（微电子学与固体电子学专业论文）低压低功耗cmos带隙基准电压源设计.pdf

摘要 摘要 在模数转换器、数模转换器、动态存储器、f l a s h 存储器等集成电路设计中， 低温度系数、低压低功耗、高电源抑制比的基准源设计是十分关键的。随着深亚 微米集成电路技术的不断发展，集成电路的电源电压越来越低，研究基于标准 c m o s 工艺的低压低功耗基准源设计是十分必要的。 由于带隙基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压 源电路中性能最佳的基准源电路。因此本文主要工作是设计一个低压低功耗的 c m o s 带隙基准电压源。本文首先研究了传统带隙基准源电路的结构，并对一阶温 度补偿和二阶温度补偿结构原理进行了分析和比较。然后进一步研究了几种低压 带隙基准电压源电路的主要工作原理。 在对各种低压带隙基准源分析比较的基础上，本文采用二阶温度补偿和电流 反馈技术，设计实现了一种基于衬底驱动技术和电阻分压技术的超低压c m o s 带隙 基准电压源。采用衬底驱动超低压运算放大器作为基准源的负反馈，使其输出用 于产生自身的电流源偏置，其电源抑制比( p s r r ) 为6 3 8 d b 。基于t s m c0 2 5 u r n c m o s 工艺，采用h s p i c e 仿真，在0 9 v 电源下，输出基准电压为5 7 2 4 5 m v ，温度系 数为1 3 3 p p m * c 。结果表明，电路达到了设计要求，具备良好的性能指标。 关键词：带隙基准电阻分压温度补偿衬底驱动c m o s a b s t r a c t a b s 仃a c t d e s i g no fr e f e r e n c er e s o u r c eo fl o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ，l o wv o l t a g e ，l o wp o w e r a n dh i g l lp s r ri sc o m p l e t e l yp i v o t a li ni cd e s i g no fa d c ，d a c ，d y n a m i cm e m o r y , f l a s hm e m o r ya n ds oo n w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v d o p m e n to fd e e p s u b m i c r o n t e c h n o l o g y , t h ev o l t a g eo fp o w e rs u p p l yb e c o m e sl o w e ra n dl o w e r i t sv e r ye s s e n t i a lt o s t u d yt h ed e s i g no fl o wv o l t a g ea n dl o wp o w e rr e f e r e n c er e s o u r c eb a s e do ns t a n d a r d c m o s p r o c e s s t h ep e r f o r m a n c eo f b a n d g a pr e f e r e n c er e s o u r c ei st h eb e s ti na l lo f t h ep r e s e n tr e f e r e n c e r e s o u r c ec i r c u i t sb e c a u s eo fi t s 址曲p s r ra n dl o wt e m p e r a t u r ec o e 伍c i e n tt e c h n i q u e s h e n c e ，t h ew o r ko ft h i st h e s i si st h ed e s i g no fal o wv o l t a g el o wp o w e rc m o sb a n d g a p r e f e r e n c ev o l t a g es o u r c e i t sf i r s td o n et os t u d yt h es t r u c t u r eo fc o n v e n t i o n a lb a n d g a p r e f e r e n c ec i r c u i t s t h e n ，a n a l y z ea n dc o m p a r et h es t r u c t u r e so ff i r s t - o r d e r a n d s e c o n d o r d e rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n a f t e rt h a t , f u r t h e rs t u d yt h em a i nw o