供電的低噪聲帶隙基準(zhǔn)電壓源

1、1V供電的低噪聲帶隙基準(zhǔn)電壓源（節(jié)選）Keith Sanborn IEEE成員 Dongsheng Ma IEEE成員 Vadim Ivanov IEEE成員摘要：本文將會(huì)提出一種新的工作電壓1V以內(nèi)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，和以前的設(shè)計(jì)相比，它具有更低的輸出噪聲，同時(shí)對(duì)不同的制造過(guò)程有著更好的兼容性。這項(xiàng)技術(shù)將通過(guò)使用反向帶隙電壓原理（RBVP），使帶隙基準(zhǔn)工作在1V的低壓下。與此同時(shí)，在不使用外置濾波器的情況下輸出噪聲也控制在很低水平。雖然設(shè)計(jì)時(shí)采用的是0.5um的BiCMOS工藝，但是它能與絕大多數(shù)的CMOS和BiCMOS工藝很好地兼容。在所有的測(cè)試模塊和空閑模塊中，一個(gè)完整的晶圓面積大約是0.

2、4mm2。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示，在20uA的偏置電流下工作時(shí)，輸出噪聲的頻率密度為40nV/Hz。此外，在0.110Hz頻帶下的峰到峰輸出噪聲僅為4uV。室溫下，未經(jīng)調(diào)整的電壓基準(zhǔn)的平均輸出為190.9mV，在-40到125之間的平均溫度系數(shù)在11ppm/附近，誤差不超過(guò)5ppm/。關(guān)鍵詞： BiCMOS 低噪聲 低壓 噪聲測(cè)量 峰到峰噪聲 亞1V帶隙基準(zhǔn)電壓 溫度系數(shù) 1V供電 正文：1、 介紹 電壓基準(zhǔn)在模擬電路或者數(shù)?；旌想娐罚ɡ鐢?shù)據(jù)整流器和電壓調(diào)節(jié)器）是一個(gè)關(guān)鍵性的模塊。下面是一個(gè)理想電壓基準(zhǔn)的一些關(guān)鍵要求： (1)輸出電壓與溫度無(wú)關(guān)； (2)輸出電壓與輸入無(wú)關(guān)； (3)可以在一

3、個(gè)較寬的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作； (4)輸出電壓易被測(cè)量。 一個(gè)典型的可以滿足上述要求的基準(zhǔn)就是帶隙基準(zhǔn)。據(jù)作者所知，這種基準(zhǔn)最早于20世紀(jì)70年代初在National Semiconductor雜志中出現(xiàn)，是由Widlar在研究LM109 5-V輸出電壓調(diào)節(jié)器時(shí)提出的。通過(guò)改進(jìn)，基準(zhǔn)的輸出電壓能被調(diào)整到10V和2.5V。在這兩個(gè)方案中，我們都是通過(guò)把一個(gè)與絕對(duì)溫度互補(bǔ)的電壓（CTAT）和一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電壓（PTAT）相加，產(chǎn)生一個(gè)與溫度系數(shù)一階線性相關(guān)的電壓，并作為帶隙電路的輸出電壓。這個(gè)與溫度系數(shù)一階線性相關(guān)電壓的產(chǎn)生，可以用表一中所示的帶隙基準(zhǔn)來(lái)解釋?zhuān)@個(gè)電路的輸出電壓為 （1）

4、圖一. 采用雙極性NPN管的帶隙基準(zhǔn)電壓源這里的是管和管發(fā)射極面積的比值。（1）式中的和分別是CTAT和PTAT電壓。電路中各個(gè)電阻的阻值和上述的數(shù)值應(yīng)該被恰當(dāng)?shù)眠x擇，使得CTAT和PTAT電壓對(duì)溫度的影響恰好能夠相互抵消。當(dāng)溫度影響被抵消之后，（1）式中的值將約等于0開(kāi)爾文時(shí)候硅的頻帶間隙電壓1.2V。盡管上述帶隙基準(zhǔn)能夠滿足之前所提到的所有典型要求，它仍然在最小電源電壓方面有個(gè)缺點(diǎn)。假設(shè)表一中放大器的最大輸出過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為200mV，那么此帶隙基準(zhǔn)所需要的最小電源電壓為 （2） 隨著新制造工藝下最小特征尺寸的不斷減小，在這些工藝下工作的電路元件所需要的電源功率也必須要相應(yīng)減小，這樣才能滿足更

