（微电子学与固体电子学专业论文）高电源抑制带隙基准源的研究与设计.pdf

摘要 摘要 带隙基准电压源作为集成电路中一个重要的电路模块，其性能直接影响了整个系统的性能。随 着集成电路的不断发展，带隙基准电压源电路的性能受到越来越j 泛的关注。如何减小带隙基准电 压源的温度系数、提高电源抑制性能是设计应用于射频集成电路中的带隙基准电压源的关键。论文 给出了一种应用于数字电视调谐芯片的基准电压源的设计，其作用是为芯片中的其他模块提供稳定 的直流偏置电压。 论文采朋带隙基准电压源的一阶温度补偿技术实现了基准电压源的设计；采用s e r i e s s h u n t 负反馈 形式的运算跨导放大器作为基准电压源的一级缓冲器，有效地降低了输出端的阻抗，提高了负载驱 动能力；分析了由于j 二艺偏差引起的电流镜失配、电阻失配和双极型品体管失配三种参数失配因素 对输出电压的影响。论文通过对带隙基准电压源电源抑制的频率特性进行小信号建模，推导其电源 抑制频域的传输函数表达式，根据传输函数表达式调整参数对基准电压源的电源抑制进行优化。在 没有考虑寄生参数的条件下，优化后的电源抑制性能为低频段一8 1 5 d b ，高频段2 6 5 d b 。 论文基于j a z z0 3 5 9 mb i c m o s 工艺实现了带隙基准电压源，设计了带隙基准核心电路的版图。 通过s p e c t r e 对带隙核心电路进行后仿真，在2 5 - - 8 5 的温度范同内，温度系数达到1 4 9 p p n v ； 输出基准电压的电源抑制性能为低频段7 8 1 d b ，高频段2 3 9 d b ，能够满足d v b s 调谐芯片的要求。 关键词：带隙基准电压源，温度系数，电源抑制，参数失配，校准 a b s t r a c t a bs t r a c t a sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n ti ni n t e g r a t e dc i r c u i t s ，b a n d g a pr e f e r e n c ea f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h e w h o l es y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo fb a n d g 印r e f e r e n c ei sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t s t h ek e yt or e a l i z eb a n d g a pr e f e r e n c eu s e di nr fi n t e g r a t e dc i r c u i t sl i e s o nh o w 幻r e d u c et h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n de n h a n c et h ep o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o 1 1 1 i st h e s i s d e s i g n e dav o l t a g er e f e r e n c es o u r c ew h i c hw a sa p p l i e di nt u n e rc h i pf o rd i g i t a lt v t h ef u n c t i o no ft h e v o l t a g er e f e r e n c es o u r c ew a st os u p p l yad cs t a b l eb i a sf o rt h eo t h e rc i r c u i t si nt h ec h i p t h ed e s i g no fv o l t a g er e f e r e n c ei nt h i st h e s i sa d o p t e db a n d g a pf i r s t - 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 t e c h n i q u e a no p e r a t i o n a lt r a n s - c o n d u c t a n c ea m p l i f i e rt h a tu t i l i z e ds e r i e s - s h u n tn e g a t i v ef e e d b a c kw a s u s e da sab u f f e r ，w h i c hr e d u c e dt h eo u t p u ti m p e d a n c ea n db o o s t e dt h ed r i v i n gc a p a b i l i t ye f f e c