一種帶有分段曲線校正帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)探討

陳 昊，張彩珍

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070)

集成電路是一組嵌入在半導(dǎo)體材料上的功能電路，帶隙基準(zhǔn)源作為集成電路中至關(guān)重要的模塊，為其提供偏置電流或偏置電壓,使得該電路正常工作.帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)和功耗等參數(shù)不僅關(guān)系到電路能否正常工作，而且會(huì)影響整個(gè)芯片的性能[1].因此，和溫度、工藝參數(shù)以及電源電壓等因素的相關(guān)性非常小的高性能帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)就顯得十分重要.在帶隙基準(zhǔn)電路中,如果想得到一個(gè)較小溫度系數(shù)，則其功耗較高[2]；相反，若想得到低功耗，則溫度系數(shù)表現(xiàn)較差[3-5].

本文所設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源使用一個(gè)互補(bǔ)交叉耦合型共源共柵結(jié)構(gòu)來(lái)減小整個(gè)電路的功耗和面積，在文獻(xiàn)[6]中也有一種超低功耗帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)，但其功耗為252 nW，這里只有100 nW，可以看出本文大大減小了電路功耗.傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)一般只對(duì)輸出電壓進(jìn)行一階溫度補(bǔ)償，因此基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)仍然很大，為使溫度系數(shù)最小化，該設(shè)計(jì)中在交叉耦合增益級(jí)后增加一級(jí)分段曲線校正電路[7].對(duì)比文獻(xiàn)[8]中只有交叉耦合增益級(jí)電路的溫度系數(shù)為9.8×10-6℃-1，加入該電路結(jié)構(gòu)之后變?yōu)?.8×10-6℃-1，溫度系數(shù)有所改善.

1 帶隙基準(zhǔn)電路的工作原理

帶隙基準(zhǔn)電路提供一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，圖1是帶隙基準(zhǔn)電路工作原理圖，將有一個(gè)和絕對(duì)溫度成正比(proportional to absolute temperature，PTAT)電壓的電路和與絕對(duì)溫度成反比(complementary to absolute temperature，CTAT)電壓的電路結(jié)構(gòu)相組合，正負(fù)溫度系數(shù)相互抵消，其溫漂可實(shí)現(xiàn)一定程度的溫度獨(dú)立性.式(1)是帶隙基準(zhǔn)電路的計(jì)算公式[4].

VBGR=K1VPTAT+K2VCTAT.

(1)

式中：K1和K2決定其輸出電壓的溫度系數(shù).

CTAT電壓為雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE，而PTAT電壓則是從兩個(gè)工作在不相等電流密度的CTAT電壓差中得到.CTAT電壓和PTAT電壓的加權(quán)和得到零溫度系數(shù)(temperature coefficient,TC).

2 電路結(jié)構(gòu)與原理分析

2.1 基于4T電流鏡的帶隙基準(zhǔn)

圖2所示為基于常規(guī)4T電流鏡的帶隙基準(zhǔn)電路，PTAT電壓是在電阻R2上的壓降，計(jì)算公式由式(2)給出[8].

(2)

式中：VT是熱電壓；N是三極管(BJT)Q1和Q2的數(shù)量比.三極管的CTAT電壓表示式為

VCTAT=VBE.

(3)

綜上，輸出參考電壓VBGR可以表示為[8]

(4)

常規(guī)4T帶隙基準(zhǔn)源的增益較小，溫度系數(shù)較差，由于溝道調(diào)制效應(yīng)使得X和Y處的電壓VX、VY在數(shù)量級(jí)上不相等，這會(huì)影響最后產(chǎn)生的PTAT電壓[5].

2.2 交叉耦合增益級(jí)帶隙基準(zhǔn)

圖3為一個(gè)自偏置交叉耦合增益級(jí)帶隙基準(zhǔn)電壓源.電路利用MN1、MN2的源漏電壓給MP4、MP5提供偏置電壓，實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)互補(bǔ)的交叉耦合增益級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)為共源共柵級(jí)提供偏置電壓，該結(jié)構(gòu)提高了電路增益[8].此外，由于有了共源共柵級(jí)，PTAT電流可以準(zhǔn)確復(fù)制.

