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c m o s 带隙基准源的研究与实现 摘要 基准电压源是在电路系统中为其它功能模块提供高精度的电压基准，或由 其转化为高精度电流基准，为其它功能模块提供精确、稳定的偏置的电路。它 是模拟集成电路和混合集成电路中非常重要的模块。基准源输出的基准信号稳 定，与电源电压、温度以及工艺的变化无关。本文在研究带隙基准基本原理的 基础上，分别设计了三款c m o s 带隙基准电路。 第一款是应用于d a c 的带隙基准电路。该基准电路的核心采用了p n p 晶 体管串联来减小运放失调，运放采用的是具有高输入摆幅的折叠式共源共栅结 构，偏置电路采用了低压共源共栅电流镜和自偏置低压共源共栅电流镜等结构 来为整个基准电路提供偏置。本文基于s m i c0 3 5 1 x m 工艺模型库，采用h s p i e e 仿真工具对该基准电路进行仿真，仿真结果为：温度扫描从一4 0 ( 2 到1 0 0 * ( 2 ， 基准源的温度系数为1 5 7 p p m 。c ；电源抑制比在1 k h z 时为7 5 d b ，1 0 k h z 时仍 有5 8 d b 。仿真结果表明，该基准电路完全能在d a c 系统中正常工作。 第二款是应用于l d o 的带隙基准电路。该基准采用共源共栅电流镜结构来 获得高电源抑制比。本文基于s m i co 3 5 “m 工艺模型库，采用h s p i c e 仿真工 具对该基准电路进行仿真，仿真结果为：在1 k h z 时，电源抑制比为8 0 d b ，基 准源的温度系数为2 4 p p m * c ，静态电流小于4 9 a 。仿真结果表明，该基准电路 完全能在l d o 系统中正常工作。 第三款是针对高精度要求的低电源电压系统而设计的低温度系数低压带隙 基准电路。本文基于s m i c0 3 5 1 t m 工艺模型库，采用h s p i c e 仿真工具对基准 电路进行仿真，仿真结果为：当温度从一4 0 到1 0 0 扫描时，基准输出随温 度的变化仅为o 3 m v ，基准源的温度系数仅为2 1 4 p p m 。c 。当电源电压从1 2 v 到3 v 变化时，基准输出电压能正常工作。仿真结果表明，该基准电路完全能 在高精度要求的低电源电压系统中正常工作。 关键词：带隙基准电压温度系数 电源抑制比 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fc m o s b a n d g a pr e f e r e n c e s o u r c e a b s t r a c t av o l t a g er e f e r e n c es o u r c ep r o v i d e sh i g h - p r e c i s i o nv o l t a g er e f e r e n c ef o ro t h e r f u n c t i o n a lm o d u l e si nt h ec i r c u i ts y s t e m , o rh i 曲一p r e c i s i o nc u r r e n tr e f e r e n c ec a n t r a n s f o r m e df r o mi t i ti sav e r yi m p o r t a n tm o d u l ei nt h ea n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t sa n d m i x e d s i g n a li n t e g r a t e dc i r c u i t sd e s i g n n l eo u t p u ts i g n a lo f t h ev o l t a g er e f e r e n c ei ss t a b l e a n di ti si n d e p e n d e n to fs u p p l yv o l t a g e t e m p e r a t u r ea n dp r o c e s s 1 1 1 i st h e s i sd e s i g n e dt h r e e b a n d g a pr e f e r e n c e so nt h eb a s i so f t h e r e s e a r c ho f b a n d g a pr e f e r e n c et h e o r y n 圮f i r s tb a n d g a pr e f e r e n c ei su s e di nt h ed a c 1 1 1 ec o r eo f t h er e f e r e n c ec i r c u i tu s e d p n pt r a n s i s t o r si ns e r i e st or e d u c ea m p l i f i e ro f f s e