t i v e l y t h i s t h e s i sa n a l y z e dm i s m a t c he r r o r sd u et op r o c e s si nt h eb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e t h e yw e r ec u r r e n tm i r r o r m i s m a t c h ，r e s i s t o rm i s m a t c ha n db i p o l a rt r a n s i s t o rm i s m a t c h t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fe a c h m i s m a t c he r r o r t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ep s rp e r f o r m a n c eo ft h eb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c et h r o u g h m o d e l i n gt h ep s rp e r f o r m a n c ei nf r e q u e n c yd o m a i na n de d u c i n gt h et r a n s f e rf u n c t i o ne x p r e s s i o no fp s r 。 t h i st h e s i sa l s oa d j u s t e dt h ep a r a m e t e rb a s e do nt h et r a n s f e rf u n c t i o ne x p r e s s i o n w i t h o u tc o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo fp a r a s i t i cp a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l to fp s rp e r f o r m a n c ea f t e ro p t i m i z a t i o nw a s 81 5 d b i nl o wf r e q u e n c ya n d - 2 6 5 d bi i lh i g hf r e q u e n c y t h eb a n d g a pr e f e r e n c ew a sr e a l i z e db a s e do nt h ej a z z0 3 5 9 mb i c m o sp r o c e s s a n dt h el a y o u to f t h ec o r ec i r c u i tw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt op o s ts i m u l a t i o nr e s u l t sb ys p e c t r e ，t h et e m p e r a t u r ev a r i e df r o m 一2 5 t o8 5 l i n e a r l y , a n dt h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tw a s1 4 9 p p m f c ；t h ep s r rw a s 7 8 1 d bi nl o w f r e q u e n c ya n d - 2 3 9 d bi nh i ! g hf e q u e n c yt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev o l t a g er e f e r e n c em e e tt h e d e m a n do fd v b sk i l l e r b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e , t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ，p o w e rs u p p l yr e j e c t i o n ( p s r ) ， c a l i b r a t i o n l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：塞宣篁导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了课题的研究背景、意义以及基准电压源在国内外的研究发展状况，阐述了本课题的 主要j r = 作，最后介绍了论文的整体架构。 