超低温漂带隙基准电压源设计
一种高精度低温漂带隙基准源设计
关键词 带隙基准 ;温度 系数 ;电源电压抑制比 ;高阶补偿
中图 分 类 号 T 72 N0 文 献 标识 码 A 文章 编号 10 7 2 (0 2 0 0 8— 4 0 7— 80 2 1 )9— 8 0
D s n o g r c in a d L w T mp r tr r t a d a eee c ei f HihP ei o n o e e au eD i n g p R fr n e g a s fB
’a 它 叶技 22 第 5 第 期 0 年 2卷 9 1
Elc rni c . Te h. e .1 e to c S i & c /S p 5. 2 2 01
一
种 高精 度低 温 漂 带 隙 基 准 源 设计
李 帅人 ,周 晓明 ,吴家 国。
50 4 ;2 华南理工大学 理学院 ,广东 广州 16 0 . 5 0 0 16 ) 4
Ke wo d b n gp rfrn e e eauece iin ;pw r u pyv l g ee t n rt ;hg re o y r s a d a eee c ;tmp rtr of ce t o e p l ot erjci ai ihod r m— s a o o e
其 性 能好坏 直接 影 响着 系统 的性 能稳 定 。
反, 具有 负温 度 系数 。 以合 适 的 权重 将 这 两个 电压 相
加, 选取 适 当的 a和 b 系数 使其 满足
口
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这样 就得 到具 有零 温度 系数 的基 准 电压
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高电源抑制比、低温飘带隙基准电压源的设计
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图 2 带 隙 基 准 电压 源 电 路 原 理 图
7 ’
Fi . Sc m atc nd g olag e e e e g2 he i s of ba ap v t e r f r nc
图 1 传 统 的 带 隙 基 准 电 压 源 电 路
功耗 集成 电路 中具 有广 泛 的应用 . 零温 度 系数 基 准 ,= +a . 中 , VI n 其 n
热 电 压 V =k / , 不 同 电 流 密 度 偏 置 下 的 T q VI n是 n
2个 双极 型 晶体 管 的基 极 一发 射 极 电压差 . 温 下 室
高 电 源 抑 制 比 、 温 飘 带 隙 基 准 电 压 源 的设 计 低
高 献 坤 ,雷君 召 ,丁 祯璐 周 西 军 , ,李 遂 亮 ‘ ,余 泳 昌
( . 南 农 业 大 学机 电 工 程 院 , 南 郑 州 4 0 0 ; . 阳供 电公 司 , 南 洛 阳 4 1 0 ; 1河 河 50 2 2 洛 河 7 0 0 3 河 南省 广 播 电 视 发 射 台 , 南 郑 州 4 0 0 ; . 东 交 通 职 业 技 术 学 院 , 东 广 州 5 0 0 ) . 河 508 4 广 广 1 8 0
M9 M8
1 带 隙 基 准 电 压 源 的 原 理
双 极 型 晶 体 管 的 基 极 一发 射 极 电 压 具 有 负 温 度 系 数 特 性 , 同 电 流 密 度 偏 置 下 的 2个 双 极 型 晶 不
体管 的基 极 一发射 极 电压差 具 有正 温度 系数 特 性 ,
随着 集成 电路 的高速 发展 , 无线 通信 系统 和很
一种低温漂高电源抑制比带隙基准源的设计
c h n o l o g y o n An Mo g I n t e g r a t e d C i r c u i t L a b o r a t o r y, Ch o n g q i n g 4 0 0 0 6 0, C h i n a)
Mi c r o el e c t r o n i c Te c hn o l o g y
一
种 低温漂高 电源抑 制 比带 隙基 准源 的设计
青旭 东 一, 钟 黎 一, 王 永禄 , 秦 少宏 一, 陈振 中
( 1 . 重 庆 邮 电 大学 光 电 工程 学 院 , 重庆 4 0 0 0 6 5; 2 . 模 拟 集成 电路 重点 实验 室 , 重庆 4 0 0 0 6 0 )
