低压CMOS带隙电压基准源设计

由图 （ 可得 . B） ! @8A # ! 78/ $ ) / */ （0） 通过 &. 和 &/ 的镜像作用， 使得 ) . 和 ) / 相等， 结 和式 （0） 可得 合式 （F） ! @8A # ! 78/ $ (/ ! 4 */ "! 78 */ ’ # ! 78/ $ *. *. : (. +. ! 4 */ ’: *. +/
1
（7Q@） -&,+ 带隙电压基准源
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（/）
基于 4+&- ! " 10 ! （D&,+ 阈值电 % -&,+ 工艺 压为 ! " 01O $， ， 采 C&,+ 的阈值电压为 ; ! " P1O $） 用一级温度补偿、 电流反馈技术设计的低压带隙基 准源电路 （ 7Q@） 如图 / 所示， 其工作原理与传统的 带隙基准源电路相似。低压带隙基准源的电流源 不仅用于提供基准输出所需的电流， 也用于产生差 分放大器所需的电流源偏置电压， 简化了电路和版 图设计。
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（.）
将式 （.） 对温度 % 微分并代入 ! 78 和 ! 4 的温 度系数可求得 " ， 它使 ! @8A 的温度系数在理论上 因而带隙 为 !。 ! 78受电源电压变化的影响很小， 基准电压的输出电压受电源的影响也很小。 图（ 是典型的 -&,+ 带隙电压基准源电路。 . B） 两个 CDC 管 E. 、 E/ 的基极6发射极电压差 "! 78 (/ "! 78 # ! 78/ & ! 78. # ! 4 ’ : ( .
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( )
( )
（O）
（O） 式中， +. 和 +/ 是 E. 和 E/ 的发射极面积。比 较式 （0） 和 （.） ， 可得常数 " " # +. ! 4 */ ’: *. +/
( )
（P）
在实际设计中， （P） 式表示。 " 值即为 传统带隙基准源结构能输出比较精确的电压， 但其电源电压较高 （大于 1 $） ， 且基准输出电压范 围有限 （. " / $ 以上） 。要在 ! " # 2 . " ? $ 的电源电 压下得到 . " / $ 以下的精确基准电压， 就必须对基 准源结构上进行改进和提高。
"
引
言
基准源 （ 1@N@R@DK@） 设计十分关键。随着深亚微米 集成电路技术的不断发展， 集成电路的电源电压越 来越低。目前， （# 3 "; ! 和 "34 Y （# 3 "4 ! "3; Y -） -） 的电源电压已开始广泛使用， 而 "3$ Y （# 3 "% ! 和 -）
在模 . 数转换器 （ :X(） 、 数 . 模转换器 （ X:(） 、 动态存储器 （X1:)） 、 IQFMH 存储器等集成电路设计
国家高技术研究发展 ;<% 计划资助项目 （$##$::"="$"#） # 基金项目： 7&-FAQ： [HTQ@A4\ "<% 3 KJ-
/ 期朱
磊等：低压 -&,+ 带隙电压基准源设计
/FP
（! " !# ! 的电源电压也即将应用于存储器 ! "# $ %） （&’%()*） 及片上系统 （ +,-） 设计， 所以研究基于标 准 -&,+ 工艺的低压基准源设计是十分必要的。 由于带隙基准源能够实现高电源抑制比和低 温度系数， 是目前各种基准电压源电路中性能最佳 的基准源电路。文献 ［.—/］ 提出了几种具有温度 补偿的传统带隙电压基准源电路， 但是其电源电压 和温度系数过高， 而且输出参考电压都在 . " /0 $ 左右。文献 ［1 2 0］ 提出了几种低压带隙基准源的 方法， 主要是二次电阻分压以及应用 34&,+ 技术， 结构都较为复杂。 本文首先对传统的带隙电压源原理进行分析 和总结， 并采用电流反馈、 一级温度补偿 （基准源对 温度的微分在室温下为零） 技术设计了低压 -&,+ 带隙电压基准源电路， 其中带隙基准源的负反馈放 大器为一级差分放大器， 其输出电压用于产生自身 的电流源偏置电压， 结构简单。对低压基准源电路 结构 进 行 系 统 分 析， 给 出 了 基 于 4+&- ! " 10 ! % -&,+ 工艺的低压带隙基准源设计和仿真结果。
AGH" . （ 5） 图. （ B）典型的带隙基准源电路 ： 5）C)G:MG9K’ (L B5:IH59 4)5IGJG(:5K B5:IH59 )’L’)’:M’（ ； B）4*9GM5K MG)MNGJ (L B5:IH59 )’L’)’:M’ )’L’)’:M’（ （ B） 传统的带隙基准电压源： （ 5）带隙基准源原理图；
第$4卷
第$期
$##4 年 4 月
固体电子学研究与进展 17+7:1(5 Z 01*C17++ *I ++7
YJQ3 $4， 8J3 $ )FU，$##4
