CMOS模拟集成电路设计_ch11带隙基准up

CMOS模拟集成电路设计带隙基准2020/1/29带隙基准2提纲•1、概述•2、与电源无关的偏置•3、与温度无关的基准•4、PTAT电流的产生•5、恒定Gm偏置2020/1/29概述31、概述•基准–目的：建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。–与温度关系：•与绝对温度成正比（PTAT）•常数Gm特性•与温度无关2020/1/29与电源无关的偏置42、与电源无关的偏置•电流镜与电源有关电阻IREF？与电源无关的电流镜互相复制——“自举”问题：电流可以是任意的！增加一个约束：RS忽略沟道长度调制效应，2020/1/29与电源无关的偏置5忽略体效应，则VGS1VGS2消除体效应的方法：在N阱工艺中，在P型管（PMOS）的上方加入电阻，而PMOS的源和衬连接在一起。如果沟道长度调制效应可以忽略，则上述电路可以表现出很小的电源依赖性。因此，所有晶体管应采用长沟器件。2020/1/29与电源无关的偏置6•“简并”偏置点电路可以稳定在两种不同的工作状态的一种。•Iout0•电路允许Iout=0增加启动电路，使电路在上电时摆脱简并偏置点。启动电路的例子：条件：上电时提供通路：VTH1+VTH5+|VTH3|VDD启动后保证M5关断：VGS1+VTH5+|VGS3|VDD2020/1/29与温度无关的基准73、与温度无关的基准•3.1负温度系数电压对于一个双极器件，而计算VBE的温度系数（假设IC不变），则，例，VBE750mV，T=300K时，VBE/T-1.5mV/Km-3/2，VT=kT/q，硅带隙能量Eg1.12eV2020/1/29与温度无关的基准8•3.2正温度系数电压如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压差值就与温度成正比。则例1：如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为nI0和I0，忽略基极电流，则例2：如果如右图的两个晶体管偏置的集电极电流分别为nI0和I0，忽略基极电流，则则，温度系数为(k/q)ln(mn)2020/1/29与温度无关的基准9•3.3带隙基准室温下，1？2lnn？令1＝1，则2lnn＝17.2，则得到零温度系数基准?VO2=VBE2+VTlnn见右图，强制VO1=VO2,2020/1/29与温度无关的基准10•3.3带隙基准（续）采用运算放大器，使X点和Y点近似相等。IC2IC22020/1/29与温度无关的基准11•3.3带隙基准（续）讨论•与CMOS工艺兼容在常规（标准）N阱CMOS工艺中，可以形成PNP型晶体管。2020/1/29与温度无关的基准12•3.3带隙基准（续）讨论（续）•运放的失调不接地，工艺不兼容2020/1/29与温度无关的基准13•3.3带隙基准（续）讨论（续）•反馈负反馈系数正反馈系数正反馈应小于负反馈2020/1/29与温度无关的基准14•3.3带隙基准（续）讨论（续）•何谓“带隙”？=0得到•电源高频抑制性能与启动问题•曲率校正2020/1/29PTAT电流的产生154、PTAT电流的产生•PTAP电流在带隙基准电路中，双极型管的偏置电流是与绝对温度成正比（PTAT）电流简化的PTAP电路：见右图，要使ID1=ID2，必须VX=VY,因此此电路可以改为产生带隙基准电压的电路，2020/1/29电流镜165、恒定Gm偏置•与电源无关的偏置电路是确定跨导的简单电路=(CSfCK)-1因此，采用开关电容电路代替电阻可以达到更高的精度。2020/1/29带隙基准17小结•与电源无关的偏置–自举——互相复制•与温度无关的基准–负温度系数电路与正温度系数电路相加补偿–工艺兼容性；运放失调；反馈；稳定性；启动•PTAT电流的产生•恒定Gm偏置