t , a n dt h ea m p l i f i e ru s e dt h ef o i d e d c a s c o d es t r u c t u r et og e th i g hi 1 1 p u ts w i n g ，a n dt h eb i a sc i r c u i tu s e dt h el o w - v o l t a g ec a s c o d e c u r r e n tm i r r o rs t r u c t u r ea n dt h es e l f - b i a s e dl o w - v o l t a g ec a s c o d ec u r r e n tm i r r o rs t r u c t u r et o b i a st h ee n t i r er e f e r e n c ec i r c u i t i nt h et h e s i s ，w es i m u l a t e dt h er e f e r e n c ec i r c u i tb yu s i n g t h eh s p i e es i m u l a t i o nt o o lb a s e do nt h es m i c0 3 5 l i r ap r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r c t h a tt h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e mo f t h er e f e r e n c e si s1 5 7p p m * cw h e nt e m p e r a t u r es e a n e d f r o m - 4 0 。ct o1 0 0 * c a n dt h ep o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i oi s7 5d ba t1k h za n dt h e r ei s s t i l l5 8d ba t l 0k h z 1 1 他s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt i i er e f e r e n c ec i r c u i tc a nw o r k n o r m a l l yi n t h ed a cs y s t e m ， t h es e c o n db a n d g a pr e f e r e n c ei sa p p l i e dt ot h el d 0 t h er e f e r e n c cc i r c u i tu s e d c a s c o d ec u r r e n tm i r r o rs t r u c t u r et 0o b t a i nh i 曲p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o i nt h et h e s i s ， w es i m u l a t e dt h er e f e r e n c ec i r c u i tb yu s i n gt h eh s p i e es i m u i a t i o nt o o lb a s e do nt h es m i c o 3 5 p r np r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r et h a tt h ep o w e rs u p p l yr e j e e t i o nr a t i oi s8 0 d ba t l k h z ，a n dt h et e m p e r a t u r ec e e f f i c i e mo f t h er e f e r e n c ei s2 4 p p m c ，a n dt h eq u i e tc u r r e n ti s l e s st h a n4u a 1 1 坨s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e f e r e n c ec i r c u i tc a nw o r kn o r m a l l y i nt h el d o s y s t e m n l et 1 1 i r db a n d g a pr e f e r e n c ei sd e s i g n e df o rl o w - v o l t a g e - p o w e r - s u p p l ys y s t e mw i t h h i 曲p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t i nt h et h e s i s ，w es i m u l a