( o 0 8 7 聊y o k ) = 1 5 m y o k ，即口2l i l 拧1 7 2 ，表明零温度系数基准是 y 之f 巧陋+ 1 7 2 略1 2 5 y ( 2 一1 0 ) 让我们来完成设计一个v 矗和1 7 2 相加的电路。先考虑图2 - 4 所示的结构， 假设基极电流能够忽略，晶体管q ：是用n 个并列的晶体管组成，而q 。是一个晶体管 单元。假设用一种方法强制。与：相等，则v 矗，= 彤+ ：，即 肼= 日一2 = 巧l i l 刀，所以k 2 = 2 + 巧l i l 刀，这就意味：假如l n 聆1 7 2 ，2 则 能够作为与温度没有关系的基准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 4 典型带隙基准的结构图 图2 4 的电路有两处需要修改，才可以成为实用电路。首先，应该加入一种电路 用来保证圪。= ：。然后，1 n ，z 1 7 2 ，结果使n 值过大，需要按适当比例增大 彤= 巧l n ，z 项。如图2 2 3 所示就是一个能够完成上面两项功能的实际电路 1 。 在这里，还舁放大器a l 以和作为输人，驱动r l 和r 2 ( r 1 2 r 2 ) 的上珥苛，便 x 和y 稳定于近似相等的电压上。我们有v 矗，一：= 巧l n 刀，得到经过右边支路的电 流是巧l i l 玎恐，所以输出电压是： + 半( 马圳 = ：+ ( 讪州1 + 鲁) ( 2 1 1 ) 为了得到零温度系数，我们必须令( 1 + 尼足) h l 刀1 7 2 。 2 3 工作在弱反型区m o s 晶体管的理论基础 众所周知，在分析m o s 晶体管时，我们一直假设：当下降到低于时器件 会突然关断。实际上，时，一个“弱”的反型层仍然存在，并有一些漏电 流。甚至当 l ，是一个非理想因子，巧= 灯g 。我们也称器件工作在弱反型区。除了 f ，式( 2 一1 2 ) 类似于双极型晶体管中乓的指数关系。在这最关键的就是当 下降到低于时，漏电流以有限的速度下降。对于f 的典型值，室温下，要使l 下 降一个数量级，必须下降约8 0 m v 。如果在低压工艺中选择0 3 v 为阈值电压，那 么当下降到0 时，漏电流仅下降1 1 0 3 7 5 。 当m o s 晶体管的栅源电压减小到低于通常强反型特征时定义阈值电压下时，沟 道电流近似于指数型减小。亚阈型区域的特征，m o s 晶体管工作在弱反型沟道，被 很多研究者在发表的论文中所证实。例如，b a l l r o n 在论文【2 中，通过引入近似值获 得了一种封闭形式的解决方法，从而发展了相关理论。s w a n s o n 和m e i n d l 在论文【4 】 中详细阐述了一种相类似的表述，来描述c m o s 反向器在低电压条件下的物理表 现。t r o u t m a n 和c h a l ( r a v a r t 在论文 5 】中，描述了一种对任何底层偏置有效的模型和 可扩展的沟道长度；他们已经证明沟道电流，在弱反型层扩散流动。v a n o v e r s 仃a e t e n 等人在论文 6 】中，已经证明扩散电流在源漏方向充电时工作，同时还指 出表面波动电压对，仃特性的影响【7 】。t r o u t m a n 在后来发表的论文中，分析了底层 偏置的影响的更多细节因素【8 】和指数特性的斜率【9 】。m a s u h a r a 等人在实验验证基础上 【1 们，提出了一种在整个晶体管工作范围内准确描述m o s f e t s 在封闭形式模型的物 理表现。b a r k e r 在他发表的论文中 1 1 ，提出在小信号放大电路中使用弱反型区工 作，并获得一种合适的模型。 m o s 晶体管在弱反型区的直流表现，可以被一个简单又合适的电路设计模型描 述出来。这种模型仅仅包含两个参数：1 n 斜率因子是与良好控制的c g c 0 。曲线最 低值密切相关的；2 特征电流，d 。