（电路与系统专业论文）高精度基准电压源的设计.pdf

摘要 摘要 目前，各种科学技术迅猛发展，许多先进的技术进入我们的日常生活，很多 以数字技术为基础的无线通信产品陆续出现，而且原来传统的模拟信号商品许多 也都采用了数字技术，可以说我们生活的世界是一个模拟信号和数字信号互相转 换的世界，我们生活中不仅仅使用到了模拟信号，还使用到了数字信号。各种模 拟信号通过模数转换器转换成数字信号，各种数字信号也通过数模转换器转换成 模拟信号，模拟信号和数字信号再经过各种处理后变成我们能够认识的各种信 息，比如说图画和声音。所以，我们在很多地方都需要使用到数模转换器和模数 转换器。对于集成电路来说，基准电压源是它的一个非常重要的组成单元，在数 模转换器和模数转换器以及各种无线通信产品中基准电压源是一个必不可少的 组成部分，它的温度稳定性与抗嗓声干扰能力对整个电路的性能和精度起到了至 关重要的作用，可以说基准电压源的性能好坏就是整个电路性能的好坏。因此， 设计一个性能优异的基准电压源的作用可以说十分重大，基准电压源作为高精度 高稳度的电压源，是具有很大发展前途的特种电源，将会有越来越多的人去研究 它，关注它，设计它。 本文首先介绍了基准电压源的在各个领域的应用以及发展趋势，指出了课题 的研究意义。接着介绍了c o m s 的结构，模型和相关工艺库的内容。随后介绍 了基准电压源指标、基本原理、分类、基本结构和温度补偿的方式，通过对各种 类型基准电压源的优点和缺点的比较，确定选用带隙基准源。然后，根据相关理 论，设计出带隙基准电压源电路，包括带隙基准电压源电路核心部分、运算放大 器、偏置电路和启动电路。最后，本设计采用0 1 8 mc s m c - h jn 阱c m o s 工 艺模型库，并应用h s p i c e 软件对电路进行仿真，工作电压1 8 v ，在一2 0 0 c 1 0 0 。c 范围内，温度系数可以达到6 1p p m 。c ，输出随电源电压的变化小于l m v ， 电源抑制比为- - 7 9 8 d b 。仿真结果表明，本论文的设计的基准电压源电路符合最 初的设计目标。 关键词：c o m s ；温度补偿；带隙基准电压源；运算放大器；电源电压抑制比； 温度系数； a b s t r a c t a bs t r a c t a tp r e s e n t ，av a r i e t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ta n dd i g i t a lc o n s u m e r p r o d u c t s b a s e do nt h ed i g i t a l t e c h n o l o g y a r ee m e r g i n ge n d l e s s l ya n dt h e y v e i n c r e a s i n g l yb e c o m et h eh o tp r o d u c t si nt h em a r k e t b e s i d e s ，t h et r a d i t i o n a la n a l o g p r o d u c t ，s u c ha s t h et e l e v i s i o ns e t ，h a sa l r e a d yd e v e l o p e dt h ed i g i t a lp r o c e s s i n g f u n c t i o n n o ww e a r el i v i n gi nt h ew o r l dw h e r et h ea n a l o ga n dt h ed i g i t a ls i g n a la r e i n t e r c h a n g a b l e o n l yt h r o u g ha d ，c a nv a r i o u sk i n d so fa n a l o g sr e a l i z e t h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，a n do n l yt h r o u g hd a ，c a nv a r i o u sk i n d so fd i g i t a ls i g n a l sc h a n g e i n t os o u n d ，i m a g e ，a n ds o m eo t h e ri n f o r m a t i o nh u m a nb e i n g sc a np e r c e i v eb ym e a n s o ft h ea p p r o p r i a t ea d j u s t m e n ta n da m p l i f i c a t i o n t h e r e f o r et h ea dc o n v e r t e ra n dt h e d ac o n v e r t e ra r ew i d e l yu s e d t h eb