畢業(yè)論文：高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計
高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計

摘 要

基準(zhǔn)電壓源是集成電路中一個重要的單元模塊。目前,基準(zhǔn)電壓源被廣泛應(yīng)用模擬和混合電路中，如A／D、D／A轉(zhuǎn)換器，電壓調(diào)諧器，電壓表，電流表等測試儀器以及偏置電路。這種基準(zhǔn)源與電源、工藝參數(shù)和溫度的關(guān)系很小，它的溫度穩(wěn)定性以及抗噪性能影響著整個電路系統(tǒng)的精度和性能。本文的目的便是設(shè)計一種高精度的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源。
本文首先介紹了基準(zhǔn)電壓源的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。之后詳細(xì)介紹了帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本結(jié)構(gòu)及其基本原理，進(jìn)一步對不同的帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較。接著對如何提高帶隙基準(zhǔn)的電源抑制比以及帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度補償原理進(jìn)行了分析，還總結(jié)了目前提高帶隙基準(zhǔn)電壓源溫度特性的各種方法。在分析傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)原理基礎(chǔ)上，基于傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，重點改善基準(zhǔn)源中運算放大器的性能，采用曲率校正、內(nèi)部負(fù)反饋電路、RC濾波器、快速啟動電路等，設(shè)計了一種低溫漂、高電源抑制比的基準(zhǔn)電壓源電路。應(yīng)用ORCAD Capture、HSPICE 、CosmosScope仿真工具對本文中設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路進(jìn)行模擬仿真并分析了結(jié)果。
模擬和仿真結(jié)果表明，電路實現(xiàn)了良好的溫度特性和高電源抑制比，-40℃～100℃溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)大約為20.2 ppm/℃。在1Hz到10KHz頻率范圍內(nèi)平均電源抑制比(PSRR)可達(dá)到-290dB。