1 1 研究背景和意义 随着集成电路技术的发展，赢密度、高速度、超大规模的数字电路设计和制造变得越来越容易， 一些过去由模拟电路实现的功能模块也渐渐由数字电路模块所代替。但这并不意味着模拟电路将会 消失，目前数字信号处理技术的迅猛发展以及设计系统级芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 技术的流行， 模拟电路的重要性进一步体现【l j 。 在所有的模拟电路模块中，基准电乐源( v o l t a g er e f e r e n c e ) 是大规模、超人规模集成电路和几 乎所有数字、模拟系统中不可或缺的基本模块。基准电压源是超人规模集成电路的电子系统的重要 组成部分，可广泛应用于高精度比较器、模拟数字( a d ) 转换器和数字模拟( d a ) 转换器、射频收 发器、随机动态存储器、闪存以及系统集成芯片中。稳定的基准电压源不受电源电压、温度变化的 影响以及制造t 艺的不同所产生的对电路的限制，提供一个恒定的输出电压，其精度远比电压稳压 器高得多瞄j 。 传统的基准电压源或电流源更多的是考虑其温度稳定性1 3 一 5 1 、精度6 】f 7 】、功耗f 8 】- f 1 川等性能，但随 着射频集成电路和数字电路的发展以及带隙基准源在高频电路应用中的推j “，电源抑制性能成为基 准源在高频及数模混合电路应用中的一个重要衡量标准。这是因为电路容性通路的存在及闭环增益 随着频率的升高而下降，来自电源端的干扰信号得不到足够的抑制。而在射频和数字电路环境中由 于串扰和衬底耦合噪声干扰的增加使这一问题变得尤为突出。芯片内部的基准源在整个频段内对电 源噪声的抑制能力的好坏将影响剑整个芯片在整个频段尤其是高频下的工作性能。因此基准电压源 的电源抑制及其频率特性逐渐被设计者们重视。 基准源属于精致的模拟模块，为了降低其对工艺偏差的敏感度，应在版图设计时精心考虑。同时，由 工艺偏差引起的基准源的参数失配，其中主要包括电流镜的失配、运放的失调、双极型晶体管的失 配、电阻的失配等。分析和评估这些参数失配对输出信号的影响，对整个电路的可靠性具有重大的 意义。 本课题主要针对双极工艺实现的带隙基准电压源，在保证精度、温漂等各项指标的前提下，对 电源抑制进行设计优化，最终应用于数字电视调谐芯片当中，为电路其它各个模块提供稳定的电压 偏置。 1 2 国内外研究现状 近年来随着集成电路技术的不断发展，电路性能指标的不断提高，对基准电压源的设计也提出 了新的挑战。目前，国内外对基准电压源的研究大致分为以下几个方面：低温度系数的基准电压源、 高电源抑制比的基准电压源、低电源电压工作的基准电压源以及低功耗的基准电压源【l i 】1 1 2 1 。 i 低温度系数基准电压源 对于要求高精度的应用场合，例如在高精度的a d c 和d a c 结构中，低温度系数这一指标对于基 l 东南大学硕十学位论文 准电压源的设计尤为关键，通常设计低温度系数的基准电压源都需要用到高阶温度补偿技术，目前 常片 到的高阶补偿技术包括曲率补偿技术、指数补偿技术、v b e 线性化技术、分段补偿技术等。高 阶补偿的方法也多种多样，有利用偏置在不同温度系数集电极电流f 的b j t 管的基极一发射极电压之 差实现的高阶补偿，有利用电阻比值实现的高阶补偿，还有利用m o s 管栅源电压差实现的高阶补偿 等等。a d i 公司的a d r o x 系列和a d r 4 3 x 系列基准电压源具有低温度系数的特性，温度系数可以达到 3 p p m 。 2 高电源抑制比基准电压源 随着c m o s 集成电路工艺的不断发展，晶体管尺寸不断缩小，芯片的集成度不断提高，通常将整 个系统包括数字电路和模拟电路集成在同一块芯片上，在数模混合电路中，由于数字电路部分的噪 声会干扰模拟信号，以及高频噪声的存在，要求基准电压源能够在较宽的频率范围内具有良好的电 源抑制能力，目前理论上得到的最好电源抑制比的带隙基准电压源的指标为- 1 4 9 d b l h z ， 一8 2 d b i o k h z 【1 3 i 。 3 低电源电压基准电压源 随着晶体管尺寸的缩小，电源电压也越来越低，对于数字电路来说，由于其工作在开关状态， 只要合理的缩小管子的尺寸就可以满足低电压的要求。然而对于模拟电路，由于m o s 管的阈值电压 并没有随着电源电压的降低成比例下降，将使得模拟集成电路的设计难度提高，这也对基准电压源 的设计带来了挑战。由于传统带隙基准电压源的带隙电压大约为1 2 v ，因此对于电源电压小于1 2 v 的电路，基准电压源的设计需要采取新的方法。 4 低功耗基准电压源 低功耗基准电压源的设计对于低电源电压t 作的系统而言具有重要的现实意义，文献 1 4 3 给出 的基准电路功耗只有3l aw ，文献 1 5 给出的基准电路功耗只有6uw 。此外，a d i 公司的某些基准电 压源产品，如i j ) r 3 9 x 系列也具备低功耗的特性。 1 3 课题的主要工作 本课题的目标是设计一个适用于d v b s 调谐芯片的带隙基准电压源。在输出电压值、温度稳定性 和功耗等满足设计要求的前提下重点优化其电源抑制性能指标。 