复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准.ppt

1、带隙基准,改进的电流源 与电源无关的偏置 带隙基准 正温度系数 负温度系数 PTAT电流源的产生 实例分析,改进的电流源,问题的提出,对简单的电流镜电路，考虑沟道长度调制效应后，引入了电流的复制误差。误差由有限的输出阻抗决定,方法：提高输出阻抗,例,改进的电流源,带源极电阻的电流镜,考虑衬偏效应,例,改进的电流源,共源共栅电流镜,令,因为衬偏效应相同， 则： 设计,输出阻抗增加,改进的电流源,相同的摆幅问题,例,改进的电流源,威尔逊电流源,通过反馈使输出阻抗增加,改进的电流源,利用增益提升技术,例,mirror A (Sackinger 1990,改进的电流源,mirror B (Martin

2、 1994,改进的电流源,大摆幅电流源,若M3和M2在饱和区，则,取,近似地,例如，取,显然，摆幅可以增加,改进的电流源,注意M5的栅极偏置电压,同时,是可以保证的,上述偏置使M2和M3处在饱和与线性区的边缘,若,则，M5栅极电压足够使M3和M2处在饱和与区,若,使,可保证M3和M2处在饱和区,另外： M1和M4 比M2和M3的漏源电压大。设计的沟道长度大,偏置电路,简单的偏置电路和Vdd相关连,以第一幅图为例,偏置电路,偏置稳定的思路：使Iout反馈至Iref。若Iout和VDD无关，则,Iref和VDD无关,如图，采用威尔逊电流源 电流满足,电流是任意的，必须加入约束,偏置电路,电流和电源

3、无关，和电阻有关。 当沟道长度效应很小时，电流和电源的依赖性很小。 电路有另一个稳定点： 必须加启动电路。 电路在上电时，启动电路驱动偏置电路摆脱“简并”偏置点,如图：M3-M5-M2-Rs提供了一条电源 到地的通路，使M2和M3工作,M2和M3导通后,M5被关断，不影响偏置电路的正常工作,偏置电路,例：分析启动电路,上电时，M5、M6 off,M5 on 导致电路脱离简并点。 M6 导通使X点的电压下降，最终 使M5关断,分析关键点： 使M5 off,在复杂的电路中，可能有多个简并点，需要仔细分析,偏置电路,和大摆幅电流镜结合，可以有效减小由于有限输出阻抗引起 的误差，同时不影响信号的摆幅。

4、提供共源共栅电路的偏置,偏置电路,Q1Q4 是共源共栅NMOS电流镜，Q5提供二极管偏置,Q6Q9 是共源共栅PMOS电流镜，Q14提供二极管偏置。 Q5的电流由共源共栅偏置回路Q10、Q11提供，同样， Q14的电流由共源共栅偏置回路Q12、Q13提供,启动电路 Q15-Q18,bias loop off , Ii = 0, Q17 off, Q18 on VG5=VG6 , Q15, Q16 ON Q6Q9 ONQ10-Q11 ONQ5 ON Q1-Q4 ON When bias loop on , Q17 ON VG5=VG6 , Q15, Q16 OFF,电路中的回路：偏置正反馈回路、

5、启动回路、 二个偏置（共源共栅）回路,带隙基准,概念：与温度无关的电压或电流基准电路 因为大多数参数（工艺参数）和温度有关。 因此，和温度无关，即和工艺无关,思路：将两个具有正温度系数和负温度系数的量加权相加， 则，得到的量显示零温度系数。 负温度系数： PN结二极管的基极-发射极正向电压，具有负温度系数。 正温度系数： 不同电流密度下的二个PN结二极管的基极-发射极正向电压之差，具有正温度系数。 带隙基准：实现上述二者的加权相加,带隙基准,负温度系数,当,带隙基准,正温度系数,Q1、Q2相同,具有正温度系数。 通过调节Q1、Q2面积改变电流密度,带隙基准,带隙基准 令,带隙基准,带隙基准电路

