第十一章 带隙基准

CMOS模拟集成电路设计DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuitMay.2011郑然[e-mail]西北工业大学航空微电子中心嵌入式系统集成教育部工程研究中心CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准2本章内容第十一章带隙基准CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准3本章内容11.1概述11.2与电源无关的偏置11.3与温度无关的基准11.4PTAT电流的产生11.5恒定Gm偏置11.6速度与噪声问题11.7实例分析CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准411.1概述模拟电路中广泛采用基准电压和基准电流，这些基准量与电源和工艺参数的关系很小。我们使用这些基准，通过适当的电路为各个电路模块的提供准确的工作电压和偏置电流。本章我们将介绍三类基准的设计：1、带隙基准电压的设计2、PTAT电流的设计3、恒定Gm设计无论什么类型的电路，都必须有主体电路和合适的偏置电路，基准源也不例外。为了保证其不受到电源的影响，我们必须设计一种与电源无关的偏置，继而将实现的与温度无关的基准与之结合，最终得到准确的基准源。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准511.2与电源无关的偏置前面的章节中，我们想当然的引入了理想化的基准源IREF(a)。如果它不随电源电压发生变化，并忽略沟道调制，那么ID2和ID3就会按比例准确复制基准源，但是这样的IREF怎样才能实现呢？考察一个更实际的例子(b)。111211/1,)/()/(/1mDDREFmDDoutgRVILWLWgRVI+=+=其中Iout及IREF都不可避免的与电源电压有关。考虑到如果上式中的IREF由Iout通过某种机制产生,那么就能够得到与电源无关的输出电流了。请观察下面的自偏置电路。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准611.2与电源无关的偏置M3和M4将Iout复制到了IREF，这样一来IREF就与电源无关了。若不考虑沟道调制，且所有器件都工作在饱和区，两个支路的电流满足：REFoutKII=也就是说两个支路中流过的电流可以是任意的、只要满足上式规定关系的值。为了获得确定的电流，我们在电路中加入一个约束电阻，来确定最终的电流。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准711.2与电源无关的偏置如图(a)所示(不考虑体效应)：SDGSGSRIVV221+=2221111)/(2)/(2)/(2−=⇒++=+KRLWKCIRIVLWKCIVLWCISNoxnoutSoutTHNoxnoutTHNoxnoutµµµ可见，通过这种方法可以得到唯一确定的输出电流值，且与电源电压无关(忽略沟道调制，换言之沟道越长越好)。(b)是一种可以消除体效应的与电源无关的偏置电路。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准811.2与电源无关的偏置上页电路存在一个“简并”偏置点，电路可以稳定在Iout=0的状态而永远的保持关断。这显然不是我们希望的，我们希望其稳定输出在上页公式中所计算的电流值。左图电路中加入了M5，使电路摆脱简并偏置点。电路启动时，M5提供了一个从电源经过M3、M5、M1到地的通路。M3和M1被打开，产生电流，电路摆脱了简并偏置。随着电流的逐渐增大，M1，M3的栅源电压增大，逐渐使M5关断。整个过程称为电路的启动过程。M5可称之启动电路。关闭，电路正常工作。时，时，电路启动。5||||351351MVVVVVVVVDDGSTHGSDDTHTHTH++++CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准911.3与温度无关的基准许多模拟电路中都采用与温度关系很小的基准电压或基准电流，这些提供基准的模块往往是必不可少的。因为工艺参数是随着温度变化的，如果一个基准能够实现与温度无关，那么就能实现与工艺无关。如何产生这样的基准，是本节要学习的问题。直接找到一个与温度无关的基准是比较困难的。但如果能够找到一个具有正温度系数的量V1和一个具有负温度系数的量V2并通过适当的系数加权就可以得到一个与温度无关的量VREF。2211VVVREFαα+=如何找到这两个具有正、负温度系数的量就成为实现这一基准的关键问题。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1011.3与温度无关的基准负温度系数电压VBE这里，我们仅仅给出一个结论：双极型晶体管的基极—发射极电压具有负温度系数，课本P313页有较为详尽的推导。其温度系数为：KmVTVKTmVVmTqEVmVTVBEBEgTBEBE/5.13007503/2/)4(−≈∂∂=≈−=−+−=∂∂时，，，当其中，注意，这一温度系数与VBE本身，及温度有关。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1111.3与温度无关的基准正温度系数电压△VBE两个双极型晶体管在不同的电流密度下工作，其基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比。STBESTBESCTBEVVSCIIVVInIVVIIVVeIITBE0201lnlnln===⇒=，即有由那么nqkTVnVIIVInIVVVVBETSTSTBEBEBEln/lnlnln0021=∂∆∂⇒=−=−=∆CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1211.3与温度无关的基准例：计算图中电路的BEV∆)ln()/()ln(lnln0021mnqknmVmIIVInIVVVVTSTSTBEBEBE其温度系数为=−=−=∆CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1311.3与温度无关的基准带隙基准至此，我们找到了正负温度系数电压。