Lecture14_带隙基准源与比较器

带隙基准源与比较器z比较器基本概念z基准源–基准电压源–基准电流源z用途–产生稳定的偏置–为ADC/DAC提供比较基准z要求–与电源无关–与温度无关带隙基准源的性能指标z温度系数（temperature coefficient, TC ）–衡量电压基准输出电压因受环境温度变化而偏离正常值的改变程度，是基准电压最重要的性能指标之一，通常表示为百万分之一每度（ppm/℃）。

V ref 代表常温下带隙基准源的输出电压大小，V MAX 、V MIN 分别代表在整个工作温度范围内输出电压的最大值和最小值。

T MAX 、T MIN 分别代表基准源工作的最高温度和最低温度。

6110−−=−i MAX MIN MAX MIN REFV V TC T T V带隙基准源的性能指标（续）z电源抑制比（PSRR ）–在规定的电源电压变化范围内引起的基准输出电压的变化。

z噪声（noise ）–输出电压的噪声包括两类：宽带热噪声，窄带1/f 噪声（0.1～10Hz ）。

–宽带热噪声较小，可利用简单的RC 滤波器有效滤除。

–窄带噪声是基准内部固有的且不可滤除。

低频1/f 噪声是重要指标。

常用峰峰值Vp-p 来表示。

//DD DDref refV V PSRR V V Δ=Δ带隙基准源的性能指标（续）z导通建立时间（turn-on setting time）–从系统加电开始，到带隙基准源输出电压达到稳定的时间叫导通建立时间,导通建立时间的大小反映了启动电路的性能。

z初始精度（initial accuracy）–初始精度用于衡量带隙基准源输出电压的精确度或容限，即带隙基准源工作时，其输出电压偏离其正常值的大小。

通常用百分数表示。

ADC 、DAC 中带隙基准源指标的确定z 带隙基准源的精度必须优于ADC 、DAC 的精度。

z对于N 位分辨率的ADC 和DAC ，为保持其1/2LSB 精度，基准电压V ref 的绝对精度△V N 及其在△T 温度范围内的温度系数TC 分别为：z基准电压源的噪声峰峰至少应小于1/2LSB 。

1/2N N ref V V +Δ=1(/)/1/(2)N N ref TC V V T T +=ΔΔ=Δ12p pN Vref V −+≤与温度无关的带隙基准z1971年，Robert Widlar提出：z负温度系数电压V BEVCCQ ICVBE+-将具有相反温度系数的量加权相加，使叠加后的温度系数为零(4)/BE T gBEV m V E qVT T−+−∂=∂//4−+==BE TgV VC SE kTmSI I eI bT eEg=1.12eV, 当，m=-3/2, VBE=750mV, T＝300K时，该电压的温度系数约为－1.5mV/K<0与温度无关的带隙基准（续）z正温度系数电压V Tz构造基准源电路，使z当V O 温度系数为0时：取室温下，求得=T kT V qT V k0.086mV /K 0T q∂=≈>∂REF BE TV V V =+αTV T V TBE ∂∂∂∂−=/αBEV 1.5mV /K T∂≈−∂17.2α≈REF V 1.26V≈与温度无关的带隙基准（续）VCCQ1I1+Q2I2△VBE-TESESCCTESCTESCTBEBEBEVIIIIVIIVIIVVVV⋅=⋅=−=−=Δα)ln()/ln()/ln(1221221121)ln(1221ESESCCIIII⋅=α当IES1＝IES2时，)ln(21CCII=αz由于负反馈与温度无关的带隙基准（续）设I ES2＝n I ES1，则I 2 T 1R 1V REF带隙基准电压源原理电路T 2V P R 2R 3 V NI 1NP V V ≈0=≈N P I I )ln()ln(121212212123ES ES T ES ES C C T BE BE I I R R V I I I I V V V I R ⋅=⋅=−=ln(32R V I T=)ln(123122121R R n R R V R I R R I T==T BE T BE BE REF V V V R R V I R V V α+=+=+=1321111)(1232R R n In R R =α与温度无关的带隙基准（续）z提供较大负载电流z 减小运放功耗2(1)ln 11=++R K T V V n R E F B E R q带隙基准源的非理想因素z CMOS运放的失调电压与温漂z一阶带隙基准源自身曲率问题z电阻的温度系数影响基准源的输出精度z标准CMOS工艺中双极晶体管的非理想特性–CMOS基准源采用的寄生三极管的β一般小于10–较大的基极电流是带隙基准源误差的来源之一。

