电压基准源调研报告.docx

电压基准源调研报告报告人： Vic Yu时间：2016.06.27目录1基于MOSFET的电压基准源2基于BJT的电压基准源1基于MOSFET的电压基准（不带BJT的电压基准）与基于BJT器件的基准相比，基于MOSFET的基准在PVT无关性上具有明显的劣势，但是仍然有很多人进行锲而不舍的研究，这是因为，一是它适应低压低功耗的潮流，二是它省面积。1.1对迁移率和阈值电压进行温度补偿例如，工作在饱和区下的MOS管栅源电压和MOS管阈值电压分别为：其中，K为常数，n为1.5左右，迁移率具有负温度系数。因此该式的第一项为正温度系数；而VTH为负的温度特性。因此前后两项加权相加可以得到零温度系数的基准电压，在这种方法下，MOS管可以工作在饱和区，也可以工作在线性区。优点：管子可以工作在线性区和饱和区；缺点：若工作在线性区，受工艺抖动影响大。1.2工作在弱反型区的VGS差值（正）与VGS（负）进行温度补偿处于弱反型区（亚阈值区）的两个MOS管VGS与二极管电压具有相似的温度特性： 因为MOS管的阈值电压为负温度系数，因而使得处于弱反型区的MOS管的VGS为负温度系数；两者加权相加可获得零温度系数的基准电压。该种方法中，VGS差值的管子必须处在弱反型区。优点：由于管子工作在亚阈值区，比较容易实现低功耗；缺点：受工艺抖动影响比较严重，并且管子亚阈值区模型不准确。1.3将具有同样温度特性的参数进行加权相减利用两个阈值电压具有相同性质的温度特性（同是正温度特性或者同是负温度特性）MOS管，将分别正比于这两个阈值电压的参数进行加权相减，获得零温度特性的电压基准。采用该种方法的电压基准，其工作管不用处在亚阈值区，可以处于饱和区。例如，同是增强型的管子NMOS和PMOS的阈值电压分别为：上式中，n和p是与温度无关的常数。因此，可以通过对NMOS和PMOS的开启电压进行加权相减，消去温度项，得到与零温度系数的电压。另外，也可以采用增强型管子和耗尽型管子，进行加权运算获得零温度系数的基准电压。优点：管子不用工作在线性区，从而减小了工艺漂移的影响；缺点：若采用耗尽型管子，则需要增加工艺成本。2基于双极型晶体管（BJT）的电压基准2.1二极管电压的温度特性若PN结二极管电压（或双极晶体管的基极-发射极电压）处于正向偏置区，流过二极管（或双极晶体管的集电极）的电流与二极管电压（或基极-发射极电压）呈指数关系，即：若取温度为T0时的VBE电压为VBE0，则有：其中，VG0是温度为0K时二极管电压，为1.2V，T表示热力学温度，是与工艺相关的参数，取值范围为3.64，x是二极管电流与温度相关的特性（IC=DTx，其中D为与温度无关的常量，对于与温度成正比的电流而言，x=1）。二极管典型温度系数大约为-2.2mV/。分别对VBE求一次导和二次导：由此可以分别知道VBE温度曲线：是递减函数；斜率递减的，是凸函数。 2.2基于二极管（双极晶体管）电压基准源基于二极管电压（基极-集电极电压）的基准源可以实现：零阶电压基准源：未进行温度补偿，温漂性能为1.55mV/；一阶电压基准源：抵消一阶分量，温漂性能为50100ppm/（0.050.1mV/）；二阶或高阶（曲率校正）电压基准源：进行了二阶或更高阶分量的抵消，温漂性能低于50ppm/。2.2.1零阶电压基准源齐纳管实现的电压基准源【例】常见的齐纳二极管击穿电压为5.58.5V，正温度系数，温漂性能为1.55mV/。二极管电压基准源1【例】输出电压值0.7V左右，负温度系数，温漂性能约为-2.2mV/。二极管电压基准源2【例】输出电压为：综上，零阶电压基准源的优点：电路设计很简单，占用面积小；零阶电压基准源的缺点：随工艺漂移较大，温漂太大。2.2.2一阶电压基准源齐纳电压基准源【例】若齐纳二极管温漂为+5.5 mV/，而二极管温漂为-2.2m V/，则需要2.5个串联的正向偏置的二极管电压（2.5*（-2.2 m V/）=-5.5 mV/）进行补偿。输出电压基准为：优点：设计简单，版图面积小；缺点：随工艺漂移大，输出电压高，电源电压要求高。带隙电压基准源（电压模）【例】正温度系数电流：输出电压：基极-集电极电压VBE温度系数约为-2.2 mV/，热电压VT温度系数为+0.086 mV/。优点：PVT特性好；缺点：输出电压固定为1.2V，不适合低电源电压下工作。带隙电压基准源（电流模）【例】输出电压：优点：PVT特性好，适合低电源电压下工作；缺点：设计较为复杂，电路启动更为困难（与电压模带隙基准相比）。2.2.3曲率校正基准源二阶曲率校正技术【例】输出基准电压为：优点：缺点：电路设计复杂，成本较高。与温度相关电阻比例技术（二阶曲率校正）【例】输出基准电压为：其中，R1，R2，R4为type1型的电阻，R3为type2型的电阻，且Rtype1/Rtype2=+TC。优点：电路简单，成本低廉；缺点：两种类型的电阻失配较大，可能需要增加修调位数，工艺依赖性很强。二极管环路技术【例】非线性补偿电流、与温度无关电流、输出基准电压分别为：优点：适合在低电源电压下工作；缺点：静态电流较大。补偿技术【例】NPN晶体管正向偏置电流增益具有指数关系的温度特性，也就是说，随着温度的提高双极型器件导电能力更强：输出基准电压分别为：将Vref1或Vref2公式中两个高次项进行泰勒展开：从二者的二阶导数可以看出，前者是凹型函数，后者是凸型函数，因此可以进行二阶补偿。优点：电路简单；缺点：。分段线性电流模技术【例】 非线性电流为：与温度无关电流：优点：电路较为简单；缺点：随工艺漂移较大。非线性匹配校正技术【例】非线性校正电压：优点：电路较为简单；缺点：随工艺漂移较大。精确补偿方法【例】输出基准电压为：接近与4，所以（-4）近似为0。优点：实现了近似精确的补偿；缺点：不适合高电源电压下工作。2.3电源电压抑制和线性调整性能线性调整（Line Regulation）性能是输入电源电压直流变化导致基准源输出稳态变化的情况；而电源电压抑制（Power Supply Rejection）是针对小信号而言的。提高线性调整的通用技术都可以应用到对PSR