0.6V电源电压的CMOS基准源设计及稳定性分析

关键词!基准源;超低电压;自偏置;稳定性;环路增益;返回比
EEACC :1205 ;1290
中 图 分 类 号 !T N402
文 献 标 识 码 !A
文章编号!0253- 4177 "2006 #08- 1508- 06
1 引言
2 基准源电路的温度特性分析
基准源由于具有低温度系数的特性 因而被广
泛应用于模拟和数字电路中. 传统的带隙基准源利 用与绝对温度成正比的电路来抵消双极晶体管基极
近几年陆续出现了几种工作在1 V 左右电源电 压的基准源[5 ~10 ] 其中 用 来 产 生 负 温 度 系 数 的 电 路 元件 一 般 采 用 标 准 C MOS 工 艺 中 的 寄 生 纵 向 pnp 三极管. 本文给出的电路结构如图1 所示 工作在弱 反型区 的 n MOS 管 N M1 N M2 代 替 了 传 统 的 pnp 管 可极大降低电源电压的下限. 图1 中基准源电路 的电源电压须 满 足 V >V 1 2 +V dsat P M1 2 其 中 V 1 2 为图 中 1 或 2 点 处 的 电 压 约 为 0. 3 ~ 0. 4 V V dsat P M1 2 为 p MOS 管 P M1 和 P M2 的 饱 和 压 降 约 为0. 2 V 因此该电路结构的电源电压理论上最低可 至0. 6 V .
坡度因子. 假设 R 1 =R 2 I N M1 =I N M2 得到
V - V GS N M1
GS N M2
=
VH+
Ck T 9
ln
S2 S1
4
忽略 V TH 根据 1 2 和 4 式 得 到 输 出 电 压 的
表达式
V ref
=
R4 R2
V TH0 + V OFF - K T
+
R4 R3
>
Ck 9
选择合适的器件尺寸使得输出级的增益为
1. 5 9g m9P M0 ~2g m9N M5 9则有 <1/ 3 9这 个 条 件 同 时 也 保证了放大器为负增益. 由此可见9放大器的增益和 稳定性之间存在着折衷9假定 值在0 到1/3 之间 变化9当 值减小至0 时9放大器的增益也随之减小 最后趋近-0. 5a 1a 2 (a 1 和a 2 分 别 为 输 入 级 和 输 出 级的增益) ; 当 值加大9放大器增益变大的同时其 环路的正反馈增 益 也 趋 近 于 1 ; 直 到 值 大 于 1/3 时9环路增益大于1 9同时放大器的开环增益由负值 变成了正值9电路 工 作 开 始 不 稳 定 并 很 快 脱 离 工 作 区. 实际的电 路 设 计 中 选 择 等 于 0. 25 9 在 保 持 运 放高增益的同时留出足够的裕度.
析. 该放大器存在三个环路 输入级的差分输入管加 上它们的漏端到尾电流源栅极的共模反馈电路 构
成了前两个简单的负反馈环路 而第三个环路则包
括输出电压反馈到偏置电路再由负载管和输出级返
回到出发点 经过分析该环路是正反馈. 增益大于1 的正反馈会导致电路的不稳定乃至振荡 因此须保
证该反馈环路满足\ af \ <1 . 采 用 环 路 增 益 法 1 得 到 如下的稳定性条件
g m P Mn
g g 和 0 N Mn
0 P Mn
分 别 是 MOS 管 N Mn
P Mn n =1 2 3
的跨导和输出导纳
=
S P M2 3 S P M1
>
S S
N M1 N M0
是电流从偏置电路
P
M0
复制到输入级负载
管 P M2 3 的比例系数. 本文定义正反馈带来的增益
增强系数为
E=
1
7
2>
-发射极结的负温度特性 输出电压一般为硅的带 隙电压1. 25 V 左右[1 ]. 随着深亚 微 米 集 成 电 路 工 艺 和手持移动设备产业的飞速发展 低电源电压和低
功耗的模拟电路设计正成为研究的热点. 根据国际 半导体 工 业 协 会 Cse mi conduct or i ndust r Y associ ati on SI A>做 出 的 预 测 2007 年 低 功 耗 芯 片 的 电 源 电压将低至0. 8 V [2 ]. 这对基准源的设计是一个严峻 的挑战 传统的带隙基准电路结构已不能满足要求.
