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低壓CM0S帶隙基準電壓源設計

發布時間:2010-8-20 10:41    發布者:lavida
關鍵詞: CM0S , 帶隙 , 基準電壓源
基準電壓源廣泛應用于電源調節器、A/D和D/A轉換器、數據采集系統,以及各種測量設備中。近年來,隨著微電子技術的迅速發展,低壓低功耗已成為當今電路設計的重要標準之一。比如,在一些使用電池的系統中,要求電源電壓在3 V以下。因此,作為電源調節器、A/D和D/A轉換器等電路核心功能模塊之一的電壓基準源,必然要求在低電源電壓下工作。  

在傳統的帶隙基準源設計中,輸出電壓常在1.25 V左右,這就限制了最小電源電壓。另一方面,共集電極的寄生BJT和運算放大器的共模輸入電壓,也限制了PTAT電流生成環路的低壓設計。近年來,一些文獻力圖解決這方面的問題。歸納起來,前一問題可以通過合適的電阻分壓來實現;第二個問題可以通過BiCMOS工藝來實現,或通過低閾值電壓的MOS器件來實現,但工藝上的難度以及設計成本將上升。  

基于上面的考慮,本文首先對傳統的帶隙電壓源原理進行分析,然后提出了一種比較廉價且性能較高的低壓帶隙基準電壓源,采用電流反饋、一級溫度補償技術設計了低壓CMOS帶隙基準源電路,使其電路能工作在較低的電壓下。本文介紹這種帶隙電壓基準源的設計原理,給出了電路的仿真結果,并對結果進行了分析。并基于CSMC 0.5μm Double Poly Mix Process對電路進行了仿真,得到理想的結果。  

1 低壓COMS基準電壓源設計  

1.1 傳統的帶隙基準源  

圖1為帶隙基準電壓源的原理示意圖。雙極性晶體管的基極-發射極電壓VBE,具有負的溫度系數,其溫度系數一般為-2.2 mV/K。而熱電壓VT具有正的溫度系數,其溫度系數在室溫下為十0.085 V/K。將VT乘以常數K并和VBE相加就得到輸出電壓VREF:  


  
將式(1)對溫度T微分并代入VBE和VT的溫度系數可求得K,它使VREF的溫度系數在理論上為零。VBE受電源電壓變化的影響很小,因而帶隙基準電壓的輸出電壓受電源的影響也很小。  


  
傳統帶隙基準源結構能輸出比較精確的電壓,但其電源電壓較高(大于3 V),且基準輸出范圍有限(1.2 V以上)。要在1.8 V以下的電源電壓得到1.2 V以下的精確基準電壓,就必須對基準源結構上進行改進和提高。  


  
1.2 低壓COMS基準電壓源的電路設計  

本設計基于CSMC-O.5μm-CMOS工藝(NMOS的閾值電壓為0.536 V,PMOS的閾值電壓為-0.736 V)。采用一級溫度補償、電流反饋技術設計的低壓帶隙基準源電路如圖3所示。低壓帶隙基準源的電流不僅用于提供基準輸出所需的電流,也用于產生差分放大器所需的電流源偏置電壓,簡化了電路和版圖設計。  


  
為了與CMOS標準工藝兼容,電路中PNP的e,b,c區分別采用P+,N-well,P-sub集電極接地。Q2和Q1的發射極面積比為8:1,流過Q1和Q2的電流相等,這樣△VBE等于VTln 8。流過電阻R1的電流與熱力學溫度成正比。三路鏡像電流源使得流過P2,P3,P4的電流相等(I1=I2=I3)。  


  
通過調節R4的值,可以調節輸出電壓VREF的大小。在電源電壓變化時,P2,P3,P4的漏源電壓值保持不變,與電源電壓無關,其柵極電壓由運放調節。為了降低電路的復雜度,應用電流反饋原理,運放采用簡單的一階運放,由于VDD的變化多于GND的變化,故運放的輸入采用NMOS的差分對結構。因為整個電路在低壓下工作,故整個電路設計的重點是要保證低壓下運放的正常工作。  

由于帶隙基準源存在兩個電路平衡點,即零點和正常工作點。當基準源工作在零點時,節點1、2的電壓等于零,基準源沒有電流產生。固需要設計一個啟動電路,避免基準源工作在平衡零點。本設計的啟動電路由N5、N6和P7構成。當電路工作在零點時,N6管導通,迅速提高節點1、2的電壓,產生基準電流,節點1的電壓通過P7和N5組成的反相器,使N6管完全截止,節點1、2的電壓回落在穩定的工作點上,基準源開始正常工作。  

電路的器件參數如表1所示,P2,P3,P4管的尺寸較大,是為了降低電路中的1/f噪聲。電流鏡的負載管P5,P6和差分對管N1,N2的寬長比較大,以抑制電路的熱噪聲。由于電路中的電阻值較大,故在工藝中用阱電阻實現。電容C0有助于電路的穩定,同時還可以減小于運放的寬度,有助于降低噪聲的影響。  


  
2 仿真與結果分析  

Cadence設計平臺下的Spectre仿真器中基于CSMC 0.5 μm CMOS工藝模型對電路進行了仿真。得到電路的溫度特性曲線、直流電源抑制特性曲線、交流PSRR特性曲線、啟動時間曲線如圖4所示。各項仿真結果參數如表2所示。  


  
3 結語  

在應用典型CMOS電壓基準源的基礎上,綜合一級溫度補償、電流補償技術,設計了帶隙電壓基準源電路。該帶隙基準源電路的電源工作范圍為1.* V,工作溫度為-10~+130℃,基準輸出電壓VREF為(650.5±0.5)mV,溫度系數可低至2.0 ppm/℃,電源抑制比為-70 dB。仿真結果證明了設計的正確性。
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