本课题的主要= 作如下： 1 ) 课题调研，查阅资料了解主流的基准电压源原理和结构，分析优缺点； 2 ) 根据系统要求，对基准电压源的各性能指标定义； 3 ) 根据性能指标确定基准电压源拓扑结构及各部分电路； 4 ) 对电路各部分进行仿真和优化达到设计目标； 5 ) 分析由工艺偏差引起的参数失配，评估其对电路的影响； 6 ) 对基准电压源的电源抑制频率特性进行建模并优化； 7 ) 版图设计及物理验证，后仿真并验证性能指标。 2 第一章绪论 1 4 论文结构 本文分为五章对高电源抑制带隙基准源的设计进行了详细的讨论和分析。本章为绪论，主要介 绍研究背景和意义。 第一二章首先介绍并分析了三种类型的基准电压源，包括隐埋齐纳二极管基准电压源、带隙基准 电压源和结型场效应管基准电压源，接着介绍了带隙基准源的发展；最后介绍了带隙基准电压源温 度补偿的方法以及电源抑制的概念和发展现状。 第二章和第四章主要分析带隙基准电压源的设计过程，其中第三章首先给出了系统对基准源的 指标定义，然后阐述了整个带隙基准电压源电路的具体设计过程；第四章则着重分析了带隙基准电 压源的电源抑制频率特性建模和优化过程。 第五章首先给出整个基准电压源的版图设计，然后给出带隙基准电压源温度特性和电源抑制特 性后仿真结果的分析。 本文的最后是对整个基准源设计的总结和展望。 3 东南火学硕l 学位论文 第二章基准电压源理论基础 在模拟集成电路的设计中，基准电压源是一个不可缺少的重要模块，几乎在所有的集成电路的 产品中都能找剑基准电压源。例如，在数模模数转换器中，基准电压源提供了一个绝对电压，与输 入电压进行比较以确定相应的输出；在电压调节电路中，基准电压源提供了一个已知的电压值，并 与输出作比较，得剑一个用于调节输出电压的反馈；在电压检测电路中，基准电压源被当作一个设 置触发点的门限。 2 1 基准电压源概述 目前在集成电路设计中所用到的基准电压源主要包括隐埋齐纳二极管基准电压源、带隙基准电 压源和结犁场效应管基准电压源= 种。其中的每一种电路都是利用硅半导体材料的同有特性，通 过补偿网络或附加电路来实现基准输出电压的。 2 1 1 隐埋齐纳二极管基准电压源 最初用于实现基准电压源电路的结构是齐纳二极管基准电压源，通过在一只反向齐纳二极管上 串联一只正向二极管实现。齐纳二极管t 作在反偏击穿区域，冈为击穿电压相对比较稳定，可以通 过一定的反向电流驱动产生稳定的输出基准电压。齐纳二极管基准电压源最人的优点是可以得到很 宽的输出电压范围；但其精度不是很高，工作在雪崩状态f 的齐纳二极管具有正温度系数( 约+ 2 m v ) ，而正向硅_ 二极管具有负温度系数( 约- 2 m v ) ，但由于这两个温度系数的绝对值并不相等， 且随着电流的变化而变化，所以很难实现零温度系数。由于工作在雪崩状态下的齐纳二极管击穿电 压在6 v 左右，这种结构不适合电源电压越来越小的集成电路设计。同时这种结构具有很人的雪崩噪 声，长期稳定性差，容易受到外界环境的影响。 隐埋齐纳二极管基准电压源与传统齐纳二极管基准电压源不同，隐埋齐纳二极管的击穿发生在 表层以下，这就避免了表层的影响，使其在温漂、时漂以及噪声方面的性能得到了显著的改善。图 2 1 所示是隐埋齐纳二极管基准电压源的电路拓扑结构。 v d d 图2 1隐埋齐纳二极管基准电压源的电路拓扑结构 如图2 ，l 所示，电流源i 为齐纳二极管提供y 6 v 左右的电压，电阻网络r ，和r 2 将齐纳电压分压到运 放的正相输入端，最终在闭环运放的输出端得到基准输出电压： 4 第二章基准电压源理论桀础 = 熹( - + 黔 2 1 2 带隙基准电压源 ( 2 1 ) 带隙基准电压源是目前应用最为广泛的一种基准电压源结构，它是利用b j t 管基极一发射极电压 e 的负温度系数和两个b j t 管基极一发射极电压差e 的正温度系数，将两者线性叠加得到的。图 2 。2 所示是带隙基准电压源的电路拓扑结构，电流源i l 和1 2 为两个发射极面积不同的b j t 管提供偏置电 流，e l 是发射结面积人的b j t 管的基极一发射极电压，是发射结面积小的b j t 管的基极一发射极 电压，五是比例冈子。基准输出为： = l + 见( l 一2 ) 伽、 由于这一输出电压十分接近于硅的带隙电压，冈此该电压被称为带隙电压，这种结构的基准电 压源叫做带隙基准电压源。 v d a v d u 图2 2 带隙基准电压源的电路拓扑结构 2 1 3 结型场效应管基准电压源 结型场效应管基准电压源是利用结型场效应管的夹断电压差的特性设计出的一种新型的基准电 压源结构。由于结犁场效应管( j f e t ) 在沟道中导电的是多子，b j t 管中在基区导电的是少子，而多 子所遇到的晶格碰撞等产生噪声的机会要少于少子，因此这种结构制成的基准电压源的噪声相对带 隙基准电压源要小。在结型场效应管基准电压源的设计中，所用的两个j f e t 管中有一个在制造时增 加了一步离子注入工艺，因此称为外加离子注入结犁场效应管( e x t r ai m p l a n a t i o nj u n c t i o nf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r - - x f e t ) 。