a n d - g a pv o l t a g er e f e r e n c e ，a ni m p o r t a n t ( u n i t ) m o d u l ei nt h ei n t e r g r a t e dc i r c u i t ，p l a y sas i g n i f i c a n tp a r ti nt h ea dc o n v e r t e r , t h ed a c o n v e r t e ra n dt h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i t i na d d i t i o n ，i t st e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n d a n t i n o i s ec a p a b i l i t ya r ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o n v e r s i o na c c u r a c yo f a da n dd a ， e v e na f f e c t i n gt h ea c c u r a c ya n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m a sar e s u l t ， d e s i g n i n gag o o db a n d - g a pv o l t a g er e f e r e n c ei so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a sa h i g hs t a b i l i t yv o l t a g er e f e r e n c e ，t h eb a n d - g a pv o l t a g ei sap r o m i s i n gs p e c i a li n t e g r e t e d c i r c u i t t h i sp a p e rw i l lf i r s t l yi n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f r e f e r e n c ev o l t a g es o u r c ei ne x t e n s i v ef i e l d s t h em e a n i n g so ft h i ss t u d ya r ea l s o i n v o l v e d t h e ni tw i l li n d i c a t et h es t r u c t u r e ，m o d e la n dr e l e v a n tt e c hf i l eo fc m o s a f t e rt h a t ，t h ep a p e rw i l lp r e s e n tt h ep a r a m e t e r , u l t i m a t ep r i n c i p l e ，c l a s s i f i c a t i o n ，b a s i c s t r u c t u r ea n dt h em e t h o do ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no ft h er e f e r e n c ev o l t a g es o u r c e t h ed e t e r m i n a t i o nt oa p p l yc e r t a i nb a n d g a pr e f e r e n c ei sm a d eb yt h ec o m p a r i s o no f t h em e r i ta n dd e m e r i to fv a r i o u sr e f e r e n c ev o l t a g es o u r c e s a sf o rt h ef o r t hs t e p ，t h i s p a p e r w i l lg i v et h ed e s i g n i n gc i r c u i to fr e f e r e n c ev o l t a g es o u r c ei nl i g h to fc o r r e l a t i v e t h e o r i e s t h ec o r es e c t o ro ft h e b a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g es o u r c e ，o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r , b i a s i n gc i r c u i ta n dt h es t a r t i n gc i r c u i tw i l la l s ob ei n c l u d e di nc o r r e s p o n d i n g s t e p f i n a l l y , t h i sd e s i g nw i l l u s et h et e c hm o d e lf i l eo fn 。