t e dt h er e f e r e n c ec i r c u i tb yu s i n gt h e h s p i c es i m u l a t i o nt o o lb a s e do nt h es m i c0 3 5 p mp r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r et h a t w h e nt h et e m p e r a t u r es c a n sf r o m4 0 t o1 0 0 * c t h er e f e r e n c e so u t p u tc h a n g e so n l y0 3 m va n dt h er e f e r e n c e st e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti so n l y2 1 4p p m c a n dt h er e f e r e n c e c i r c u i tc a nw o r kn o r m a l l yw h e nt h ep o w e rs u p p l yc h a n g e sf r o m1 2 vt o3 v t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a t t h er e f e r e n c ec i r c u i tc a nw o r k n o r m a l l y i nt h e l o w - v o l t a g e p o w e r - s u p p l ys y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：b a n d g a p r e f e r e n c ev o l t a g 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 nr a t i o 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 _ 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 _ 8 图3 9 图3 1 0 图3 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 插图清单 带隙基准的基本原理图6 p t a t 电压产生电路8 简单带隙基准实现电路9 典型的一阶带隙基准1 1 d a c 的结构框图1 4 一个1 4 位分段式电流舵d a c 的结构1 6 带隙基准的主体电路1 7 基准电压与电流上的电路瞬变的影响1 9 几种常见的全差分运放2 1 运算放大器电路结构2 2 基本电流镜一2 3 共源共栅电流镜i i - 2 4 低压共源共栅电流镜、2 5 一种加偏置的低压共源共栅电流镜2 5 自偏置低压共源共栅电流镜2 6 偏置电路的结构2 7 运算放大器的幅频特性曲线2 8 基准输出随输入电压变化的交化2 8 电源抑制比特性曲线一2 9 基准输出与温度的关系曲线2 9 带隙基准的版图3 2 l d o 的典型结构3 3 带隙基准结构3 5 运放的幅频特性曲线3 6 基准输出电压与电源电压3 7 电源抑制比频率特性3 7 基准输出电压与温度的关系3 8 基准的总静态电流3 8 利用m o s 管亚闽区v i 特性的补偿的带隙基准电路4 0 利用不同材料电阻的温度系数进行曲率校正的带隙基准源4 0 指数曲率补偿方法原理4 1 v b e 线性化法原理电路4 3 分段补偿相关电路4 4 低温度系数低电源电压带隙基准电路一4 6 运算放大器电路4 6 运放的幅频特性4 7 基准输出随温度的变化曲线4 8 基准输出与电源电压变化的关系4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金蟹王些盘堂 或其他教育机构的学位或证l 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己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者酶瞿羧签字魄砷年2 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者躲瞿狻导师躲 签字日期：力0 7 年 2 月二；日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 瓷。云 l 签字日期：勿0 7 年f z 月矽日 电话： 邮编： 致谢 衷心感谢我的恩师梁齐老师和高明伦老师这两年多来对我的指导和关怀。 在整个研究生期间，一直得到两位老师的指导和亲切的关怀，无论是在学习工 作中还是在生活中，都给予了我很大的帮助。两位老师敏锐的洞察力、渊博的 知识、严谨的治学态度和一丝不苟的工作作风都给我留下了深刻的印象，这将 对我今后的学习工作产生深远的影响。