帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

1、（東南大學(xué)集成電路學(xué)院）1. 基準(zhǔn)電壓源概述基準(zhǔn)電壓源(Reference Voltage)是指在模擬電路或混合信號(hào)電路中用作電壓基準(zhǔn)的具有相對(duì)較高精度和穩(wěn)定度的參考電壓源，它是模擬和數(shù)字電路中的核心模塊之一，在DC/DC，ADC，DAC以及DRAM等集成電路設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用。它的溫度穩(wěn)定性以及抗噪性能影響著整個(gè)電路系統(tǒng)的精度和性能。模擬電路使用基準(zhǔn)源，是為了得到與電源無(wú)關(guān)的偏置，或是為了得到與溫度無(wú)關(guān)的偏置，其性能好壞直接影響電路的性能穩(wěn)定。在CMOS技術(shù)中基準(zhǔn)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)，著重于公認(rèn)的“帯隙”技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)高電源抑制比和低溫度系數(shù)，因此成為目前各種基準(zhǔn)電壓源電路中性能最佳、應(yīng)用最廣泛的電

2、路?；贑MOS的帯隙基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)可以有多種電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。常用的包括Banba和Leung結(jié)構(gòu)帶薪基準(zhǔn)電壓源電路。在綜合考慮各方面性能需求后，本文采用的是Banba結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)具有功耗低、溫度系數(shù)小、PSRR高的特點(diǎn)，最后使用Candence軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。2. 帯隙基準(zhǔn)電路原理與結(jié)構(gòu)1. 工作原理帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)硅材料的帶隙電壓與電源電壓和溫度無(wú)關(guān)的特性，通過(guò)將兩個(gè)具有相反溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行線性組合來(lái)得到零溫度系數(shù)的電壓。用數(shù)學(xué)方法表示可以為：，且。1) .負(fù)溫度系數(shù)的實(shí)現(xiàn)根據(jù)雙極性晶體管的器件特性可知，雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。推導(dǎo)如下：對(duì)于一

3、個(gè)雙極性器件，其集電極電流，其中，約為0.026V，為飽和電流。根據(jù)集電極電流公式，得到： (2.1)為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)保持不變，這樣： (2.2)根據(jù)半導(dǎo)體物理知識(shí)可知： (2.3)其中b為比例系數(shù)，m3/2，Eg為硅的帶隙能量，約為1.12eV。得到： (2.4)所以： (2.5)由式(2.2)和(2.5)，可以得到： (2.6)通常小于，所以和溫度負(fù)相關(guān)。從式(2.6)可知，的溫度系數(shù)本身與溫度有關(guān)，如果正溫度系數(shù)表現(xiàn)出一個(gè)固定的溫度系數(shù)，在恒定基準(zhǔn)的產(chǎn)生電路中將會(huì)產(chǎn)生誤差。2).正溫度系數(shù)的實(shí)現(xiàn)若兩個(gè)雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極-發(fā)射極電壓差值就與絕對(duì)溫度成正比。

4、如圖2.1所示：圖 2.1 正溫度系數(shù)的產(chǎn)生電路 (2.7)因此可實(shí)現(xiàn)正溫度系數(shù)： (2.8)當(dāng)T=300K時(shí)，n可以由多個(gè)雙極性晶體管并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。3) .通過(guò)正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的疊加可以消除整個(gè)電路的溫度系數(shù)，具體方法見(jiàn)下節(jié)中的基本結(jié)構(gòu)。2. 基本結(jié)構(gòu)利用放大器兩個(gè)輸入端的電壓相近就可以很方便得將正負(fù)溫度系數(shù)特性結(jié)合起來(lái)，如圖2.2：圖 2.2 基本帶隙電壓源產(chǎn)生電路這里放大器以X和Y端為輸入，驅(qū)動(dòng)R1和R2電阻的上端，假設(shè)放大器為理想運(yùn)放，可以使得X點(diǎn)和Y點(diǎn)穩(wěn)定在近似相等的電壓。基準(zhǔn)電壓可以通過(guò)放大器的輸出端得到。根據(jù)對(duì)圖2.2的分析，不考慮運(yùn)放的失調(diào)電壓情況下，所以得到輸出電壓為： (