r k i n g p r i n c i p l e so fs e v e r a l k i n d so fl o wv o l t a g eb a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g es o u r c ec i r c u i t s u n d e ra n a l y s i sa n dc o m p a r eo fs e v e r a ll o wv o l t a g eb a n d g a pr e f e r e n c es o u r c e s ，b a s e do n b u l k d r i v e na n dr e s i s t i v es u b d i v i s i o nt e c h n i q u e s ，a nu l t r a - l o wv o l t a g ec m o sb a n d g a p r e f e r e n c eu s i n gs e c o n d - o r d e rt e m p e r a t u r ea n dc u r r e n tf e e d b a c kt e c h n i q u e si sr e a l i z e d t h eb u l k d r i v e n0 pa m pi sa p p l i e da st h en e g a t i v ef e e d b a c ko ft h er e f e r e n c e i t so u t p u t i su s e dt ob i a si t sc u r r e n ts o u r c e s ，l e a d i n gt oah i g h e rp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ( p s 剐r ) ，t h a ti s 6 3 8 d b a tl a s t ，b a s e do nt s m c0 2 5 p r o2 p 5 mc m o sp r o c e s s ，t h e b a n d g a pr e f e r e n c ei ss i m u l a t e db yh s p i c es i m u l a t o r u n d e ra0 9 vs u p p l y , t h eo u t p u t v o l t a g eo ft h er e f e r e n c ei s5 7 2 4 5 m v , i t st e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti s1 3 3 p p r n * c t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec i r c u i tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，w i t hg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：b a n d g a pr e f e r e n c er e s i s t i v es u b d i v i s i o nt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n b u l k - d d v e nc m o s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名一趣4 二鐾 日期兰型：! ：堑 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 基准电压源概述 基准电路包括基准电压源和基准电流源，在电路中提供电压基准和电流基准， 是模拟集成电路和混合集成电路中非常重要的模块。随着集成电路规模的不断增 大，特别是芯片系统集成( s o c ) 技术的提出，使基准电路被广泛使用的同时，也 对其性能提出了更高的要求。基准电流源主要作为高性能运算放大器等器件或电 路的偏置。基准电压源是模数转换器( a d c ) 、数模转换器( d a c ) 、线性稳压器和开 关稳压器、温度传感器、充电电池保护芯片和通信电路等电路中不可缺少的部分， 是在电路中用做基准的精确、稳定的电压源。对模拟系统而言基准电压源的性能 直接影响整个系统的精度和性能。作为a d 、d a 转换器以及通信电路中的一个 基本组件，基准源始终是集成电路中一个重要的单元模块。它的温度稳定性以及 抗噪声能力是影响到电路精度和性能的关键因素。由于带隙基准电压、电流源电 路的输出电压及电流几乎不受温度和电源电压变化的影响，这就使得片内集成的 带隙基准电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。 