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基准电压源广泛应用于电源调整器、A/D和D/A转换器、数据采集系统,以及各种测量设施中近年来,随着微电子技术的快速进展,低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一比如,在一些使用电池的系统中,要求电源电压在3V以下因此,作为电源调整器、A/D和D/A转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源,必定要求在低电源电压下工作在传统的带隙基准源设计中,输出电压常在
1.25V左右,这就限制了最小电源电压另一方面,共集电极的寄生BJT和运算放大器的共模输入电压,也限制了PTAT电流生成环路的低压设计近年来,一些文献力图解决这方面的问题归纳起来,前一问题可以通过合适的电阻分压来实现;其次个问题可以通过BiCMOS工艺来实现,或通过低阈值电压的MOS器件来实现,但工艺上的难度以及设计成本将提升基于上面的考虑,本文首先对传统的带隙电压源原理进行分析,然后提出了一种比较廉价且性能较高的低压带隙基准电压源,采纳电流反馈、一级温度补偿技术设计了低压CMOS带隙基准源电路,使其电路能工作在较低的电压下本文介绍这种带隙电压基准源的设计原理,给出了电路的仿真结果,并对结果进行了分析并基于CSMC
0.5pmDoublePolyMixProcess对电路进行了仿真,得到抱负的结果I低压COMS基准电压源设计
1.1传统的带隙基准源图1为带隙基准电压源的原理示意图双极性晶体管的基极-放射极电压VBE,具有负的温度系数,其温度系数一般为-
2.2mV/Ko而热电压VT具有正的温度系数,其温度系数在室温下为十
0.085V/K将VT乘以常数K并和VBE相加就得到输出电压VREF:将式⑴对温度T微分并代入VBE和VT的温度系数可求得K它使VREF的温度系数在理论上为零VBE受电源电压变化的影响很小,因而带隙基准电压的输出电压受电源的影响也很小传统带隙基准源结构能输出比较精确的电压,但其电源电压较高(大于3V),且基准输出范围有限Q.2V以上)要在
1.8V以下的电源电压得到
1.2V以下的精确基准电压就必需对基准源结构上进行改进和提高
1.2低压COMS基准电压源的电路设计本设计基于CSMC-
0.5pm-CMOS工艺(NMOS的阈值电压为
0.536VPMOS的阈值电压为-
0.736V)采纳一级温度补偿、电流反馈技术设计的低压带隙基准源电路如图3所示低压带隙基准源的电流不仅用于供应基准输出所需的电流,也用于产生差分放大器所需的电流源偏置电压,简化了电路和版图设计为了与CMOS标准工艺兼容,电路中PNP的ebc区分别采纳P+N-wellP-sub集电极接地Q2和Q1的放射极面积比为8:1流过Q1和Q2的电流相等,这样WBE等于VTIn8流过电阻R1的电流与热力学温度成正比三路镜像电流源使得流过P2P3P4的电流相等(11=12=13)通过调整R4的值,可以调整输出电压VREF的大小在电源电压变化时P2P3P4的漏源电压值保持不变,与电源电压无关,其栅极电压由运放调整为了降低电路的简单度,应用电流反馈原理,运放采纳简洁的一阶运放,由于VDD的变化多于GND的变化故运放的输入采纳NMOS的差分对结构由于整个电路在低压下工作,故整个电路设计的重点是要保证低压下运放的正常工作由于带隙基准源存在两个电路平衡点,即零点和正常工作点当基准源工作在零点时节点
1、2的电压等于零,基准源没有电流产生固需要设计一个启动电路,避开基准源工作在平衡零点本设计的启动电路由N
5、N6和P7构成当电路工作在零点时,N6管导通,快速提高节点