5、2.9)同時(shí)得到： (2.10)根據(jù)前面的分析，如果適當(dāng)?shù)倪x擇n、R2和R3的值就可以使得，此時(shí)可近似認(rèn)為輸出電壓與溫度無(wú)關(guān)。實(shí)際上因?yàn)榈臏囟认禂?shù)本身與溫度有關(guān)，所以實(shí)際得到的電壓僅在預(yù)設(shè)溫度鄰近區(qū)域內(nèi)才能看作與溫度無(wú)關(guān)，在其他溫度下仍有一定影響，并非完全與溫度無(wú)關(guān)。3 Banba結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖3.1為Banba結(jié)構(gòu)的完整電路結(jié)構(gòu)圖。圖 3.1 Banba 結(jié)構(gòu)完整電路圖組成：第一部分為啟動(dòng)電路，主要由MSA，MSB，MSC三個(gè)管子的性能來(lái)決定電路的自啟動(dòng)；第二部分為放大器，采用二級(jí)Mille電路，并且從帶隙部分獲得偏置電流；第三部分為電路核心的帶隙部分。Banba結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：1) .在傳統(tǒng)的帶

6、隙基準(zhǔn)電路中（如之前介紹的基本結(jié)構(gòu)），輸出電壓Vref在1.25V左右，這就限制了電源電壓在1V以下的應(yīng)用，而這個(gè)結(jié)構(gòu)的Vref通過(guò)兩個(gè)電流的和在電阻上的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)：一個(gè)電流與三極管的VBE成正比，另一個(gè)與VT成正比，產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流通過(guò)MOS管M3鏡像到輸出電流，再通過(guò)輸出負(fù)載電阻R4決定輸出參考電壓（在保證MOS管正常工作的范圍內(nèi)），方便改變所需產(chǎn)生的電壓值；2) .放大器中采用Miller補(bǔ)償可以增加穩(wěn)定性，采用PMOS管作為差分輸入。由于放大器在電路中起的作用是保證1、2電壓的相等，對(duì)核心部分沒(méi)有影響，所以此結(jié)構(gòu)仍是Banba的思想；3) .啟動(dòng)電路使電路節(jié)點(diǎn)處于簡(jiǎn)并狀態(tài)時(shí)也可以自動(dòng)進(jìn)入

7、正常工作狀態(tài)，其自啟動(dòng)方法是采用一個(gè)額外的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雖然增加了元件數(shù)，卻能使制造和啟動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化許多。 具體分析：為了便于分析，圖3.2是Banba結(jié)構(gòu)電路的基本結(jié)構(gòu)。圖 3.2 Banba 結(jié)構(gòu)帶隙基準(zhǔn)圖3.2中，假設(shè)M1，M2，M3管的寬長(zhǎng)比相同，則有： (3.1)由于運(yùn)放的作用，所以 (3.2)那么基準(zhǔn)電壓Vref就可以得到， (3.3)與式(2.9)相比，只要調(diào)節(jié)R4/R2的比值，就可以方便的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的值。同時(shí)也可以推導(dǎo)出此時(shí)Vref的溫度系數(shù)： (3.4)2. Banba結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 帯隙部分的設(shè)計(jì)T=300K時(shí)，Is=4.3e-18A，。取n=100，R3=100K，

8、 (3.5) (3.6)代入式(2.6)得到，。由式(3.4)，令，所以 (3.7) (3.8)n=100，R3=100K時(shí)，得到R2=422K。所以： (3.9)要求Vref=1.8V，則R4=633K。流過(guò)MOS管的電流為： (3.10)M1，M2，M3管的尺寸： (3.11)帶隙電路中的放大器主要作用是使兩個(gè)輸入點(diǎn)的電平相等，所以只要增益足夠就可以了，另外為了防止振蕩，相位裕度也要足夠，其他指標(biāo)不是特別重要。圖3.3是運(yùn)放的核心部分。各部分作用：MA1、MA2為第一級(jí)差分放大，MA6為第二級(jí)放大，MA5、MA7從帶隙部分偏置電流分配給放大部分MOS管。Cc為密勒電容，將主次極點(diǎn)分離，也可