图2 3 所示是结型场效应管基准电压源的电路拓扑结构。其中场效应 管j ，是外加了离子注入的j f e t ，j l 和j 2 通过匹配的电流源l l 和1 2 驱动，这样在两个场效应管栅极之间就 产生了夹断电压差a v p 。同时在闭环运放的作用下，j 1 和j 2 源极电压保持相等。通过运放的反馈网络 r 1 、r 2 和r 3 ，可以在运放的输出端得到一个稳定的电压。由于a v p 是一个具有负温度系数特性的量， 因此需要在运放的输出端再叠加上一个与温度成正比的电压才能得到最终的基准输出v o w - ，p 上p 、 圪懈= l1 + 竺譬i + ，删，木玛 k l ( 2 3 ) 其中，锄提一个与温度成正比的电流。 5 东南人学硕十学位论文 图2 3 结型场效应管基准电压源的电路拓扑结构 结型场效应管基准电压源有三个显著特点：第一，在相同的丁作电流f ，它的峰一峰噪声电压通 常比带隙基准电压源低很多：第二，结型场效应管基准电压源具有线性的温度系数曲线，利于修正： 第二，结型场效应管基准电压源具有极好的长期稳定性。 表2 1 三种类型基准电压源的比较 基准类型 隐埋齐纳_ 二极管基准电压源带隙基准电乐源结型场效应管基准电压源 好的温度系数和长期稳定性、噪 较好的温度和电源抑 优点 制特性、适用丁低电压 噪声电压很低、极好的长期稳 声电压低定性 电路、功耗小 不适用丁低电压电路、功耗火、 缺点噪声电压较大电源抑制较差 成本高 通过对三种类型基准电压源的比较，可以看出带隙结构的基准电压源以其综合优势是基准电压 源设计的最佳选择。 2 1 4 带隙基准电压源的发展 1 9 7 1 年，r j w i d l a t l l 7 1 革命性地提出了能带间隙基准电压源的概念，简称带隙基准电压源。所谓 能带间隙，是指硅半导体材料在热力学温度为零度时的带隙电压，其值约为1 2 0 5 v 。这种结构的基 准电压源基于b j t 管设计，较齐纳二极管实现具有更小的噪声和更好的性能，其电路结构如图2 4 所示。 v d d v d d 哪 图2 4w i d l a r 带隙基准电压 图2 5b r o k a w 带隙基准电压源 6 v r e r 第二苹摹准屯姓源理论幂础 由图2 4 可知，电阻r 3 上的压降就是b j t 管q l 和q 2 的基极一发射极电压差，因此q 2 的集 电极电流i c 2 可以用式( 2 4 ) 表示： 枷百a v b e2 毫觑( 矬) 亿4 ， 其中，巧是热电压，如和岛分别是q l 和q 2 的饱和电流。忽略q l 和q 3 的基极一发射极电压之 间的误差，假设e f - 蚝e 2 = y b e 3 = 矿b e ，则r l 和r 2 上的电压降相同，于是可以得到： 伽惫觑c 铃 亿5 ， 冈此，图2 4 所示带隙基准电路的输出基准电压为： 足扣加c 慧j 亿6 ， 式( 2 6 ) 义可以表示为： = + 詈 “3 ( 2 7 ) 从式( 2 7 ) 可以看出，图2 4 所示电路的输出基准电压与式( 2 2 ) 相符，因此这是一个典型的带隙 基准电路。 1 9 7 4 年，a p a u lb r o k a w t l 8 1 介绍了一种改进的带隙基准电压源结构，如图2 5 所示。图2 4 所示 的w i d l a r 带隙基准电压源电路中，由于b j t 管基极电流流过r 1 和r 2 ，因此当1 ：艺或温度等因素改 变造成b j t 管基极电流发生变化时，就会在基准输出电压中引入误差。图2 5 所示电路中引入了一 个处于负反馈的运算放人器，运放通过感应b j t 管集电极电压的变化稳定基极电压，从而消除了b j t 管基极电流引起的误差。图2 5 中，b j t 管q 2 的发射极面积是q l 的8 倍，运放的输出作为b j t 管 的基极偏置电压，同时也是此带隙基准电路的输出电压，可以用式( 2 8 ) 表示： + 惫唧 ( 2 8 ) 带隙基准电路正常下作时，q l 和q 2 的基极被偏置在由式( 2 8 ) 所给出的偏置点上。当q l 和q 2 的基极电压小于这个偏置点时，由于电阻r 2 上的电压降很小，b j t 管q 2 的发射极面积是0 1 的8 倍， 因此流过电阻r 1 的电流大部分都流过q ：，造成q 2 的集电极电压小于q l 的集电极电压，处于负反馈 的运放感应到这个电压差，从而使得b j t 管的基极电压升高；当q l 和q 2 的基极电压大于偏置点电 压时，流过r 1 的电流会很大，此时r 2 上的电压降又限制了流过q 2 的电流，因此人部分电流流过 q 。，造成q 。的集电极电压小于q 2 的集电极电压，最终使得运放输出端电压降低。 1 9 7 9 年，( 2 t z a n a t e a s l l 9 1 提出了一种微功耗的c m o s 带隙基准源结构。这种带隙基准源利用_ t 作 在弱反型区的m o s 管和与之工艺相应的b j t 管实现。