!!!!!" ?$33
"
!!!!!" 硅微电子 "
低压 !"#$ 带隙电压基准源设计
朱 磊 杨银堂 朱樟明 付永朝
（西安电子科技大学微电子研究所， ， 西安， !"##!"）
表! "#$% ! !?MD?.>.< "* ") "0 "/ "K GBN;>= LK J L 8 K " M 0FF J K " M 0FF J K " M 0FF J K " M KF J L 8 K " M !?MD?>.< "’ "L "2 "E "*F
电路的器件参数
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学
研
究
与
进
展
)K 卷
为了与 !"#$ 标准工艺兼容， %&% 管采用集电 极接地结构 ， () 和 (* 的发射极面 积 的 比 率 为 这样 !" +, 就等 于 流过 (* 和 () 的电流相等， !， 。流过电阻 $* 的电流 % / 是与热力学温 " - #（ . !）
［’］
电路中温度补偿系数 ( ( & $0 #（ ! ） $* . （*F）
/
带隙基准电压源的原理
图（ 为带隙基准电压源的原理示意图。双 . 5）
# ! 78/ $ 极晶体管的基极6发射极电压 ! 78 （ 9: 结二极管的 正向电压） ， 具有负温度系数， 其温度系数在室温下 其 为 ; / " / %$ < =。而热电压 ! 4 具有正温度系数，
［1］ 。将 ! 4 乘 温度系数在室温下为 > ! " !?0 %$ < = 以常数 " 并和 ! 78相加可得到输出电压 ! @8A
图) 5678 )
带隙基准源电路 （ +34）
（ +34） !69:;6< =<9;:<;9> ?@ AB.C7BD 9>@>9>.:>
节点 I*、 使 "*0 管完全截止， I) 的电压回落在稳定 的工作点上， 基准源开始正常工作。 电路的器件参数如表 * 所示， "0 、 "/ 管的 ") 、 尺寸较大， 是为了降低电路中的 * J @ 噪声。电流镜
度成正比的。流过 ") 、 （ %* 1 %) "0 、 "/ 的电流相等 。 1 % 0） %* & " - #（ . ! ） " +, ’ $0 $* （2）
通过调节 $/ 的值， 可以调整输出电压 " 4,5 的大 小。在电源电压变化时， "0 和 "/ 的漏源电压 ") 、 值保持不变， 与电源电压无关， 其栅极电压由运放 调节。为了降低电路的复杂度， 应用电流反馈原 理， 运放采用简单的一阶运放， 由于 GHH 的变化多 于 3&H 的变化， 故运放的输入采用 &"#$ 的差分 对结构 （ GHH 和 &"#$ 差分对之间有电流源隔离） 。 因为整个电路在低压下工作， 故整个电路设计的重 点是要保证低压下运放的正常工作。 由于带隙基准源存在两个电路平衡点， 即零点 和正常工作点。当基准源工作在零点时， 节点 I*、 基准源没有电流产生。启动电 I) 的电压等于零， 路的目的就是为了避免基准源工作在不必要的零 点上。本文设计了图 ) 所示的启动电路， 电路由 "*) 和 "*0 构成。当电路工作在零点时， "*0 管 "** 、 导通， 迅速提高节点 I*、 产生基准电 I) 的电压， 流， 节点 I* 的电压通过 "** 和 "*) 组成的反相器，
$##%&#!&#! 收稿， $##%&#’&#" 收改稿
#
摘要： 在对传统典型 ()*+ 带隙电压基准源电路分析和总结的基础上， 综合一级温度补偿、 电流反馈技术， 提出了一种 "&,,- . /(低压 ()*+ 带隙电压基准源。采用差分放大器作为基准源的负反馈运放， 简化了电路设 计。放大器输出用作电路中 0)*+ 电流源偏置， 提高了电源抑制比 （ 0+11） 。整个电路采用 2+)( # 3 %4 ! - ()*+ 工艺实现， 采用 5+06(7 进行仿真， 仿真结果证明了基准源具有低温度系数和高电源抑制比。 关键词： 互补金属氧化物半导体工艺； 带隙电压基准源； 低压； 温度系数； 电源抑制比 中图分类号： 289#$ 文献标识码： : 文章编号： （$##4） "###&%;"’ #$&$9<&#9
输出电压 " 4,5
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负载管 "K 、 "’ 和差分对管 "L 、 "2 的宽长比较大， 以抑制电路的热噪声。由于电路中的电阻值较大， （E） 故在工艺中用阱电阻实现。电容 ) 有助于电路的 稳定， 同时还可以减小运放的带宽， 有助于降低噪 声的影响。
（/） 式中， ( . 和 ( / 是流过 E. 和 E/ 的电流密度。运 算放大器的作用使电路处于深度负反馈状态， 使得 节点 . 和节点 / 的电压相等。即 ! 78/ # ) . *. $ ! 78. "! 78 # ! 78/ & ! 78. # ) . *. （1） （F）
)/2
固
体
电
子