只要对这两个电压配置合适的加权系数。如BEBEREFVVV∆+=21αα就能得到一个0温度系数的电压VREF(带隙基准电压)。首先假定mnkmvmnkmvmnmnqkTVVKmvVBEBEBEln/2.17/5.1087.0*)ln(,/087.0*)ln(ln)/(:/5.1122222211==≈=∂∆∂∆−=αααααααα得到令的温度系数，那么我们来看一下具有的温度系数为，那么CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1411.3与温度无关的基准)300750(25.12.17ln)ln/2.17()ln/2.17()ln/2.17(1REF21KTmvVVVVmnVmnVVmnVVmnBETBETBEBEBE=≈≈+≈+=∆+≈==获得零温度系数电压，令ααV25.1)(2.17lnln2O221O2O1=+===−=RIVVnnnVVVRIVVBETBEBE得到就能够的数值过大此时，若令获得的电压相等，就能和设法保证压的一个电路，左图是实现带隙基准电CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1511.3与温度无关的基准上述电路有两个问题需要解决：1、怎样保证VO1和VO2的电压相等。2、n的数值过大。我们通过下面的电路进行改进。就可以了。时值过大。比如零温度系数，可以避免就可得到此时，只要令点的电位相同。有，运放的加入强制3142.17)1)((ln)1)(ln(3232322===+++=nRRnRRnRRnVVVYXTBEout其中R1=R2，为什么？保证集电极电流相等，但不是必须的CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1611.3与温度无关的基准CMOS工艺下的实现大多数工艺为P型衬底，因此考虑在P衬底上制作PNP型晶体管来实现带隙基准。如下图所示。P衬底上实现PNPPNP构成的带隙基准电路CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1711.3与温度无关的基准运放的失调)ln)(/1()(322321322OSTBEOSBEBEBEREFVnVRRVRVVVRRVV−++=−−++=为了减小失调电压对基准的影响，从运放的角度看可以改善运放的设计。比如运放器件采用较大尺寸，版图设计有更好的对称性等等。从减小失调的影响来看，可以相应的加强其他参数的影响。比如增加VBE2和VTlnn。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1811.3与温度无关的基准采用三极管级联的结构，并使I1≈I2得到新的输出基准电压：)ln2)(/1(2ln)(3233243OSTEBOSTEBEBREFVmnVRRVRVmnVRRVVV−++=−+++=失调电压的影响由于其他量的增加而被削弱了。但这样一来，参考电压就变成了2*1.25=2.5V，低压下设计该电路需要的运放是相当困难的。但是这一点路在标准的CMOS工艺下是不易实现的，原因在于Q2,Q4的集电极没有接衬底。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准1911.3与温度无关的基准采用下图的结构解决这一问题。(a)将Q2变为射随，同样可以在其射极获得2VBE的电压。(b)中采用PMOS电流源对两个三极管进行偏置。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准2011.3与温度无关的基准完整的基准电压方案运放通过调节各偏置电流，使Y点电位等于X点电位。调节过程是怎样的？Y点电位偏高，A1的输出增加，各偏置电流减小，各EB结的电压也会减小，但由于R1的存在Y点电位下降将会比X点更快。从而使X，Y电位趋于相等。注意：由于Q2的基极有小电流流过，将会使Q1的偏置电流与设计有差异。从而造成基准产生偏差。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准2111.3与温度无关的基准系统中包含正反馈和负反馈)/1||(/1)/1)](/1(||[4O1142141421O22mmpmmmmngrggRRgRgRRrg−=+++++−=ββ正反馈系数为：负反馈系数为：为了保证系统稳定，必须使总的反馈为负反馈，此时需要负反馈系数较大，一般来讲，令npββ)2/1(≈可以保证系统较好的瞬态特性。注意：判断系统反馈方向的时候，不能简单看运放加减号。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准2211.3与温度无关的基准曲率校正带隙基准电压，并不是绝对的与温度无关而是在某一温度下温度系数为零，在其他温度范围内表现出正、负温度系数如(a)。这是由于基极-发射极电压、集电极电流、失调电压随温度变化引起的。(a)(b)带隙基准电压的曲率补偿技术也涌现出很多。但由于CMOS工艺中存在大的工艺偏差和失调电压，不同的wafer和wafer的不同位置制造的基准电路，其输出曲率相差很大，如(b)。这就使针对单一对象的补偿很难被实际应用。CMOS模拟集成电路设计Copyright2011,Zhengran第11章带隙基准2311.4PTAT电流的产生在带隙基准电路的分析当中发现，双极型晶体管的偏置电流是与绝对温度成正比的。这一电流成为PTAT电流。通过下面的电路(a)可以简单的产生PTAT电流。TqRnkRnVITQ)ln(ln112==(b)为与自偏置电路结合的PTAT电流产生电路,M1~2对称，M3~4对称。X,Y点电位相同，两路偏置电流相同，其值为：不论是运放还是自偏置电路的加入，都是为了强制X点和Y点的电位相同，减小电源对基准的影响。后者拓扑更简单。CMOS模拟集成电路设计Copyright