w e l lc m o so 18 m i i a b s t r a c t c s m c h j ，a l s oa p p l yt h eh s p i c es o t h v a r ef o rt h es i m u l a t i o no ft h ec i r c u i t t h e w o r k i n gv o l t a g ei s1 8 v t h et e m p e r a t u r ef a c t o rw i l lb ea b l et or e a c ha s6 1p p m 。c ， w i t ht h et e m p e r a t u r er a n g i n gf r o m 一2 0 0 ct oi0 0 。c t h er e s p o n s eo ft h eo u t p u t v o l t a g et ot h ec h a n g eo fs o u r c ev o l t a g ei sl e s st h a nl m v v t h ep s s ri s - - 7 9 8 d b t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ed e s i g n i n gc i r c u i to ft h er e f e r e n c ev o l t a g e s o u r c ei nt h i sp a p e rc a np r o p e r l ya c c o r dw i t ht h ei n i t i a ld e s i g n i n gt a r g e t k e yw o r d s ：c m o s ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，b a n d g a pr e f e r e n c e ，o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r , p o w e rs u p p l yv o l t a g er e j e c t i o nr a t i o ，t e m p e r a t u r ef a c t o r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究意义 目前，各种科学技术迅猛发展，许多先进的技术进入我们的日常生活，很 多以数字技术为基础的无线通信产品陆续出现，而且原来传统的模拟信号商品 许多也都采用了数字技术，可以说我们生活的世界是一个模拟信号和数字信号 互相转换的世界，我们生活中不仅仅使用n - f 模拟信号，还使用到了数字信号。 各种模拟信号通过模数转换器转换成数字信号，各种数字信号也通过数模转换 器转换成模拟信号，模拟信号和数字信号再经过各种处理后变成我们能够认识 的各种信息，比如说图画和声音。所以，我们在很多地方都需要使用到数模转 换器和模数转换器。对于集成电路来说，基准电压源是它的一个非常重要的组 成单元，在数模转换器和模数转换器以及各种无线通信产品中基准电压源是一 个必不可少的组成部分，它的温度稳定性与抗嗓声干扰能力对整个电路的性能 和精度起到了至关重要的作用，可以说基准电压源的性能好坏就是整个电路性 能的好坏。因此，设计一个性能优异的基准电压源的作用可以说十分重大，基 准电压源作为高精度高稳度的电压源，是具有很大发展前途的特种电源，将会 有越来越多的人去研究它，关注它，设计它。 1 2 基准电压源的研究现状和发展趋势 r j w i d l a r 在1 9 6 5 年就提出了u ：一k t l o g e7 j - “- ，并由此获得了具有 q jc 2 正温度系数的电流。随后，根据p n 结电压的负温度系数的特点，r j w i d l a r 又提出了= + 等a 和鸶笋i = 等一等+ 等- n 皇一。，也就 是采用线性补偿的方法得到基准电压，这一类的基准源我们称之为带隙基准源。 但是因为p n 结电压和温度是非线性关系，因此在进行线性补偿时，要想在很 大的温度范围内得到零温度系数的基准电压是很困难的。 最近几年来，随着c m o s 工艺技术飞快的发展，学术界及工业界已经开 始重点关注芯片集成技术的发展。由于电路结构的更加复杂化，对模拟电路基 高精度基准电压源的设计 本模块，如模数转换器和数模转换器等电路提出了更高的要求。它的技术发展 主要表现在以下几个方面【2 】： 1 低温度系数的基准电压源 对于精度要求较高的地方，主要使用低温度系数的基准电压源，例如说用 于高精度的数模转换器和模数转换器结构等。