De s i g n o f a b a n d g a p r e f e r e n c e wi t h l o w t e mp e r a t u r e d r i f t
a n d h i g h p o w e r s u p p l y r e j e c t i o n r a t i o
电 源 抑 制 比 。 对 设 计 的 电路 采 用 T S MC 6 5 n m C MO S工 艺 模 型 进 行 仿 真 , 在 1 . 5 V的 电源 电压 下 , P S RR 为 一 8 3 . 6 d B,
温 度 系数为 2 . 2 7 p p m/  ̄ C。
摘
要 :在 传 统 的 电 流 模 电压 基 准 结 构 下 , 基 于 一 阶 补 偿 后 的 电 压 基 准 输 出特 性 , 设 计 了一 个 简 单 的 高 、 低 温 补 偿 电
路, 在 宽 的 温 度 范 围 内( 一 5 0 —1 5 0℃) , 显 著 提 高 了电压 基 准 的精 度 。 同时 , 对 电路 进 行 简单 的 改 进 , 输 出 电压 获 得 了高 的
一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析(最终版)
一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析摘要:本文根据基准产生的基本原理、特性,并对传统的基准源电路结构进行分析和总结的基础上,综合了温度补偿及电阻分压技术,省去了差动放大器的设计方式,设计出了一款能应用于开关电源控制芯片的高性能带隙基准源。
本电路基于6μm标准BJT工艺实现,仿真结果表明当电源电压为15V时,在T A=25°C时,V ref输出为5V;当12V≤V CC≤25V时,线性调整率为0.16mV;当1mA≤I0≤20mA时,负载调整率为1.61mV左右;温度稳定性良好,大约为0.05mV/°C。
关键词:基准源;开关电源控制芯片;线性调整率;温度稳定性0.引言随着集成电路技术的高速发展,对A/D (模/数转换器)、D/A (数/模转换器)、PLL (锁相环)、DRAM (动态存储器)[1]、开关电源控制器等电路模块提出了更高的精度和速度的要求,为了能高性能地实现以上功能模块,高稳定度、低压基准源的设计是十分关键的。
为了获得一款能够广泛应用于开关电源的基准源,本文设计省去了使传统电路处于深度负反馈的差动放大器,简化了设计,并结合先前的一阶温度补偿技术及相关的外围辅助电路给出了一款输出值宽范围可调的带隙基准源。
1.基本带隙基准源的原理分析假设将两个具有相反温度系数的电压量以适当的权重相加,就能设计出令人满意的零温度系数的输出电压。
带隙基准源就是利用以上基本原理而得到。
由于双极晶体管的基极-发射极电压V BE 具有负温度系数。
对于双极器件,我们有exp BE C S T V I I V =⎛⎫⎪⎝⎭,其中T kT V q =,I S 为饱和电流[2],ln C BE T S I V V I =⎛⎫ ⎪⎝⎭。
通过对V BE 的温度特性做了详细的研究[3],在常温下1.5/BE V mV K T∂∂≈,然而0.087/T V mV KT∂≈+∂。
1964年Hilbiber 认识到[4],如果两个双极性晶体管工作在不相等电流密度下,他们的基极—发射极电压差值就与绝对温度成正比(21ln BE BE BE T V V V V n ∆=-=),这样,ΔV BE 就表现出正温度系数特性。
低温漂低功耗的带隙基准源技术设计解析
低温漂低功耗的带隙基准源技术设计解析低温漂低功耗的带隙基准源技术设计文摘:设计了一种温度漂移小、功耗低的带隙基准结构。
在传统带隙基准源的核心电路结构中增加了一对PNP管。
两个双极晶体管的叠加结构降低了运算放大器的偏置电压对输出电压的影响,并降低了参考电压的温度失配系数。
电路设计和仿真基于mcmos工艺中的CSMC 0 5μ,室温下带隙基准输出电压为1.32665v,在-40~+85℃范围内的温度系数为2.563ppm/℃;?在3.3V电源电压下,整个电路的功耗仅为2.81μw;2~4V的功率调节率为206.95ppm。
关键词:带隙基准;低温漂;低功耗;cmos便携式电子产品在市场上占有越来越大的份额。
