高性能带隙基准电压源的研究与设计

西安电子科技大学硕士学位论文高性能带隙基准电压源的研究与设计姓名：张震申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：来新泉20100101摘要电压基准源广泛应用于模拟、数字和数模混合系统中，为IC芯片提供高精度的基准电压。当工艺、温度、电源电压甚至负载变化时，良好的基准源要保持相对稳定的状态以达到系统高精度的要求。基准源的实现方法各式各样，它们的精度、功耗、成本也千差万别。本文针对不同的应用场合和工艺，设计了三种高性能基准电压源。第一种基准电压源应用于一款有源功率因数校正控制芯片当中。由于该芯片输入电压较高且变化范围大，故要求此基准电压源要耐高压并且具有较好的PSRR特性。该基准基于0.4μmBCD工艺进行设计，采用无运放结构。仿真结果显示，在-40℃~125℃温度范围内，基准温度系数为10.8ppm/℃，低频时电源抑制比可达-108dB，线性调整率仅为2.52μV/V，满足芯片设计指标要求。第二种是一款具有良好热稳定性的三端可调式精密稳压基准源芯片XD6201。该芯片基于2μm35VBipolar工艺进行设计，基准电压(2.5V)精度达到了±0.5%，且有宽的输出电压范围(2.5V~30V)。芯片动态输出阻抗仅为0.2Ω，昀大漏电流能力为200mA。昀后对芯片进行了仿真验证，结果显示该芯片的电特性均达到或优于设计指标。第三种是针对高精度、高电源抑制比要求而设计的低温漂带隙基准源。本设计将高阶非线性和分段曲率两种温度补偿方法相结合，在大的工作温度范围内获得了极小的温度系数。该基准基于0.5μm标准CMOS工艺模型库，使用HSPICE仿真器进行仿真验证。结果表明，在典型模型下，当电源电压为3V，温度在-40℃~125℃温度范围内变化时，基准的温度系数仅为0.62ppm/℃，PSRR在低频时可达-114dB，线性调整率为1.13μV/V。关键词：带隙基准温度系数电源抑制比温度补偿AbstractVoltagereferenceiswidelyusedinanalog,digitalandmixedsignalsystemstoprovidehigh-precisionvoltagestandardfortheICs.Withthevariationsofprocess,temperature,supplyandeventheload,agoodvoltagereferencewouldmaintainarelativelystablestatetomeetthesystemhighprecisionrequirement.Therearealotofreferencewithdifferenttopology,accuracy,powerconsumptionandcosts.Threekindsofvoltagereferenceindifferentprocessareproposedfordifferentapplications.Thefirstvoltagereferencewithoutanerroramplifierbasedon0.4μmBCDprocessisappliedtoanactivepowerfactorcorrectioncontrollerchip.Duetothehighsupplyvoltageofthechip,thereferenceisrequiredtooperateoveravoltagerangeof9.7Vto20VandachievesaperfectPSRRperformance.Simulationsshowthat,atemperaturecoefficientof10.8ppm/℃from-40℃to125℃,aPSRRupto-108dBwithin1KHzandalineregulationof2.52μV/Vcanbeachieved.Thesecondreferencebasedon2μm35VBipolarprocessisathreeterminaladjustablereferencechipXD6201withagoodthermalstabilityoverapplicabletemperatureranges.Thehighprecisereferencevoltage(2.5V)toleranceis±0.5%.Theoutputvoltagecanbesettoanyvaluebetween2.5V(VREF)to30Vwithtwoexternalresistors.Thewholecircuithasatypicaloutputimpedanceof0.2Ω.Thelargestsinkcurrentis200mA.Simulationsindifferencecornersshowthat,thechipmeetsthespecificationswellandfeaturesagoodperformance.Thethirdreferencebasedon0.5μmCMOSprocessisdesignedfortherequirementsofhighprecisionandhighPSRR.Thecombinationoftwotechniquesthathigh-ordernonlinearcompensationandpiecewisecurvaturecompensationisproposedheretoachieveaverysmalltemperaturecoefficient.Simulationsshowthat,atemperaturecoefficientof0.62ppm/℃from-40℃to125℃,aPSRRupto-114dBatlowfrequencyandalineregulationof1.13μV/Vcanbeachievedusinga3Vsupply.Keywords:BandgapReferenceTemperatureCoefficientPSRRTemperatureCompensation西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：日期导师签名：日期第一章绪论1第一章绪论基准源包括基准电压源和基准电流源，分别为电路提供相对稳定的电压基准和电流基准。随着集成电路规模的不断扩大和片上系统(SoC)技术的发展，许多模拟和混合信号IC芯片中都集成了基准源，其性能指标也在不断的提高，成为系统不可或缺的重要组成部分。基准电压源在电路中为系统提供高精度的基准电压，它广泛应用于数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、DC/DC、传感器等电路系统中。它使系统在外部环境(例如工艺、工作温度、电源电压、负载)变化的情况下性能得以稳定，可以说基准电压源的优劣直接影响了系统性能指标的好坏。1.1基准源的发展历程电压基准源是一个具有高精度、高稳定性，不随环境温度、电源电压、制作工艺、噪声和其它因素变化而变化的电压源，它经历了一个漫长的发展历程[1]。1901年，电池作为基准电压源第一次登上了历史舞台，但是由于成本和体积的限制，电池作为基准并没有得到广泛的应用。随着半导体物理器件的发展，19世纪60年代，齐纳二极管的出现和发展使其在商业领域作为电压基准源取代了标准电池。它工作在反偏击穿区，通过调节自身的反向电流来产生基准电压。齐纳管的工作电流较大，一般可达到几毫安，功耗大，而其稳定电压大约在6V左右。齐纳管的温度特性和噪声特性也较差，但因其具有小型便捷的特点，在早些时候得到了广泛的使用。1971年，R.J.Widlar提出了具有划时代意义的带隙基准电路设计思想。就是利用三极管BE结电压VBE的负温度系数特性和两个工作在不同电流密度下的三极管VBE之差的正温度系数特性，将二者相加从而得到具有零温度系数的电压源。这种基准还具有低噪声特性，比齐纳二极管基准的性能要好。1973年，K.E.Kujik提出了一种由运算放大器和薄膜电阻来实现低温度系数精准电压源的思想。它可用来代替齐纳二极管作为基准电压源的分立器件，输出稳压值为10V左右。1974年，A.PaulBrokaw采用集电极电流采样技术减小了带隙基准两个三极管基极电流的误差，改进了带隙基准电压源，使其精度得到了提高。1979年，G.Tzanateas等人利用工作在亚阈值区的MOS器件特性提出了一种低功耗CMOS带隙电压基准源。1984年，G.M.Meijier提出了一款带隙基准电压源，采用新的电路结构，实现了对三极管BE结电压的非线性温度补偿。高性能带隙基准电压源的研究与设计21993年，M.Gunawan采用Bipolar工艺设计出了一款应用于低压结构的带隙基准源。1994年，I.Lee在没有增加额外电路的情况下，采用指数温度补偿技术，设计了一款指数型曲率补偿的BiCMOS带隙基准源。与温度有关的电流放大倍数β用于做曲率补偿。由于此基准特性随工艺变化较大，它并没有得到广泛应用。1998年，G.A.Rincon-Mora设计了一款1.1V、14μW的分段线性曲率补偿带隙基准电压源。采用分段线性电流曲率补偿技术消除了三极管BE结电压的二阶非线性部分。1999年，Banba成功设计了一款可以在低压1V左右工作的CMOS基准源。不过此电路中运放的输入对管采用了耗尽型MOS管，限制了其在标准CMOS工艺上的应用。2000年，JiangYueming采用跨阻运放设计了一款1.2V带隙基准源。虽然它不要求宽的共模输入范围，但1.2V的基准电压值使它不能用于低压结构。跨阻运放的低增益也限制了此款基准的精度。2001年，PierazziAndrea利用NMOS管电平移位和工作在弱反型区的PMOS管设计出一款基于数字CMOS工艺的低压基准源。但是电路中OTA的输入失调电压大，而且工作在弱反型区MOS管的失配很严重。同一年，Filanovsky发现在低于某一偏置工作点以下，偏置于固定漏电流的MOSFET的栅源电压与温度的关系是准指数关系。则MOS管的VGS电压可以取代三极管VBE电压来设计基准电压源，这样就实现了纯CMOS器件电路设计。在深亚微米CMOS工艺技术背景下，这一革命性突破引起了众多研究人员的浓厚兴趣，近年来在这方面的研究也越来越多并在不断的发展。2002年，KaNangLeung提出了一款不需要低阈值电压器件的带隙基准源，采用电流模技术，能在1V左右电源电压下工作。但是此电路不能与数字CMOS工艺技术相兼容。从基准电压源的发展历程来看，随着半导体工艺的发展，不断有新颖的基准电压源电路结构出现，其性能指标也渐为出色。1.2基准源的现状随着亚微米、深亚微米技术和片上系统(SoC)技术的日益成熟，低压低功耗技术成为IC设计关注的焦点，对基准电压源也有同样的要求。而传统带隙基准源电路输出基准电压值为1.25V左右，不能工作在1V左右的电源电压下，不符合低压低功耗的发展趋势。近年来，国内外对电压基准源电路做了广泛的研究并发表了大量的学术论文，总结其中的研究热点主