般来说，一阶温度补偿的带隙 基准电压源的温度系数是2 5 , - - - - 4 0 p p r n 。c ，因此，在设计低温度系数的基准电压 源的时候，一般要经过高阶温度补偿。现在比较流行的高阶温度补偿技术有线 形化v b e 的技术，指数曲线补偿技术等。 2 低电压工作的基准电压源 目前手提设备的使用越来越广泛，因此对低电源的要求越来越多，也越来 越高，在低电源条件下工作的基准电压源已经成为现阶段基准电压源设计的热 点。因为老式的基准电压源它们的工作电压通常都是在1 2 v 左右，要想带隙基 准电压源工作电压低于1 2 v ，在设计中过程中就必须采用特别的电路结构。采 用特殊的电路结构后，工作电压的限制主要来源于运算放大器的工作电压，不 同运算放大器的电路结构是主要的制约因素。 3 高电源抑制比的基准电压源 在模数混合电路中可能存在的数字电路产生的噪声以及高频噪声对模拟信 号将会产生非常严重的干扰，因此，这就需要基准电压源能够在比较大的范围 内具有良好的电源抑制比性能。， 1 3 研究内容 在模拟集成电路中，基准电压源是一个非常重要的组成模块，一个性能良 好的基准电压源应该满足一些要求，如在一定变化的范围内与工艺参数变化、 电源电压变化以及温度变化没有关系，在数模转换器和模数转换器中，一个低 温度系数与抗干扰能力强的基准电压源作用十分重要，直接影响到整个系统的 性能，本文设计的基准电压源，基于t s m c 0 1 8 1 a m c o m s 工艺，在1 8 v 的电 源电压下，根据温度分段线性补偿原理，设计一个高精度和低温漂的基准电压 源。 第二章c o m s 工艺和模型 第二章c o m s 工艺和模型 金属一氧化物一半导体场效应管的概念起源于j e l i l e n f d d 申请的专利。 但是由于当时制造技术十分落后，c m o s 技术在较晚的时间才应用于实际生产 中，到了2 0 世纪6 0 年代初期，最早的产品都是n 型的。随后在2 0 世纪中期 发明的互补m o s 器件，引起了一场工业革命。c m o s 技术随后很快占领了市 场，c m o s 门只在开关期间消耗功率并且只需要很少的元器件，这也是c m o s 电路所具有的两个重要特点。另外，人们还发现，与其他类型的晶体管相比， c o m s 器件的尺寸很容易按比例缩小，而且，c m o s 电路因为需要很少的元件 因此具有较低的制造成本。紧接着c m o s 技术广泛应用于模拟电路设计，因为 它的制造成本较低，模拟和数字电路同时集成在一个芯片上，芯片的整体性能 得到改善，芯片的制造成本也变的更低，这些都使c m o s 技术更具有竞争力。 但是当时的c m o s 管与双极型晶体管相比，它噪声比较大，速度比较慢，这些 缺点使让它应用范围受到很大的限制。后来由于c m o s 技术可以让器件尺寸按 比例缩小，从而可以不断地提高了c m o s 器件的运行速度，在过去的几十年里， c m o s 管本征速度的增加超过了三个数量级，各项性能指标都超过了双极型晶 体管，因此，c m o s 管在模拟电路中使用越来越广泛。 2 1m o s f e t 的结构【3 l 金属一氧化物一半导体场效应管因为具有制造工艺简单、芯片体积小、器 件参数容易控制、成本低和耗能少等优点，在集成电路设计中应用十分广泛， 尤其是在大规模和超大规模集成电路设计中应用特别广泛。如图2 1 所示，m o s 管可以分为n m o s 管和p m o s 管两种类型。 以n 型m o s 器件为例，元件一般都是做在p 型衬底上的，两个n 区分别 构成漏极和源极，多硅区作为栅极，s i 0 2 层的作用是让栅极与衬底绝缘。在栅 氧下的衬底区里就会发生器件的有效作用。注意，在这种结构中，源极和漏极 是堆叠成的，源漏方向的栅尺寸叫栅长( l ) ，和他垂直方向的栅的尺寸叫做栅宽 ( w ) 。 高精度基准电压源的设计 g bs 多晶层 d t?氧化层t p + n +n + l e 扦 l a r a 。 p 型衬底 g b 图2 1an m o s 结构图bp m o s 结构图 n m o s 管和p m o s 管的电路符号如图2 2 所示 n m o s d s p m o s _ 芒 l 一一j l 一一 图2 2m o s 符号 在大多数c m o s 工艺中，p m o s 器件的性能都逊于n m o s 器件。比如说， 因为空穴的迁移率小，导致夸导和电流驱动能力都比较低；另外，对于给定的 偏置电流和器件尺寸，n m o s 晶体管输出电阻的阻值比较大，为运算放大器提 供了更加理想的电流源和更高增益。因此，如果可能，人们在使用中更倾向于 4 第二章c o m s 工艺荆l 模型 使用n m o s 器件，而尽量不使用p m o s 器件。 2 2c m o s 器件模型 2 2 1 大信号模型1 4 1 熟练的掌握大信号模型，可以有助于我们理解电路结构，并能进一步确定 器件的大小以及电路的静态工作点。以n o m s 为例，如图2 3 ( a ) 所示， 一 p 型衬底 g s 多晶层 d ? 