9、增大相位裕度。圖3. 3 二級(jí)Miller補(bǔ)償CMOS運(yùn)算放大器直流開(kāi)環(huán)電壓增益：()單位增益帶寬： (3.13)根據(jù)電流的關(guān)系，確定各個(gè)MOS管的寬長(zhǎng)比。放大器的偏置電流來(lái)自于帶隙部分的輸出電流，由式(3.10)可知，偏置部分得到的電流為2.8u，為了減小功耗，取流過(guò)MA5的電流為偏置電流2倍，即MA5的尺寸為M1兩倍，而MA7為M1尺寸的8倍以上。放大器的具體參數(shù)見(jiàn)表3.1，寬長(zhǎng)比單位um。表3.1 二級(jí)運(yùn)放器件參數(shù)M1M5M2M6M3/1M7M4/1Cc1p3. 自啟動(dòng)電路只要運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益足夠高，輸出電壓就相對(duì)獨(dú)立于電源電壓。但是，如果Vx和Vy均等于零時(shí)電路進(jìn)入簡(jiǎn)并狀態(tài)，電路將永遠(yuǎn)無(wú)

10、法工作，所以必須增加自啟動(dòng)電路去除簡(jiǎn)并狀態(tài)。如圖3.4所示，由三個(gè)MOS管形成開(kāi)啟電路。圖3. 4 啟動(dòng)電路工作原理：由于PMOS管MSA的柵極接地，所以MSA始終導(dǎo)通，這樣使得S點(diǎn)電平升高，S也是MSB管的柵極，因此MSB管導(dǎo)通，它的漏極（即啟動(dòng)點(diǎn)）電平降低，這樣如果啟動(dòng)點(diǎn)為PMOS柵極，該P(yáng)MOS管就導(dǎo)通了，電路可以開(kāi)始工作。最后還必須使MSB脫離，當(dāng)電路開(kāi)始正常工作時(shí)，MSC管開(kāi)啟，這樣就再次使S節(jié)點(diǎn)電平下降，MSB管由此關(guān)斷，脫離了啟動(dòng)部分。由于MSA常導(dǎo)通，對(duì)于功耗是一種浪費(fèi)，所以要使流過(guò)MSA的電流盡量小，可以設(shè)計(jì)的時(shí)候使MSA的W小于L，具體還需經(jīng)過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證。最終參數(shù)：WSA=

11、0.22u LSA=10u; WSB=0.5u LSB=0.5u; WSC=0.5u LSC=0.5u 4 電路結(jié)構(gòu)仿真和調(diào)試本節(jié)使用candence軟件，基于TSMC的0.35mm工藝對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步的仿真和調(diào)試。電路如圖4.1所示。圖 4.1 Banba結(jié)構(gòu)的電路仿真圖1. 溫度系數(shù)調(diào)整實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，輸出電壓Vref的溫度系數(shù)在原始參數(shù)下變化很大，這是因?yàn)橛?jì)算時(shí)將所有器件考慮為理想狀態(tài)，這在實(shí)際電路仿真中是不可能的，實(shí)際MOS管和晶體管都有計(jì)算時(shí)難以考慮的二級(jí)效應(yīng)，電容、電阻等也非理想。所以要對(duì)影響溫度系數(shù)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，才能達(dá)到最優(yōu)溫度系數(shù)。另外一個(gè)重要影響是運(yùn)放的失調(diào)電壓，實(shí)際運(yùn)放的開(kāi)

12、環(huán)增益是有限的并非無(wú)窮大，所以Vx和Vy的電壓不會(huì)完全相等。所以，在實(shí)際電路中對(duì)Banba結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)修改，使用兩級(jí)PNP管串聯(lián)。如圖3.1中，根據(jù)理論分析得到式(4.1)。 (4.1)M1管的寬長(zhǎng)比m越大，M1管通過(guò)電流鏡得到的電流越大，失調(diào)電壓Vos的影響越小。溫度系數(shù)還和電阻R2/R3比值有關(guān)。1).先對(duì)M1管的寬長(zhǎng)比進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖4.2。圖 4.2 M1管不同寬長(zhǎng)比下輸出電壓隨溫度變化曲線為了更直觀的顯示最好的寬長(zhǎng)比，根據(jù)PPM計(jì)算公式(4.2) (4.2)使用cadence里面的計(jì)算工具得到圖4.3，圖4.3 M1管不同寬長(zhǎng)比下的PPM值。2) .對(duì)電阻R2/R3的值進(jìn)行掃描。