5、小的擊穿電壓需求。因此，可以在1.4V電源電壓以內(nèi)工作的電壓基準(zhǔn)有著非常廣泛的需求。 進(jìn)來(lái)，一種新的可以解決低壓供電問(wèn)題的電壓基準(zhǔn)在一些文獻(xiàn)中被提出。這些基準(zhǔn)通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的電流，并使它的鏡像通過(guò)一個(gè)電阻，以此產(chǎn)生出一個(gè)低于1V的輸出電壓。這些電路不僅可以再在1V的供電下正常工作，而且在BiCMOS和CMOS工藝下都可以實(shí)現(xiàn)。 但是由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中MOS電流鏡的存在，這種基準(zhǔn)在平帶下有著較高的噪聲輸出。另外一種通過(guò)不同MOS器件的閾值電壓加權(quán)所產(chǎn)生的低壓基準(zhǔn)，則使用一個(gè)外置的濾波電容來(lái)減小噪聲。可是這種方法也難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰臑V波電容太大（超過(guò)100nF），以至于很難被集成到芯片

6、里。 除此之外，由于會(huì)增加系統(tǒng)的成本和體積，我們應(yīng)當(dāng)盡量避免使用外置零件。本文中，一種新的帶隙基準(zhǔn)將被提出，它將能在低于1V的電源電壓下進(jìn)行工作。此外，在沒(méi)有大容值外置濾波電容的情況下，它仍然能很好控制輸出噪聲。它在BiCMOS和CMOS工藝下都可以很好地兼容。本文的其他內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下。在第二章，我們將回顧一些以前的低壓帶隙技術(shù)，兩種低于1V的基準(zhǔn)將被詳細(xì)討論，分別是電流模式基準(zhǔn)和電壓模式基準(zhǔn)。我們會(huì)分析這兩種基準(zhǔn)所采用的技術(shù)和關(guān)鍵性問(wèn)題。在第三章，我們將給出所設(shè)計(jì)的方案，包括詳細(xì)的原理分析和電路圖，這一章的后半部分還會(huì)有一個(gè)和以前技術(shù)的簡(jiǎn)略比較。電路的噪聲和功耗的分析則在第四章，這一章同時(shí)還提

7、出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。第五章是仿真結(jié)果，用來(lái)驗(yàn)證提出的設(shè)計(jì)方案。第六章主要是研究成果的總結(jié)歸納。二、經(jīng)典低壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案 1.電流模式基準(zhǔn)一個(gè)傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)所需要的輸入電壓通常要高于其輸出電壓1.2V。一些文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了新的電流模式基準(zhǔn)，它們可以在低于1.2V的供電電壓下正常工作，同時(shí)它們?cè)贐iCMOS和CMOS工藝下都可以被實(shí)現(xiàn)。通過(guò)將CTAT電流和PTAT電流相加，電流模式基準(zhǔn)能夠產(chǎn)生產(chǎn)生一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的電流。隨后將這個(gè)電流鏡像復(fù)制并通過(guò)一個(gè)電阻，就可以得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。這種類(lèi)型的低壓基準(zhǔn)具體電路如圖二所示，所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓為 （3）這里的因數(shù) （4） 圖二.電流模式基準(zhǔn)盡管這

8、種電流模式基準(zhǔn)有著低壓工作和不同工藝可適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，但是如圖二所示，由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中PFET電流鏡的存在，這種1V工作的低壓帶隙基準(zhǔn)會(huì)表現(xiàn)出平帶較高和有一定量噪聲的缺點(diǎn)。2. 電壓模式基準(zhǔn)作為上面討論的電流模式基準(zhǔn)的補(bǔ)充，這里提出了另外一種1V工作的帶隙基準(zhǔn)電壓模式基準(zhǔn)。這種基準(zhǔn)的輸出相當(dāng)于（1）式中輸出電壓的一部分。（1）的結(jié)論能被變形為 （10）這里的因數(shù) （11） 用式（10）除以（11）就能得到一個(gè)基準(zhǔn)電壓: （12） 公式（12）中的方法采用了反向帶隙電壓原理（RBVP），和將加到標(biāo)準(zhǔn)電壓的方法不同，電壓模式1V工作的基準(zhǔn)是將一個(gè)電壓加到衰減的電壓。采用這種技術(shù)的電路不需要像圖二中