近年来，c m o s 技术迅速发展，越来越多的集成电路采用c m o s 工艺实现。 理想的基准电压源应不受电源和温度的影响。在电路中能够提供稳定的电压，“基 准 这一术语正说明基准电压源的数值。一般情况下，可用电阻分压作为基准电 压，但它只能作为放大器的偏置电压或提供放大器的工作电流。这主要是由于其 自身没有稳压作用，故输出电压的稳定性完全依赖于电源电压的稳定性。另外， 也可用二极管的正向压降作为基准电压，它可克服上述电路的缺点，得到不依赖 于电源电压的恒定基准电压，但其电压的稳定性并不高，且温度系数是负的，约 为- 2 m v 。c 。还可用硅稳压二极管( 简称稳压管或齐纳管) 的击穿电压作为基准电 压，它可克服正向二极管作为基准电压的一些缺点，但其温度系数是正的，约为 + 2 m v o c 。因此，以上几种均不适用于对基准电压要求高的场合。于是，在这种 迫切的市场需求和设计者的不断努力下，高精度的基准电压源应运而生，并且种 类繁多。在集成电路中，有三种常用的基准源：掩埋齐纳( z e n e r ) 基准源、x f e t 基 准源和带隙( b a n d g a p ) 基准源。 1 2 课题的研究背景和应用前景 随着便携式电子产品的迅速发展，功耗成为现代集成电路产品的关键性能之 一，而降低功耗的一个重要方法就是降低电源电压。另一方面，现代集成电路特 征尺寸越来越小，也导致集成电路产品的工作电压越来越低。1 9 9 9 年，半导体工 2 低压低功耗c m o s 带隙基准电压源设计 业协会对未来十年c m o s 电路的电源电压发展做了预测，预测到2 0 1 0 年，集成电 路的电源电压将下降到1 v ，而到2 0 1 5 年，电压将进一步到0 4 5 v 。 尽管数字电路起着越来越重要的作用，数字化已经成为当代电子产品的发展 方向，但模拟电路作为数字电路的基础，仍然起着不可替代的作用。大量电子设 备的原始信号均为模拟信号，如电磁记录、扬声器、麦克风等，它们所产生的信 号均为模拟信号。这些信号在进行数字处理前必须先经过模拟信号处理，如放大、 a d 转换等。同时，数字化处理以后的信号必须再次还原为模拟信号，才能重新 为现实世界所接受。近年来，单片系统集成s o c 发展非常迅速。然而，从技术角 度看，数字系统的单片集成并不困难，难点在于模拟部分的单片集成。在c m o s 工艺日益发展的今天，采用c m o s 技术制造的低电压模拟电路的设计过程已经成 为人们研究的热点。在新的设计要求下，如何设计出性能合适的电路是我们需要 研究的主要方向。 如今，由于电源电压的持续下降，低压低功耗、低温度系数、高电源抑制比 的带隙基准( b a n d g a pr e f e r e n c e ) 电压源设计变得十分关键，因为带隙基准电压的 精度直接决定了a d 、d a 转换器的精度。因此本论文旨在设计一种低压，低功耗 的带隙基准电压源，分别采用一阶温度补偿和二阶温度补偿的方式，实现高精度 的基准电压源。目前设计一种采用低电压供电，并具有较低功耗的电压基准电路 有着特殊而重要的意义。首先是因为，当今市场对便携类电子产品的需求越来越 大，同时无线通信技术的快速发展加快了人们对更小、更轻、更耐用的电子产品 的需求，几乎所有的便携设备都是使用化学电池作为动力来源，而一般来讲，化 学电池可以提供的电源电压和功率都是十分有限的。其次，随着c m o s i 艺水平的 不断提高，v l s i 设计经历了从0 2 5 u m 至l j 0 1 8 u m ，直至当今主流的0 1 3 u m ，甚至9 0 r i m 的阶段，与此相伴的是电源电压的连续降低：0 2 5 u m 为2 5 v ，0 1 8 u m 为1 8 v ， 0 1 3 u m 为1 2 v ，而到了9 0 n m 工艺时，我们通常都是采用1 v 作为电源。在可以预计 的未来，模拟电路的工作电压还会持续降低，因此，为低功耗低电压的电子设备 设计相应的电压基准就成为了科研人员的工作热点之一。输出不随温度、电源电 压变化的基准源在模拟和混合集成电路中的应用将更加广泛。随着片上系统( s o c ) 的迅速发展，系统要求模拟集成模块能够兼容标准c m o s i 艺，在s o c 上，数字集 成模块的噪声容易通过电源和地藕合到模拟集成模块，这要求模拟集成模块的 p s r r 非常高。同时，由于移动电子设备的逐渐增多，要求模拟集成电路的电源电 压能够降至左右，功耗在u w 量级上。尽管掩埋齐纳基准源和x f e t 基准源的输 出温度稳定性非常好，但是它们的制造流程都不能兼容标准c m o s 工艺。而且掩埋 齐纳基准源的输出一般大于5 v 。相比之下，带隙基准源同时具有以下优点：与标准 c m o s 工艺完全兼容：可以工作于低电源电压下；温度漂移、噪声和p s r r 等性能 能够满足大部分系统的要求。正是具备以上优点，带隙基准源得到了广泛的研究 第一章绪论 3 与应用。在c m o s 带隙基准源中，低电源电压、低功耗、高精度和高p s r r 都将是 未来的发展方向。 