關(guān)鍵詞: 帶隙基準(zhǔn)電壓源, 溫度系數(shù),電源抑制比

ABSTRACT

Voltage reference is the vital basic module which is widely adopted in analog circuits. Nowadays, Voltage reference sources are widely used in both analog and mis-mode circuits，such as A/D，D/A，converters，voltage regulators，measurements，instrumentation circuits and bias circuits．It can supply a voltage with high stability. The power supply, technics parameter rand temperature has lesser effete to this voltage. Its temperature stability and antinoise capability influence the precision and performance of the whole system. The purpose of this article is to design a high precision CMOS bandgap voltage reference.
In this article, the present situation and developmental trend of voltage reference studi
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中用作電壓基準(zhǔn)的具有相對較高精度和穩(wěn)定度的參考電壓源。它產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓精度、 溫度穩(wěn)定性和抗噪聲干擾能力直接影響到芯片, 甚至整個控制系統(tǒng)的性能。由于帶隙基準(zhǔn)電壓電路的輸出電壓幾乎不受溫度和電源電壓變化的影響, 這就使得片內(nèi)集成的帶隙基準(zhǔn)電壓電路成了模擬集成電路芯片中不可缺少的關(guān)鍵部件，也是是迄今為止用于集成電路中的最為流行的高性能參考電壓源。
隨著電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步復(fù)雜化,對模擬電路基本模塊,如A/ D, D/ A 轉(zhuǎn)換器、 濾波器以及鎖相環(huán)等電路提出了更高的精度和速度要求, 這樣也就意味著系統(tǒng)對其中的基準(zhǔn)電壓源模塊提出了更高的要求。另外,基準(zhǔn)電壓源是電壓穩(wěn)壓器中的一個關(guān)鍵電路單元,它也是DC/ DC轉(zhuǎn)換器中不可缺少的組成部分。在各種要求具有較高精確度的電壓表、 歐姆表、 電流表等儀器中都需要電壓基準(zhǔn)源。
由于基準(zhǔn)電壓源的性能將直接影響到整個系統(tǒng)性能和指標(biāo)，所以基準(zhǔn)源性能的優(yōu)化一直是研究的熱點之一，在集成電路的高速發(fā)展中，集成電路的制作工藝水平也不斷提高，從最初的雙極性工藝發(fā)展到MOS工藝，而 90 年代以后 CMOS 工藝憑借其功耗低、設(shè)計簡便和集成度高等特點成為目前的主流制作工藝。為了便于在一塊芯片上同時實現(xiàn)數(shù)字電路單元和模擬電路單元的集成，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝也被開發(fā)出來，因此開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝的高性能基準(zhǔn)源在模擬/混合系統(tǒng)研究開發(fā)中必不可少。
1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
近年來，國內(nèi)外對CMOS工藝實現(xiàn)的電壓基準(zhǔn)源作了大量的研究，發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)論文，其中的技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在如下幾個方面。
1)低電壓工作的基準(zhǔn)電壓源
SOC(Signal Operation Control)的主流工藝是CMOS工藝,目前，5V(0.6um)、3.3V (0.35um)、1.8V(0.18um)、1.5V(0.15um)、1.2V(0.13um)、0.9V(0.09um)等電源電壓已經(jīng)得到廣泛的使用。隨著手提設(shè)備對低電源需求的不斷增加，設(shè)計低壓工作的電壓基準(zhǔn)源成為當(dāng)前基準(zhǔn)源研究的熱點。由于傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)源的帶隙電壓為1.2V左右，所以，對于電源電壓低于1.2V的基準(zhǔn)設(shè)計必須采用特殊的電路結(jié)構(gòu)，許多文獻(xiàn)都提出了輸出基準(zhǔn)電壓低于1.2V的電路結(jié)構(gòu)。采用這些電路結(jié)構(gòu)后主要的工作電壓限制通常來自于運放的工作電壓，不同運放的電路結(jié)構(gòu)和MOS管襯底效應(yīng)造成的高閾值電壓是限制工作電壓的主要因素。
2)低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源
低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源對于要求精度高的應(yīng)用場合比較關(guān)鍵，比如說對于高精度的A/D、D/A結(jié)構(gòu)，高精度的電流源、電壓源等。對于普通的一階溫度補償?shù)膸督Y(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)一般在20ppm/℃～50ppm/℃，因此，設(shè)計低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源一般必須進(jìn)行高階溫度補償。目前出現(xiàn)的高階補償技術(shù)包括 環(huán)路曲率補償法，β非線性曲率補償法，基于電阻比值的溫度系數(shù)的曲線補償方法等。
3)高電源抑制比的基準(zhǔn)電壓源
在數(shù)�；旌霞呻娐分�，電路中可能存在高頻噪聲和數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲對模擬電路產(chǎn)生信號干擾的現(xiàn)象。在混合電路中，電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該在較寬的范圍內(nèi)具有良好的電源抑制比性能，有些設(shè)計中使用運放結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)，在直流頻率時的PSRR(Power Supply Rejection Ratio，電源抑制比)可達(dá)-110dB，在1MHz的PSRR達(dá)-70dB;而使用無運放負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)，在1KHz的PSRR為-95dB，在1MHz的PSRR為-40dB。
4)低功耗的基準(zhǔn)電壓源
低功耗設(shè)計對于依靠電池工作的便攜設(shè)備具有非常重要的意義，低功耗電路可以延長電池的使用壽命。有些設(shè)計中的電路功耗可達(dá)220uW。
1.2 課題研究的目的意義
過去，人們常用反向擊穿的齊納二極管作為參考的基準(zhǔn)電壓源。它與限流電阻配合，并通過調(diào)節(jié)流過自身的電流來抵消電源電壓的變化對它造成的影響。但這需要較高的電源電壓才能使二極管反向擊穿。對于電源電壓在5 V以下的電路設(shè)計并不合適。還有一種技術(shù)是在MOS工藝中基于增強型MOS管和耗盡型MOS管之間的閾值電壓差來產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，它具有較低的溫度系數(shù)。但工藝中離子注入的濃度將直接影響MOS管的閾值電壓，使得輸出的參考電壓值不易控制，而且耗盡型的MOS管也不兼容主流的MOS工藝。1971年，RobertWidlar提出一種帶隙參考電壓源技術(shù)。帶隙基準(zhǔn)源電路由于具有低溫度系數(shù)、低電源電壓以及可與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容等優(yōu)點而獲得了廣泛的研究和應(yīng)用。
近年來，模擬集成電路設(shè)計技術(shù)隨著CMOS工藝技術(shù)一起得到了飛速的發(fā)展，芯片系統(tǒng)集成(system on chip)技術(shù)已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界及工業(yè)界廣泛關(guān)注。隨著電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步復(fù)雜化，對模擬電路基本模塊，如A／D、D／A轉(zhuǎn)換器，濾波器電路以及鎖相環(huán)等電路提出了更高精度及速度的要求。這就使得片內(nèi)集成的帶隙基準(zhǔn)電壓、電流源電路成了模擬集成電路芯片中不可缺少的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓源電路在O～70℃的溫度范圍內(nèi)能產(chǎn)生溫度系數(shù)為 ℃的基準(zhǔn)電壓15罔，而且由于電路中存在運算放大器，基準(zhǔn)源的指標(biāo)在很大程度上受到運放失調(diào)電壓(Offset)，電源電壓抑制比(PSRR)等的限制，要想進(jìn)一步提高電路的性能就需要在電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。
1.3 本文的主要內(nèi)容
為了設(shè)計一種高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)源，本文將首先著手于研究帶隙基準(zhǔn)源的原理和提高帶隙基準(zhǔn)源性能的方法，再對高精度的CMOS帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行完整設(shè)計分析，然后借助HSPICE對電路進(jìn)行模擬仿真，包括帶隙基準(zhǔn)源的核心電路、電源抑制比電路、快速啟動電路等。本文的主要內(nèi)容如下：
1）介紹CMOS帶隙基準(zhǔn)源的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及本課題研究目的意義；
2）介紹基準(zhǔn)源的分類，詳細(xì)分析帶隙基準(zhǔn)源的基本原理和幾種基本框架，并分析其優(yōu)缺點；
3）分析影響帶隙基準(zhǔn)電壓源溫度性能的原因并總結(jié)目前的改進(jìn)方法；
4）對高精度的CMOS帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行設(shè)計分析和模擬仿真；