9、M0M1M2那樣的電流鏡。因此，在相同的功率損耗和晶圓面積下，電壓模式基準(zhǔn)的輸出噪聲要比電流模式的更小。 使用RBVP技術(shù)的電壓模式基準(zhǔn)如圖四所示： 圖四.電壓模式基準(zhǔn) 這個(gè)電路的輸出電壓為 （13）如果是可以忽略的并且 ，那么就有，公式（13）可以化簡(jiǎn)為 （14）這里的因數(shù) （15）很明顯的，圖四中電路同樣使用的是RBVP，所以公式（14）和公式（12）的格式基本相同 。3、 新設(shè)計(jì)的1V工作的低噪聲電壓基準(zhǔn)1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理為了克服第二章中所提到的種種缺陷，我們提出了一種新型的1V工作的帶隙基準(zhǔn)電壓源。它的電路原理圖如圖七所示。和前面提到的電壓模式基準(zhǔn)一樣，它的輸出電壓也是通過(guò)RBV

10、P原理產(chǎn)生的。三極管和電阻,組成了一個(gè)加法器，在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)電壓。 把減去，就能得到基準(zhǔn)電壓，描述的等式和等式（12）有著基本相同的格式。圖七、新設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)通過(guò)對(duì)圖七中的電路進(jìn)行直流分析，我們可以描述它的工作原理。作為分析的結(jié)果，我們可以得到處的電壓： （34） 根據(jù)周?chē)腒VL（基爾霍夫電壓定律），我們可以得出管的射基級(jí)電流與滿足等式： （35）將等式（34）中的帶入到等式（35）中又可得出 （36）在管的基極和輸出節(jié)點(diǎn)之間加一個(gè)電阻是為了抵消等式（36）中所示由電流帶來(lái)的誤差。如果將電阻的值設(shè)置為 （37）那么等式（36）就被化簡(jiǎn)為 （38）很明顯的，這里的數(shù)值需要對(duì)溫度和輸入電壓保

11、持無(wú)關(guān)，這樣才能將（36）式中所引起的誤差降到最低。如果和不匹配的話，就沒(méi)辦法完全消除（36）中的誤差項(xiàng)。同樣，如果的值隨著溫度和輸入電壓變化的話，誤差項(xiàng)也沒(méi)辦法完全消除。即使電阻不能完全消除的誤差，它也能使電流和不必始終大于，這也是為了將誤差項(xiàng)最小化。除此之外，這種方法非常易于實(shí)現(xiàn)，而且也不會(huì)增加額外的電流損耗。式（38）中射基極電壓差值能被三極管和的集電極電流和代替，其轉(zhuǎn)換方式如下： （39）將式（39）代入到式（38）中，基準(zhǔn)電壓的值就可以表示為 （40）這里的是和發(fā)射極面積的比值。假設(shè)圖七中運(yùn)算放大器的輸入偏置電流是可以忽略的，那么的值可以被節(jié)點(diǎn)周?chē)腒CL（基爾霍夫電流定律）等式所取

12、代： （41）的值則可以由節(jié)點(diǎn)處的KCL等式得到： （42）通過(guò)觀察圖七中的電路又可以得知 （43）將式（43）代入式（42）中可以簡(jiǎn)化： （44）再將式（41）和（44）代入式（40）中，的值就被表示為 （45）圖七中的運(yùn)算放大器和PFET電流源M0構(gòu)成了一個(gè)反饋環(huán)，它可以強(qiáng)制使得的電壓值與相等。假設(shè)該運(yùn)放沒(méi)有輸入電壓的失調(diào)誤差，而且環(huán)路增益非常高，那么可以認(rèn)為的值等于： （46）將式（46）代入式（45）中可以簡(jiǎn)化的表達(dá)式為 （47）又因?yàn)?，所以式?7）又可以簡(jiǎn)化為 （48）這里的因數(shù)為 （49）對(duì)比式（48）和式（12）我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)臅r(shí)候兩式式完全相等的。這也證明了圖七中電路所使用的

13、確實(shí)也是RBVP原理。由圖七中電路輸出支路的KVL分析可知輸入電壓（）和是緊密相關(guān)的。其關(guān)系如下： （50）這里的是電流源的源漏飽和電壓。如果可忽略并且在我們關(guān)心的溫度范圍內(nèi)和的最大值分別為600mV和200mV，那么由式（50）和式（48）所能得出的電路的最小輸入電壓（）應(yīng)當(dāng)為。因此，所設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電路有能力在輸入電壓低至1V的情況下進(jìn)行工作。由于電阻和之間，和之間，和之間存在著失配，所以基準(zhǔn)源的輸出電壓和式（47）中的理論值會(huì)有偏差。同樣的，圖七中的運(yùn)放輸入偏置電壓也存在誤差（）。對(duì)圖七中的電路進(jìn)行直流分析，我們可以求出上述各種偏差對(duì)基準(zhǔn)輸出電壓的影響。首先把各個(gè)電阻的失配用下面的式子進(jìn)行描

