一種低壓低功耗帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(1)

1、彭何等；一種低壓低功耗帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計一種低壓低功耗帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計彭何 王軍（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽621000）摘 要： 基于中芯國際130納米COMS工藝，設(shè)計了一種新型帶曲率補償?shù)牡蛪旱凸膸痘鶞?zhǔn)電路。該電路根據(jù)MOS管亞閾值區(qū)固有指數(shù)關(guān)系去補償晶體管基極發(fā)射極電壓的高階溫度特性，使得該帶隙基準(zhǔn)電路在只增加兩股鏡像電流下，具有低功耗、和相對較低的溫漂系數(shù)。spectre仿真表明,溫度在-2080范圍內(nèi)，溫漂為1.3ppm/。電源抑制比為60dB，輸出基準(zhǔn)電壓為0.585V，電源線性調(diào)整率為0.12。整體電路功耗為820nW。關(guān)鍵詞： 帶隙基準(zhǔn)；壓閾值；低功耗；低壓中圖分類號：T

2、P433 文獻標(biāo)識碼： A Design of a low voltage and low power bandgap referencePengHe，WangJun（School of Information Engineering ,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, P. R. China）Abstract： Based on 130 nanometer COMS Technology of SMIC, A low voltage and low power consumption bandga

3、p reference circuit with curvature compensation was designed. The circuit according to inherent exponential relationship of MOS subthreshold region compensates higher-order temperature characteristics of transistor base emitter voltage, making the bandgap reference circuit with low power consumption

4、, and relatively low temperature coefficient by increased only two strands of current mirror. Spectre simulation show that the temperature is in the range of -20 to 80 , and the temperature drift is 1.3ppm/. The power supply rejection ratio is 60dB, the output reference voltage is 0.585V, the power

5、supply linear adjustment rate is 0.12%. The overall circuit power consumption is 820nW.Key words： band gap reference ;sub-threshold; low power consumption; low voltage 1 引 言隨著可穿戴電子產(chǎn)品，便攜式充電電源的增多，對芯片的功耗和性能提出了更苛刻的要求8。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器，線性穩(wěn)壓器等集成電路設(shè)計中，低溫度系數(shù)、低功耗帶隙基準(zhǔn)源越來越重要。傳統(tǒng)低壓帶隙基準(zhǔn)電路通過一階補償?shù)玫降臏仄禂?shù)一般大于20ppm/，不能滿足高性能系統(tǒng)芯片

6、的要求。為了提升基準(zhǔn)源的精度，文獻4通過增加一條支路消去VBE的高階溫度項，使溫漂系數(shù)降低到7ppm/。文獻5提出了一種基于MOS管壓閾值特性的曲率補償?shù)蛪簬痘鶞?zhǔn)電路，使基準(zhǔn)溫漂小于10ppm/。本章采用厚柵、低閾值電壓NMOS管工作在亞閾值區(qū)作為補償電路使得帶隙基準(zhǔn)電路溫漂進一步改善。本章第2節(jié)主要介紹一階補償?shù)蛪簬痘鶞?zhǔn)電路的工作原理；第3節(jié)著重闡述MOS管處于壓閾值區(qū)的電流模型，并利用泰勒展式分析高階溫度補償電路；第4、5節(jié)基于130納米COMS工藝實現(xiàn)整體帶隙基準(zhǔn)電路與版圖并給出仿真結(jié)果；第6節(jié)得出結(jié)論。2 一階補償基準(zhǔn)電路原理一階補償帶隙基準(zhǔn)電路將具有正溫度系數(shù)的VBE（兩個雙極晶

7、體管的基極發(fā)射極電壓之差）加權(quán)后與具有負溫度系數(shù)的VBE（三極管的基極發(fā)射極電壓）相加： （1）理論上得到與溫度無關(guān)的帶隙基準(zhǔn)電壓。 （2）Eg為硅的帶隙能量,約等于1.12eV,VT為電壓當(dāng)量約為26mV，由（2）可知基極發(fā)射極電壓的溫度系數(shù)與該電壓本身的大小有關(guān),在常溫下（T300K）負溫度系數(shù)變化量為-1.5mV/。 （3）q為電子電荷，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，n為管子個數(shù)。 （4）可知正溫度系數(shù)為一定值，與參考溫度無關(guān)。通過電路產(chǎn)生正溫度系數(shù)的電壓和負溫度系數(shù)的電壓，并使這兩個電壓加權(quán)后相加得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。 隨著芯片集成度越來越高，供電電壓越來越低，如圖2為低壓基準(zhǔn)