1 3 1 本论文的目的 1 3 本论文的主要工作 传统的带隙基准电路提供的输出电压约为1 2 5 v ，所以必须在高于大约1 5 v 的电源电压下才能正常工作，这是由于硅的能带隙电压( 约为1 2 v ) 和所用运放 的共模输入范围所导致的。然而，随着使用电池的便携设备的曰益流行，对于可 以在低电源电压下工作的集成电路的需求变得越来越大。这就对其中的带隙基准 电路的低电压工作性能提出挑战。迫切需要开发新的技术以实现当今低压低功耗 的要求。在此本文要设计的是低压低功耗的带隙基准电压源，对此电路的主要目 标是实现超低的电源电压，至少要低于1 2 v 。 1 - 3 2 本论文的工作 第一章：介绍基准电压源的研究背景、应用及发展趋势，并分析其在目前和 未来市场上的应用前景。 第二章：详细介绍基准电压源的理论基础、基本原理及影响基准电压源的主 要性能指标。 第三章：进一步介绍几种低压基准电压源结构，通过比较并分析降低电源电 压的原理方法。 ，第四章：主要说明整体电路工作原理和仿真情况。首先对电路的总体改进结 构设计进行介绍；然后对其中部分电路进行详细分析；最后主要对电路进行仿真 验证并给出结果。 第五章：总结本论文的设计工作。 第二章基准电压源基础 第二章基准电压源基础 2 。1 基准电压源基本原理 衡量基准最重要的参数是电源电压抑制比和温度抑制比。电源电压抑制比是 指用于衡量当负载和环境温度不变时，因输入电压的波动而引起基准输出电压的 改变，通常称为电压抑制比；温度抑制比是当电源电压和负载不变时，基准电路 受环境温度波动而产生的输出电压偏离正常值的程度，一般用p p m p c 表示。与温 度关系很小的电压或电流基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的。值得注意 的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的， 那么通常也是与工艺无关的。 我们如何产生一个对温度变化保持恒定的量呢? 我们假设，如果将两个具有 相反温度系数( t c s ) 的量以适当的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。例 如，对于随温度变化向相反方向变化的电压k 和k 来说，我们选取和使得 a k 卯+ a k a t = 0 ，这样就得到了具有零温度系数的电压基准， 珞窟p = k + 圪。如图2 1 所示，现在我们必须识别具有正温度系数和负温度系 数的两种电压。 图2 。1 带隙基准基本原理图 在半导体工艺的各种不同器件参数中，双极晶体管的特性参数被证实具有最 好的重复性，并具有能提供正温度系数和负温度系数的、严格的量。 2 1 1 一阶补偿 带隙基准( b g r ) 是一种低温度系数，低工作电压的基准，而且工艺上容易 实现，是现如今最流行的基准产生方式。它的思想是利用正温度系数和负温度系 6 低压低功耗c m o s 带隙基准电压源设计 数相叠加来得到一个零温度系数的基准电压。现在我们必须识别具有正温度系数 和负温度系数的两种电压。在半导体工艺的各种不同期间参数中，双极晶体管的 特性参数被证实具有最好的重复性，并且具有能提供正温度系数和负温度系数的、 严格定义的量。尽管m o s 器件的许多参数己被考虑用于基准产生，但双极电路还 是形成了这类电路的核心。 曲负温度系数电压 双极晶体管的基极一发射极电压，或者更一般地说，p n 结二极管的正向电压， 具有负温度系数。我们首先根据容易得到的量推出温度系数的表达式。 对于一个双极器件，我们可以写出毛= 厶e x p ( v b t ) 2 3 1 ，其中v r = k t q ，饱 和电流正比于, u k t n ；，其中u 为少数载流子迁移率，n i 为硅的本征载流子浓度。这 些参数与温度的关系可以表示为t ”，其中m 一3 2 ，并且 砰o ct 3e x p 一e 譬k r ，所以 l 曲p ”e x p 【音j ( 2 - 1 ) 其中b 是一个比例系数。写出= 巧1 i l ( 如厶) ，我们使v b e 对t 取导数，为了简 化分析，我们暂时假设i c 保持不变。 这样 监：a v ri n 生一堡亟 f 2 2 ) 8 ta l li si s8 t 由式( 2 1 ) ，我们有 蚤叫4 训p “e x p 鲁朋棚( e x p 寺( 告) ( 2 - 3 ) 所以 丝；堡111争一(4+聊)等一嘉巧：一vbe-(4+m)vr-egq(2-4)ot t j 。 、 ?宓? 2 。 z 上式给出了在给定温度下基极一发射极电压的温度系数，从中可以看出，它与v b e 本身的大小有关。当v b e 0 7 5 v ，t = 3 0 0 k 时，a o r - 1 5 m v k 。 b ) 正温度系数 如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极发射极 电压的差值就与绝对温度成比例。如图2 2 所示：两个同样的晶体管( i s l = i s 2 ) 偏 置的集电极电流分别为n i o 和i o ( 忽略它们的基极电流) ，那么： = 。