带隙基准

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。inDSDSoutIVVLWLWI12112211AkrVIVVIfkrrmAImLrVVAI，VACm，mLWoutoutoutooutDotninoxn9.31285.05.0:1281.06.18000/8000,8.0,100/926.1/10022例：改进的电流源①带源极电阻的电流镜SoSRivSgsvv22oSogsmorvvVgi2222211mSoomSooooutgRrggRrivr考虑衬偏效应：222222211mbmSoombmSooutggRrgggRrrkRS5mmbgg2.0kkrVmAILWCgoutoutoxm955128107.12.007.151128/07.122例：2121effeffsoutsinVVRIRIsoutdsatoutRIVV改进的电流源②共源共栅电流镜令：2413gsgsgsgsVVVV4243134322IVIVVVththgsgs因为衬偏效应相同，则：设计：4321II212121IIVVgsgs2143LWLWLWLW4244424244411moombmoooutosmbmSooutgrrggrrrrRggRrr输出阻抗增加：改进的电流源相同的摆幅问题：tneffeffDSouttneffGSGDStneffGSGSGVVVVVVVVVVVVVVV2222432313VLWCIVoxouteff19.02VVout18.18.019.02例：MΩ.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③利用增益提升技术：ArrgRoomout1211例：232131dsdsdsmmoutrrrggrtneffDSDSVVVV352mirrorA(Sackinger1990)改进的电流源mirrorB(Martin1994)tneffGVVV23efftnefftneffGSGSDSVVVVVVVVV24342effeffDSoutVVVV22改进的电流源大摆幅电流源：若M3和M2在饱和区，则outinIIeffoxneffeffVLWCIIVV2222322取：inbiasIILWnLW2511effoxneffVnLWCnIV112255近似地：LWnLWLWnVVVVVeffeffeffeffeff21425141effeffeffeffeffoutVnnVVVVV112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1541同时：effeffDSnVVV44theffefftheffGDSVVVVVVV34effeffthnVVV4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：,inbiasIIouteffDStheffRVVVVI341,0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流满足：outrefIkI电流是任意的，必须加入约束sgsgsRIVV221soutthoxnoutthoxnoutRIVLWkCIVLWCI2122021ththVVsoutoxnoutRIkLWCI112偏置电路221112kRLWCIsoxnout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0outI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，thgsVV5M5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，M5、M6offonMMVVVVVtVVthxyyxyx56,,,)0(0M5on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M5off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Q1~Q4是共源共栅NMOS电流镜，Q5提供二极管偏置。Q6~Q9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的电流由共源共栅偏置回路Q12、Q13提供。启动电路Q15-Q18：biasloopoff,Ii=0,Q17off,Q18onVG5=VG6,Q15,Q16ONQ6~Q9ON→Q10-Q11ON→Q5ON→Q1-Q4ONWhenbiasloopon,Q17ONVG5=VG6,Q15,Q16OFF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：PN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I.负温度系数SCTbeIIVVlnTqEVmVmVkTETVmIITVtconsIifTIIVIITVTVgTbeTgTSCTCSSTSCTbe/42/34lntanln2kTEbTIgmSexp4当KTmVVbe300750KmVTVbe/5.1带隙基准II.正温度系数Q1、Q2相同：2121,eessAAIInVqkTVIIVInIVVVVTTsoTsoTbebebelnlnln2121具有正温度系数。通过调节Q1、Q2面积改变电流密度mnVIIVInIVVTsoTsoTbelnlnln21nqkTVbelnnmqkTVbeln带隙基准III.带隙基准令：nVVVTberefln2102.17ln1/087.0/5.1ln2121TVnKmVqkTVKmVTVnTVTVTVrefTbeTberef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33222321RRRVVVIRVVbeoutbebebenVRRVVRRRVVVTbebebebeoutln1322233221零温度系数时，2.17ln132nRR可选择，43132RRn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①Ic随温度的变化（在具体电路中，可求Ic的表达式）3321lnRnVRVIITbeCCtconsIifTIITIIVIITVTVCSSCCTSCTbetan11ln和原公式相比，多了一项TVTRnVIVqRnkIVTIIVTTCTCTCCT33lnlnTqEVmVmTVVkTETVmIITVTVgTbeTTgTSCTbe/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：C70带隙基准②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③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：21CCIIosbeoutbebeVRRRVVVV332221osTbeoutVnVRRVVln1322Vos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beVosbebeoutbebebebeVRRRVVVVVVV332434321osTbeosTbebeoutVnmVRRVRVnmVRRVVVln212ln23233243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④反馈特性对于B和C短接的PNP晶体管TCmmomoutVIggrgr1//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。PN2带隙基准⑤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。⑥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，则基准电路输入不稳定。因此，常用电源调制技术得到干净的电源。⑥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。nVRRVVIRVQQTbeberefln32132132.17ln32nRR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放实现负反馈：要求121lnR