2. 基準(zhǔn)電壓源的原理與電路

2.1 基準(zhǔn)源指標(biāo)介紹
實際中，穩(wěn)定的電壓是每一個模擬電路都不可或缺的，鑒于產(chǎn)生穩(wěn)定壓的基準(zhǔn)模塊的重要性和廣泛的應(yīng)用，以及對性能的高要求，國內(nèi)外對帶隙基準(zhǔn)電壓源做了大量的研究，研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面：
1．相對溫度系數(shù)Tc(Temnerature coefficient))
基準(zhǔn)電壓源的溫度漂移特性通常用相對溫度系數(shù)來表征，單位是ppm／℃(ppm表示百萬分之一)，它表示由于環(huán)境溫度變化引起韻輸出電壓的漂移量，反映基準(zhǔn)源在整個工作溫度范圍內(nèi)輸出電壓最大值與最小值相對正常輸出時的變化，是衡量基準(zhǔn)電壓源的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)，低溫度系數(shù)是必須的。輸出時的變化，是衡量基準(zhǔn)電壓源的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)，低溫度系數(shù)是必須的。
2．負(fù)載調(diào)整率
負(fù)載調(diào)整率(靈敏度)，基準(zhǔn)輸出電壓自身的相對變化與規(guī)定范圍內(nèi)負(fù)載電流相對變化的比值，通常用uV／mA表示。為了保證在負(fù)載端得到準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓，一般總可以用緩沖放大器隔離基準(zhǔn)和負(fù)載，保持基準(zhǔn)的高性能。負(fù)載調(diào)整率越小說明基準(zhǔn)電壓源帶負(fù)載的能力就越強。
3．電源電壓調(diào)整率
電源電壓調(diào)整率，基準(zhǔn)輸出電壓自身的相對變化與規(guī)定范圍內(nèi)輸入電源電壓相對變化的比值，通常用uV／V表示。電源電壓調(diào)整率越小說明電源電壓對基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓影響越小。
4．電源抑制比PSRR
電源抑制比，電源電壓存在的紋波電壓頻率從低到高變化時，基準(zhǔn)輸出電壓變化相對于電源電壓變化的小信號增益。
5．啟動時間
啟動時間，是電源上電后，基準(zhǔn)電壓源輸出達(dá)到正常值所需要的時間，通常都是us數(shù)量級的。
6．噪聲
基準(zhǔn)輸出電壓中的噪聲(Noise)包括兩類：一類是寬頻帶的熱噪聲；另一類是低頻1／f噪聲。在高頻時噪聲主要是熱噪聲，這種寬帶噪聲可以在輸出端和地間增加一個大電容，有效濾除，而1／f噪聲是基準(zhǔn)源的內(nèi)在固有噪聲，與工藝有關(guān)，一般在0.1到10Hz范圍內(nèi)定義，無法抑制。在高精密設(shè)計中，噪聲的因數(shù)是不可忽視的。
2.2 基準(zhǔn)電壓源的結(jié)構(gòu)
2.2.1直接采用電阻和管分壓的基準(zhǔn)電壓源
如圖2.1所示的基準(zhǔn)電壓源可以說是最簡單的基準(zhǔn)源。