对低压、低功率基准电压源的需求大大增加,这也使得带隙基准电压源的设计要求有了很大的提高。
带隙基准广泛应用于数模转换、模数转换、存储器和开关电源。
参考源的稳定性直接影响到内部电源的产生和整个系统输出电压的调节。
参考电压必须能够克服制造过程的偏差、工作范围内内部电源电压的变化以及外部温度的影响。
由文献可知传统的一阶补偿通常可以得到10ppm/℃左右的温度系数,而新发展的比较成熟的补偿技术,包括二阶温度补偿,分段线性补偿,指数温度补偿等其他的补偿方法,文献中所提及的电路的结构均比较复杂,或受到比较多的工艺的限制,或运用bicmos工艺,其制造成本比较高。
在此设计一种以共源共栅电流镜为负载的低温漂高电源抑制比cmos带隙基准电压源,利用新型核心电路和nmos为输入管的套筒式共源共栅运算放大器使得带隙基准的输出温度系数远小于传统带隙基准的温度系数。
1曲率补偿的带隙基准1.1 VBE的温度特性由文献可知,双极型晶体管的vbe的温度曲线不是简单地随温度做线性变化的,其温度特性为:式中:vbg0为零度导出的PN结外电压;T0为参考温度,t为绝对温度;Vbe0是双极晶体管在温度t0下的发射结电压;η是一个与温度无关但与过程有关的参数;α的值与集电极电流IC的温度特性有关(I0与温度成正比,即当PTAT电流α=1时;当I0是温度无关电流时,α=0)式(1)中与温度相关的非线性项作泰勒展开可得:其中:α0α1。
一种低温漂低功耗的简易带隙基准电压设计
一种低温漂低功耗的简易带隙基准电压设计模拟电路设计常常用到电压基准和电流基准。
这些基准受电源、温度或者工艺参数的影响很小,为电路提供一个相对稳定的参考电压或者电流,从而保证整个模拟电路稳定工作。
目前已经出现的高性能带隙基准,能够实现高精度、低温漂和低功耗,但这些电路中一般都有运放,调试难度较大;电路结构复杂,原理不便理解。
在一般的应用中,如果对带隙基准电压的要求不是特别高的情况下,完全可以采用一种更为简洁的电路结构。
因此,这里介绍一种简易可行的带隙基准电压的设计,利用PTAT 电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性,获取一个与温度无关的基准电压。
1 低温漂低功耗带隙基准电压设计带隙基准电压的设计目标,就是建立一个与电源和温度无关的直流电压VREF。
进一步将该目标分为2 个设计问题:设计与电源无关的偏置,获取能抵消温度影响的电压值。
图1 为其整体设计框图。
1.1 与电源无关的偏置首先设计与电源无关的偏置。
考虑采用2 个NMOS 管和电阻做近似的电流镜做偏置,并充分利用电流镜的“电流复制”特点,设计一个简单的电流产生电路,如图2 所示。
在这个电路中,因为栅漏短接的MOS 管都是由一个电流源驱动,所以I0 和I1 几乎与电源电压无关。
同时,2 条支路的电流关系是确定的,只要已知I0,便可由宽长比得到左边支路电流的大小。
忽略沟道长度调制效应的影响,支路电流的比值和MOS 管宽长比的比值成正比。
为了唯一确定电流,加入电阻R1。
则有:VGS1=VGS2+I0R1,忽略体效应,有:由式(1)可见,输出电流与电源电压无关,但仍与工艺和温度有关。
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仅供参阅!。
一种低温漂CMOS带隙基准电压源的设计
当 今集成电 极为重要的组成部分, 路中 尤其是 在数模 转换S (DAC)以及模数 转换f (ADC)等 电 路中, 就更需要设计出一种输出与温度无关
的基准Байду номын сангаас压源。
的基本 思想。 设计
将Vbel =Vbe2, Vbe3=Vbe4代人(7)式
可以得到 :
本 文主要 论一种采用 讨 一阶温度 补偿技术 设计的低温漂CMOS 带隙基 准电压 并用 源, Chartered 0.25 u m工艺实 该设计。 路 现了 电
图 1
相同的P MOS 管并联完成的 图中用 41和 81
d)桥台与路面间的接缝处理: 连接处易产 生横向裂缝 为防止雨水渗入前路堤导致路堤
越低, 硷修补 越薄, 表示通车时间 越紧 则HD
掺 量越 高 。
c ) 收桨、抹平及拉毛: 由于修补厚度薄, 拉毛只宜用硬塑料刷。
破坏, 一定要注意填缝材料的选用。可用坡 璃 钎维类物质, 然后再灌较稀的沥青 实现板
底由半刚性向桥台刚性过渡的设计要求, 避免 因薄弱而产生病害.