是很难批次控制的，但是合理的常数使晶体管相互 非常接近。n 和，d 。对于源到衬底的电压k 仅有很微弱的依存关系，所以，m o s 晶体 管取的不同值决定了不同的坎。在弱反型区域的m o s 晶体管的物理表现，在许多方 面可以比得上一个真正可忽略控制电流优势的双极性晶体管。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 4 工作在弱反型区m o s 晶体管的简单模型 为了证明，让我们做以下假设： 1 沟道足够长，渐进的沟道近似值能够被下面的公式所使用，沟道长度效应可以被 忽略。 2 在漏极、沟道、源损耗区域产生的电流能够忽略；源极、漏极电流相等。 3 紧密的表面密度状态和表面电压的波动可以被忽略。 b a 盯o n 在论文【1 中的基础理论能够被使用，能够比较容易的扩展源到底层电压 值非零的情况。他的近似表达式( 对弱反型层电流) 可以被重写，对n 型晶体管有 下面的表达式： 易= 洲哇瞩吩) ，袁每啪) 一一啪) ( 2 彤) 其中，s = 宽长比，= 沟道迁移率，乞= s i 的介电常数，= 单位体积的杂质浓度， 吩= 本征载流浓度，识= 表面电势，弱反型层的沟道常数，巧= 源到衬底的电压，= 漏到衬底的电压，= 栅到衬底的电压，厶= 漏电流。这个结果能够从 3 ，例1 6 中得 出，或者从【1 0 ，表 概括结果得出： 4 坼+ 矽+ 珞 坼，源极跨导被定义为： p ：盟：量 酾a k坼 ( 2 一1 8 ) 的上限有效值是( 2 一1 6 ) 式给出， 4 坼+ + 珞 纷 3 坼得到( 饱和 ( 2 2 3 ) 工作在弱反型区的s 最小值，能够在这种关系中被计算出来，如果粗略的数量级都 是被需要的，0 1 ) p 2 就会下降，所以这种上限值的一个直接功能是作为强倒置传递 参数： = s c 矗( 2 - 2 4 ) v a no v e r s t r a e t e n 等人已经证实，表面电势的波动会影响，d 一特征曲线的斜率 p j ，但是实际上不影响，d 一曲线【l3 1 。因此，随着n 值的增加和较弱的控制能力，公 式( 2 1 8 ) 仍然可用。不忽略紧密的表面状态。的密度【4 】【1 3 】，尽管斜率因子n 增加， ，d 一特征曲线仍保持指数型。此外，d 一圪特征曲线会被影响，公式( 2 1 8 ) 应该做 相应的修改。只要帆c + ，则表面的影响可以被忽略。如果氧化厚度不超过 1 2 0 m m ，。 4 坼漏电流的有下面两个表 达式等效表为： 铲叫歹序唧( 华) ( 3 - ，) s 罗睁唧( 半) 我们认为蟊= 办，则 厶= s 霹序唧( 毪产) ( 3 - 2 ) 是用于b s i m 3 v 3 的一个矫正常数项6 1 。因此，比较( 3 一1 ) 和( 3 2 ) ，我们 可以得到相同的漏电流： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 半= 喀一 ( 3 - 3 ) 刀 o口 、。7 其中丸和蟊与温度有下面的关系式： 喀= 喀) 乏一警1 j 1 噜) + 竿一掣乏 喀= 略铝) 丢一酱h 唔) + 筹一掣专 因此，我们可以得到的一个温度函数的表达式： 喀一砺= 嗡铝) 一) 专 ( 3 4 ) 由于给出的漏电流表达式等价于( 3 - 3 ) ，所以我们可以得到下面这个表达式： = + + 啬x k ) 一) 一k 专 假设n ( t ) 随温度有很小的改变( 刀( 丁) 玎( 不) ) ，在巧 o 时，阈值电压模型为： 呖= ) + 吩唔一1 ) o 我们可以得到： ( 丁) ( 乃) + ( 号一1 ) ( 3 5 ) 其中， 兰巧+ 咯) 一场) 一 巧，一和磁的典型值都是负数，因此，对任何固定漏电流厶，电压 都随温度的增加而减小。所以是一个典型的负温度系数的电压。