由于工作在弱反型区的m o s 管，其特性类似 于b j t 管，冈此完全可以将b j t 管的一些特点移植过来。在c m o s 技术中，就是利用m o s 管在弱 反犁区内饱和漏电流的指数特性实现基准电压源电路，其基准输出电压与m o s 管闽值电压以及迁移 率无关，具体电路结构如图2 6 所示。 7 东南人学硕士学位论文 m l 图2 6 弱反型下作型带隙基准电压源图2 7 利崩内部反馈的高阶补偿带隙基准电压源 图2 6 中，五个m o s 管均 作在弱反型区，m o s 管弱反型区漏电流公式为： id = i q e x p 詈 乌，r ( 2 9 ) - x - 畔 ，p1 是一个非理想冈子，而是一个常数。 m 1 、m 3 、m 5 三个n m o s 管构成第一组镜像电流源，其v g s 均相等，而宽长比w l 不同；m 2 、 m 4 两个p m o s 管构成第二组镜像电流源，并与第一组镜像电流源组成闭合的反馈环路。电路启动时， 环路增益大予1 ，由于电阻r 。的负反馈作用，当电路中电流增加剑使环路增益降为1 时，环路稳定， 这时电阻r l 上建立起稳定的电压绦l 。 根据式( 2 9 ) ，m 1 管与m 3 管的漏电流之比，以及m 2 管与m 4 管的漏电流之比可以分别用式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 表示： j 删一( 叫) m i n 3【w l ) m 3 f 2 1 0 ) 等2 黠e x p ( 纠= 跣唧 亿 因为式( 2 1 0 ) 和式( 2 11 ) 给出的两组电流比值相等，可以得到电压昧l 的表达式： 憎k 圳1 n ( 吼j v l ) m 4 ：一跣 亿 式( 2 1 2 ) 表明，昧l 与温度成正比，即珞l 是一个p t a t 电压。因此流过电阻r l 的电流最l 也具 有正温度系数的特性： 铲鲁2 学“融丽( w t ) m , 亿 此时，m 5 的集电极电流为： 驴融酱黜融融 亿，4 ， 由式( 2 1 4 ) 可以看出，i d 5 也具有正温度特性，利用这个电流和b j t 管q l 可以构成c m o s 带隙 基准源，输出电压为： 第二荦：毪准电雉源理论幕础 = 栅+ l 5 恐 = v b e q 1 + f 学融i n 融黜 5 、 随着c m o s _ 丁= 艺在集成电路设计中越来越广泛的应用，带隙基准电压源也越来越多的出现在基 于c m o s 工艺的电路中，其研究重点也逐渐侧重于如何实现二阶甚至更高阶的温度补偿。同时，由 于带隙基准电乐源的输出电压接近于硅的带隙电压，大约在1 2 v 左右，因此带隙基准源的设计一直 以米都受到电源电压的限制。随着低压集成电路的不断发展，这种限制愈发明显，因此低电源电压 下带隙基准源的实现成为一个重要的研究点。 1 9 9 3 年，m g u n a w a n 2 0 1 介绍了一种曲率校准的低电压带隙基准电压源。该电路的电源电压只有 1 v ，校准后的带隙输出电压的温度系数在0 到1 2 5 。c 范闹内可以达到4 p p m 。c 。该电路采用内部反 馈的形式，产生一个曲率校准电流i n l ，用以补偿带隙基准电流中的温度非线性部分。电路的结构如 图2 7 所示，其中电流i p t a t 是一个与绝对温度成正比的电流，易于实现，流过电阻r 2 上的电流i v b c 是需要校准的电流，而电流i c o 咄则是经过校准后的电流。b j t 管q l 和q 2 的发射极面积之比为1 ：p ， 曲率校准电流i n l 可以表示为： l ，：旦i n f 生生1 舭l 毛z ( 2 1 6 1 其中，i s l 和i s 2 分别是q 1 和q 2 的饱和电流，并且p i s l = i s 2 。 由于流过b j t 管q 5 的电流由k 和i n l 组成，而流过q 6 和q 7 的电流通过镜像流过q 5 的电流得 到，冈此电流i c 。可以表示为： ，删= 2 u + k ) + ，删r r ，1 7 、 由图2 7 所示，q 2 的集电极电流i c 2 由曲率校准电流i n l 和电流i c o 嘣组成，内部反馈形成。又因 为q 1 的集电极电流i c l 是p t a t 电流，因此式( 2 1 7 ) 还可以写成： k 2 篑七丽，p t a tj 眨 由式( 2 1 8 ) 可以看出，曲率校准电流i n l 和温度成非线性关系，因此电流i c 。吲是一个经过一阶温 度补偿和曲率校准的电流，具有比一阶温度补偿更小的温度系数。 19 9 8 年，g a 黜n c o n d 订o r a 【2 l 】介绍了一种利用分段线性补偿技术消除二极管电压中非线性部分的 带隙基准电压源的设计方法。该电路的电源电压为1 1 v ，电路结构如图2 8 所示。其中图2 8 ( a ) 是 分段非线性电流i n l 的产生电路，图2 8 ( b ) 是基准电压输出电路。在图2 8 ( a ) 中，流过m 1 管的电流 与b j t 管的基极一发射极电压v b e 成比例，m 2 管的宽长比是m i 管的2 倍。