高精度C MOS基準電壓源設計

貴陽學院電子與通信工程學院 寧江華

高精度C MOS基準電壓源設計

貴陽學院電子與通信工程學院 寧江華

基準源是模擬集成電路中的基本單元之一，它在高精度ADC、DAC、SOC等電路中起著重要作用，基準源的精度直接控制著這些電路的精度。本文闡述了一個基于帶隙基準結構的低功耗、低溫度系數、高電源抑制比的CMOS基準電壓源。該電路采用SMIC 0．18μm標準CMOS工藝實現，并用Spectre進行了仿真，得到理想的設計結果。

CMOS基準電壓源；低功耗；溫度補償；高電源抑制比

0 引言

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3V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[1],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[3][4][5]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[6]；第二個問題可以通過BiCMOS 工藝來實現[8]，或通過低閾值電壓的MOS 器件來實現[9],但工藝上的難度以及設計成本將上升。

基于上面的考慮, 本文研究并設計實現了一種具有高穩定性的帶隙基準電路。在分析比較各種基準電壓源性能的前提下，選擇了以基于PTAT(與絕對溫度成正比)改進的帶隙基準源電路作為設計的基礎，采用了環路補償方法來進行高階溫度補償。不僅結構簡單還獲得了較好的溫度系數。文章介紹了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。電路采用SMIC 0.18μm標準CMOS工藝實現，并用Spectre進行了仿真，結果表明，得到理想的結果。

1 高精度CMOS基準電壓源的設計

1.1 傳統的帶隙基準源[1]

圖1 帶隙基準源原理示意圖

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-2.2mV/K。而熱電壓VT具有正的溫度系數，其溫度系數在室溫下為+0.085V/ K[1]。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得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。

圖2 典型的C O MS帶隙電壓基準源

圖2是典型的CMOS帶隙電壓基準源電路。兩個PNP管Q1、Q2的基極-發射極電壓差△VBE：

（2）式中，J1和J2是流過Q1和Q2的電流密度。運算放大器的作用使電路處于深度負反饋狀態，使得節點1和節點2的電壓相等。即：

由圖2可得：

通過M1和M2的鏡像作用，使得I1和I2相等，結合式（4）和式（5）可得：

（6）式中，A1和A2是Q1和Q2的發射極面積。比較式（5）和（1），可得常數K為：

在實際設計中，K值即為（7）式表示。

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3V），且基準輸出范圍有限（1.2V以上）。要在1.8V以下的電源電壓得到1.2V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 高精度C O MS基準電壓源的電路設計

圖3所示為帶隙基準電壓源電路基本結構框圖，它主要由五部分組成[7]：

（1）帶隙電壓內部環路—主要功能是產生帶隙電壓。

（2）運算放大器—使帶隙電壓內部環路中兩個需要具有相同電壓的點穩定在相同的電壓。

（3）輸出級—用來產生最終的帶隙基準參考電壓和電流。

（4）啟動電路—主要功能是確保電路在上電的時候能夠進入正常的工作狀態。

（5）偏置電路—為運算放大器的工作提供偏置電流。

圖3 帶隙基準電壓源電路基本結構框圖

本論文研究并設計實現了一種具有高穩定性的帶隙基準電路。本文在分析比較各種基準電壓源性能的前提下，最終選擇了以基于PTAT(與絕對溫度成正比)改進的帶隙基準源電路作為設計的基礎，并對其原理進行了詳細的分析。為了進一步提高基準電壓源的性能，在深入研究溫度和電源電壓的變化對帶隙基準電路穩定性影響的基礎上，指出基極一發射極電壓與溫度的非線性關系是造成基準不穩定的主要原因，針對這種情況，采用了環路補償方法來進行高階溫度補償∶利用環路補償電流(INL)的非線性特性去補償基射結電壓(VBE)的非線性。并且將補償電流(INL)和與絕對溫度成正比的電流(IPTAT)直接相加實現了很好的補償。不僅結構簡單還獲得了較好的溫度系數。輸出端采用了一種可編程結構來實現多種輸出電壓，來滿足不同基準電壓的要求。另外，對所采用的運算放大器、啟動電路和溫度保護電路也進行了研究，并設計了優化合理的電路結構。