(2)施工工艺 a ) 封闭或半封闭交通控制车辆通行。
b)测量放样 处置跳 修补后的线形要 车,
求顺适, 同时在沉降较严重处, 要根据沉降观
d ) 养护及开放交通时间: 只要掺胶量在 20% 以 上即无 需洒水养护, 实际处置中, 开放 时间(养护期)在气温高, 惨量较大的情况 HD
4 (5)式代人(6)式可以得到
Vxee Vec3 +4V}n16R3 R, / (7) 我 可 看 输 电 e 是由v二和 们 以 出 出 压VR V 过 性 加 生 两 对T求 得 T通 q 叠 产 的。 边 导, 到 。 eee/ 6 T= 8 V ,/ 8 T+(4lnl6R,/ V m i R,J 8 VT/ 8 T) (8) 显 通 选 合 然 过 取 适的R厂 的 可 R, 值就 以
一种低温漂、高精度CMOS带隙基准源设计
一种低温漂、高精度CMOS带隙基准源设计王宇星;曹校军;姜盛瑜;吴金【摘要】Based on the basic principles of linear segmented compensation and the output branch structure of the internal temperature of negative feedback, this paper proposes a novel structure which is simple and adapts to high order compensation methods of different opening directions. It also designs a low temperature float high precision voltage reference circuit based on the current mirror structure. Simulation by the CSMC 0. 35 μm CMOS process in- dicates this bandgap reference can reach a temperature coefficient of 2. 84 ℃ from -40 to125 ℃. PSRR can reach -70.6 dB and -63.36 dB at 100 Hz and 10 kHz PSRR, respectively. When the power supply voltage is in the range 2 ~ 3 V, the voltage fluctuation value is 3 mV/V. The proposed BGR has good overall performance.%基于线性分段补偿的基本原理,依据输出支路内部的温度负反馈结构,提出了一种结构简单、适应不同开口方向的高阶补偿方法。
曲率补偿低温漂带隙基准电压源设计
曲率补偿低温漂带隙基准电压源设计张东亮;曾以成;陈星燕;邓玉斌【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2015(000)011【摘要】A low temperature drift bandgap reference source with curvature compensation was designed. The prototype was implemented with traditional amplifier clamping, two kinds of different section curvature compensation circuit were added to the circuit, node current subtracting was designed to generate a negative temperature coefficient compensation current in the low temperature phase, transistor conduction was controlled to generate a positive temperature coefficient compensation current in the high temperature phase, the curvature compensation for the reference voltage was achieved. Cascode structures were also introduced in this bandgap reference to improve the power supply rejection