1 采用工作在弱反 型 区 的 n MOS 管 作 为 运 放 的输入管. 此 时 n MOS 管 的 工 作 状 态 类 似 于 Bi pol ar 其 跨 导 值 取 决 于 流 过 的 漏 电 流 而 与 MOS 管 尺 寸无关. 但 是 根 据 3 式 工 作 在 弱 反 型 区 的 MOS 管漏电流与阈值电压呈指数关系 为了避免大的失
k < g m P M4 > g m N M5
9
g m N M4
g m P M0
1510
半导体学报
第27 卷
P M2 和 P M3 以及放大器中 P M0 的栅极电势9放 大 器的 偏 置 电 路 开 始 工 作9 同 时 基 准 源 的 P M1 和 P M2 支路中流过的电 流 也 随 之 增 大9使 得 1 点 和 2 点处的电势上升9这样放大器进入了高增益工作区9
ln
S2 S1
+
R4K G R2T0
T
5
Leabharlann Baidu
可知 当 M1 M2 的器件尺寸满足下式时
S = e 2
-
R3 R2
>
KG 26C
S1
6
输出电压的温度系数近似为零. 考虑到阈值电压的
温度系数随温度变化有一定的浮动 6 式还有待仿
真软件的验证. 设定 N M1 和 N M2 的器件尺寸S 2 = 8S 1 利 用 SPI CE 确 定 R 2 R 3 =250 75 时 输 出 电 压的温度系数最低. 将 K G 和C 的值 约为1. 3 一起 代入 6 式 即 可 计 算 出 R 2 R 3 =3. 4 这 与 仿 真 得 到 的数值仅相差2 验证了上述推导的结果.
3 运算放大器设计
基准源电路需要一个运算放大器使得电路中1 点和 2 点 稳 定 在 近 似 相 等 的 电 压 该 值 稍 低 于 n MOS 管 的 阈 值. 同 时 运 放 的 输 出 电 压 至 少 要 比 电 源电压低一 个 p MOS 管 的 阈 值 电 压. 除 此 之 外 运
放的增益一般应大于 60dB 带宽则不作限定 5 . 电 路设计时作如下几点考虑
益法Cl oop gai n 以 下 简 称 af >和 返 回 比 法 Cr et ur n r ati o 以下简称 RR >对放大 器 和 核 心 电 路 的 环 路 稳 定性进行了分析. 流片测试结果表明了完全可以在 现有的 0. 18 H m 标准 C MOS 工 艺 条 件 下 实 现 0. 6 V 电源电压的基准源.
2006 中国电子学会
第8 期
王 晗等 0. 6 V 电源电压的 C MOS 基准源设计及稳定性分析
1509
本文 首 先 分 析 工 作 在 弱 反 型 区 的 n MOS 管 的 温度特性. 假定漏电流保持不变 n MOS 管源端与衬 底之间的电势差为零 漏端 与源 端的电势 差大于
4V T V T = T g 常 温 下 约 为 26 mV 此 时 n MOS 管的栅源电压与温度的关系式如下 11
图1 中 的 n MOS 管 N M1 N M2 工 作 在 弱 反 型 区时有 13
= HC S V e D N M1 2
2 d 12 T
V GS N M1 2 - V TH N M1 2 - V OFF CV T
3
其中 H 为沟道内载流子的迁移率 Cd 为单位面积
的耗尽层电容 S 为沟道的有效宽长比 C 为亚阈值
偏置电流 但是通常的电流源结构不能工作在0. 6 V 的电源电压下 本文采用自偏置放大器 即运放的电
流源由运放输出级的电流动态偏置 该结构能够有
效增加运放的直流增益 15 .