在此表示深深的谢意。在这里还要感谢潘 剑宏老师对我的勉励以及生活上的关心。 衷心感谢尹勇生老师和邓红辉老师，感谢他们对我的悉心指导和无私帮助。 他们丰富的工作经验，对研究项目开拓性的指导都使我收益匪浅。 衷心感谢微电子设计研究所的所有老师和同学们的支持和鼓励。 衷心感谢我的家人，他们无私的支持和鼓励是我在学习和生活中永远前进 的动力。 衷心感谢所有关心和帮助过我的人。 作者：瞿美霞 2 0 0 7 年1 2 月8 日 第一章绪论 基准电路包括基准电压源和基准电流源，它在电路中提供电压基准和电流 基准。它具有稳定性好，对系统的操作环境( 如电源电压、工作温度、输出负 载) 变化不敏感的特点，可以为其它电路模块提供较为精确的参考点，因此它 是模拟集成电路和数模混合电路的不可缺少的基本单元电路i l 】。 基准电压源在电路系统中为其它功能模块提供高精度的电压基准，或由其 转化为高精度电流基准。对模拟电路系统而言，基准电压源的性能将直接影响 到整个系统的精度和性能，基准的任何偏差和噪声都会严重地影响其它电路的 线性度和精度。因此，系统的精确度在很大程度上依赖于内部或外部基准的精 度，没有一个满足要求的基准电路，就不能正确有效地实现系统预先设定的性 能。因此，如何提高基准源的性能和集成度一直是该领域人们研究的热点。 1 1 基准的几种主要类型 迄今为止，市面上推出的基准电压源根据其技术工艺不同大致可分为四种 类型：齐纳基准、掩埋齐纳基准、x f e t 基准和带隙基准 2 - 4 。 齐纳基准在这里指的是表层齐纳基准。齐纳二级管被反向击穿时( 齐纳击穿 或隧道击穿1 两端的电压具有正温度系数，而正向硅二极管具有负温度系数，在 一个反向齐纳二级管上串联一只正向二极管可以获得理论上的零温度系数，这 就是齐纳基准的工作原理。它的优点是成本低，封装小，工作电压范围宽。它 的缺点是功耗大，初始精度低，温度系数差，输入电压调整率不好，使用时需 根据供电电压和负载电流串接一个电阻为其提供恒定电流，以便保持输出电压 稳定。齐纳基准通常用于要求不高的场合，或用作电压钳位器。 掩埋型齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊齐纳二极管，这 是因为它采用了将击穿区植入硅表面以下的结构。掩埋齐纳基准则是由掩埋型 齐纳二极管构成的基准。它具有很高的初始精度，好的温度系数和长期漂移稳 定性，噪声电压低，总体性能优于其它类型的基准，故常用于1 2 位或更高分辨 率的系统中。掩埋齐纳基准通常要求至少5 v 以上的供电电压，并要消耗几百 微安的电流，功耗比较大，并且价格比较昂贵。 x f e t ( e x t r ai m p l a n t a t i o ni u n c t i o nf i e l de f l e e tt r a n s i s t o r x f e t ) 基准是一 种新型的电压基准，其核心是利用j f e t ( j u n c t i o nf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 设计 的，利用一对具有不同夹断电压j f e t ，将其差分输出电压放大以产生一个稳定 的基准电压。由于两个j f e t 中的一个j f e t 在制造时外加了一步离子注入工艺， 所以称为外加离子注入结型场效应管( e x t r ai m p l a n t a t i o nj u n c t i o nf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ) 基准电压源，简称x f e t 基准电压源。x f e t 基准静态电流很低，可 用于3 v 电压系统，并且仍能保持良好的性能。它有三项显著的特点：其一是在 相同的工作电流条件下，它的峰峰值噪声电压通常比带隙基准低数倍；其二是 x f e t 基准静态电流很低，但可以为负载提供的输出电流不是很低，并且输出端 不需要加去耦电容；其三是x f e t 基准具有极好的长期漂移稳定性。x f e t 基准 的性能水平界于带隙和齐纳基准之间，其缺点是需要特殊工艺来实现，成本较 高。 带隙基准电压源包括双极型带隙基准源和c m o s 带隙基准源，工艺条件 宽。带隙基准电压源的性能较其他基准有了很大的飞跃。带隙基准输出电压受 温度和电源电压影响小，并且其精度高。基准的初始精度、温度系数、长期漂 移、噪声电压等性能指标从低到高覆盖面较宽，适用于多种不同精度要求的系 统中。该类基准既有为通常目的设计的类型，也有静态电流小至几十微安，输 入输出电压差较低而适用于电池供电场合的产品，因而应用范围很宽。 综合来看，带隙基准性能良好，价格适中，是性价比最高的电压基准。 1 2 本文的研究背景和选题意义 集成电路中最先发展起来的是双极型工艺，所以双极型( b i p o l a r ) 工艺制 作出来的基准已经达到了很高的性能和精度。m o s 工艺在上世纪8 0 年代得到 长足的发展，9 0 年代以后c m o s 凭借其低功耗、高集成度和设计简便等特性 逐渐占领了数字产品市场。