复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准

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整理课件带隙基准改进的电流源整理课件1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：整理课件改进的电流源问题的提出：对简单的电流镜电路，考虑沟道2改进的电流源带源极电阻的电流镜考虑衬偏效应：例：整理课件改进的电流源带源极电阻的电流镜考虑衬偏效应：例：整理课件3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：整理课件改进的电流源共源共栅电流镜令：因为衬偏效应相同，输出阻抗增加4改进的电流源相同的摆幅问题：例：整理课件改进的电流源相同的摆幅问题：例：整理课件5改进的电流源威尔逊电流源：通过反馈使输出阻抗增加整理课件改进的电流源威尔逊电流源：通过反馈使输出阻抗增加整理课件6改进的电流源利用增益提升技术：例：mirrorA(Sackinger1990)整理课件改进的电流源利用增益提升技术：例：mirrorA(Sac7改进的电流源

mirrorB(Martin1994)整理课件改进的电流源

mirrorB(Martin1994)整8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。整理课件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9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。设计的沟道长度大整理课件改进的电流源注意M5的栅极偏置电压：同时：是可以保证的上述偏10偏置电路简单的偏置电路和Vdd相关连：以第一幅图为例：整理课件偏置电路简单的偏置电路和Vdd相关连：以第一幅图为例：整理课11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，必须加入约束整理课件偏置电路偏置稳定的思路：使Iout反馈至Iref。若Iout12偏置电路电流和电源无关，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整理课件偏置电路电流和电源无关，和电阻有关。如图：M3-M5-M2-13偏置电路例：分析启动电路上电时，M5、M6offM5on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M5off在复杂的电路中，可能有多个简并点，需要仔细分析。整理课件偏置电路例：分析启动电路上电时，M5、M6offM5on14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。提供共源共栅电路的偏置整理课件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15偏置电路Q1~Q4是共源共栅NMOS电流镜，Q5提供二极管偏置。Q6~Q9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：

biasloopoff,Ii=0,Q17off,Q18onVG5=VG6

,Q15,Q16ONQ6~Q9ON→Q10-Q11ON→Q5ON→Q1-Q4ONWhenbiasloopon,Q17ONVG5=VG6,Q15,Q16OFF电路中的回路：偏置正反馈回路、启动回路、二个偏置（共源共栅）回路整理课件偏置电路Q1~Q4是共源共栅NMOS电流镜，Q5提供二极管16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。整理课件带隙基准概念：与温度无关的电压或电流基准电路思路：将两个具有17带隙基准负温度系数当整理课件带隙基准负温度系数当整理课件18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面积改变电流密度整理课件带隙基准正温度系数Q1、Q2相同：19带隙基准带隙基准令：整理课件带隙基准带隙基准整理课件20带隙基准带隙基准电路流过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整理课件带隙基准带隙基准电路流过Q1、Q2的电流相等。零温度系数时，21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：整理课件带隙基准Ic随温度的变化（在具体电路中，可求Ic的表达式）和22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：整理课件带隙基准与CMOS工艺的兼容性在CMOS工艺中，PMOS晶整23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。整理课件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y24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整理课件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C25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。整理课件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26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。整理课件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27PTAT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。得到零温度系数整理课件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。28PTAT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，和电阻的温度系数整理课件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29恒定Gm偏置利用威尔逊电流源得到和温度、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。整理课件恒定Gm偏置利用威尔逊电流源得到和温度、工艺和电源电压无关的30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整理课件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31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是运放的输入噪声整理课件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32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。整理课件实例分析简化核心电路采用两个串联的BE结电压以减小采用了威尔33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。整理课件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34实例分析利用基准核心电路设计浮动基准若M9=M11M9的电流流过R4，产生：若M10=M2M10的电流流过R5，产生：适当选择电阻值和n，可得零温度系数整理课件实例分析利用基准核心电路设计浮动基准若M9=M11M9的电流35实例分析电源调制技术思路：产生一个局部的电源电压VDDL，它由参考电压VR1和电阻Rr1、Rr2之比决定，因此和全局电源电压相对无关。局部的电源电压VDDL用于基准电压，可减少其输出噪声。参考电压