ra tio (PSRR). Based on 0.18 µm TSMC process, the circuit was simulated with Cadence Spectre. Simulation results indicate that the output reference voltage is 1.241 V under the 3.3 V power supply. The bandgap reference voltage has a temperature coefficient of 3.02×10–6/℃ at –40–+125℃. The power supply rejection ratio (PSRR) is lower than –57 dB at low frequency.%设计了一种曲率补偿低温漂带隙基准电压源。
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超低温漂带隙基准电压源设计
陆锋;葛兴杰
【摘要】在对传统带隙基准电压源进行理论分析的基础上,结合当前IC设计中对基准电压源低温漂、高电源抑制比的要求,设计了一种超低温漂的带隙基准电压源电路.该电路带有启动电路和高阶温度补偿电路.仿真结果表明,在-55~125℃的温度范围内获得了1.65×10-6/℃的温漂系数,低频时的电源抑制比达到-62 dB.【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2017(017)003
【总页数】4页(P22-25)
【关键词】高阶温度补偿;低温漂系数;高电源抑制比
【作者】陆锋;葛兴杰
【作者单位】江南大学物联网工程学院,江苏无锡214122;中国电子科技集团公司第58研究所,江苏无锡214072;江南大学物联网工程学院,江苏无锡214122
【正文语种】中文
【中图分类】TN431
基准电压源可分为电流模带隙基准电压源[1~2]和电压模带隙基准电压源。
其中带隙基准电压源作为集成电路中的重要组成部分,其性能直接影响整个电路系统的速度、功耗和稳定性。
因此,如何设计一个高电源抑制比、低温漂系数的高性能带隙基准电压源一直是模拟电路设计的关键问题之一。
由于带隙基准能够实现高电源抑制比和低温漂系数,因此成为目前性能最佳、应用最广泛的电路设计[3]。
本文在分析传统带隙基准结构的基础上,针对其输出电压温漂系数过大的问题,设计了一种带有二阶温度补偿结构的带隙基准电压源电路。
该电路增加一条由三极管和电阻组成的负反馈支路,直接对输出电压中随温度变化的高阶项进行补偿,有效降低了温漂工艺,从而进一步稳定了输出基准电压。
2.1 传统带隙基准电压源电路
带隙基准电压源设计原理是根据硅材料的带隙电压与电源电压无关的性质,通过将两个具有相反温度系数的电压进行线性结合即可得到零温度系数的基准电压[4]。
研究发现2个双极三极管工作在不相等的电流密度下,它们的基极-发射极电压的差值是与绝对温度成正比的。
另外,双极晶体管的基极-发射极电压或者说PN结二极管的正向电压具有负温度系数性质。
所以利用上述两种电压,配以一定的比例即可得到与温度变化无关的电压基准。
图1 所示为传统的带隙基准电压源电路,由运算放大器、电阻和三极管组成。
三极管正向导通时,电流ID与发射极-基极电压VEB之间的关系可以近似为:VEB=VTln(ID/IS) (1)
式中,VT是热电压,VT=Kt/q,q 为电子电荷量(q= 1.6×10-19C),k 为波尔兹曼常数(k=1.38×10-23J/K);IS为反向饱和电流,IS∝ukTni2,其中,u 为少数载流子的迁移率,T 为热力学温度,ni为硅的本征载流子浓度。
图1 中运算放大器的反馈环路强制使X点与Y点的电压相等,电阻 R3上的电压等于 Q1和 Q2的发射极-基极电压差(ΔVBE),可以得到输出的带隙基准电压为:
式(2)中,ΔVBE具有正温度系数,通过调节 R1和R3的阻值大小,可以得到近似零温度系数的基准电压[5]。
式(2)中的VT=Kt/q,是温度T的一阶线性函数,当温度变化范围不大时,合理分配电阻的值,能得到较好的控制温漂系数,但当温度变化范围比较大时,VBE 中的高阶项没有得到补偿,导致输出基准电压的曲线非线性变化越来越明显,所以
温度变化范围较大时的仿真结果并不是特别理想,尤其是在一些对带隙基准要求较高的电路中,传统的带隙基准电压源电路并不能很好地适应[6]。
2.2 改进型带隙基准电压源电路
为了补偿VBE的高阶项系数,重点改善基准电压的温漂系数,设计一种新型的带隙基准电压源电路,核心电路如图2所示。
改进型电路中,M1~M6组成共源共栅结构电流镜,负责给各级电路提供偏置电流,M 7~M 11 构成二级运算放大器,合理设置各 MOS 管的宽长比,使运算放大器工作在深度负反馈区。
