9CMOS基准源

AnalogandMix-SignalIntegratedCircuitDesign--基准参考源电路西安电子科技大学微电子学院刘帘曦内容概要基准源概述与基准源相关的概念基本的基准源电路简介带隙基准电压源设计基础带隙基准源设计举例参考文献1.《模拟CMOS集成电路设计》Behzad.Razavi著，陈贵灿，程军等译，西安交通大学出版社，20032.《CMOS模拟集成电路设计》PhillipE.Allen,DouglasR.Holberg著，冯军，李智群译，电子工业出版社，20053.《模拟集成电路精粹》WillySansen著，陈莹梅译，清华大学出版社，20084.《模拟集成电路的分析与设计(第4版)》，PaulRGray，PaulJHurst著，张晓林译，高等教育出版社，2005基准源的定义及特点模拟集成电路中的基准源就是一个高精度、高稳定性的独立电压源（或者电流源）。理想基准源的特点：1.不受电源电压变化的影响；2.不受温度变化的影响；3.不受工艺（制程）变化的影响。理想基准源的特性曲线灵敏度的概念灵敏度是一个变量y对另一个变量x的依赖性的衡量，定义为这两个量相对变化量的比值。如果y对x的灵敏度越低，则说明x的变化对y的影响越小。把电源电压（温度）当作自变量x，基准电压（或者基准电流）作为因变量y:灵敏度的意义可以用灵敏度来定量研究基准源对电源（或者其他变量）的依赖性。基准电压（或电流）的相对变化等于灵敏度与电源相对变化的乘积。灵敏度的概念-举例例如，如果某个电压基准源对电源电压的灵敏度为1，那么当电源电压变化10％，将引起电压基准源的变化也为10％。一个理想的基准源，我们希望其灵敏度为0。即，它对于任何自变量都是独立无关的。灵敏度概念的变形-温度系数温度系数的定义：表示温度变化1℃引起基准的相对变化。其本质是温度灵敏度关于温度的平均值。小结主要考察基准源随电源电压和温度的变化关系；为了定量描述基准源随电源电压和温度之间的变化关系，引入了灵敏度的定义；电源电压灵敏度和温度系数是两个重要的指标；温度系数是一种习惯表达，本质是灵敏度的变型。基本的常用电压基准源无源器件分压器（电阻串联）；二极管连接的MOS（有源电阻）；PN结二极管；基极－发射极参考源(其本质和二极管同)；带隙基准源。其中，带隙基准源是目前精度较高，使用较多的参考源电路。基本的电压基准源（1）最简单的电压基准源是用电阻分压来实现的。基本的电压基准源（2）为了得到对电源电压灵敏度小于1的参考源，上下两个分压子电路必须不同，而且，下边的分压子电路应该具有对电源电压更低的依赖性。换言之，上边的子电路的行为应该类似一个电流源，而下边的子电路行为应该类似一个电压源。基本的电压基准源（3）双极器件－电阻构成的电压基准源。Is是PN结反向饱和电流由于I远大于Is，因此得到的灵敏度小于1.PN结基准源与温度的关系假设发射结正向电流不随温度变化；Is是PN结的反向饱和电流；VGO是温度为室温（300K）时，硅的禁带宽度，它也常常被称为带隙电压或者能隙电压，其值约为1.205V。在室温下，PN结的正向导通电压是随温度升高而降低的，一般来说温度每升高1度，其正向导通压降降低约2mV。基本的电流基准源VT基准源（电流基准）：利用有源器件上的电压对电源灵敏度小于1来产生基准电流。基本的电流基准源（续1）设所有MOS均工作于饱和区，有：得到的Iout与VDD无关！VT基准源与温度的关系为了讨论的简单，我们假设：则容易得到：带隙基准源概述目前应用最为广泛的，精度最高的电压参考源，与Bipolar工艺和CMOS工艺都兼容。