由于成本的下降和系统集成度提高的需要，人们更 倾向于用标准数字c m o s 工艺来生产高性能的模拟器件，因此近年来c m o s 带隙基准电压源的研究一直很活跃。 国内外对c m 0 s 工艺带隙基准电压源做了大量的研究，最新的技术进展主 要体现在以下几个方面。 低温度系数 低温度系数的电压基准源对于高分辨率的d a c 和a d c 尤其重要。对于一阶 补偿的带隙基准源，温度系数通常可以做到1 0 6 0 p p m 。c 。为了进一步降低带隙 基准的温度系数必须做高阶补偿。目前出现的高阶补偿技术包括利用m o s 管亚 阈区v i 特性的补偿的带隙基准电路【5 】、利用电阻的温度特性的曲率校正方法 【6 】、指数曲率补偿方法【7 1 、v b e 线性化法【s 】、温度分段补偿方法【9 1 等。 低电压工作的电压基准源 随着深亚微米集成电路技术的不断发展，集成电路的电源电压越来越低。 带隙基准电压在1 2 v 左右，所以一般的带隙基准源的工作电压至少在1 2 v 以上。 采用特殊电路结构的带隙基准源可以工作在1 v 左右【l0 1 。采用这些电路结构后主 要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，并最终受限于m o s 管的阈值电 压。 高电源纹波抑制比 随着射频集成电路和数字电路的发展以及带基准源在高频电路应用中的推 广，电源抑制比成为了基准源在高频及数模混合电路中的一个重要衡量标准 【l 。在数模混合集成电路中，数字电路的噪声可能对模拟电路产生不利的影响。 因此，在混合电路中电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源电压抑制 比性能。 低功耗 低功耗是衡量电路性能好坏的指标之一。作为集成电路的一个基本单元电 路，低功耗也一直是基准电压研究发展的一个方向。 c m o s 带隙基准电压源不但能够提供系统要求的基准电压或电流，而且具 有功耗很小、高集成度和设计简便等优点，广泛应用于模拟集成电路和混合集 成电路中。例如，它在电源切换管理器、低压线性稳压器、数模转换器、模 数转换器、射频电路、传感器电路和通信电路等电路中都是重要组成部分。 综上所述，选择c m o s 带隙基准电压源作为研究对象具有重要的理论研究 意义和实际应用意义。 本论文基于合肥工业大学微电子设计研究所的项目“1 4 位高速高精度数模 转换器的研究和设计”和大量参考文献，设计了三款用于不同领域的带隙基准 电压源。 1 3 本文的研究内容及结构 本论文课题来源于国家某部委预研项目“1 4 位高速高精度数模转换器的研 究和设计”。本文基于该项目和大量文献，分别设计了应用于d a c ( d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ) 中、应用于l d o 中和应用于高精度要求的低电源 电压系统中的三款c m o s 带隙基准电压源。 第一款是应用于d a c 的带隙基准电路。该基准的核心电路采用了p n p 晶 体管串联来减小运放失调，运放采用的是具有高输入摆幅的折叠式共源共栅结 构，偏置电路采用了低压共源共栅电流镜和自偏置低压共源共栅电流镜等结构 来为整个基准提供偏置。 第二款是应用于l d o 的带隙基准电路。该基准采用共源共栅电流镜结构来 获得高电源抑制比。 第三款是针对高精度要求的低电源电压系统而设计的低温度系数低压带隙 基准电路。 本文基于s m i c 0 3 5um 工艺模型库，采用了h s p i c e 仿真工具对所设计的 三款带隙基准电路进行仿真，结果表明，所设计的电路均达到设计指标。 本文的结构安排如下： 第一章，介绍基准电压源的功能、应用、类型及本文选题的目的和意义。 第二章，介绍基准的性能指标，阐述带隙基准的基本工作原理及影响基准 3 的主要因素。 第三章，简单介绍了d a c 的基本原理及性能参数，比较详细地分析了运 放和电流镜的几种类型，设计了一款应用在d a c 中的带隙基准，并介绍了版 图设计的相关内容。 第四章，介绍了l d o 的基本原理及特性参数，设计了一款基于l d o 的带 隙基准。 第五章，介绍了非线性补偿的几种方法及原理，设计了一款适用于低电压 高精度的电路系统的二次温度补偿电路。 第六章，论文工作总结与展望。 4 第二章带隙基准源的理论分析 设计基准电路的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的 直流电压或电流。除了电源、工艺、温度的不确定性外，基准产生电路的其它 一些参数也是十分关键的，如输出阻抗、输出噪声和功耗。 本章首先介绍了一下基准源的主要参数指标，然后开始研究分析带隙基准 的原理及结构，最后分析了影响带隙基准性能的几种主要因素。 2 1 基准源的指标 基准源的主要参数指标有： 温度系数t c ( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 指温度变化引起的输出电压的变化，一般用p p r a o c 来表示。