8、電路原理圖1，運算放大器使A點和B點兩端電壓近似相等，圖1 低壓帶隙基準(zhǔn)原理圖則通過電阻R1的電流為與絕對溫度成正比的電流（PATA）： （5）電阻R3與R2的取值相等，則流過電阻R3的電流近似等于流過電阻R2的電流4 （6）由圖2知m3鏡像m2的電流，從而輸出電壓為： （7）3 曲率補償帶隙基準(zhǔn)電路分析傳統(tǒng)低壓帶隙基準(zhǔn)電路對負溫度系數(shù)電壓VBE進行了一階補償，但雙極晶體管的基極發(fā)射極電壓不僅包含溫度的一次項還包含溫度的高次項式。要得到更低的溫度系數(shù)必須對基極發(fā)射極電壓的高次項進行補償2.。 （8）TR為參考溫度，一般為300K，VBG(TR)為在參考溫度點的能帶電壓V(TR)外推到T=0k時

9、的能帶電壓，約為1.17V。VEB（TR）為參考溫度下的基極發(fā)射極電壓，為工藝相關(guān)的常數(shù)，典型值在24之間，VT=KT/q，補償方案是利用兩個工作在亞閾值區(qū)NMOS管的VGS電壓差產(chǎn)生一個近似等于VEB中關(guān)于溫度的非線性電壓，并把該電壓與VEB相加，消去基極發(fā)射極電壓的非線性項得到一個近似與溫度成一次關(guān)系的電壓。相似的補償方法在文獻34中已有提到。本文提出的帶隙基準(zhǔn)電路原理圖如圖2所示圖2 帶曲率補償?shù)牡蛪簬痘鶞?zhǔn)在與絕對溫度成正比的電流產(chǎn)生電路中，N8，N9，必須工作在亞閾值區(qū)。在高階補償電路中N0也工作在亞閾值區(qū)，且選用厚柵，低閾值電壓的晶體管。供電電源為1.2V，出于對運算放大器的輸出擺

10、幅和增益的考慮采用二級運算放大器。運放的反向輸入端和正向輸入端分別與A點，B點相連，使得兩點的的電壓相等。運算放大器的輸出與N8，N9,N0的柵極相連。電阻R2將補償后的電壓轉(zhuǎn)換為補償電流，通過P8得到I2的鏡像電流。同理，用P6得到I1的鏡像電流。P4-P8的寬長比相等，為減小溝道長度調(diào)制效應(yīng)對電流的影響，器件長度盡量大于2um。最終通過電阻R3把與絕對溫度成正比的電流和補償電流相加轉(zhuǎn)換得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。由上面電路圖和公式（3）可知與絕對溫度成正比的電流I1為： (9)I0為與溫度無關(guān)的電流則，補償電流I2=I0-I1，在參考溫度點處，與絕對溫度成正比的電流與補償電流相等。因為I0與

11、溫度無關(guān)可以得出: (10)MOS管亞閾值電流公式3： (11)其中VGS小于閾值電壓，m為亞閾值區(qū)的斜率參數(shù)，由電路圖（2）中高階補償電路部分分析得出: (12) 由（11）（12）得出: (13) 把（8）帶入（13）中得到： (14) 由I2與溫度的表達式可知高次項 (15) 由泰勒展式： (16)所以當(dāng)x趨近于1時，假設(shè)T的變化范圍在參考溫度左右即： (17)對于（15）變形可得： (18) 因為基準(zhǔn)電流等于補償電流和與絕對溫度成正比的電流之和。把（9），（10）帶入式（18）可得： (19) m為晶體管亞閾值區(qū)斜率參數(shù)，變化范圍一般為1.1-1.5。由上表達式可以得出，在近似滿足TT

12、R的條件下，補償電流I2中與溫度的高次項被補償后，其值幾乎為零。所以由公式（14）得到: (20)由公式（9），（20）可得: （21）要使得基準(zhǔn)電壓與溫度無關(guān)，則需要上式中溫度的一次項為0。得出R1,R2的比值如下： （22）把（24）帶入（23）最終得出： （23）4 整體電路設(shè)計與實現(xiàn)加入啟動電路如圖3所示，R是一大電阻。當(dāng)偏置電路處于零態(tài)平衡點時，P1和P1導(dǎo)通，通過電流鏡P1會流過一個電流注入N8和N9的柵極，抬高其電壓，促使偏置電路脫離零態(tài)平衡點。當(dāng)偏置電流正常后，P0的電流會抬高P1和P1的柵極電壓，關(guān)斷P1，完成電路的啟動。啟動電路在電路正常工作后關(guān)斷。根據(jù)帶曲率補償帶隙基準(zhǔn)原