g c i u s t o l i s i 在文献 3 】中通过实验证明理论推导模型表达式( 3 5 ) 与m o s f e t s 的实际行为表现是一致 的。经过理论的推导和实验的证明，是个可以用来设计基准电压源的负温度系数 电压。因此该电路的负温度系数电压就利用来产生。 3 2 电路原理图和工作原理分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 作者g c i u s t o l i s i 在文献【3 】中提出的，工作在弱反型区的m o s f e t s 的基准电压 源的总体电路原理图，如图3 2 所示。其偏置电路提供的电流是由p l 玎电路来实现 的，核心电路是由一个负反馈环路构成的，并产生一个与温度呈线性减小的。，然 后再进行转换得到一个正温度系数电压，最后再将两个电压按照一定比例相加，就 可以得到一个接近零温度系数的基准输出电压。图3 1 所示的是，该基准电压源 的整体工作原理图： 图3 1 亚阈型c m o s 基准电压源工作原理图 图3 2 g c i u s t o l i s i 在文献 3 】中提出的结构图 图3 2 电路图提出的参考电压v r 是与温度没有关系的电压，该电路包括两个主 要的子电路：启动和偏置电路、核心电路。核心电路由晶体管m 1 m 4 、m 5 m 1 1 和 电阻r 1 i 、电容c c l 、c c 2 和负载电容c l 组成。启动和偏置电路由偏置电路部 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 分：晶体管m p l m p 5 、电阻r p ，启动电路部分：晶体管m p 6 m p 7 和电容c p 组 成。其中c c l 、c c 2 是补偿电容，c l 是整个电路的负载电容。 晶体管m l m 4 、电阻r 1 和电容c c l 组成一个反馈环路，为了说明该反馈环路 的工作原理。首先，我们假设流过电阻r 1 上的电流为，m 所以电阻r 1 上的电压可以 看作。电流从偏置电路流入晶体管m l 的漏极端，电路刚启动后不长时间内，晶 体管m 1 没有导通，电流只能流入电容c c l ，对电容进行充电。随着时间的改变，电 容c c l 上的电量达到一定数量级，使得晶体管m 2 的栅源电压大于其阈值电压时， m 2 管导通。m 2 管导通使得m 3 管上有电流流过，从而使得m 4 管也能够导通。这 时，流过m 4 管上的电流就是我们假设的电流，刖。 流过m l 管上的电流由电阻r 1 上的电压控制，当电流，。过大时，m l 管完全导 通，偏置电流路过m 1 管，电容c c l 上的电荷也相应的减小。从而使m 2 管的电流减 小，相对应的m 3 管上的电流也减小。对m 4 管来说，它的栅源电压也要变小，从而 导致电流，。，相应的减小。电流，刖作用于电阻r 1 上，又反馈给晶体管m l ，控制流过 m 1 管上的电流。通过精确控制电流j r 。来控制电阻r l 上的电压。，目的是把晶体 管m 1 钳制在弱反型区，也就是使m l 管工作在亚阈值区域。 晶体管m 5 和m 6 复制出电流厶。，电流厶。分别流过电阻l 也和i u ，流过r 2 的 电流使得m 9 管导通，导致m 1 0 管上产生电压，使得m 1 l 管导通，m 1 1 管导通使得 有电流流过电阻r 4 ，最后电流经过电阻r 3 ，流入接地端。所以参考电压由两部 分电压得到，即电阻r 3 上的电压和电阻r 4 上的电压相加而来。 通过对电路的分析，我们得出电流厶。的表达式： 厶。= ( 厶) 墨 其中厶是偏置电路产生的电流，流入m l 的漏极端。 ( 3 6 ) 根据输出端的电路结构，我们可以写出输出电压v r 的表达式为： ，l = 岷= r 喏分s ( 3 7 ) 晶体管m 7 、m 8 都是通过电阻连接到地，我们可以得出： ，= 妾鲁( l ) + h ( 妾妾) 。