氧化层 ，_ j 一 n + n + b s g 多晶层 d 十 v d 一 一、 氧化层 l l n + p 型衬底 ( b ) 图2 3 ( a ) 源极和漏极等电压时的沟道电荷 ( b ) 源极和漏极不等电压时的沟道电荷 当= 时，开始工作，一和反型电荷密度成正比关系。当时， 产生的沟道电荷密度大小为： q = 耿( 一) ( 2 1 ) 式中c o x 与w 相乘得到的数值表示单位长度的总电容。 与 高精度基准电压源的设计 如图2 3 ( b ) 所示，如果漏极电压比o v 大，沟道电势就会从源极的o v 变化到漏极的，而沟道和栅极之间的电压差就会从变化到- g ，那么， 顺着沟道x 点那个地方的电荷密度就等于： q d ( 工) = ( k 豁一k ，) 一巧w ) ( 2 - - 2 ) 式( 2 2 ) 中k 种表示为在x 点的沟道电势。 由，= q ，可得电流大小为 易= 一( 一k ，) 一) y ( 2 - - 3 ) 其中，载流子电荷为负值导致了负号的出现，沟道电子的漂移速度极为v 。相 对于半导体而言，v = 肛，其中e 为电场，表示为载流子的迁移率。由于 臣，) = 一d v i d x ，电子迁移率用t 。表示，可以推导出 l ：w c o x ( g s 一 )心挚(2-4)v(x)-l = 一 ) 心警 边界条件表示为v ( 0 ) = o 和v ( l ) = ，虽然v ( x ) 的值很容易获得，但是，d 才 是我们真正所需要的值。让式( 2 - - 4 ) 左右两边都乘以出，并对其积分，可得 已出= 瞅k ( 一k ，厂) 以d v ( 2 - - 5 ) 由于沿沟道方向的厶数值是常量，所以，d 可以表示为： 铲愉爿( 一v 兀) v o s7 1 却2 ( 2 _ 6 ) 其中l 用来表示沟道的有效长度。 由式( 2 - - 6 ) 可以推出结论，器件的导电能力是随着w l 的增大而增大。通 过计算甜d o g s ，发现在= 一时，d 可以取得最大值，其最大值为 ，懈= 矿1 。w 、k 一) 2 ( 2 - - 7 ) 其中w l 我们称之为宽长比，将过驱动电压定义为一。如果 一，我们就可以认为器件是工作在三极管区的。 ( 2 - - 6 ) , 1 1 ( 2 - - 7 ) 两个式子是模拟电路的基础，我们通过上面的两个式子 6 第二章c o m s 工艺和模型 可以看出电流l 和制造工艺常数以以及器件大小之间到底是什么关系，遵 循什么规律。需要特别提出的是，式子( 2 - - 5 ) 中的积分是建立在假设以和 是与x 处电压没有任何关系的基础上。 如果式( 2 - - 6 ) 中 ( 一) ，则有 以w ，、k 一) ( 2 - - 8 ) 也就是说，漏极电流与的成线性关系，而这种关系说明漏极和源极之问可用 一个线性电阻表示，该电阻阻值等于 耻忑瓤1 习 。c 矗二 【一) ( 2 9 ) 这样，c m o s 管就可以被当成由过驱动电压控制阻值的电阻 只要 ( 一) 时，在x 三处反型层终止，那么，器件就工作在饱和 通过以上的分析，对于饱和器件，我们再分析式( 2 5 ) ，由于幺是运动 电荷密度，式( 2 5 ) 左边的积分需要从x = 0 取到x = ，而等式右边积分则是 从k 。) = 0 到= 一，结果： i n = l p 。w l ( v o s 一) 2 ( 2 1 0 ) 从式( 2 1 0 ) 看出，如果近似等于l ，则，d 和v o s 没有任何关系。 对于p m o s 器件，式( 2 - - 6 ) 和( 2 1 0 ) 分别表示为 厶邓警p 此7 1 却2 ( 2 - - 1 1 ) 和 厶= 一矿1 。w 上、e 傩一) 2 ( 2 - - 1 2 ) 这里假设，d 从漏极流向源极，所以出现负号，而空穴沿着相反的方向移动，由 高精度基准电压源的设计 于空穴的迁移率是电子的1 2 到1 4 ，所以p m o s 管导电能力比较差。 c m o s 管工作在饱和区时，栅源过驱动电压控制了它的电流，所以为了表 示电压转换电流的能力我们就定义一个性能系数。由于在处理信号的过程中， 要考虑到电流和电压的变化，这个性能系数就等于漏电流的变化量除以栅源电 压的变化量，称之为跨导，并用g 。来表示，大小为 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) c m o s 管一般都工作在饱和区，因为这个时候它的跨导是保持不变的，这样可 以保持电路状态的稳定，并减少噪声干扰。 2 2 2m o s 小信号模型1 5 l 如果信号对偏置影响比较小，那么我们就可以用小信号模型来进行等效计 算。我们可以将大信号在工作点附近的工作状态近似就是小信号模型。由于在 许多模拟电路中，c m o s 管一般都是工作在饱和区的，我们就可以通过推导， 得到它的小信号模型。当晶体管是被当做开关使用的时候，根据式子( 2 9 ) ， 我们可以得到，元件的电容和线性电阻就近似等效于一个小信号模型。 如果我们让一个小的增量在偏置点上产生，并通过计算这一个小的增量对 其他参数引起的影响，我们由此来得到一个小信号模型。