根据电流i 慨和p t a t 电 流i p t a t 的温度特性，当温度比较低时，i p t a t i v b e ，m 2 管工作在饱和区，流过m 2 管 的电流为k 2 k ，此时流过m 3 管的电流就是k 2 i m 与k 1 i p t a t 之差。在整个温度范围内，i n l 的表达式可用式( 2 1 9 ) 表示： ，io ，k r k r 一墨k ， r ( 2 1 9 ) 根据图2 8 ( b ) ，可以得到最终的基准输出为： = 。【尺l + 尺2 + r 3 ) + b i e r a r 【r l + r 2 ) + c i ：l r 1 ( 2 2 0 ) 用分段线性补偿方法，对于由基准电压因温度升高而导致i 、，b e 指数下降所带来的影响有所改善。 9 东南人学硕1 j 学位论文 m 4 lb 儿 ( a ) 分段非线性电流i n l 产生电路( b ) 基准电压输出电路 图2 8 分段线性补偿带隙基准电压源 2 0 0 4 年，k n l e u n g e 2 2 介绍了一种利崩具有不同温度系数的电阻实现高阶补偿的带隙基准电压 源。其电路结构如图2 9 所示，电阻r l 、r 2 、凡是高阻值多品硅电阻，具有负的温度系数，电阻r 3 是p 型扩散电阻，具有正的温度系数。 图2 9 利用电阻比值高阶补偿的带隙基准电压源 根据图2 9 所示，流过m l 管的电流为： ，v r l n n 1 墨 f 2 2 1 ) 其中，n 是b j t 管q 1 和q 2 的发射极面积之比。输出的基准电压为： = ：+ 陪m 卜+ 浯m 卜 蚴， 由式( 2 2 2 ) 可以看出，由于电阻r l 和r 2 具有相同的电阻类型，因此比值r 2 r l 与温度无关，式 ( 2 2 2 ) 中第_ 二项与温度成线性关系；由于电阻r l 和r 3 由具有相反温度系数的材料制成，因此比值 r 3 r 1 具有温度特性，式( 2 2 2 ) 中第三项与温度成非线性关系。因此，该电路可以实现非线性高阶温 度补偿。 集成电路的电源电压越来越低，已经接近甚至小于硅的带隙电压，这对于传统带隙基准的设计 第二章基准电压源理论慕础 提出了挑战，低电乐基准电压源方面的研究也越来越多。2 0 0 7 年，rt p e r r y 在文献 2 3 1 提出了一 种低电压下带隙基准电压源的设计方法，其产生的基准电压只是硅带隙电压的一部分，具体实现方 法如图2 1 0 所示。 r i r 2 图2 1 0 部分带隙基准电压电路 图2 1 0 中，m o s 管m 5 、m 6 和电阻r 5 构成启动电路，b l 和b 2 是单位增益缓冲器，m 2 管的宽 长比是m l 管、m 3 管和m 4 管的n 倍。当电路正常工作后，电阻r l 两端的电压就是b j t 管q - 的发 射极一基极电压v e b l 。如果电阻r l 和r 2 的比值为m ，则r 2 上的电压降就等于v r 8 l m 。因此运放a 的反向输入端电压为： = 。m + 2 ( 2 。2 3 ) 如果运放a 是理想运放，则其两个输入端电压v 咿与v i n 相等，因此可以得剑电阻r 4 两端的电 压为： 4 = 一3 = v e b l t r + 2 一3 ( 2 2 4 ) 由于b j t 管q 2 和q 3 的集电极电流密度不同，冈此v e b 2 一v e b 3 = a v e b 是一个p t a t 电压，适当选 取m 的值就可以得到一个与温度无关的电压。由于v e a l m 是二极管电压的一部分，因此电阻两 端的电压是硅带隙电压的一部分： 4 = v e a i m + = 聊 ( 2 2 5 ) 式( 2 2 5 ) 中，v b g 是硅的带隙电压。最终得到的输出电压为： - - ( v 口g m x i + r 3 r 。) ( 2 2 6 ) 近年来，随着基准电压源在高频电路中的广泛应用，电源抑制特性的研究成为基准电压源研究 中的一个重要领域。 2 2 带隙基准电压源温度补偿 在半导体工艺的各种不同的器件参数中，双极型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 0 s 器件的许多参数已被考虑用于 基准产生，但是双极电路仍是形成这类电路的核心。 带隙基准电压源的基本原理是利用双极犁晶体管基区一发射区电压嗷有负的温度系数，而不 同电流密度偏置下的两个基区一发射区的电压差具有正的温度系数的特性，将这两个电压线性 东南大学硕： ：学位论文 叠加从而获得低温度系数的基准电压源。如图2 1 l 所示。 图2 11带隙基准电压源的温度补偿原理 2 2 1 双极型晶体管蚝e 的温度特性 双极型晶体管集电极的电流密度可以表示为： 如= 警e x p ( 韵 晓2 7 ， 式中如为三极管的集电极电流密度，g 表示基本电荷量，d 。为电子的平均扩散系数，却表示基区 电子的平衡浓度，表示基区宽度，时旨热电压( 降船徇，后为玻尔兹曼常数，劝绝对温度) 。 基区电子的平衡浓度，韧可以表示为： p 0 ：拿：罢拿既p ( 一。