13、這里將R3=100K固定，R2的值變化范圍200K-300K粗掃。結(jié)果如圖4.4。圖4.4 R2值200K-300K時(shí)的輸出電壓對(duì)應(yīng)的PPM值如圖4.5，圖4.5 R2值200K-300K時(shí)的PPM通過(guò)粗掃發(fā)現(xiàn)R2在240K-250K時(shí)的PPM最小。然后將R2掃描范圍設(shè)置在240K-250K精確掃描結(jié)果如圖4.6，圖4.6 R2值240K-250K時(shí)的輸出電壓對(duì)應(yīng)的PPM值如圖4.7，圖4.7 R2值240K-250K時(shí)的PPM。所以，當(dāng)M1管的寬長(zhǎng)比為18u/0.5u，R2/R3=244K/100K時(shí)，電路的PPM最好。通過(guò)對(duì)電源電壓進(jìn)行掃描，得到不同電源電壓情況下的輸出電壓變化情況，如圖4

14、.8。圖4.8 Banba結(jié)構(gòu)的可工作電源電壓范圍從左到右依次為100，70，40，10，-20，-50?？梢园l(fā)現(xiàn)溫度越低，需要的電源電壓越高。不同溫度下，輸出電壓穩(wěn)定性很高。電路采用了自啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，可以使電路脫離簡(jiǎn)并狀態(tài)，如圖4.9。圖4.9 輸出電壓的瞬態(tài)曲線輸出電壓隨時(shí)間的波動(dòng)性很小。PSRR為電源抑制比，用于衡量輸出電壓對(duì)于電源噪聲的抑制作用，帯隙基準(zhǔn)電路的主要應(yīng)用就是電壓的準(zhǔn)確性，肯定要比原來(lái)的電源電壓更加精確，因此對(duì)電源的抑制比直接決定了帶隙電路性能的好壞。測(cè)量方法：在電源上加上交流電壓大小1V，測(cè)量此時(shí)的輸出電壓，其值為電源抑制比。結(jié)果如圖4.10。圖4.10 Banba電路

15、的PSRR1-1Khz：PSRR=-40dB 10Khz：PSRR=-38dB100Khz：PSRR=-23dB 1Mhz：PSRR=-5dB電路在低頻式具有很好的電源抑制比，但是高頻時(shí)不是很理想。本文對(duì)帯隙基準(zhǔn)電路進(jìn)行了四種工藝角仿真：tt，ss，fs，sf。測(cè)得的溫度系數(shù)(PPM)值如表4.1。表4.1 不同工藝角下仿真的PPM值工藝角溫度系數(shù)/ppm/ttssfssf五總結(jié)本文以Banba結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，提高了電路的PPM，使用TSMC35mm工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)帯隙基準(zhǔn)電路。電路性能如表5.1。表5.1 帯隙基準(zhǔn)電路性能電源電壓5V溫度范圍-50-100功耗輸出電壓溫度系數(shù)P

16、SRR-40dB帯隙基準(zhǔn)電路的整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用的結(jié)構(gòu)也是常見(jiàn)的方式。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)電路參數(shù)，優(yōu)化溫度系數(shù)，盡量減小PPM。另外放大器和啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也是整個(gè)電路的關(guān)鍵部分，自啟動(dòng)電路電路是以前未曾接觸過(guò)的內(nèi)容。存在問(wèn)題：1) .電路的電源抑制比PSRR不是很大，只有-40dB。根據(jù)參考文獻(xiàn)中的分析，可以達(dá)到-100dB。但是通過(guò)掃描電路參數(shù)，始終無(wú)法得到更大的電源抑制比。經(jīng)過(guò)分析，可能的原因是放大器的性能限制了電源抑制比，因?yàn)樵O(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)對(duì)放大器的性能考慮不夠多。2) .本文采用的Banba結(jié)構(gòu)仍然屬于一階帯隙基準(zhǔn)電路，雖然PPM已經(jīng)達(dá)到性能要求，但是現(xiàn)在已經(jīng)有二階溫度補(bǔ)償帯隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)，原理是引入一股與溫度成平方關(guān)系的電流，既補(bǔ)償了低溫階段的基準(zhǔn)電壓，又補(bǔ)償了高溫階段的基準(zhǔn)電壓，大大提高了基準(zhǔn)電壓源隨溫度變化的穩(wěn)定性。二階溫度補(bǔ)償帯隙基準(zhǔn)電路可以很好的控制基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)，增大電源抑制比，由于時(shí)間限制沒(méi)有進(jìn)行設(shè)計(jì)。3)