温度系数反 映基准源在整个工作温度范围内输出电压最大值与最小值相对正常输出时的变 化。 电源抑制比 它是基准电压的交流特性参数，表示小信号情况下电源电压的变化量与基 准的变化量之比。 线性调整率 指直流情况下电源电压波动对基准的影响程度。调整率越小，基准输出电 压越稳定。它是基准电压的直流特性参数，与瞬时状态和纹波电压无关。 精度 指器件上电后输出电压与标称值的误差。一般在空载的条件下测量。在很 多应用中，精度是最重要的指标。 建立时间 指电源上电后，基准源输出达到正常值所需的时间。 负载调整率 指规定的负载电流的变化范围内引起的基准输出电压的变化。通常用 i t v m a 或p p m m a 单位表示。 噪声 基准输出电压中的噪声通常包括宽带热噪声和窄带1 f 噪声。宽带噪声可 以用简单的r c 滤波器有效的滤除。l f 噪声是基准源的内在固有噪声，不能被 滤除，一般在o 1 到1 0 h z 范围内定义。对高精度系统，低频的1 f 噪声是一个 重要的指标。 2 2 带隙基准源的基本结构及原理 与温度关系很小的基准电压或基准电流在许多模拟电路中被证实是必不可 少的。值得注意的是，因为大多数工艺参数是随着温度变化的，所以如果一个 基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。 值得注意的是，因为大多数工艺参数是随着温度变化的，所以如果一个基 准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。 如何产生一个对温度变化保持恒定的量呢? 如果将两个具有相反温度系数 的量以适当的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。带隙基准源的原理 就是使负温度系数和正温度系数相互抵消来达到温度补偿的目的。其原理如图 2 1 所示：其中v b e 具有负温度系数，而v t 的温度系数为正，将v b e 和v t 按 一定比例系数求和，即可得到零温度系数的基准输出v r e f 。 件v 畦 图2 1 带隙基准的基本原理图 下面将简要介绍正温度系数和负温度系数是如何产生的。 2 2 1 负温度系数电压的产生 双极晶体管的基极一发射极电压，或者更一般的说，p n 结二极管的正向电 压，具有负温度系数。 对于一个双极器件，可以写出i c = i s e x p ( v m ) ，其中v t = k t q ，饱和电 流i ；正比于聊，其中u 为少数载流子的迁移率，啊为硅的本征载流子浓度。 这些参数与温度的关系可以表示为：口o c p o t 4 ，其中m “一3 2 ，并且 砰o c t 3e x p _ 乓( k t ) ，其中e g , - 一1 1 2 e v ，为硅的带隙能量。所以 纠7 4 ”e x p 鲁 ( 2 1 ) 6 其中b 是一个比例系数。由于= 巧l i l ( ，c ) ，因此我们可以计算出基极一发 射极电压的温度系数。在对t 取导数时，应注意也是温度的函数。为了 简化分析，我们暂时假设七保持不变。这样 丝：盟l i l 生一生丝 0 1o i i s i s o t 由式( 2 1 ) ，我们有： 盟a t - 6 ( 4 圳p ”e x p 鲁朋“唧( 鲁) 奈) 所以 兰等叫圳等噜巧 由式( 2 2 ) 和式( 2 4 ) ，可以得到 号笋= 生th 芒一( 4 + m ) 堡t 一景k t a 丁 ，。 、7 2 。 ：垡二坚竺鉴二堡尘 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 给出了在给定温度下基极一发射级电压的温度系数，从中可以看出，它 与本身的大小有关。当a7 5 0 m v ，t = 3 0 0 k 时，a l o t z 一1 5 m v 。c 。此 外，我们看到温度系数本身与温度有关，如果正温度系数的量表现处于一个 固定的温度系数，那么在恒定基准的产生电路中就会产生误差。 2 2 2 正温度系数电压的产生 如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极一发射极 电压的差值就与绝对温度成正比。如图2 2 所示，如果两个同样的晶体管 ( 厶= 厶：) 偏置的集电极电流分别为，以和厶并忽略它们的基极电流，那么 = 1 一2 圳n 等圳哇 l i s l l l s t 7 ( 2 7 ) ( 2 8 ) = 以i n 疗 这样，的差值就表现出正温度系数 丝鳖；生l n 打 o t q ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 从式2 1 0 中可以看出，这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关。 图2 2p t a t 电压产生电路 2 2 3带隙基准基本原理的实现电路 d d 带隙基准的基本原理是利用晶体管基射结电压差的正温度系数去补偿晶体 管基射结电压的负温度系数，从而实现零温度系数，图2 3 所示是利用这个原理 实现温度补偿的带隙基准。 图2 3简单带隙基准实现电路 在图2 3 中的运算放大器使电路处于深度负反馈状态，从而使x 点和y 点 稳定在近似相等的电压，输出电压为： + 毕( 是 ( 2 又因为：l 一：= 巧i n n ( 2 1 2 ) 所以：= ：+ ( 巧i n n ) 0 + 詈) ( 2 1 3 ) 屯 这里由于v b e 2 的温度系数a 1 0 t 可看作负常数，v t 与绝对温度成正比，所以， 选择合适的n 、r 2 、r 3 就可以获得零温度系数，且该结果与电阻温度系数无关。 这里零温度系数的获得是基于理想情况分析的。而实际情况下，图2 3 所示电 路存在一些非理想因素，下面我们来一一进行分析讨论。 运放的影响 对于理想运放，当输入差模信号为零时，输出的差模电压也为零。而实际 中运放的特性并非如此，当输入差模电压为零时输出差模电压一般并不等于零。 运放输入失调电压v o s 的定义为：运放输出差模电压等于零时运放输入端的差 模电压。 由于实际的运放存在一定的失调电压v o s ，所以图2 3 中实际的基准输出 为： 9 = z 埚洲一v o w ) ( 1 + 等) ( 2 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 可知，失调电压被放大了( 1 + r ，r ，) 倍，在输出。中引入了 误差。更重要的是，v 。本身随温度变化，因此增大了输出电压的温度系数。 有很多方法可以减小运放失调的影响。首先，运放采用大尺寸器件并仔细 选择版图的布局可以使得失调最小【1 2 】。其次，将图2 3 中q l 和q 2 的集电极电 流比率可以置为1 1 1 ，使得v = v n 一v 矗：；v t m ( m n ) 。第三，电路的每个分支 可以采用两个p n 结串连的形式使v 矗增加一倍。当采用上面提到的后两种方 法时，式( 2 1 4 ) 变为： 、k 脐= 2 v 毫2 + 【2 v r l r l ( r 1 1 n ) 一、厂o s 】( 1 + r 2 r 3 ) ( 2 1 5 ) 对比这两个公式可以看到，改进后得电路将式2 1 4 中的v t i n n 增大到了 2 v t l n m n ，这样就减小了失调电压v o s 对精度的影响。 此外，开环增益有限也使v x v y ，但与失调电压的影响相比，开环增益的 影响要小得多。因为带隙基准中的运放是低频运放，增益做到上万倍是很容易 的，所以由它引起的误差可以忽略不计。运放的p s r r 的影响与开环增益的影响 是相同的，只要p s r r 足够大，它的影响同样可以不必考虑。 集电极电流的影响 在图2 3 中可以看出集电极电流i c 为v t i n n r 3 ，它是正比于t 的，而v b e 的负 温度系数为常数是在假设i c 不变的情况下推导出来的。这两点有些矛盾。在设 计基准时，精确模拟v b e 的温度系数有利于更好的预测零温度系数，获得较精 确的电阻比值，减小集电极电流的影响。 与c m o s 工艺的兼容性 在带隙基准电路中，正负温度系数的产生都离不开双极晶体管b j t 的指数 特性，所以，对于c m o s 带隙基准而言，必须能兼容具有这种特性的器件。 在r l 阱c m o s 工艺中，将n 阱中的p + 区作为发射区，n 阱本身作为基区，p 型 衬底作为集电区，则可以构成一个p n p 管。其中，衬底形成的集电区必然连接 到最低电位，保持衬底上m o s 管的源漏极二极管反偏。 反馈极性 在图2 3 中，由运放产生的反馈信号回到了自己的两个输入端。其中，返回 到正相输入端的反馈称之为“正反馈”，反之为“负反馈”。为了确保运放处于 深度负反馈，负反馈系数必须大于正反馈系数，最好前者为后者的两倍，以便 使电路在有电容负载时瞬态响应还能保持良好的性能。 2 2 4典型的一阶带隙基准电路 图2 3 中的电路实现在标准c m o s 工艺中是不可行的，因为p n p 管的集电极 1 0 没有接地。下面我们介绍一下实际应用中较为常见的一阶带隙基准电路。典型 的一阶带隙基准电路如图2 4 所示。 图中的运算放大器的作用使电路处于深度负反馈状态。q 1 、q 2 、q 3 是由n 阱和p 衬底形成的寄生纵向双极型晶体管b j t 。在这个电路中，可以看出基准输 出为： v 唧= + 恐警= + 马半( 2 1 6 ) 取合适的n 、r 1 、r 2 值，就可以获得零温度系数。考虑失调电压时，基准输出 为： n v r e f = p 矗口3 + 鲁 一圪h ) ( 2 图2 4 典型的一阶带隙基准 2 3 影响带隙基准性能的因素 实际情况中，会有一些因素对带隙基准的性能产生影响，影响输出基准电 压的精度。下面对几个主要因素进行分析讨论。 运放失调的影响 运放失调的影响在前面已经讨论过，这里不再对其进行分析讨论。 电阻匹配误差的影响 一般而言，普通c m o s 工艺难以做出十分精确的电阻，其误差可能达到最 小特征尺寸的2 0 。电阻失配必然会影响基准的精度。