当不加反馈支路时的输出带隙基准电压为:
式(3)中,VBE是负温度系数电压,且随着温度的变化,其温度曲线呈高阶非线性,而VT随温度的变化呈线性,直接耦合的结果在宽温度范围波动时,VT的补偿作用已不能改善曲线。
增加一条由 Q3和 R5组成的负反馈支路,三极管Q3基极连接在电阻 R3和 R4之间,电阻 R3和 R4选择合适的比例,控制 Q3的基极电压;当温度升高时,Q3的集电极电流 IC3增大,发射极电流 IE3必然随之增大,因而发射极电阻 R5上的电压(即发射极电位)随之增大;因为基极电压 UBQ受 Q2负温度系数的影响而减小,而 UBE3=UB3-UE3,所以 UBE3势必减小,导致基极电流IB减小,IC随之相应减小。
结果,IC随温度升高而增大的部分几乎被 IB减小的部分相抵消,IC 几乎不变。
增加密勒电容 C1,改善电路的频率特性,进一步稳定输出的基准电压VREF。
完整电路如图3 所示。
增加了启动电路(图3 中的 start部分),启动时,M 11 管的栅极接地,直接导通,因此B点的电位升高,导致 M 15 管和 M 16 管导通,电路开始正常工作。
这时M 12 的栅极电位被拉低至低电平,M 12 导通,从而 A点电位上升,M 13 和 M 14 管导通;由于 M 13 和 M 11的分压作用,B 点的电位慢慢下降,合理设
置两个管子的宽长比,控制 B点稳定时的电压小于 M 15的开启电压,因此 M 15 将关断,启动电路自动关闭,核心电路正常工作。
设定基准源仿真条件为:温度范围-55~125℃;电源电压范围0~5V。
采用上华
公司的ST3000工艺库进行仿真。
综合图4与图5的对比可以看出,未加补偿电路前,带隙基准电压总体来说随着
温度的变化波动范围不大,但在-55~25 ℃之间波动较明显。
加补偿电路后的输
出基准电压曲线明显得到改善,整个电路的温漂系数为:
当输入电压在0~5V范围内变化时,输出端的带隙基准电压变化情况如图6所示。
图6 的曲线表明,当电源电压稳定在 1.9V以上时,输出的带隙基准电压稳定在1.24V左右,电路可工作电压范围比较宽,适合范围广泛。
图7 为改进后电路的电源抑制比仿真结果图,可以看出在1kHz时,PSRR 约为-62dB左右,具有很好的电源波动抑制能力。
本文设计的带隙基准电压源与其他文献的参数比较如表1所示。
CMOS带隙基准电压源由于其自身的综合优势,在集成电路中的应用极其广泛,
能满足不同环境的要求,而且可以保持相对较低的温漂系数和稳定的输出电压。
因此,对于更高精度、更低温度系数的CMOS 带隙基准电压源的研究是非常有意义的。
本文在概述传统带隙基准电压源设计的同时,设计了一种着重于改变CMOS带隙基准电压源温漂系数的改进电路。
从仿真结果来看,该电路的温漂系数只有
1.65×10-6/℃,具有广泛的应用前景。
陆锋(1963—),男,江苏无锡人,硕士生导师,研究员级高级工程师,现从事集成电路设计与测试技术研究;
【相关文献】
[1]孙金中,冯炳军.一种新型 CMOS 电流模带隙基准源的设计[J].固体电子学研究与进展,2010,30(4):554-558.
[2]李沛林,杨建红.一种高精度 BiCMOS 电流模带隙基准源[J].现代电子技术,2010,33(16):202-204.
[3]Wang Hongyi,Lai Xinquan,LIYushan,et al.A Piecewise-Linear Compensated Bandgap Reference[J].Chinese Journal Of Semiconductors,2004,25(7):771-776.
[4]Lai Xinquan,Xu Ziyou,Li Yanm ing,et al.A CMOS Piecewise Curvature-compensated Voltage Reference[J]. M icroelectronics Journal,2009,40(1):39-45.
[5]RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits [M].New York:M cGraw-HillCompanies,2001:312-313.
[6]何乐年,王忆.模拟集成电路设计与仿真[M].北京:科学出版社,2008:198-199.
[7]李连辉,段吉海,张喜.一种低温漂低功耗带隙基准电压源[J].微电子学,2016,46(4).
[8]于全东,杨琦,张国俊.一种高电源抑制低温漂带隙基准电路设计[J].微电子学与计算机,2016,33(4).
[9]何荣,吕坚,蒋亚东.一种低温漂低功耗的带隙基准源的设计[J].现代电子技术,2009,4(291).。