带隙基准源的非理想因素（续）z 带隙基准源的电源电压的最小值受限–受输出基准电压的限制–受运放共模输入电压限制：z NMOS 差分输入z PMOS 差分输入min{}=+V Vref V DD DSsatmin{}2V V V INCM TN DSsat=+min{}223V V V V V DD TN DSsat R DSsat =+++m in{}22V V V V D D E B T p SD sat =++一般V DD >1.4V 一般V DD >1.4V低电源电压CMOS 带隙基准源z输出端接一个分流电阻，降低输出基准电压，从而降低电源电压。

z 合理选择运放的输入级，消除运放共模输入电平对电源电压的限制。

ln 111Δ==V K T B E I n R q R (-)333213==+V R I V R I I ref BE 1(*)332123=++I V R I BE R R 3(*3223=++R V V R ref BE R R低电源电压CMOS 带隙基准源（续）z电流镜结构z分流电阻z输出电压可调节z 运放的输入共模电平仍然会限制电源电压。

ln 111Δ==V K T B E I n R q R 22=V B E I R ()(ln )312312=+=+K T V B E V R I I R n ref q R R低电源电压CMOS带隙基准源（续）z电路一：–输入电阻分压–运放的输入共模电平降低跨阻放大器输入级z电路二：–采用跨阻放大器（降低输入共模电压）高精度CMOS 带隙基准源z 高阶温度补偿–不同类型电阻z电阻R 1、R 2A 、R 3是多晶硅电阻，其温度系数为负，R 2B 为有源区电阻，其温度系数为正。

z 由于电阻R 1、R 2A 的类型相同，它们的比值与温度无关，V T ln(N)R 2A /R 1做一阶补偿。

电阻R 1、R 2B 的类型不同，它们的比值与温度有关，V T ln(N)R 2B /R 1做二阶补偿。

–V EB 线性化z 用有TlnT 项的电压补偿V EB22[ln()][ln()]211=++R R A B V V n V n V R E F E B T T R R其它CMOS带隙基准源z高电源抑制比带隙基准源–共源共栅电流源（不适合低电压结构的设计）z低功耗带隙基准源–工作在亚阈区的基准源–开关电容型基准源其它CMOS 带隙基准源（续）z 开关电容型基准源–第一个周期S1断开，S2闭合，C1及Vo ：–第二个周期S1、S2都断开，保持–第三个周期S1、S3闭合，S2断开ln (/)22V V I I B E T B S =ln[()/]1212V V I I I BE T B B S =+122122+=+C C V V V R E F B E B E C启动电路ref outI I =10GS GS out V V I R =+21(1)(/)n ox Iout C W L Kμ−=221(1(/)0==outn ox S out I C W L R I μ有两个解，即两个稳定点清华大学电子工程系李冬梅，李国林高等模拟集成电路带隙基准源启动电路（续）z启动电路的要求–电路刚上电时能够将电路摆脱0电流状态–电路正常工作时对电路无影响z工作原理–电路处于零工作点时，MP21、MP11组成的电流镜将零电流复制到MP21、MP22和MN20支路上，MP20栅极上的电压接近0，MP20处于严重过驱动状态，大电流对MN6的栅极进行充电，使得PTAT电路摆脱零工作点。

–电路正常工作时，左边支路的电流大于零，通过调节MP21、MP22和MN20的尺寸，可以在MP20的栅极上得到一个接近电源电压的电压，将MP20关断带隙基准源与比较器z比较器运放构成的比较器z 开环应用的运放具有比较器功能z主要性能指标–灵敏度（失调电压）与运放开环增益、失调、温漂有关–响应速度（建立时间）与运放带宽有关0.1(V OH -V OL )v IV I1V I2v OV OH O0.1(V OH -V OL )V OL1VΔ0.1(V OH -V OL )tV I2v OV OHO0.1(V OH -V OL )V OLΔtzn 级单极点运放级联总增益：每级建立时间常数：ωi ：3dB 带宽，ωu i ：单位增益带宽；比较器建立时间：运放构成的比较器（续）∏==⋅⋅⋅⋅=ni in A A A A A 121uiiii A ωωτ==1∑∑∑======ni ni uiiini i A 1111ωωττn AA 0=设每级W 0u A n ωτ⋅=设每级运放构成的比较器（续）若单级运放实现：>>∴运放构成的比较器常采用级联结构优点：精度高、失调电压小缺点：比较速度慢，静态功耗大u n Aωτ=u A n ωτ⋅=Latch比较器（续）z采样模式：Φ为低电平，开关S1、S2闭合，晶体管M5关断，输入端X、Y对输入电压采样；z锁存模式：Φ为高电平，开关S1、S2断开，晶体管M5导通，通过正反馈，输出被迅速锁存。

Latch 比较器z建立时间z初始的输入电压差越大，则其输出达到规定电压幅度的时间越短。

z 优点：速度快，z缺点：失调电压大易受噪声干扰，)ln(log V V T ic l latch ΔΔ⋅=τ高速高精度比较器z n级运放级联组成预放大级，后跟一级Latch比较器z结合级联运放比较器和Latch比较器响应特性的优点响应时间：t+t21高速高精度比较器（续）M 1M 2M 5M 6M 8M 7V DD M 4M 3V GV GV in V r CK CKM N比较器电路比较器的失调校准z输入失调储存（IOS ）z在失调校准阶段，S1、S2断开，S3～S6闭合，预放大级的输出与异端输入短接，组成单位增益的结构，这样C1、C2上就存储了预放大级的失调电压。

经过IOS 失调校准后，残余失调电压为011A V C Q A V V OSL OS OS+Δ++=Δ比较器的失调校准（续）z输出失调储存（OOS ）z在失调校准阶段，S1、S2断开，S3～S6闭合，预放大级的输入被短接，这样C1、C2上就存储了经过放大的预放大级失调电压。