由于漏极电流与源极 以及栅极电压满足一定的关系，我们可以引入一个压控电流源，其大小可以表 示为g 。v s ，如图2 4 ( a ) 所示，这就是个理想的c m o s 的小信号模型。 里气 烈胁 第二章c o m s 工艺和模型 g s ( f 1 ) d g o r 厂一一丫勺 眠 r o 二。上一一 s ( c ) s 审眠中a v o s 一广一j g ( 卜一 d 咯 + v 音一一 ( d ) 图2 4 ( a ) 基本m o s 小信号模型 ，。荔篡 t ( b ) 用独立电流源来表示沟道长度调制效应 ( c ) 电阻来表示沟道长度调制效应 ( d ) 体效应用独立电流源表示 因为沟道长度的调节作用，漏极电流随着漏极一源极电压变化而变化，可 以用一个压控电流源来模拟这个现象，如图2 4 ( b ) 所示，但是，如果电流源 的电流值和它两端的电压满足线性关系，就可以用一个线性阻抗来等效该电流 源，如图2 4 ( c ) 所示。漏极和栅极之问的电阻阻值大小可由下式推导出： ，一a 一瓦 ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) 通过上面的分析，可以得出，输出电阻r o 影响着模拟电路的许多特性( 如放大 9 一l 了气 慨 i d 一 “ 一d 广一l弛 高精度基准电压源的设计 器的最大电压增益等特性) 。 衬底电势对阈值电压、栅极和源极之间的过驱动电压产生了影响，如果其 他端子电压不变的话，漏极电流是衬底电压的函数，也就是说，衬底就是另一 个栅极。这个关系我们可以通过连接栅极和漏极之间的电流源来模拟，它的电 流大小为g m 6 ，式中g 。6 = 8 1 d 8 。在饱和区，g 础可表示为： 舻丧 钢i w ( 吲( 一急) ld yd o 我们又有 监：一盟 a a 。考( 2 ，+ ) 1 因此 2 g m 焘 ( 2 1 9 ) 式中r = g 。6 g 。由此可见，g m 6 和y 成正比关系。由( 2 2 3 ) 也可以看出， 当增大时，尽管体效应也在增大，但是已经变得不怎么明显。注意，g 。 和g r a b 都有一致的极性，也就是说，增大衬底电压和增大栅极电压两者效果 是一样。图2 4 ( d ) 表示的就是c m o s 的小信号模型。 2 3t s m cc m o s 器件特性 对一个电路设计者而言，首先必须要了解的是各个器件的特性、器件的制 作工艺及制作过程、其模型的建立原理，本论文采用t s m co 1 8 , u r n 的1 8 v c m o s 工艺库进行设计。 1 0 拗 勘 m 一 一 一 ，一 一一z 一 一 一 ( ( 第二章c o m s 工艺和模型 2 3 1n m o s 晶体管 在t s m c 0 1 8 a n c m o s 工艺中，电源电压为1 8 v ，n m o s 和p m o s 器件 的电路模型由图2 5 给出。m o s 管模型是由b s i m 3 模型给出的，模型中的各个 d j d b 和d j s b 由图2 - 6 给出了定义，其中n 为栅指个数，w 为每个指的栅宽。 相关参数见表2 1 。 g 图2 5r fn m o s 晶体管等效电路模型 d j s b - f _ a r e a 2f i n t ( n 2 ) - 1 1 聿驴l e 6 宰0 5 4 + 2 永 l e 6 奉0 9 7 【n i n t ( n ：? 2 ) 拳2 4 w 4 l e 6 木0 4 3 。l e 1 2 d j s b _ f _ p e r i 。 i n tn j 2 ) 一l 】州20 5 4 + 2 掌( 0 9 7 掌2 + w 掌l e 6 ) 斟- i n t ( n 2 ) 掌2 阳7 2 + w 8 l e 6 零l e 6 d j d b _ f _ a r e a2 【i i l t ( n ? 2 ) 誊w 术l e 6 + 0 5 4 + 【n m t ( n j 2 ) 术2 车w 车l e 6 术0 9 7 术l e 1 2 d j d b _ f _ p e r i2 i n t n 2 ) 帛1 。0 8 + n - i n t ( n ：2 ) 木2 辜( 1 9 4 + w 帛le 6 ) 书le 一6 d j s b g _ a r e a2 l e 一15 d j s b _ g _ p e r i2 n 车w d i d b g _ a r e a 2 l e 一1 5 d j d bgp e r i = n 奉w 图2 6o j d b 和d j s b 的几何公式 高精度基准电压源的设计 e l e m e n ts e a l i n ue q u a t i o nf n ：n u m b e ro fg a t ef i n g e r s ) m o sm o sm o d e lf r o mv 2 0m i x e d s i m l a is p i c em o d e l r d ( 购 o 0 0 5 4 1 7 + ( l 母l e 6 - 卜0 5 4 ) 奉( n d + 2 n d ) + o 0 9 2 9 卓( w 雌l e 6 + 2 9 4 ) n d + 1 6 2 5 , ( 1 4 3 + ( n d - 1 ) 卓( l 串1 亡6 + 0 5 毒” v c h e l cn d = i m ( f n + lv 2 ) r s ( 竭( o 0 3 2 5 峰f t 幸l e 6 + 0 5 4 ) + ( 2 4 n s + ln s 一3 ) + 8 6 6 6 n s + o 4 4 8 5 ) ( w 奉l e 6 ) w h e r en s = i n t ( n 2 1 ) r 譬( q 10 5 3 9 4 w n l + o 1 4 6 n ( l 宰l e 6 ) + 1 7 8 6 n + 5 8 4 9 宰l nw + 3 4 8 c 鼬m f f i r )1 6 4 9 4 n + f t 幸l e 6 + 0 。5 4 ) ( 0 1 枣w 4 1 e 6 + 4 o ) + 0 1 5 8 幸w 拿1 e 6 + 0 7 3 7 c 鲥址峦) 0 】s l 串n + l 奉1 c 6 + o 1 5 3 n + 0 3 3 l c d s _ m ( f f )o 0 7 1 3 + 0 0 8 4 2 牵n 卓w 宰l e 6 。( l 聿l e 6 + 0 9 ) 1 0 5 l 车n 毒f l 宰1 c 6 + 0 5 4 ) 。( w 卓1 e 6 + 9 8 ) r d b ( q ) 2 5 7 0 * l w j n 二 r s b 但) 2 5 7 0 l ，w n ；2 r b ( 锄( 2 5 7 0 牵i t1 2 + 4 5 9 7 奉1 8 42 ) 4 ( 2 5 7 0 枣w + l e 6 1 2 + 4 5 9 7 + 3 3 7 。2 ) l f 幸t 2 5 7 0 每i t1 2 + 4 5 9 7 4 1 8 42 ) w 木l e 6 奉( 2 5 7 0 事w 。l e 6 。一1 2 + 4 5 9 7 车3 3 7 2 ) ) y v h e l eh = n 枣f l 81e 6 + 0 5 4 ) + 4 ，6 6 c d b f f ) 1 5 9 r d b c s b ( f l r ) 1 5 9 r d b c b ( i f ) 1 5 9r b d j d b - f 旺) d j d b _ f _ a r e a 丰0 0 0 1 0 0 皋( 1 v d b0 6 8 8 3 ) 加_ 3 5 9 + d j d b _ f _ f r i * 2 0 4 e 1 0 f1 v d i ) o 6 8 8 3 ) 0 2 0 0 1 、 d j d b - g ( d d j d b _ g _ a r e a 4 0 0 0 1 0 0 4 ( 1 - v d b0 6 8 8 3 ) 挪3 3 + d j d b _ g _ p e r i 4 3 3 4 e 1 0 - - o - - 4 f 1 v d i ) 0 6 8 8 3 ) o 4 3 8 8 、 功s b _ f ( f ) d j s b _ f _ a r e a * 0 0 0 1 0 0 术( 1 v s b 0 6 8 8 31 司姗+ d j s b _ f _ _ p e r i 4 ：0 4 e = 1 0 奉 1 、t s bo 6 8 8 3 ) - 0 二0 0 4 d j s bg 汪) d j s b _ g _ a r e a * 0 2 0 0 1 0 0 每( 1 v s b0 6 8 8 3 ) 加j 四5 + d j s b j ) e r i * 3 3 4 c 1 0 奉 f 1 v 由o 6 8 8 3 1 0 埘8 8 、 2 3 2 电阻 表2 1n m o s 中的各分支元件 t s m co 1 8 p m 工艺所提供的电阻为r f 电阻，r f 电阻的应用范围如下表 所示。 wl s q s a0 。l8 u r n = w = 5i l l l l0 2 5 u m = l = l o o u m 1 = s q r t ：= 2 0 r p 011 1 1 1 1 = w = 5 u m2 u r n c ：= l 一= l5 i l l l l 2 = s q r 5 h 耻 1t l m ：= w = 5 u m2 u r n = l ( = 6 8 m u 2 杉，贝j i d = i o o ( w ) e x p ( 孑一等) 如图3 8 所示，晶体管电流可以表示为： i d l = i d 2 i d 3 = i d 4 由于g ：= g 。= 。，因此有 每i = 糌l 唧c 等， d 3呢 4一k 2 4 ( 3 1 4 ) 勺 一1 ) 一 一彬一彬 酣 畎 叫 懿 一岛暇一厶 叩 加 第三章基准电压源的原理和电路 肌k 讪糍 2 鲁 基准电压则可以表示成： = 是，6 + 5 ( 3 1 5 ) 然而 厶i 麓= 糕n c 糍， 协 代入基准电压的表达式可得： = r 禚1 n ( 糍) + s ( 3 - 1 7 ) 由于无法保证c m o s 管工作在亚阈值区，所以即使它的精度l y , 较高( 小于 1 0 0 p p m 。