带隙基准电压源

提纲123意义原理实际架构意义由于电压基准源的上述特性，其在集成电路的设计中扮演极其重要的作用。尤其各种DAC，ADC，传感器芯片，检测芯片，电源管理类等芯片中广泛使用！电压基准源通常要求具有较高的精度和稳定度：•不随电源电压变化•不随温度变化•不随半导体工艺变化而目前产业界用得最多的电压基准源就是带隙基准电压源，几乎在绝大多数的芯片都能看到带隙基准电压源的身影！在模拟集成电路设计的三大教材中也专门对此进行了讲解说明：《CMOSAnalogCircuitDesign》第4章4.6节PhillipE.Allen《DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits》第11章整章BehzadRazavi《AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits》第4章4.4节PaulR.Gray原理半导体工艺中具有正温度系数和负温度系数的两种电压：•负温度系数的PN结电压VBE•正温系数的热电压VT为了产生零温度系数电压基准信号可将负温度系数的PN结电压VBE和正温度系数的热电压VT进行组合即可实现，这样就会得到零温度系数（ZTC：ZeroTemperatureCoefficient）带隙电压基准源。那么我们首先来回顾一下上面提到的两种随温度变化的电压：•PN结结电压•热电压原理(3)/BETgBEVmVEqVTT①负温度系数PN结结电压：lnCBETSIVVIIS是饱和电流，VT是热电压，IC是二极管正向电流或者双极管的集电极电流11ln()CCSBETTSCSIIIVVVTTIITIT1.5/BEVmVKTSi的带隙电压1.12eV原理②正温度系数热电压在1964年人们第一次认识到两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下时，他们的基极发射极电压的差值就与绝对温度成正比，具体如下图所示：VCC0nI1Q0I2Q如果两个同样的晶体管（IS1=IS2）的集电极电流分别为nI0和I0，同时忽略积极电流的影响，那么有：001212lnlnlnBEBEBETTTSSnIIVVVVVVnIITkTVq两个VBE差值就表现出正温度系数：ln0.087ln(/)BEVknnmVKTq原理将与绝对温度呈正比例变化的电压VT和与绝对温度呈反比例变化的电压VBE进行线性组合从而产生带隙电压基准源。与绝对温度呈反比电压与绝对温度呈正比电压零温度系数电压∑BECTATVVTPTATVV12REFBETVaVaV1a2a120REFBETVVVaaTTT因此令11a2(ln)REFBETVVaVn利用上面的正、负温度系数电压，我们可以设计出一个令人满意的零温度系数带隙基准电压源：原理室温附近：/1.5/BEVTmVKln0.087ln(/)BEVknnmVKTq2ln17.2an17.21.25REFBETVVV要获得零温度系数的电压基准源，那么：零温度系数带隙基准电压源：-40-200204060801001.261.241.231.271.22()T℃REFVV（）原理如何实现上述两个电压的相加？1Q2QnREFV0A1R2R3RXY1II11lnBETSIVVI221lnlnBETTSSIIVVVInI1212lnlnlnBEBEBETTTSSIIVVVVVVnII222323*()(1)lnREFBEBETRVVIRRVVnRQ2Q1Q2Q2Q2Q2Q2Q2Q2BEVn确定后，可以推算出电阻R3和R2的比例和，从而根据电阻的方块阻值以及电路对静态电流的要求确定电阻的L/W比值。产业界设计时n通常取83/BEIVR实际架构具有BJT管的工艺（Bipolar工艺，BiCMOS或者BCD工艺）ClassicalWidlarBandgapReference233*lnREFBETRVVVnR实际架构BCD工艺：EUM6102实际架构BCD工艺：EUM6102实际架构ppnN阱P型衬底EBC接最低电位通常是GNDCEBLateralPNP223(1)lnREFBETRVVVnR无BJT管的工艺：CMOS或者CDMOS由于CMOS和CDMOS工艺中没有NPN和PNP器件，因此需要在标准的CMOS工艺中找到这种特性结构：1Q2QnREFV0A1R2R3RXY11Q2Qn0A3RXY1PTATIVCC3Q12RREFV1M2M3M233*lnREFBETRVVVnR实际架构CMOS工艺：EUM6804实际架构CMOS工艺：EUM6804实际架构CDMOS工艺：EUM6861实际架构CDMOS工艺：EUM6861实际架构11ln()CCSBETTSCSIIIVVVTTIITIT-40-200204060801001.261.241.231.271.22()T℃REFVV（）随温度的变化并不是简单的一阶变化，因此实际设计出来的电压基准源如右图所示：因此前人基于PN结的高阶温度特性，在IEEE的期刊上发表了大量的温度补偿电路，用于补偿PN结的高阶温度系数，以进一步降低带隙基准电压源随温度变化。1.Y.P.,Tsividis,“AccurateanalyzesoftemperatureeffectsinIC–VBEcharacteristicswithapplicationtobandgapreferencesources,”IEEEJ.SolidStateCircuits,vol.15,pp.1076–1084,Dec.1980.2.M.Gunawan,G.Meijer,J.FonderieandJ.Huijsing,“Acurvature-correctedlow-voltagebandgapreference,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.28,pp.667–670,June1993.3.I.Lee,G.kimandW.Kim,“ExponentialCurvature-CompensatedBiCMOSBandgapReference,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.29,pp.1396–1403,Nov.19944.G.A.Rincon-MoraandP.E.Allen,“A1.1-VCurrent-ModeandPiecewise-LinearCurvature-CorrectedBandgapReference,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.33,pp.1551–1554,Oct.19985.P.Malcovati,F.Maloberti,C.Fiocchi,andM.Pruzzi,“Curvature-CompensatedBiCMOSBandgapwith1-VSupplyVoltage,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.36,pp.1076–1081,July20016.KaNangLeung,PhilipK.T.Mok,“ASub-1-V15-ppm/℃CMOSBandgapVoltageReferencewithoutRequiringLowThresholdVoltageDevice,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.37,pp.526–530,Apr.2002.