运算放大器的结构及晶体管尺寸 W L 如图2
a 所示 包括输入级 输出级 补偿电路 包括密勒
补偿电容 和 消 零 电 阻 以 及 偏 置 电 路. 其 中 g m NMn
1 -k
g g >
m N M4 m P M0
g g m P M4 m N M5
则放大器直流增益如下
V out V inn - V inP
=-E
g m N M2
g g + 0 N M2
0 P M2
>
g m N M4 g m P M4
8 上式中等号右边表达式的第二项和第三项分别
表示输入级和输出级的增益. 注意到增益增强系数 必须为正值才能保证电路的增益为负. 此外 自偏置 电路存在反馈回路 必须对电路的环路特性进行分
V GS T
= V GS T 0
+
KG
T T0
-1
1
其中
K G K T + V GS T 0 - V TH T 0 - V OFF 2 式中 K G 表示栅源电压的温度系数.T0 一般取室 温300 K K T 为阈值电压V TH 的温度系数 在工作环 境的 温 差 范 围 内 一 般 可 认 定 为 常 数 12 V Off 为 BSI M3 模型中 MOS 管从强反型区过渡到 弱 反 型区 工作 状 态 时 的 阈 值 修 正 项. 利 用 S MI C 提 供 的 模 型 参数可以估计出 K G 约为-241 mV 由 1 式 可 知 弱 反型区工作的 MOS 管的栅 源 电 压 具 有 近 似 恒 定 的 负温度系数.
带动基准源电路开始正常工作. 仿真结果表明该运算放 大 器 在 0. 5 V 的 最 低 工
作电压下增益大 于 50d B 9当 电 源 电 压 为 0. 6 V 时 增 益为65dB 9负载电容20pf 时相位裕度为57 9放大 器增益传输函数的波特图如图2 (b ) 所示.
4 稳定性分析
图2 (a ) 运算放大器原理图; (b ) 运算放大器增益波特图 fi g .2 (a ) Sche mati c of t he op a mp ; (b ) Bode pl ot of t he op a mp
第27 卷 第8 期 2006 年8 月
半导体学报
CHI NESE J OURNAL OF SE MI CONDUCTORS
Vol .27 No .8 Aug . 2006
0. 6 V 电源电压的 C MOS 基准源设计及稳定性分析
王 晗T 叶 青
C中国科学院微电子研究所 北京 100029 >
摘要!在 S MI C 0. 18 H m C MOS 工艺下实现了一种工作在0. 6 ~1. 5 V 下的 基 准 源. 分 别 采 用 环 路 增 益 法 和 返 回 比 法对其中的自偏置放大器和核心电路的环路特 性 进 行 了 分 析. 芯 片 输 出 的 基 准 电 压 为 0. 4 V 工 作 电 流 为 4. 8H A 在-40 ~120 C 范围内温度系数小于80PP m/C 面积C不包括 P AD>为0. 045 mm2 .
调电流 设计 电 路 时 应 该 选 择 尽 可 能 大 的 MOS 管 尺寸来减小阈值失配对输出基准电压的影响.
2 0. 6 V 的 电 源 电 压 限 制 了 高 增 益 放 大 器 中 套筒结构的使用 本文选择两级结构的运算放大器
以及合适的密勒补偿电容和消零电阻来保证电路的
稳定 14 . 3 运放一般采用恒定的电流源来提供电路的
图1 低电源电压的基准源电路图 fi g .1 Sche mati c of t he l o w po wer volt age r ef erence ci rcuit
T 通信作者. Email :Wan an @i me .ac .cn 2005- 12- 05 收到 2006- 03- 25 定稿
近年来有研究指出[3 ] 当漏电流保持不变 时 工
作在弱反型区的晶体管的栅源电压随着温度的升高
而在一定范围内近似线性降低. 基于该特性 带隙基 准源所采用的基极-发射极结可以被工作在弱反型 区的晶体管代替来产生低温度系数的基准源. 文献 [4 ]中 提 到 了 采 用 该 设 计 原 理 的 基 准 源 利 用 0. 13 H m 工艺的低阈值电压 n MOS 管 和 衬 底 调 整 的 p MOS 管 实 现 了 其 中 的 放 大 器. 本 文 则 设 计 了 自 偏 置放大器来满足低电源电压的要求 并采用环路增
通常在基准源电路中需要启动电路使得系统上
电时电路能够进入正常的工作状态. 而自偏置放大 器电路往往也存在启动问 题[15 . 当 电 路 处 于 非 工 作 状况时9放大器的输入端电压初始值为零9而输出电 压由于寄 生 电 容 的 存 在 可 能 位 于 一 个 比 较 高 的 电