1、2的电压,产生基准电流,节点1的电压通过P7和N5组成的反相器,使N6管完全截止,节点
1、2的电压回落在稳定的工作点上,基准源开头正常工作电路的器件参数如表1所示,P2P3P4管的尺寸较大,是为了降低电路中的1/f噪声电流镜的负载管P5P6和差分对管NlN2的宽长比较大,以抑制电路的热噪声由于电路中的电阻值较大,故在工艺中用阱电阻实现电容CO有助于电路的稳定,同时还可以减小于运放的宽度,有助于降低噪声的影响2仿真与结果分析在Cadence设计平台下的Spectre仿真器中基于CSMC
0.5pmCMOS工艺模型对电路进行了仿真得到电路的温度特性曲线、直流电源抑制特性曲线、沟通PSRR特性曲线、启动时间曲线如图4所示各项仿真结果参数如表2所示3结语在应用典型CMOS电压基准源的基础上,综合一级温度补偿、电流补偿技术,设计了带隙电压基准源电路该带隙基准源电路的电源工作范围为
1.*V工作温度为-10~+130℃基准输出电压VREF为
650.5±
0.5mV温度系数可低至
2.0ppm/°C电源抑制比为-70dBo仿真结果证明白设计的正确性引言基准电压是集成电路设计中的一个重要部分,特殊是在高精度电压比较矍、数据采集系统以及A/D和D/A转换器等中基准电压随温度和电源电压波动而产生的变化将直接影响到整个系统的性能因此,在高精度的应用场合,拥有一个具有低温度系数、高电源电压抑制的基准电压是整个系统设计的前提传统量隙基谨由于仅对晶体管基一射极电压进行一阶的温度补偿,忽视了曲率系数的影响,产生的基准电压和温度仍旧有较大的相干性,所以输出电压温度特性一般在20ppm/℃以上,无法满意高精度的需要基于以上的要求,在此设计一种适合高精度应用场合的基准曳压源在传统带隙基准的基础上采用工作在亚阈值区MOS管电流的指数特性,提出一种新型二阶曲率补偿方法同时,为了尽可能削减电源电压波动对基准电压的影响,在设计中除了对带隙电路的镜相电流源采纳cascode结构外还增加了高增益反馈回路在此,对电路原理进行了具体的阐述,并针对版图设计中应当的留意问题进行了说明,最终给出了后仿真结果I电路设计1传统带隙基准分析通常带隙基准电压是通过PTAT电压和CTAT电压相加来获得的由于双极型晶体管的基一射极电压Vbe呈负温度系数,而偏置在相同电流下不同面积的双极型晶体管的基一射极电压之差呈正温度系数,在两者温度系数相同的状况下将二者相加就得到一个与温度无关的基准电压传统带隙电路结构如图1所示,其中Q2的放射极面积为Q1和Q3的m倍,流过QI~Q3的电流相等运算放大器工作在反馈状态,以AB两点为输入,驱动Q1和Q2的电流源,使AB两点稳定在近似相等的电压上假设流过Q1的电流为J有由于式5中的第一项具有负温度系数,其次项具有正温度系数,通过调整m值使两项具有大小相同而方向相反的温度系数,从而得到一个与温度无关的电压抱负状况下,输出电压与电源无关然而,标准工艺下晶体管基一射极电压Vbe随温度的变化并非是纯线性的,而且由于器件的非抱负性,输出电压也会受到电源电压波动的影响其中,曲线随温度的变化主要取决于Vbe自身特性、集电极电流和电路中运放的失调电压Vbe自身特性对曲率的影响最为严峻,所以要获得高性能的带隙基准电压,就必需对曲线的曲率进行校正在本设计中,针对Vbe的高阶温度特性进行了补偿,并通过引用共源共栅和反馈电路来优化带隙电路的电源电压抑制特性高性能带隙基准电路该设计的完整电路如图2所示,M6~M16电容C和电阻R4构成运算放大器;MIMS为放大器供应所需要的偏置电流;基本带隙部分由M13~M18QI~Q3以及R1和R2组成;M19M20R3构成二次曲率补偿电路,M21〜M28构成反馈放大反馈电路抑制电源波动,M29~M31完成电路的启动功能;最终由pwr实现电