一：= 巧h ( 等 一巧h ( 专 = 巧h 以 q 卸 第二章基准电压源基础 则v b e 的差值为正温度系数： 旦监：生l i l 拧 0 a t q 这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关。 v l ( 2 6 ) 图2 2 正温度系数p t a t 电压产生电路 c ) 一阶温度补偿电路原理 利用正温度系数电路和负温度系数电路相结合，即= + 吃巧i n n 并合 理的设置和口：的值就可以得到与温度无关的零温度系数基准电压。因为在室温 下8 a t - 1 5 m v k ，而a 珞a r o 0 8 7 m v k ，所以我们令= l ，选择吃i n n 使得( l i l ，z ) ( o 0 8 7 m 叫k ) = 1 5 m 吖k ，也就是i n n 1 7 2 ，表明零温度系数基准 为 + 1 7 2 珞1 2 5 v( 2 7 ) 该基准电压通过分压或者是运算放大器就可以得到不同电压基准。 d ) 原理应用 v d d 图2 3 电流求和模式带隙基准源 图2 3 中运算放大器为理想运放，则v 。和v b 相等，q 2 和q 1 的发射极面积之比为 1 1 。可以求得流过电阻r 1 的电流为： 低压低功耗c m o s 带隙基准电压源设计 ”毕= 惫h 以 ， 而流过电阻r 2 的电流为： 气= 笔= 等 p 9 ， 选定m l 、m 2 和m 3 具有相同的宽长比，所以i m l = i m 2 = i m 3 ，求得输出基准电压v r e f 为： = r 4 ( i & + k ) = r ( 惫m + = 惫( 警l n 斛t ) ( 2 - 1 。) 易知当 拿1 n ，z ：1 7 2 ( 2 1 1 ) 尼 、 时，正负系数相抵消，电压与温度无关。 带隙基准源乃至整个电源系统需要一个偏置电路，为各模块提供稳定的电压 或电流。为降低偏置电路对电源电压变化的灵敏度，采用自偏置电路。如图2 4 所 示，m 4 、m s 和咫组成峰值电流镜，其中m 4 、m 5 的宽长比满足w j l s = k ( w 4 i 句。 m 6 和m 7 宽长比相同，它们组成基本电流镜。 图2 4 自偏置电路结构 输出电流表达式为： l w 2k 2 可1 赢( 1 一去) 2 ( 2 - t 2 ) 从上式可以看出输出电流与v d d 无关，但在实际电路中，由于存在沟道长度 调制效应，i i n 和i o t r r 随v d d 的增加而稍有增加。 e ) “带隙基准 名称由来 根据式( 2 7 ) 产生的电压被称为“带隙基准 。我们将输出电压写成为 第二章基准电压源基础 9 因此得： = + 巧i n n o = v p , g p ：监+ 生1 l l 职 d l d l i 将此式置为零，并用式( 2 1 3 ) 代替a lo t 我们有： v n e - ( 4 + m ) v r - e g q ：一堡1 l l 刀 l 。 如果由此式得到琢i n n 并代入式( 2 1 3 ) 中，我们得到 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ：生+ ( 4 + 聊) 巧( 2 - 1 6 ) g 这样，额定零温度系数的电压基准就有一些基本的数字给出：硅的带隙电压名q ， 迁移率的温度指数m ，和热电势巧。因为当r 一0 ，盯专乓q ，其值趋于不变， 所以这里使用“带隙”这个术语。 2 1 2 二阶补偿 近年来，随着便携式电子产品的快速发展使得对低压低功耗带隙基准源的需 求大大增加，同时也对基准电压源的设计提出了更高的要求。为了缩小电池尺寸 和延长电池寿命，需要基准电压源电路工作在2 v 以下的电压和州量级的静态电 流下，一同时还要保证较高的电路性能，如低温漂、高电源抑制比等。因此高精度 的低压基准源电路也已经成为当前的研究热点。 对于传统的带隙基准源电路，低压应用有两个很明显的制约因素：一是带隙 基准源的输出大约为1 2 1 5 v ；二是基准源电路中的运算放大器受到输入共模范围 和阈值电压的限制，只能采用p m o s 输入的方式，使基准源的最低工作电压被限 制在2 v 左右。这些限制因素可以通过电流模式、电阻分压和改进工艺降低阈值电 压的发发来解决。目前，已有文献报道了一些电压低于2 v 的电路。但是，部分电 路输出的精度及温度稳定性都不高。因此出现了二阶温度补偿，甚至高阶温度补 偿。 基准没有经过二阶曲率补偿是由于忽略了v b e 的高阶项，实际上v b e 的高阶 项并不为零。因此一阶补偿的基准并不难能真正使得基准的输出电压与温度t 无 关，这对于高精要求的场合就需要对该曲线进行二阶曲率补偿，以便得到更好的 温度特性。 a ) v b e 的温度特性 根据文献报道，双极晶体管的v b e 并不是随着温度线性变化的，其温度特性 为： 1 0 低压低功耗c m o s 带隙基准电压源设计 巧蝤( 丁) ：g 。一三( k 粥。一k 晒。) 