微电子拟集成电路设计带隙基准-PPT精选课件.ppt

1、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。inDSDSoutIVVLWLWI12112211AkrVIVVIfkrrmAImLrVVAI，VACm，mLWoutoutoutooutDotninoxn9.31285.05.0:1281.06.18000/8000,8.0,100/926.1/10022例：改进的电流源 带源极电阻的电流镜SoSRiv Sgsvv22oSogsmorvvVgi22222

2、11mSoomSooooutgRrggRrivr考虑衬偏效应：222222211mbmSoombmSooutggRrgggRrr kRS5mmbgg2.0kkrVmAILWCgoutoutoxm955128107.12.007.151128/07.122例：2121effeffsoutsinVVRIRIsoutdsatoutRIVV改进的电流源 共源共栅电流镜令：2413gsgsgsgsVVVV4243134322IVIVVVththgsgs因为衬偏效应相同，则：设计：4321II212121IIVVgsgs2143LWLWLWLW4244424244411moombmoooutosmbmSo

3、outgrrggrrrrRggRrr输出阻抗增加：改进的电流源相同的摆幅问题：tneffeffDSouttneffGSGDStneffGSGSGVVVVVVVVVVVVVVV2222432313VLWCIVoxouteff19.02VVout18.18.019.02例：M.krout2107.12007.11281128改进的电流源威尔逊电流源：通过反馈使输出阻抗增加改进的电流源 利用增益提升技术：ArrgRoomout1211例：232131dsdsdsmmoutrrrggrtneffDSDSVVVV352mirror A(Sackinger 1990)改进的电流源mirror B(Mart

4、in 1994)tneffGVVV 23 efftnefftneffGSGSDSVVVVVVVVV24342effeffDSoutVVVV22改进的电流源大摆幅电流源：若M3和M2在饱和区，则outinII effoxneffeffVLWCIIVV2222322取：inbiasIILWnLW2511effoxneffVnLWCnIV112255近似地：LWnLWLWnVVVVVeffeffeffeffeff21425141effeffeffeffeffoutVnnVVVVV112例如，取effoutVVn2,1显然，摆幅可以增加。改进的电流源注意M5的栅极偏置电压：theffGGGVVnVVV

5、1541同时：effeffDSnVVV44theffefftheffGDSVVVVVVV34effeffthnVVV4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：,inbiasII则，M5栅极电压足够使M3和M2处在饱和与区若：,inbiasIIouteffDStheffRVVVVI341,0使52511GVLWnLW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。设计的沟道长度大偏置电路简单的偏置电路和Vdd相关连：以第一幅图为例：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

6、流满足：outrefIkI电流是任意的，必须加入约束sgsgsRIVV221soutthoxnoutthoxnoutRIVLWkCIVLWCI2122021ththVVsoutoxnoutRIkLWCI112偏置电路221112kRLWCIsoxnout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0outI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，thgsVV5M5被关断，不影响偏置电路的正常工作偏置电路例：分析启动电路上电时，M

7、5、M6 offonMMVVVVVtVVthxyyxyx56,)0(0M5 on 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M5 off 566666621thbaDDxthbaDDoxVRRIVVIIVRRIVLWC得到在复杂的电路中，可能有多个简并点，需要仔细分析。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偏置电路Q1Q4 是共源共栅NMOS电流镜，Q5提供二极管偏置。Q6Q9 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

8、的电流由共源共栅偏置回路Q12、Q13提供。启动电路 Q15-Q18：bias loop off,Ii=0,Q17 off,Q18 on VG5=VG6,Q15,Q16 ON Q6Q9 ONQ10-Q11 ONQ5 ON Q1-Q4 ONWhen bias loop on,Q17 ON VG5=VG6,Q15,Q16 OFF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：P

9、N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。带隙基准负温度系数SCTbeIIVVlnTqEVmVmVkTETVmIITVtconsIifTIIVIITVTVgTbeTgTSCTCSSTSCTbe/42/34lntanln2kTEbTIgmSexp4当KTmVVbe300750KmVTVbe/5.1带隙基准正温度系数Q1、Q2相同：2121,eessAAIInVqkTVIIVInIVVVVTTsoTsoTbebebelnlnln2121 具有正温度系数。通过调节Q1、Q

10、2面积改变电流密度mnVIIVInIVVTsoTsoTbelnlnln21nqkTVbelnnmqkTVbeln带隙基准带隙基准令：nVVVTberefln2102.17ln1/087.0/5.1ln2121TVnKmVqkTVKmVTVnTVTVTVrefTbeTberef时，VVVnVVVTbeTberef25.12.17ln21带隙基准带隙基准电路21RRVVyx流过Q1、Q2的电流相等。但Q2的面积大，因此电流密度小33222321RRRVVVIRVVbeoutbebebenVRRVVRRRVVVTbebebebeoutln1322233221零温度系数时，2.17ln132nRR可选

11、择，43132RRn设计时，必须考虑PNP晶体管的匹配性，例如，选择n=8带隙基准Ic随温度的变化（在具体电路中，可求Ic的表达式）3321lnRnVRVIITbeCCtconsIifTIITIIVIITVTVCSSCCTSCTbetan11ln和原公式相比，多了一项TVTRnVIVqRnkIVTIIVTTCTCTCCT33lnlnTqEVmVmTVVkTETVmIITVTVgTbeTTgTSCTbe/32/34ln2绝对值比 略小KmV/5.1设计时精确地模拟，设计温度比室温高，例如：C70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

12、般情况下，PMOS晶体管采用N阱中的横向管，版图结构如下：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：21CCIIosbeoutbebeVRRRVVVV332221osTbeoutVnVRRVVln1322Vos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。outTTVnVnVln2ln串接晶体管以降低失调的贡献：提高了带隙基准beVosbebeoutbebebebeVRRRVVVVVVV332434321osTbe

13、osTbebeoutVnmVRRVRVnmVRRVVVln212ln23233243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 带隙基准反馈特性对于B和C短接的PNP晶体管TCmmomoutVIggrgr1/1对于电路中的负反馈回路，反馈系数mmNgRRgR11323对于电路中的正反馈回路，反馈系数为mmPgRg111为确保电路总是负反馈，要求PN一般取 使电路在有大电容负载时的瞬态响应良好。PN2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

14、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。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。因为：TRnqkRnVRVIITbeCC33321lnln对如图的带隙电路，若PMOS匹配11213lnRnVRVIIITbeCCC加上电阻R2和晶体管Q3，可得到和温度无关的电压。nVRRVVIRVQQTbeberefln32132132.17ln32nRR得到零温度系数PTAT电流源的产生利用威尔逊电流源代替运

15、放实现负反馈：要求121lnRnVIIVVTyx同样有：nVRRVVTberefln323误差来自于晶体管之间的不匹配，和电阻的温度系数恒定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221112kRLWCIsoxnoutkRILWCgsoutoxnm11221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。cksfC1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

16、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11,1/mnoutnmpmppgRVggIVoutnopnmnmpooutmnmnoutVVgRgAVggRV,1111111RgAgmnompopnoutnVV,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

17、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。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。实例分析利用基准核心电路设计浮动基准若M9=M11649/RVIbeM9的电流流过R4，产生：644494/RRVRIVbeR若M10=M2110/ln2RnVITM10的电流流过R5，产生：155105/ln2RRnVRIVTRnVRRVRRVTbeoutln15464适当选择电阻值和n，可得零温度系数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VR1在核心基准电路中产生，减小参考电压对电源电压的依赖性。实例分析带隙发生器的总体电路电源电压5V，输出2V，功耗2.2mW，PSRR(低频)=94dB (100k)=58dB