V高阶率补偿CMOS带隙基准源.docVIP

1.5-V高阶曲率补偿CMOS带隙基准源 摘要 此报告中设计了一种新的低电平，低噪声，高阶曲率补偿CMOS带隙基准源。此带隙电路用两个电阻串来减小电源电压。此外，由高阻抗的多晶硅电阻和扩散电阻产生的热敏电阻比来提供高阶补偿。此所设计的带隙基准电压源能在1.5V电源电压下工作（此时0℃时Vth=0.9V），它的温度系数小于15.2ppm/℃，平均电源调整率为5.5mV/V。 1.简介 基准电压源是许多电子元器件的主要组成，例如电源转换器，数字转化器，射频电路。温度对带隙基准电压源的影响毫无疑问会影响它的性能。因此低电平，低功率，低温飘带隙基准电压源在工业生产中越来越重要。事实上，许多现有的技术都能减小基准电压源的温度系数，如Song等人提出的二次温度补偿， Rincon-Mora等人提出的分段线性曲率校正。Audy和Lewis等人分别提出了更简单的基于热敏电阻比来加以实现的二阶和三阶曲率补偿带隙基准源。这个方法被Leung等人进一步发展为高阶曲率补偿用于CMOS带隙基准电压源的设计。 曲率补偿CMOS带隙基准电压源利用一个负温度系数的高阻抗多晶硅电阻和一个正温度系数的扩散电阻来产生一个热敏电阻比，以此能够有效地减少此带隙基准源的温度漂移。以上电阻都能在CMOS工艺中实现。有过报道的最低工作电源电压为2V，这对于将来的应用还远不够低。 为了未来应用中进一步减小所要求的电源电压，这里提出一种基于以上理论的低电压曲率补偿带隙基准源。它利用两个完全相同的电阻串来同时提供曲率补偿和电压电平摆幅。 在文章中，我们所设计的低电压带隙基准电压源将在第2章节中介绍。影响基准电压源精确度的重要设计因素，包括如电流镜匹配，放大器的偏移电压和输出噪声。章节3中的实验结果证实了这一结论。章节4为最后的总结。 2.我们所设计的曲率补偿带隙基准源 此低电压，高阶曲率补偿带隙基准源的电路结构和完整原理图分别如图1.和图2.所示。 图1.高阶曲率补偿带隙基准源的电路结构 图2. 高阶曲率补偿带隙基准源的原理图 在常规设计中，电源电压被误差放大器的PMOS输入级电压VGS所制约，而为了降低电源电压，应使用NMOS作为误差放大器的输入级。电阻串R2A，R2B，R3A和R3B被用于电平移动，提高误差放大器输入端的直流电压，这样误差放大器就能工作在高增益区。设置电阻值R2A=R2B，R3A=R3B。出于稳定性的原因，基准电压产生于误差放大器的反向输入端而不是正向输入。 此外，电阻串能为带隙基准提供告阶补偿。其中R1，R2A和R2B是高阻抗多晶硅电阻，R3A和R3B是p型扩散电阻。基准源电压VREF如下： Vref=VBE2+R2BR1lnNVT+R3BR1lnNVT 由于R2B和 R1采用同种材料，它们的电阻比R2B/ R1与温度无关。而R3B和 R1的材料不同，所以电阻比R3B/ R1与温度相关。多晶硅电阻和p型扩散电阻的温度系数分别为-1.05×10-3和1.65×10-3。 对于得到对外界变化不敏感的高精度的输出，低失调电压的电流镜和放大器的设计是很重要的。此外，基准电路的稳定性也是需要考虑的重点。设计要求和方法如下。 1.电流镜匹配 误差放大器用于使M1的VDS等于M2的VDS从而保持带隙电压的精确度。此外，为了减小沟道调制效应M1和M2都采用长沟道设计。由于在带隙基准设计中不必考虑速度，所以这个设计并不会降低带隙基准的性能。 2.低失调电压放大器 由于误差放大器的失调电压是与温度相关的，因此它会影响基准电压的精准度。随温度变化的失调电压为 VOS=∆VTHN+gmPgmN∙∆VTHP+12∙2IDNμNCOXW/LN∆W/LPW/LP-∆W/LNW/LN 为了减小失调电压，MA3和MA4（gmp）需要比MA1（gmn）小的多。MA5的偏置电流IDN要小一些，而MA1和MA2的尺寸W/LN需要大些。 3.输出噪声 最小化误差放大器的噪声源可以减小基准输出噪声，放大器的输出噪声如下 voea=2vn2+2vp2gmp/gmn2 为了最小化输出噪声，gmp/gmn需要小些。 4.频率补偿 正如之前提到的，基准输出产生于误差放大器的反向输入，这归因于电路中的两个反馈回路（由误差放大器和M2构成的正反馈，由误差放大器和M1构成的负反馈）。误差放大器反向输入的电容性负载减小了有利于更好稳定性的正反馈的带宽。此外，C1的极点分离用于增加稳定性。一种设计准则是更大的负载电容就需要更大的C1。 3.实验结果 我们所设计的CMOS带隙基准已经在AMS 0.6-um CMOS工艺下实现了。0℃时它的阈值电压大约为0.9V。芯片的显微照片如图3.所示，有效芯片面积为238um×413um。图4.显示了在不同温度和不同电源电压下的基准电压值。在电源电压为1.5V，1.6V，1.7V，1