剐 把( 3 6 ) 和( 3 8 ) 两式代入( 3 7 ) 式，并把结果写成下面这种形式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 k = 口( j 口) + 网r ( 3 - 9 ) 十是我们j 以得剑口和的值为： 。 口= c 老，鲁妾+ 等妾 c 3 邶， = c 去m c 妾妾， c3 ， 将k ( r ) ( 兀) + k ( 丁一1 ) 代入式( 3 9 ) 式，并考虑到a a 丁= o ，可以得 出v r 与温度系数无关的系数( 孔耋k a k a 丁) ，从而我们可以写出： 罢：一旦盟 ( 3 1 2 ) | bk g 一 该电路含有反馈环路，这就要求具有适当的补偿。其中补偿电容c c l 加在晶体 管m 2 的栅极的主极点上面，所以产生的增益带宽妒。如下所示： 2 警妾 因此，必须设置一个适当的c c l 值，以使得。低于m 1 一m 4 的栅极的其余极 点。 用相同的方法，补偿电容设置主极点在m 2 的栅极，我们同样可以得到增益带 宽为。，的值为： 8 矿2 。 c c ：( 1 + g 。，足) s o ( 3 1 4 ) 因此，补偿电容c c 2 的值的选择，是要使增益带宽低于负载电容c l 所决定的 输出极点。 晶体管m p 6 、m p 7 和电容c p 组成开启电路，该电路使偏置电路正常工作于非 零的那个偏置点。电路开始启动时，晶体管m p 6 导通，然后电容c p 开始充电，电 容c p 的电量到达一定值后，m p 7 管开始导通，同时电容c p 继续充电到电容正极电 压电压等于v d d 就不再充电。在此期间，m p 7 管上电流逐渐减小，直到不导通。 m p l m p 5 和r p 组成偏置电路，这是一个典型的p t a t 电路，其中m p l 、m p 2 工作 在亚阈值区。由于流过m p 5 的漏电流，是通过工作在亚阈区的m o s f e t s 器件进行 对数压缩的，所以正温度系数电流，。不会明显改变。的表达式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 m p 5 的漏电流为： 厶= 惫簧h c 鲁专， c 3 。5 ， 3 3 提出修改模型的电路图和模块 通过分析作者g c i u s t 0 1 i s i 在文献 3 中提出电路结构，并结合典型的带隙基准电 压源的结构，我们提出了一种改进的电路结构原理图。电路结构如图3 3 所示 = 如图3 3改进亚阈型c m o s 基准电压源原理图 该基准电压源包括两部分：启动和偏置部分、核心电路部分。启动和偏置部分 采用e a t t o z 和j f e l l r a t h 在文献 1 4 中所提出的典型p t a t 电路结构来实现。在典 型的带隙基准电路中，双极性晶体管的偏置电流实际上是与绝对温度成正比p n 玎 ( p r o p o r t i o n a l t oa b s o l u t et e m p e r 狐l r e ) 的。p t a t 电流在许多应用中是很有效的，图 3 4 就是一个典型的p 丑町电路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 v d d m m m 5 图3 4作为偏置的p n 虹电路 该p 丑盯偏置电路在电源上电时，所有的晶体管均传输零电流，因为环路两边的 分支允许零电流，所以可以无时限地保持关断状态，这就是“兼并偏置点的存 在。这类问题被称为电路的启动问题，只有通过增加一种电路来解决，这种电路在 电源上电时能驱动电路摆脱兼并偏置点，使电路工作在正常的状态下。晶体管 m p l 、m p 2 和电容c p 组成了一个简单的开启电路，使p 玑町偏置电路能够摆脱兼并 偏置点，工作在正常工作状态下。 图3 4 中，两个p 型晶体管m 3 和m 4 构成第一个电流镜增益s 3 s 4 ，两个n 型 晶体m 1 和m 2 管构成第