13、理分析，以及需要輸出的基準(zhǔn)電壓值，確定電阻比值以及三極管個數(shù)，基于中芯國際130納米COMS工藝，搭建整體電路如下圖所示：圖3 帶隙基準(zhǔn)電路5 仿真結(jié)果與分析 運用spectre，在工藝角tt下，對理想電阻R1的阻值優(yōu)化后，進行直流溫度掃描仿真掃描溫度范圍為-20到80，得到補償后的電流即P8的漏端電流和與絕對溫度成正比的電流即P5的漏端電流如下： 圖4 電流溫度曲線由圖得出補償電流和與絕對溫度成正比的電流的斜率的絕對值近似相等。當(dāng)設(shè)定的掃描溫度超出（-20 -80）后，補償電流溫度曲線線性度變差，由公式（18）可知泰勒展式的假設(shè)不成，進而導(dǎo)致補償電流的線性度變差，使得基準(zhǔn)電壓溫度特性變差。

14、在三種典型工藝角（tt ,ff ,ss）下，對帶隙基準(zhǔn)電路進行溫度掃描得到基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化曲線如下：圖5 溫度掃描曲線 電源電壓從0-2.5V線性變化，當(dāng)電源電壓達到1.1V時，整體電路基本處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定為585.4mV，電源線性調(diào)整率為0.12。圖6 基準(zhǔn)電壓線性調(diào)整率基準(zhǔn)電路版圖如圖7所示，尺寸為：120m×90m。采用3層金屬布線，考慮匹配，N3、N4采用共質(zhì)心布局，pnp2包圍pnp1，大電阻分布在兩側(cè)，電流從上至下。圖7 帶隙基準(zhǔn)電路版圖 提出的帶曲率補償帶隙基準(zhǔn)電路與部分參考低壓帶隙基準(zhǔn)源電路性能參數(shù)比較如下表：表1 電路性能參數(shù)比較文獻本文文獻6文獻

15、7文獻8工藝/n準(zhǔn)電壓/V0.5850.60.590.7溫漂ppm/1.32.214.880電源抑制比/dB604862功耗/nW8206815006 結(jié) 論 本文基于一階補償帶隙基準(zhǔn)電路，根據(jù)泰勒展式，分析MOS管亞閾值特性在一定溫度范圍內(nèi)近似消除VBE高階溫度項，進而設(shè)計了一種帶曲率補償?shù)蛪簬痘鶞?zhǔn)電路。該帶隙基準(zhǔn)溫漂為1.3ppm/，電源在1.12.5V變化時，帶隙基準(zhǔn)電路輸出電壓平均值為585.4mV，電源線性調(diào)整率為0.12%。整體電路功耗820nW。spectre仿真結(jié)果表明該帶隙基準(zhǔn)電路性能良好，能在低功耗線性穩(wěn)壓器，模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片中作為應(yīng)用。參

16、考 文 獻：1 RAZAVI B. Disign of Anolog CMOS Integrated Cir cuit M. 西安: 西安交通大學(xué),2003: 309-327.2 YANNIS P. Accurate analysis of temperature effects in Ic-Vbe characteristics with application to bandgap reference sources J. IEEE J Sol Sta Circ, 1980, 15(6): 1076-1084. 3 LEE K K, LANDE T S, HAFLIGER P D. A s

17、ub-uW bandgap reference circuit with an inherent Curvature- Compensation property J. IEEE transactions on cir cuits and systems, 2015, 62(1): 1-9.4 MALCOVATI P, MALOBERTI F, FIOCCHI C. Curva ture-ComPensated BiCOMS bandgap with 1-V supply Votage J. IEEE J Sol Sta Circ, 2001, 36(7): 1076- 1081.5 董大偉. 一種高精度基準(zhǔn)源電路 J. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2015, 41(6): 46-50.6 邢小明,李建成. 一種低功耗亞閾值帶隙基準(zhǔn)電壓源J. 微電子學(xué)與計算機, 2015, 32(10):