带隙基准源在很多参考书中也被称为能隙基准源，（BandgapReference）。在目前的工艺条件下，设计良好的带隙基准源在整个工作温度范围之内可以达到小于10ppm/℃量级的温度系数。带隙基准源原理带隙基准源是利用硅的带隙电压来产生的一种基准，它的值几乎仅由硅的禁带宽度决定，因此叫做带隙基准源。带隙基准电压源的基本思想：补偿！首先得到一个与绝对温度成正比的电压和一个与绝对温度成反比的电压；根据它们与温度的关系，选择合适的比例系数与之相乘后求和，得到一个随温度变化很小的电压。带隙基准源的实现基本原理框图带隙基准源理论基础VBE（本质是一个正向偏置的PN结）是一个与绝对温度成反比的电压，其温度系数约为-2mV/℃前面的图示已经说明了带隙基准用到的正温度系数的电压（与绝对温度成正比）------热电压（thermalvoltage），其温度系数约为0.085mV/℃完整的带隙基准源原理框图带隙基准源系数推导（1）1.求VBE的温度系数。式中，JC是集电极电流密度；WB是基区宽度；是电子平均扩撒长度；np0是基区平衡电子浓度。带隙基准源系数推导（2）上式中，ni是本征载流子浓度，NA是受主杂质浓度（常数），它们又与带隙电压VGO有如下关系：式中，D是一与温度无关的常数。Vt定义与前面一样，是热电压；带隙电压VGO约为1.205V。带隙基准源系数推导（3）联立上述各式可得到：带隙基准源系数推导（4）对上式关于温度求导可得:设JC与温度的关系为Tα（参考1），又可得：带隙基准源系数推导（5）因此可以得到VBE对温度的偏导数：其中,α和γ都是经验常数，其典型值为：α=1,γ=3.2。室温下，VBE0约为0.6V，代入上式可得室温下，VBE的对温度偏导数约为：-1.862mV/°C（参考1，2相应章节）带隙基准源系数推导（6）2.求热电压的温度系数。构造热电压的电路。带隙基准源系数推导（7）根据上式，很容易得到发射结正向偏压之差的温度系数。设流过两个BE结的电流相等，那么在相同温度下，两个BE结电流密度之比等于两个BE结面积之比的倒数。带隙基准源系数推导（8）3.求表达式中K的值。令：将1和2中求得的温度系数代入上式，可得：带隙基准源系数推导（9）令：则有：解之得：带隙基准源性能说明注意，前面推导得到了一个在T0温度下具有零温度系数的表达式，从表达式也容易判断出，当温度偏离T0时，带隙基准电压源的输出不再具有零温度系数。即不再等于零。CMOS带隙基准源举例（1）一个基于CMOS工艺衬底纵向寄生PNP的带隙基准电压源。CMOS带隙基准源举例（2）设Cascod结构的电流镜（M5—M10）保证流过三极管Q1，Q2和Q3的电流相等。因此，输出的基准电压可以表示为：CMOS带隙基准源举例（3）CMOS带隙基准源举例（4）虚短=A点电位与B点电位相同。因此，R3两端电压即为两个BE结压降之差；而且，由A、B两点电位相同，如果R1=R2，那么两条支路电流相同。12113()BEBEREFBEVVVRVR122323()()BEBEREFBEVVVRRVR或者：则有：基于CMOS工艺的纵向PNP基于标准CMOS工艺的纵向PNP（寄生）放大倍数较小。而且P型衬底必须接到最低电位，因此纵向PNP的集电极必须接地。版图示例总结带隙基准源是利用Si的禁带电压来构造的一种基准源，典型的带隙基准源输出电压也与Si的禁带电压几乎相等。带隙基准源是一种温度系数较小的基准源电路，根据电路设计的不同，它可以实现在某一温度下具有零温度系数。从带隙基准源的表达式中也可以看出，这种结构的基准源同时具有较低的电源抑制比。（PSRR）Thanks！西安电子科技大学