路的开关状态由文献0可知,二次曲率的校正可以通过不同温度系数的电阻来实现,即由于R1和R3具有不同的温度系数,对二者比值用泰勒公式绽开,有式中K1为R1的温度系数,为正值;K3为R3的温度系数,为负值二者的温度系数正负差异越大,曲率补偿的效果就越好当MOS管的栅一源电压接近于开启电压时,该MOS管就工作在亚阈值区此时,流过管子的电流与栅一源电压呈指数关系,其电流公式如下式中n为亚阈值斜率因子;IDO是一个与工艺有关的参数由图2可知,由于流过M19的电流与M15M17的电流相等,则有由式
4、式⑹〜式⑻整理得由于ml/nl所以R3和R2的温度系数差异得到了指数关系的放大,从而对Vbe3的二阶温度系数有了更好的补偿效果,而且该特性只需要1个N型MOS管实现,相对于文献⑶来说,节约了电阻的占用面积,很适合在工程上使用提高电源抑制电路与启动电路分析原则上来说,传统的带隙电路本身具有较好的电源抑制特性,其输出电压几乎与电源电压无关,但是目前工程上使用的MOS管大部分为亚微米器件,因而不行避开地产生二级效应主要是沟道长度调制效应和体效应对流过MOS管的电流I产生影响所以要得到一个精准的基准电压,必需引入额外电路,提高电路的电源电压抑制力量在该设计中,除了采纳cascode结构外,额外增加了M21〜M28来实现对电源波动的抑制,如图2所示带隙的核心电路电压由VI供应,当电源电压VDD提升时VI电平也将提升同时由M21~M24感应运放两个输入节点电位差并将其进一步放大,提升了M25的栅极电位,同时通过M26镜相电流的增大,使流过M25的电流增大,降低了M25的等效输出电阻,最终使VI电平降低明显放大器的增益越高,对电源波动的抑制越好由于电路存在两个偏置点,为了保证电路的正常工作,加入了M29~M31的启动电路当电源电压接通时,可能消失各支路电流为零的状况,电路处于非正常工作状态,此时输出电压也为O0由于M30和M31组成的反相器使M29的栅极电位变为高,故M29将导通并向电路注入电流,使电路启动恢复正常工作状态,此时电路输出电压为高,M29栅极电位变为0M29关断,所以对电路正常工作不会产生影响电路中pwr主要掌握电路的开关状态,当pwr接高/低电平常,电路处于关/开状态2版图设计最终版图设计如图3所示,在该设计中版图设计需要留意的主要问题是保证器件之间的匹配和对称,匹配的器件布局要紧凑,并尽可能保证四周环境的全都性,例如,运放的输入差分对M8和M
9、同材料电阻R1和R2等由于运放的失调对电路的性能影响较大而电阻的失配也会对输出电压的温度特性产生影响此外,构成电流镜的MOS管之间保持对称性在该设计中也是至关重要的为了抑制沟道长度调制效应,在该设计中,MOS管的沟道长度取工艺允许的最小长度的两倍最终,在面积和性能之间取一个折衷关系,将Q1与Q2的面积之比定为8:lo3后仿真模拟结果该电路设计主要采纳TSMCCMOS
0.18/pm工艺,使用CadenceSpectre进行仿真,并用calibre完成版图的参数提取后仿真输出电压随温度的变化如图4所示从图中可以看到,在温度-40〜+120(范围内,电压仅变化O.39mV温度系数约为
3.3ppm/℃0基准电压随电源电压的变化如图5所示电源电压从
2.7〜
3.3V变化范围内,输出的基准电压变化在18pV左右4结语采纳
0.18pm标准CMOS工艺设计了一个应用于高精度要求场合的基准电压源,采纳一种新的二阶补偿方法对传统带隙进行了改进,并加入反馈电路来提高电路的电源电压抑制特性结果表明,输出电压的温度系数仅为
3.3ppm/°C在电源电压
2.7~
3.3V波动范围内,输出电压波动为18|jV而且电路的二阶补偿部分仅用了3个器件,节约了设计面积,很适合实际工程的使用,具有很大的有用价值。