(a)采用電阻分壓的基準(zhǔn)電壓源 (b)采用管分壓的基準(zhǔn)電壓源
圖 2.1采用電阻和管分壓的基準(zhǔn)電壓源
對圖2.1(a)，有
(2.1)
(2.2)
其中， 表示電源電壓幅度敏感系數(shù)。
對圖2.1（b），有
(2.3)
其中， ， ， 代表PMOS管的寬長比， 代表NMOS管的寬長比。若有 ， ， ，則它的輸出基準(zhǔn)電壓對電源電壓非常敏感，而且對溫度也非常敏感，所以它的應(yīng)用受到很大的限制。

圖2.2電源電壓敏感系數(shù)小于1的簡單電壓源
若要得到電源電壓敏感系數(shù)小于1的電路結(jié)構(gòu)，就要像圖2.2那樣設(shè)計電路，在電路中提供相對穩(wěn)定的電流，才能減小基準(zhǔn)電壓對電源電壓的依賴。
2.2.2有源器件與電阻串聯(lián)組成的基準(zhǔn)電壓源
通過以上的分析，為了能設(shè)計出簡單的基準(zhǔn)電壓源，人們設(shè)計出了有源器件與電阻串聯(lián)組成的基準(zhǔn)電壓源，如圖2.3和圖2.4所示。

圖2.3電阻與MOS管串聯(lián)的基準(zhǔn)電壓源 圖2.4電阻與雙極晶體管串聯(lián)的基準(zhǔn)電壓源
在圖2.3中，得到：
(2.4)
(2.5)
齊納（穩(wěn)壓）二極管工作在反向偏置區(qū)時，在穩(wěn)定的電壓下，它的電流也是穩(wěn)定的，而且隨著電壓的增加，電流會迅速的增加。因此使用這種基準(zhǔn)時，必須提供恒定的電流。最基本的形式就是由電源和電阻來完成，如圖2.5所示。

圖2.5 齊納二極管構(gòu)成的電壓基準(zhǔn)源
(2.6) (2.7)
是擊穿二極管在擊穿點Q（如圖2.6）的小信號阻抗。

圖2.6 齊納二極管工作特性
反向擊穿發(fā)生在電壓為 的時候， 變化范圍為6V～8V(如圖2.7)， 值的大小取決于n+區(qū)和p+區(qū)的摻雜濃度。擊穿電壓的溫度系數(shù)會隨著擊穿電壓BV的值變化，齊納擊穿電壓的溫度系數(shù)為負(fù)，雪崩擊穿電壓的溫度系數(shù)為正。通過選擇合適的正溫度系數(shù)就可以抵消掉二極管的結(jié)壓降負(fù)溫度系數(shù)（約為-2.0mV/℃）。通過選擇合適的偏置電流，就可以獲得接近零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。然而這種基準(zhǔn)源的應(yīng)用越來越少，因為它們使用起來有點困難：精度不高，噪聲大，輸出基準(zhǔn)電壓對電流和溫度都有較大的依賴性。


圖2.7 的溫度系數(shù)與 的關(guān)系
2.2.3帶隙基準(zhǔn) ……（未完，全文共33309字，當(dāng)前僅顯示5991字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計》）