c ) ，但是它的应用范围仍然比较狭窄【1 8 】。 3 3 1 2 非线性温度补偿方法 非线性曲率补偿主要有利用电阻的温度特性进行高阶温度补偿，环路曲 率补偿和非线性曲率补偿1 9 】。 ( 1 ) 利用电阻的温度特性进行高价温度补偿 图3 9 利用温度有关的电阻的非线性补偿 2 5 曼堕堡苎竺璺竺翌型竺! ! 一 _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ i _ - - _ _ _ _ _ - 一。 这种方法是利用与温度有关的电阻来进行温度补偿2 0 1 。如图3 9 所示，电 流通过r 2 和r 3 ，这样就可以产生参考输出。 = ：+ ( 等) 坼h ( ) + ( 等) 1 n ( ) ( 3 1 8 ) ( 之) 和温度呈非线性关系。因为r l 和r 2 采用同种电阻材料，所以电阻 i n l 比例鲁和温度没有关系，y r 3 和r l 采用的电阻材料不同，高阻多晶硅电阻温 度特性是负的，所以百9 3 具有温度特性。我们可以通过调节堕r i 比值，来实现非 线性温度补偿，从而使输出和温度没有关系。 ( 2 ) 以。环路法 图3 1 0 土1 、路补偿的m 【= ! - n n n 图 在环路中，我们通过具有不同温度系数的电流，从而产生一个非线性 电流，并且将其作为补偿电流，电路结构如图3 1 0 所示 2 1 1 0 从图3 1 0 结构中 可以看出： 忙毕= 铷蓑，2 铷畿， 1 9 ) 其中，仁”一眦+ k 警+ 坚r 2 ，心为用来定义i p t t 的一a n 。 2 6 笙三童苎苎皇堡鎏塑堕墨塑皇堕 从式( 3 1 9 ) 中可看出，该补偿方法是利用i n c 的非线性特性来补偿v b e 洲b 线性特性。 由图2 1 4 可得输出基准电压v r e f 的表达式如下： = ( i , w + i e r a r + i v b e ) r l = 铷袅h 一等 ( 3 - 2 0 ) 这种补偿方式优点是可以获得的较高的精度，但是它的缺点是电路结构复 杂不容易实现。 ( 3 ) 分段非线性补偿 图3 1 1 产生i n l 的原理图 图3 1 1 所示就是得到补偿电流i n l 的结构原理图 2 2 o 经过m 2 的电流就应该 等于i p t a t 和i v b e 的差值，再由电流镜技术获得补偿电流i n l ，其工作原理可由 下式表示： ，f 0 ， ，。2 ，删 ( 3 - 2 1 气上2 1j 忍汀一，；粥，雕 k 。， 所以得到 ，f 0 ， ，删 ( 3 - 2 2 ) k - 一l ，胁。一，鲥、 ，j 眦 “7 、 用这种温度补偿方法，可以对由于温度升高从而导致，眦指数有所下降带 来的负温度系数情况进行改善，获得较低的温度系数。 2 7 壹整堡茎堡生垦堡箜堡生一 一 3 3 2 带隙基准电压源的基本原理和结构 3 3 2 1 带隙基准源的基本原理 带隙基准电压源电路的原理就是使u t 的正温度系数和的负温度系数一 起作用，抵消二者所产生的温漂。其原理框图如图3 1 2 所示! 图3 1 2 带隙基准源工作原理图 假设输出电压大小为，则： = 魄+ 茁以 v p e f = y b ej rk 酬b e 要想在一定温度下使输出的电压温度系数为零，需要做到： 簪b + a _ 百o a v 占e 忙旷。 将等式两边对温度t 求导，得： 韭：生l n ( 生) o t qc 2 将匕式代入( 3 2 3 ) 得： ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) 鱼地刊等+ k 等h c 每，_ 0 p 2 6 ， 令肚胁( 每) ，所以式( 3 - 2 6 ) 简化为 垡! t 二。堕+ ( 口一y ) 垃t o + k 缉t o 5 。 由该式解得k 值为： 2 8 ( 3 2 7 ) 第三章基准电压源的原理和电路 k ，：v g o - v 雎o - u r o ( a - r ) 阱。 将式( 3 - 2 8 ) 代入式( 3 2 3 ) ，得： ( 3 - 2 8 ) i t = t o 一- v a e o + k u r o = 。+ 。一。+ ( y 口) u r 。( 3 - 2 9 ) = 圪o + ( y 一口) u r o 将各值代入，可求得1 2 6 2 v 。 由于输出的电压近视等于硅的带隙电压，所以这种结构就就叫做带隙基准 电压源。从温度补偿的角度来看，可以看成为是一阶温度补偿。如果我们想要 获得更小的温度系数，我们就必须采用高阶温度补偿的方法，但这样做就会导 致电路结构更加复杂，所以我们在设计电路的时候，应该要考虑各个方面的因 素，选择最符合要求的电路结构。 3 3 2 2 带隙基准源的典型电路结构 1 w i l d a r 基准 w i d l a r 基准电压