一( 17)t r - c r ) k rt nr _ _ ( 2 - - 0 q 1 0 式中，v b g o 是在温度为o k 时外推出得到的p n 结二极管电压，t 是绝对温度，t o 是参考温度，v b e o 是在温度为t o 时的发射结电压，r 是工艺相关且与温度无关的 常数，口的值与集电极电流i c 的温度特性有关( 当i c 是与温度成正比( p 毋虹) 的 电流时，口= 0 ：当i c 与温度无关时，口= 1 ) 。 由( 2 1 7 ) 式可知，v b e 中与温度相关的非线性项为t l n t 。当( 2 1 7 ) 式展开 成泰勒级数时，可表示为： ( r ) = + q r + 丁2 + 吃丁3 + + 丁” ( 2 - 1 8 ) 式中， ，口。是常数。可见，传统的带隙基准电路只是消除了v b e 中与温度 相关的一次项，因此使输出具有高阶的温度相关性。要降低输出电压的温度系数， 就需要对v b e 中与温度相关的非线性项进行补偿。 b ) 二阶温度补偿电路原理 由v b e 的温度特性，有文献提出以下结构： r 2 a v d d 图2 5 二阶温度补偿b a n d g a p 可以通过抵消流过p m o s 电流镜的总电流( i l + 1 2 ) 中的非线性成分，来得到与温度二 次不相关的电流，从而得到与温度二次不相关的电压。具体的实现电路如图2 5 所 示，通过加入电阻r 4 a 和b 。流过电阻a 和的电流与非线性电压v n l 成正比。 基本思想是通过流过v b e 的与温度无关的电流( t 2 = 0 ) 和与绝对温度成正比 ( p t a t ) 的电流( 口= 1 ) 做和消去二阶项实现的。图2 5 中，流过q o 和q l 的电 流是与绝对温度成正比的，即具有一阶温度系数( 口= 1 ) ；流过p 沟道m o s 管的 第二章基准电压源基础 电流是一阶温度无关的( 口= 0 ) 。因此，我们可以通过一个p m o s 电流镜来镜像 一个一阶与温度不相关的电流，然后把该电流注a - - 极管q 2 ，我们产生一个口= 0 的v b e ，由式( 2 1 7 ) 可知v b e 0 。1 和v b e 2 两端的电压可以表示如下： 叩( n = 。一吾0 ( 。一。) 一( 刀- 1 ) 等1 1 1 吾0 ( 2 - 1 9 ) y 上 和 z ( d = 。一百t 0 ( 。一。) 一仞一。) 等l i l 吾0 ( 2 2 0 ) 工 y 因此， 巧忆兰k 嘲o ，l ( 丁) 一巧嘲2 ( 即= 一巧1 n ( 2 - 2 1 ) 曲率补偿部分电流通过v n l 除以电阻a 或者心b ( r 4 a _ r 4 b ) 得到。 k = 等 ( 2 2 2 ) 故基准电压f 可表示如下： =半+ 争一军 马 墨是r i 3 ( 2 _ 2 3 ) = 2 a 8 6 2 a n n 9 9 9 9 9 他 ” 著一出垆 第四章改进型超低压低功耗基准电压源电路的设计及仿真3 3 降低p 1 和n 1 的支路电流，就可以实现低功耗，其中改变支路的等效电阻是降低 功耗的直接有效方法。通过在p 1 的源极与电源v d d 之间串联一个常导通的倒比 ( w 几 1 ) p m o s 晶体管，就可使整个基准源电路的功耗小于5 1 a h 。 由于t s m c0 3 5 u r nc m o s 工艺的n m o s 阈值电压为0 5 3 6 v ，p m o s 的阈值 电压为0 7 3 6 v ，而t s m c0 2 5 u r nc m o s 工艺的n m o s 和p m o s 阈值电压分别为 0 4 7 7 v 、0 5 9 6 v ，所以本文中的带隙基准源在采用0 2 5 m 或0 1 8 u mc m o s 工艺 实现时，其电源电压的工作范围增大。当输出较低的基准电压时，电源电压的工 作范围也相应变大。 本文结构是在对传统c m o s 带隙基准电压源电路分析和总结的基础上，综合 一阶温度补偿、电流补偿和二次分压技术提出的。该带隙基准源电路的基准输出 范围为o 2 1 o v ，温度系数为1 0 - p p m o c ，当基准输出电压为7 8 0 - 3 ：0 1 5 m v 时，电 源电压范围为1 2 1 8 v ，仿真结果证明了设计的正确性。本文的基准源结构简单， 调整方便，非常符合s o c 设计要求。 4 2 衬底驱动c m o s 全差分放大器 要实现超低压带隙基准电压源，最关键的制约因素是电路中的运算放大器是 否是超低压运放。目前实现超低电压模拟集成电路的关键技术可分为三类：亚阈 值特性、浮栅技术和衬底驱动技术【2 6 1 。基于m o s f e t 亚阈值特性设计实现的模拟 电路，可以在低电源电压下正常工作，并保证较大的输出信号幅值和较低的功耗， 但是由于亚阈值电路的驱动电流能力较小，且不能保证设计精度和良好的特性， 所以只适合部分电路设计【2 6 1 。浮栅技术原来主要应用于e p r o m 和e e p r o m 等不 挥发存储器中，近年来对基于浮栅技术的模拟电路进行了报道，如浮栅c m o s 电 流校准电科2 8 1 、高速数模转换器( d a c ) f 2 7 】及放大器【2 7 】等，但是其实现工艺与标 准c m o s 工艺不兼容，实现成本太高，所以不能大规模的应用。