6、,流过Q1、Q2的电流相等。 但Q2的面积大，因此电流密度小,零温度系数时,可选择,设计时，必须考虑PNP晶体管的匹配性，例如，选择n=8,带隙基准,Ic随温度的变化（在具体电路中，可求Ic的表达式,和原公式相比，多了一项,绝对值比 略小,设计时精确地模拟，设计温度比室温高，例如,带隙基准,与CMOS工艺的兼容性,在CMOS工艺中，PMOS晶 体管容易实现。 如图是N阱中的PMOS纵向管 一般情况下， PMOS晶体管采 用N阱中的横向管，版图结构 如下,带隙基准,运算放大器的失调,考虑运放的失调电压Vos，则，x和y 结点的电压有偏差。 若假设,Vos对输出电压的影响：失调被放大了，输出电压的

7、偏差大。 减小失配的方法：运放采用大尺寸器件、提高电流密度比n,因为失调电压是任意的，和温度、跨导、阈值电压之差有关， 因此，温度系数不再等于零,串接晶体管以降低失调的贡献：提高了,带隙基准,如图是上述电路在CMOS工艺中的实现,在CMOS工艺中横向管集电极必须为地,带隙基准,反馈特性,对于B和C短接的PNP晶体管,对于电路中的负反馈回路，反馈系数,对于电路中的正反馈回路，反馈系数为,为确保电路总是负反馈，要求,一般取 使电路在有大电容负载时的瞬态响应良好,带隙基准,启动电路,若x、y点的初始电压为零，运放的输入差分对被关断。 电路必须有启动电路,电源调制,运放的电源抑制比在高频时变得很差。如

8、电源电压受到 高频信号的干扰，则基准电路输入不稳定。 因此，常用电源调制技术得到干净的电源,曲率校正,基准电压只在一特定温度下，温度系数为零，随温度变化 表现为一条曲线。曲率校正技术使基准电压随温度变化降 低。但CMOS工艺中的失调和工艺偏差不确定，很难采用 曲率校正技术,PTAT电流源的产生,在带隙电路中，偏置电流和绝对温度成正比。因为,对如图的带隙电路，若PMOS匹配,加上电阻R2和晶体管Q3，可得到和 温度无关的电压,得到零温度系数,PTAT电流源的产生,利用威尔逊电流源代替运放实现负反馈,要求,同样有,误差来自于晶体管之间的不匹配，和电阻的温度系数,恒定Gm偏置,利用威尔逊电流源得到和

9、温度、工艺和电源电压无关的跨导,精度决定于电阻的精度,若电阻的温度系数已知，则可以利用 带隙基准和PTAT基准来消除电阻对 温度的相关性。但是，电阻随工艺变 化大。 利用精确时钟得到平均电阻 可精确控制、温度系数小,速度与噪声问题,外部电路通过串扰对基准产生影响,例如，N点电平改变通过寄生电 容可能影响P点的电平,因为，对N点电平的快速变化， 运算放大器无法保持P点的电平 固定不变。 方法1：利用高速运放，缺点是 功耗大，对不同的应用需要不同 的运放。 方法2：用大电容退耦 问题：稳定性、补偿不够时 运放速率下降,速度与噪声问题,基准的输出噪声会降低低噪声电路的性能。例如,高精度模数转换器利用

10、基准电压与 输入信号进行比较。显然，基准的 噪声直接加到了模数转换器的输出端,计算基准的噪声： Vn,op是运放的输入噪声,实例分析,简化核心电路,采用两个串联的BE结电压以减小 MOS晶体管的失配影响,采用了威尔逊电流源实现负反馈， 代替了运算放大器,威尔逊电流源中MOS晶体管的沟道长度调制会导致显著的 电源依赖性,实例分析,采用共源共栅结构可以进一步降低沟道长度调制的影响,自偏置共源共栅结构：引入电阻R2和R3，产生适当的偏置,实例分析,利用基准核心电路设计浮动基准,若M9=M11,M9的电流流过R4， 产生,若M10=M2,M10的电流流过R5， 产生,适当选择电阻值和n ，可得零温度系数,实例分析,电源调制技术,思路：产生一个局部的电源电压VDDL，它由参考