14、述： （51） （52） （53）這里的，以及分別是理想狀況下，以及的比值。放大器的輸入失調(diào)電壓會(huì)使式（46）實(shí)際變成 （54）這里的和分別是考慮運(yùn)放輸入失調(diào)時(shí)候圖七中的和。實(shí)際的基準(zhǔn)輸出電壓受各個(gè)誤差的綜合影響，可以表示為： （55）這里的是理想狀況下由式子（47）所得出的輸出電壓，分別是根據(jù)式（51）（53）推算出的電壓誤差。誤差項(xiàng)則是由（54）中的項(xiàng)得來(lái)的。在理想狀況下，電阻的阻值應(yīng)當(dāng)滿足（37）中的條件，這樣就使得 （56）假設(shè)并且，那么各個(gè)電阻的失調(diào)對(duì)基準(zhǔn)輸出電壓的影響近似如下： （57） （58） （59） （60）如果電阻和是用相同的材料所構(gòu)成的，那么（57）的分母可近似認(rèn)為是與

15、溫度無(wú)關(guān)的，因?yàn)?。這表明由于分子中存在的項(xiàng)，對(duì)溫度的關(guān)系是CTAT型的。同時(shí)由于，所以誤差電壓的數(shù)值非常小。由于和的原因，（58）和（59）中分母的右半部分均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。因此有 （61） （62）由于（61）始終存在的項(xiàng)，在溫度升高的時(shí)候誤差電壓的絕對(duì)值也是增加的，而由于（62）中存在的項(xiàng)，在溫度升高的時(shí)候誤差電壓會(huì)保持相對(duì)恒定。只要的溫度漂移可以忽略，同時(shí)電阻和是由同種材料構(gòu)成的（相同的溫度系數(shù)），上述觀測(cè)數(shù)據(jù)就是有效的。除此之外，結(jié)果表明如果使用高值的PNP晶體管并且使，和就能被減到最小。通過(guò)對(duì)（60）的觀察，我們又可以知道如果和的溫度漂移可忽略，同時(shí)電阻和是由同種材料構(gòu)成的（相同的溫度系

16、數(shù)），那么將會(huì)有個(gè)與成比例的溫度系數(shù)。除此之外，只要使用高值的PNP晶體管并且使，也可以被減到最小。2.和經(jīng)典方案的對(duì)比 和第二章中提到的經(jīng)典帶隙基準(zhǔn)相比，這種新式的基準(zhǔn)有著不少優(yōu)點(diǎn)。其中之一就是集電極電流的溫度系數(shù)被很好定義了。由于集電極電流和是受圖七中的反饋環(huán)控制的，所以本設(shè)計(jì)里的計(jì)算和第二章第二小節(jié)里該因數(shù)的計(jì)算式不一樣的。根據(jù)（40）和（48）中所示的自然對(duì)數(shù)式，有 （63） 參考文獻(xiàn)【12】中提到集電極電流是由或基準(zhǔn)電壓影響的，參考文獻(xiàn)【15】提到集電極電流由影響，而這個(gè)結(jié)果表明集電極電流是由電阻和所決定的。除此之外，電流和（41）（44）中的 是成比例的。這表明它們是與溫度無(wú)關(guān)的。

17、這些就使得在不依靠電腦模擬和精確的模型頻繁實(shí)驗(yàn)的條件下，我們就可以很簡(jiǎn)單地得到的值。 第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這個(gè)基準(zhǔn)的核心三極管在工作時(shí)可以遠(yuǎn)離深飽和區(qū)。文獻(xiàn)【12】中電路提到的一個(gè)很大缺陷就是管工作在深飽和區(qū)，這導(dǎo)致基準(zhǔn)的輸出電壓會(huì)隨著基極電流的增加有較大波動(dòng)。圖七中所示電路里的管則可以工作在放大區(qū)，這里處的集基級(jí)電流為 （64）通過(guò)觀察電路可知 （65） 將（34）和（46）代入（65）中，則的計(jì)算式變成了 （66）假設(shè)電流可以忽略不計(jì)，那么將（48）和（66）代入（64）中可得 （67）通過(guò)使用（67）來(lái)代入（29）（31）中的，可知，的減小量以及的增大量是對(duì)下式成比例的： （68）式（68）的結(jié)