衬底驱动技术在 基于标准c m o s 工艺的前提下，通过改变衬底电压，改变m o s 管的阈值电压， 从而实现具有较高性能的c m o s 模拟电路，是目前实现低压c m o s 模拟集成电路 设计的一种优良技术。 4 2 1p m o s 衬底驱动技术 p m o s 衬底驱动技术的工作原理类似于结型场效应晶体管【2 牝5 1 ，图4 4 显示了 n 阱衬底驱动p m o s f e t 的截面图，图中p m o s 管的栅源之间加有足够大的固定 电压g s ) ，以在栅下形成导电沟道，漏端按通常的方式连接，而信号加在衬底端( 即 b u l k 端) 和源端之间。当信号发生变化时，衬底端与沟道间的耗尽层厚度将发生改 变，进而改变沟道反型层的厚度，这样由源端流向漏端的电流将受衬底端和源端 低压低功耗c m o s 带隙基准电压张设计 间所加信号的控制。因此，衬底驱动m o s f e t 可以等效为一个用衬底端作为输入 端的结型场效应晶体管。衬底驱动p m o s f e t 一般工作于强反型区，由于在衬底 端与源端弱正偏情况下，衬底漏电流非常小，因此衬底驱动技术可以用于衬底端 和源端问弱正偏、零偏和反偏的情况下【”i 。 b s g d 图4 4 衬底驱动p m o s f e t 横截面 由m o s f e t 的一阶理论可以得出漏极电流的表达式1 4 1 0 】 = 竿( 一一；) ， k = 等( 圳2 ( 1 + ) ， 其中 s 。， p 、 ( 4 1 1 ) 似一1 2 1 ：l + ! ! + q n f s ：1 + ；：( 4 - 1 3 ) l 。x l “ z 1 十，一t ) ：v o s - v t ( 4 - 1 4 ) 巧= 耳。+ ，( ) 1 2 舟一1 - ) 1 2 办i ) ( 4 1 5 ) y 为体效应系数，约为0 5 v m 。 在衬底驱动技术中，v c s 为常数，因此式( 4 - 1 i ) 可化为 l = 半 一一y ( 小石j 习+ 阿丁) 一；j s c w ( 4 - 1 6 ) 式( 4 1 2 讹为 k = 等( 一咋。一y ( 乒不= 习+ 霸 2 ( 1 + ) t w ( 4 - 1 7 ) 饱和时小信号跨导为 2 急卜j 面赢y g g 啊为栅跨导。 由式( 4 1 7 河以看出，当衬底驱动p m o s f e t 工作于饱和区时，由于为常 数，因此漏极电流如主要受的控制。由于在衬底端加信号能有效的避开闽值 电压的限制，非常小的衬底端与源端电压就可以用来调制沟道电流，因此这种技 第四章改进型超低压低功耗基准电压源电路的设计及仿真 3 5 术对低压模拟电路设计非常有利。 ，_ 、 s 盈 l ；、i- f l 图4 5 衬底驱动p m o s f e t 的跨导特性 为了验证衬底驱动m o s f e t 的低压特性，本文对衬底驱动p m o s 管跨导进行了仿 真，图4 5 中给出了当电源电压为o 8 v ，v g s = 0 8 v 时的跨导特性曲线，证明了 衬底驱动m o s 技术能有效降低模拟电路对电源的要求。 4 2 2 超低压全差分放大器 全差分放大器作为c m o s 模拟集成电路的基本电路单元之一，广泛用于a d 转换器、传感器读出电路、语音c o d e c 及低噪声模拟信号处理器等电路系统中。 文献 2 1 基于耗尽型n m o s 和衬底驱动p m o s 器件，实现了0 9 v0 5 衅i 汤l t o - r m l c m o s 运算放大器，但是需要增加工艺步骤，并不能实现全差分应用。文献 2 9 】 虽然基于衬底驱动p m o s 器件实现了0 5 v 全差分c m o s 放大器，但是其直流开 环增益只有5 2 d b ，单位增益带宽也只有2 5 m h z ，功耗却有2 2 0 p a ，严重限制了 实际应用。文献 3 0 基于衬底驱动互补m o s 器件实现了o 8 v 全差分c m o s 放大 器，但是单位增益带宽也只有3 4 m h z ，相位裕度大于8 0 度，功耗为2 4 3 衅，而 且由于采用互补m o s 器件，使得与标准c m o s 工艺不兼容。 图4 60 8 vc m o s 全差分放大器电路 图4 6 为o 8 v 低功耗c m o s 全差分放大器电路，其结构是传统两级运算放大 低压低功耗c m o s 带隙基准电压源设计 器结构的扩展。放大器输入级采用衬底驱动p m o s 差分对m 2 、m 3 ( w l = 7 5 0 3 岬) 代替传统p m o s 差分对，解决了阈值电压对输入信号和电源电压的限制，并取得 较大的输入共模范围。图4 6 中的差分对管m 2 和m 3 的栅极接在地线，以保证栅 下强反型沟道的形成，输入信号由m 2 和m 3 的衬底端引入，实现对沟道电流的调 制。放大器输出级采用n m o s 共源放大器结构，以在超低压下提供较大的输出摆 幅。