_ ) 2 有2 百唧l 叫6 0 j 式中d 是与温度无关的常数，t 是绝对温度，姒是受主浓度， 式( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 可以得到电流密度的表达式为： 厶= 器胛e 文学 ( 2 。2 8 ) 玩。是禁带宽度约等于1 1 2 e v 。由 ( 2 2 9 ) ：彳丁，以p f 盥1 l ，7 ( 2 3 0 ) 式中的彳= q _ 矾毫d ，是一个与温度无关的常数，矾幸是轨与温度无关的常数部分，由于以和 温度有关，所以式( 2 2 9 ) 中的7 和式( 2 3 0 ) 中的3 稍有不同。考虑在温度而时刻的电流密鹿觅， 到： 州t o r e 即【- 卺。叱o ) j 晓3 ， 结合式( 2 3 0 ) 、( 2 3 1 ) 可以得到： 去= 唧 乱毕一半 他3 2 ， 进一步推导可以得到： 巩旧 + 了y k t n ( 争) + i k t n ( 爿旺3 3 ， 设如与温度的r 有关，进一步推导式( 2 3 3 ) 可以得剑： 2 。+ 号( 。一。卜旷口) 等m ( 丢) 。2 “， 我们不难看出。第一项是与温度无关的常数，第二项是关于温度的一阶项，第- u - 项是关于温度 的非线性项。如果将第三项进行泰勒展开我们就可以得到： b 2 a o + 口1 t + a 2 t 2 + 口3 r 3 + + 口n t ” ( 2 3 5 ) 式q h l 拘a o ，a l , 是与温度无关的常数。经验表明，在温度t = 3 0 0 k i 拘w 候，e 的温度系数大 约为一1 5 m y 。c 。 2 2 2 温度补偿实现方法 1 一阶补偿 对于两个t 作在不相等的电流密度下且面积比为，l 的双极晶体管，如果它们的t 艺参数都一样， 如图2 1 2 ，那么可以得到它们的基极一发射极电压的差值e 的表达式为2 4 1 ： = 一：= 巧1 n 等一巧l i l 击2 _ l n 嬲 其中即是聊，则a e 与温度成正比关系a 取七= 1 3 8 0 6 6 2 x 1 0 2 切，q = 1 6 0 2 1 8 9 2 1 0 1 9 c ，可得吩的温度系数约为： ( 2 3 6 ) 丝：生+ o 0 8 7 聊矿。c o t g( 2 3 7 ) 图2 1 2 正温度系数电压产生电路 通过调节，l ，l 的值可调节a e 的温度系数，与e 相叠加抵消式( 2 3 5 ) 中的口，t 项。这种补偿 方法仅能补偿e 中关于温度的一阶项，冈此称为一阶补偿或线性补偿。一阶补偿的温度系数一般在 1 0 - - - 2 0 p p m 左右，对于温度稳定性要求不高的系统，一阶补偿已能满足要求，而对于温度稳定性 要求较高的系统还需通过高阶补偿来实现。 2 高阶补偿 1 9 8 0 年t s i v i d i s 在文献 2 5 中对e 的温度模型进行了详细推导，得到了e 关于温度哟精确模 型，其表达式为： 1 3 东南火学硕- 学位论文 ( 丁) ：( 丁) 一( 吾) ( ) + ( 吾) ( c ) 一( 刁一o ) ( k r ) l n ( 吾) ，i ， q ， ( 2 3 8 ) 其中乃为参考温度，玎为迁移率的温度冈子，p 为集电极电流的温度因子，为硅的带隙电压， 它也是一个与温度有关的量。 每一次理论的突破必然带来技术的革新! 继该文之后应运而生了许多带隙基准电压源的高阶补 偿技术。 ( 1 ) 利用两个偏置在具有不同温度系数的集电极电流的双极型晶体管的e 具有温度高 阶项的高阶补偿技术2 6 】【2 7 】【2 8 】。( 2 ) 利用v o s 的温度高阶项的高阶补偿技术【2 9 】【3 0 1 。( 3 ) 利用与温 度成非线性关系的电阻的高阶补偿技术【3 1 1 。 ( 4 ) 利片j 双极型晶体管的电流增益冈子口与温度成指数 关系的特性的指数补偿技术3 】【3 2 】。( 5 ) 利用具有温度系数的电阻的串并联得到温度高阶项的高阶补 偿技术【1 0 】【3 3 】【3 4 】。 3 其他补偿技术 还有一种简单有效的补偿技术称为分段补偿技术3 5 1 ，其原理是将输出电压随温度变化分段补偿， 一般的一阶补偿的方法仅有一个参考温度t r ，对温度进行适当的分段后，在不同的温度段各设有一 个参考温度t r i ，对每一段进行一阶补偿从而降低误差人小。 目前c m o s ，b i c m o s 和b i p o l a r - - 种工艺f 带隙基准电压源达到的最好的温度特性分别为 5 3 p p m 。c 3 3 1 ，1p p m c 3 4 1 ，0 5p p m 。c 3 6 1 。( 均为测试结果) 。 2 3 带隙基准电压源电源抑制 2 3 1 电源抑制定义 电源抑制是用来衡量电路对电源噪声抗干扰能力的指标。对于具有输入信号的模拟模块，用电 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 ) 的概念，其定义为输入到输出的增益与电源电压到 输出的增益的比值，公式表达式为： p s r r ：型 a d d ( 2 3 9 ) 其中聃铷= o ，