圖4 基準電壓源整體框圖

基準電壓源整體框圖如圖4所示。其中(a)為基準核心產生電路，(b)為曲率補償電路，(c)為運算放大電路，(d)為輸出緩沖電路，(e)為乘2電路，(f)輸出可編程電路，(g)為啟動電路，(h)為過溫保護電路。

2 仿真結果及分析

在Cadence設計平臺下，電路采用SMIC 0.18μm標準CMOS工藝實現，并用Spectre進行了仿真。得到電路的直流電壓特性曲線、溫度特性曲線、電源電壓抑制比曲線、負載調整率曲線、噪聲特性曲線、啟動時間曲線，如圖5所示。

圖5 仿真結果

3 結論

本文通過對帶隙基準電壓源深入的理論研究，完成了適用于LDO線性穩壓器和DC-DC變換器的帶隙基準電壓源的設計，該基準電壓源基于CMOS工藝，通過Spectre驗證，溫度系數僅為3.64 ppm/℃，并具有9.5318μV/V的電源電壓調整率以及高達-101dB的交流PSRR和低噪聲的特性。其中各項設計指標均達到要求，具有一定的優點和實用價值。

[1]畢查德．拉扎維．模擬CMOS集成電路設計[M]．西安：西安交通大學出版社,2003．

[2]P．E．Allen,D．R．Holberg．CMOSAnalogCircuits Design[M]．(2nd)．NewYork, USA：Oxford University Press：2002．

[3]Mehr I,Singer L．A 55-mW 10-bit 40-Msample/s Nyquist-rate CMOS ADC[J]．IEEE J Sol Sta Circ,2000,35(3)：318-325．

[4]R．JocobBaker,Harry W．Li and David E．Boyce“CMOS Circuits Design,Layout and Simulation”China Machine Press 2003．6．

[5]Tesch B J, P rat t P M ,Bacrania K, et al． 14-b 125 M SPS digital-to-analog converter and bandgap voltage reference in 0．5μm CMOS[A]．Proc of the IEEE 1999 ISCAA ′99, O rlando [C]． FL,USA,June,1998：452-455．

[6]B．-S．Song,P．R．Gray．A precision curvature-compensated CMOS bandgap reference．IEEE Journalof Solid-State Circuits．1983,vol．SC-18：634-643．

[7]Leung N K,Mok P K T．A Sub-1-V 15ppm/°C CMOS bandgap voltage reference without requiring low threshold voltage Device[J]．IEEE Journal of Solid-state Circuits,2002;37(4)：526-530．

[8]Razavi B．Design of analog CMOS integrated circuit s[M]．Boston：McGraw Hill,2000．

[9]A nnema A J．Low-power bandgap reference featuring DTMO ST′s [J]．IEEE Journal of So lid-state Circuits,999;34(7)：949-955．

[10]P．Malcovati,F．Maloberti,C．Fiocchi,et al．Curvature compensated BiCMOS bandgap reference with 1-v supply voltage．IEEE Journal of Solid-StateCircuits．2001,36：076-1081．

Design of High Precision Voltage CMOS Voltage Reference

Ning Jianghua
(Guiyang University,College of Electronic & Communication Engineering,Guizhou Province, Guiyang, 550001)

Voltage reference is a basic cell of analog integrated circuits. It performs an important role in many analog ICs whose precision are controlled by the precision of these cells, such as ADCs、DACs、SOCs and so on. We have designed a CMOS voltage reference circuit with Sub-1V output voltage, lower power, lower temperature coeff i cient and high PSRR. This circuit was implemented by the standard 0.18μm CMOS technology (SMIC Semiconductor),we got pretty results afterSpectre simulation.

CMOS voltage reference, low power,Temperature compensation,high PSRR