18、果表明如果電阻和是使用相同材料構(gòu)成（有著相同的溫度系數(shù)），那么隨著的改變，相應(yīng)發(fā)生的，以及的改變時(shí)保持與溫度無(wú)關(guān)的。的基極極電壓是用（32）來(lái)表示的，把（32）中的帶入（29）（31）左右中，可知，的減小量以及的增大量是對(duì)下式成比例的： （69）這個(gè)結(jié)果表明，由于指數(shù)項(xiàng)里的和是隨溫度變化的，所以隨著的變化，相應(yīng)的，以及的改變量也是隨溫度變化的。除此之外，（68）和（69）的結(jié)果表明，文獻(xiàn)【12】中的基集極電壓比本文設(shè)計(jì)的的集基極電壓對(duì)集電極，基極，射極電流影響更大，因?yàn)?（70）上述分析表明，比起文獻(xiàn)【12】中的電路，圖七中的電路更好地控制了式（36）中的誤差。因此，由電路中元件失配引起的管的

19、和的變化不會(huì)明顯阻礙電阻的作用抵消（36）中的誤差項(xiàng)。除了上述優(yōu)點(diǎn)之外，所設(shè)計(jì)電路還與低功耗N阱CMOS工藝相兼容。它使用PNP三極管來(lái)產(chǎn)生核心電路的電壓和。和【12】【15】中采用的NPN管不同，PNP三極管在現(xiàn)代的低功耗N阱CMOS工藝中可以通過(guò)P型襯底進(jìn)行橫向設(shè)計(jì)。最后，比起以前所用的基準(zhǔn)電壓源，我們的設(shè)計(jì)里是沒(méi)有集電極電流的不匹配的。管和管將有相同的射基極電壓，由于基區(qū)寬度調(diào)制，使得集電極電流的誤差和失配減到最小。一個(gè)PNP雙極型晶體管的集電極電流（）是和射集極電壓以及引用文獻(xiàn)【1，p.19】中的歐拉電壓（）有關(guān)的： （71） 將（71）中的和代入（38）中，再加上使用（41）（44）

20、和（46）式可知 （72） 由于較短的基區(qū)寬度，這里的橫向PNP前端電壓趨向于10V以內(nèi)。這種情況下，基準(zhǔn)的輸出電壓將不再僅僅由電阻和的比值決定。由于圖七中和的射極末端是連在一起的，因此只要兩管的集電極電壓相同，那么兩管的歐拉電壓對(duì)的影響就可以忽略不計(jì)。通過(guò)（63）式的推導(dǎo)我們還可得知圖七中的運(yùn)算放大器會(huì)強(qiáng)制使得節(jié)點(diǎn)和處的電壓值相等。在（46）的條件下我們又可知電壓和是相等的。因此，在這個(gè)基準(zhǔn)里，由歐拉電壓導(dǎo)致的和之間的失配就被消除了。而在【12】和【15】中的電壓模式基準(zhǔn)里，和的集射極電壓并不相等，所以由于歐拉電壓的存在，集電極電流和會(huì)存在誤差和失配。 4、 設(shè)計(jì)優(yōu)化（略）5、 仿真結(jié)果（略

21、）6、 總結(jié)上面提供了一個(gè)新型的1V下工作，靜態(tài)電流僅20uA的帶隙基準(zhǔn)電壓源，它的輸出電壓為，在到之間的平均溫度系數(shù)約為11.04ppm/。不僅有著非常優(yōu)良的溫度系數(shù)和未經(jīng)調(diào)整的精度，在沒(méi)有外置電容的情況下它仍然能將輸出噪聲控制得很低。平帶輸出噪聲的頻譜密度是40nV/Hz，轉(zhuǎn)折頻率則是20Hz。此外，所設(shè)計(jì)基準(zhǔn)從0.1到10Hz的峰峰輸出噪聲為4uV，它的標(biāo)準(zhǔn)電壓調(diào)整率為dB。最后，這個(gè)電路所采用的技術(shù)使它能以最小的改造在各種不同的工藝之間移接，例如BiCMOS和CMOS。參考文獻(xiàn)：1 P. R. Gray and R. G. Meyer, Analysis and Design of A

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