差分放大器的补偿技术为密勒补偿技术，即在第一级和第二级放大器之间引 入补偿电容( c = 3 5 p f ) 和零位电阻( r = 1 0 0 x f 2 ) 。图4 6 所示的共模反馈电路由 低压开关电容电路技术实现，其关键技术为o 8 v 低压m o s 开关设计。 图4 7 ( a ) 为新型r a i l t o r a i lm o s 开关电路，其中c l k 为m o s 开关控制信 号，幅值为电源电压值；晶体管m 2 、m 3 和电容组成准浮栅p m o s f e t ，与n m o s f e t m 1 组成低压互补m o s 开关，其中m 3n m o s 具有较大的宽长比( w 几) ，作为直 流偏置，从而使开关在超低电源电压条件下实现良好的饱和特性。图4 7 ( b ) 为 r a i l t o r a i lm o s 开关的仿真结果，s p i c e 模型为t s m c0 2 5 “r n2 p 5 mc m o s 工艺 的b s i m 3 v 3 模型。由图4 7 ( b ) 可以得到，本文中设计的m o s 开关具有低压 r 撕l t o r a i l 特性。 ( a ) 电路 ( b ) 仿真结果 图4 7 基于准浮栅技术的低压r a i l - t o - r a i lm o s 开关 4 2 3 仿真分析与讨论 基于图4 6 所示的全差分运算放大器电路，采用t s m c0 2 5 1 x r n2 p 5 mc m o s 工艺的b s i m 3 v 3 模型( 晶体管的典型阈值电压v t n = 0 7 3 v v t p o 5 9 6 v ) ，采用 第四章改进型超低压低功耗基准电压源电路的设计及仿真3 7 h s p i c e 对全差分运放进行仿真分析，其中负载电容为5 p f 。图4 8 为o 8 v 全差分 运放的幅频和相频特性，直流开环增益为6 3 8 d b ，相位裕度为6 0 度，单位增益带 宽为7 4 m h z 。图4 9 为o 8 v 全差分运放的输入输出特性，输入输出电压范围为 1 8 一- 7 9 i m v ，达到低压r a i l t o r a i l 的范围，整个全差分运放的静态工作电流为 2 4 1 j a 。 ； 、 | 、 i - - 一l k | l ；i 薹j | | 1 - ；- - ；l - 一一瑟习 s 霎 11 01 0 0 l k 1 0 k1 0 0 kl x 1 0 x1 0 0 x f r e q u e n c y ( 1 0 9 ) ( h e r t z 图4 8 运放的幅频和相频特性 ： n l 八八 、 l vv 图4 9 运放的输入输出特性 本文基于0 2 5 w n 标准c m o s 工艺的p m o s 衬底驱动技术，设计实现了0 8 v 2 4 衅全差分放大器，并提出了o 8 vr a i l - t o r a i lm o s 开关，并实现0 8 v 开关电 容共模反馈电路。在0 8 v 单电源电压下，全差分放大器的直流开环增益为6 3 8 d b ， 相位裕度为6 0 度，单位增益带宽为7 4 m h z ，输出电压范围为1 8 m v 7 9 l m v ，整 个运放的电源电流为2 4 r t a 。本文所提出的全差分运算放大器结构简单，能应用于 低频低压混合信号集成电路的设计，是下面超低压带隙基准电压源设计的基础。 4 3 基于衬底驱动技术的超低压带隙基准电压源电路仿真 4 3 1 衬底驱动带隙基准电压源电路 所设计的超低压c m o s 带隙基准电压源如图4 1 0 所示，该电路由三部分组成： 衬底驱动运放、基准源核心电路和启动电路。其中衬底驱动超低压运放的输出用 于产生自身的电流源偏置，简化了电路，提高了电源抑制比( p s r r ) 。在基准源 的核心电路中，正温度系数和负温度系数由二极管连接的纵向寄生n 四q 1 、q 2 管 提供。通过调节电阻r 1 r 4 可以得到所期望的基准输出电压。 一勺一li=酗篮舢研鐾厶暨一口y 低压低功耗c m o s 带隙基准电压源设计 m v 一 b 一一j m 5i j 出6 一由9 一1 占l o 1 乒蚶m 描m 1 3 1 r 写 俜 ! 广皇 1 f _ 1 芒 广号忏：r 气 ； j z i a吐，一：。m 2iii i 坨- - 卜惭r h 5 l ii 一。一i - o 气 - 晤 1 0护m lm 1 4 a l r l lr 3 o , 堇r 2 1 ， f卤荨 彳i l i呕 r z c c - 玉1 蟹 h 叫r i h 卜 ! x 计1 毪盎邑6 i 蕾d m ， i k 4l ei m 7 熹r 兰一氇l 蒜圭r 2 2 - u , i , j - 一1l q 3f j i i一虻 r1 鼍叫tnn 。下n1 k 一 村左骚高二话 1 一占鼋宴：一：二1 二，、二i 。 图4 1 0 衬底驱动超低压c m o s 带隙基准电压源整体电路 如图设r l = r l l + r 1 2 = 灭2 = r 2 l + r 2 2 ，其中r l l = 尺