由式( 2 1 3 ) 可知，电阻 匹配误差6 对基准输出带来的影响为： ：孚嘶1 1 1 n k l ( 2 1 8 ) 为减小电阻匹配误差，可采取以下几点方法： 1 ) 选用多晶硅电阻。与阱电阻相较而言，高精度的多晶硅电阻更容易得到， 而且其阻值大小不受两端电压和槽调制效应( t a n km o d u l a t i o n ) 的影响。 2 ) 版图设计时需要仔细考虑及选用合适的匹配结构，需要时可加入d u m m y 电 阻，尽量选取等比例复制电阻单元，以确保良好的匹配。 3 ) 为进一步减小工艺偏差的影响，可以增大r l 的宽度。 电流镜失配引入的误差 如图2 4 所示，电流镜将电流i p t a t 复制到基准输出支路上生成v p t a t 电压， 而电压与v b e q 3 加起来形成零温度系数电压。可以看出，电流镜失配会给基准 的精度带来一定的影响。 镜像电流的失配主要由管子尺寸的失配、v t h 的失配和沟道调制效应等引 起。由于横向扩散和氧化层侵蚀等工艺因素的影响，m o s 管的沟道长度和沟道 宽度的比值的实际值与理想值会有一定的偏差，即使是相邻两个管子的宽长比 也会失配，减小这种影响的方法就是把管子的尺寸l 、w 等比例取大一些。此 外，m o s 管的漏源电流等于( 1 2 ) “。c o x ( w l ) ( v g s v t h ) 2 ，所以对于同样大小 的电流，减小w l ，则增大了v o s ，从而能减小v t h 失配的影响。由于沟道调 制效应对长沟道器件的影响比对短沟道器件的影响小，因此，模拟器件中的沟 道长度通常是工艺允许的最小长度的若干倍。但太大尺寸的器件容易引入较大 的寄生效应。因此，当管子尺寸较大时，我们将它分成较小尺寸器件的组合。 在一个并行m o $ 管的两侧我们会各加一条浮置多晶硅条来减小光刻腐蚀对最外 侧多晶条的影响，减小并行m o $ 管间的失配。 p n p 管集电极面积比的误差 p n p 管集电极面积失配相当于影响n 的精度，所以这种误差对输出的影响 与上面的电流匹配误差的影响类似。 p n p 管的b 和欧姆电阻的影响 实际晶体管的三个极都有与之串联的欧姆电阻，对c m o s 带隙基准来说， 基极串联电阻r b 的影响最大，因为c m o s 工艺里的纵向p n p 管的b 较小，流过r b 的电流较大，产生的电压降将直接反映在v b e 中，使晶体管的i v 特性曲线偏离 指数关系i ”】；发射极的串联电阻r e 可以等效到r i 、r 2 的偏差上去，最终可等 效为r 2 r 1 的偏差；集电极串联电阻的存在使v b c 0 ( r b 的存在也同样会使 v b c # o ) ，但因为i s 很小( 在l o 一1 4 数量级) ，其影响可以忽略。因此需要考虑的主 要就是基极串联电阻r b 和有限b 的影响。 r b 主要由基区体电阻、接触孔电阻和连线电阻组成，它与版图结构、接触 孔的位置和数量密切相关，其值可从数十欧姆到数百欧姆。 要减小基区电阻的影响，在r 2 与r 1 之比给定之后，应该： 1 ) 增大r i 、r 2 的绝对值； 2 ) 增大b ，这完全由工艺决定； 3 ) 减少q 3 的基极电阻，这可以通过在版图上多打通孔、加粗连线等来实现； 4 ) 使q 1 和q 2 尽量匹配，在版图上可以使用共质心式布局。 第三章一种应用于d a c 中的带隙基准源的设计 3 1 d a c 简介 d a c 是数模转换器的简称，它是将数字信号转换为相应的模拟信号的装 置，是数字世界和模拟世界的桥梁，是电子的数字领域和现实的模拟世界相连 接的关键。 随着通信、多媒体技术和图像处理技术的快速发展，数模转换器被广泛应 用于信号采集和处理、数字通信、自动控制和多媒体技术等领域，特别是对于 国防建设具有不可估量的作用1 1 4 1 引。 d a c 的基本构成如图3 1 所示，它由二进制数码元开关、基准电压源、加 权网络和输出放大器构成。当d a c 的输入是n 位的并行二进制码时，加权网 络结合二进制数码元开关对基准电压作用，二进制输入信号被转换成等价的电 压信号，再通过输出放大器将此信号变为被取样时数值不受影响的电压信号。 b n i b 2b ib o 图3 1d a c 的结构框图 输出电压v o u t 可以表示为： w = k f d ( 3 1 ) 其中，k 为比例因子，v r e f 为模拟参考电压，d 为输入数字信号： nl d = 岛矿+ 岛护+ + 既r = 鲁 ( 3 2 ) n = l 二 b 。的值由数字对应位的逻辑电平来决定为0 或者l 。式( 3 1 1 ) 又可写成： 。= k 鲁 ( 3 3 ) n 一1 厶 从式( 3 3 ) 中我们也可以看出，基准电压v r e f 对d a c 的影响也是很大的，它 直接影响了d a c 输出电压v o u t 的精度。 d a c 的参数基本上可以分为静态特性参数和动态特性参数两种。静态特性 参数包括：分辨率( 也叫位数) 、积分非线性误差i n l ( i n t e g r a ln o n 1 i n