帶隙基準(zhǔn)電壓源電路外接啟動(dòng)電路可能會(huì)造成大的面積和功耗，本文中的交叉耦合增益級(jí)帶隙基準(zhǔn)電壓源電路利用一個(gè)小的漏電流實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)嵌啟動(dòng)電路，使得電源上電時(shí)驅(qū)動(dòng)帶隙基準(zhǔn)電路擺脫簡(jiǎn)并點(diǎn)，正常工作后又及時(shí)關(guān)閉.該電路正常工作后，由增益級(jí)晶體管MN1、MN2和MP5形成的負(fù)反饋主導(dǎo)整個(gè)帶隙基準(zhǔn)源[8].綜上，在交叉耦合結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了無(wú)外加啟動(dòng)電路.

2.3 分段曲線校正帶隙基準(zhǔn)

如圖4所示，最終的分段曲線校正帶隙基準(zhǔn)電壓源包含一個(gè)交叉耦合增益級(jí)帶隙基準(zhǔn)源和一個(gè)曲線校正電流產(chǎn)生器，第一級(jí)交叉耦合增益級(jí)帶隙基準(zhǔn)源的輸出基準(zhǔn)電壓有一個(gè)溫度系數(shù)，加入曲線校正電流產(chǎn)生器來(lái)使得該溫度系數(shù)最小化.

圖5所示為本文所設(shè)計(jì)的分段曲線校正電路的電流發(fā)生器，其中，電阻R3與MP8的源極相接，在節(jié)點(diǎn)A處連接PTAT電流源和MP8的柵極.晶體管MP8的柵源電壓為[4]

(5)

式中：VSG_MP8是晶體管MP8的柵源電壓，該電壓和晶體管MP8的閾值電壓VTHP決定晶體管的開關(guān)狀態(tài)和其上流過的電流.INL是分段曲線校正電流，當(dāng)晶體管MP8的柵源電壓低于VTHP時(shí)，MP8關(guān)閉，此時(shí)，電流INL為0.當(dāng)VSG_MP8接近但仍低于VTHP時(shí)，MP8工作在弱反型區(qū)，此時(shí)，電流INL可以表示為[9]

(6)

式中：It是工藝參數(shù)；W/L是MP8管的寬長(zhǎng)比；ξ>1為閾值參數(shù)；VDS是管子的源漏電壓.當(dāng)MP8工作在弱反型區(qū)時(shí)，有VDS>3VT，則exp(-VDS/VT)可以忽略，可以得到VSG_MP8∝T2，所以有INT∝exp(T).當(dāng)VSG_MP8變得高于VTHP時(shí)，MP8就進(jìn)入飽和工作區(qū).INL值為[9]

(7)

式中：μp是空穴遷移率；COX是每單位面積柵電容；λ是溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù).已知有μp∝T-2，在式(7)中，考慮和溫度相關(guān)的高階項(xiàng)，忽略低階項(xiàng)，可以得到電流與溫度的關(guān)系INT∝T2.綜上，分段曲率校正電流可以概括為

(8)

當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)，電流INL幾乎可以忽略；在30 ℃到70 ℃之間，INL隨溫度增加呈指數(shù)形式變化；溫度高于70 ℃時(shí)，INL跟溫度的平方成正比.分段曲線校正法是將三個(gè)電流INL、IPTAT和ICTAT相加之后流經(jīng)電阻R2.流過MP3的PTAT電流由MP7、MN4和MN3鏡像以形成INL，然后流經(jīng)電阻R2來(lái)形成校正電壓.該設(shè)計(jì)中的帶隙基準(zhǔn)電路輸出電壓是將R2上的電壓和晶體管Q3的VBE相加.

3 仿真結(jié)果與分析

輸出基準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)溫度特性曲線如圖6所示.兩條特性曲線分別是交叉耦合增益級(jí)帶隙基準(zhǔn)以及加上分段曲線校正帶隙基準(zhǔn)電路后，兩級(jí)各自的輸出基準(zhǔn)電壓和溫度的關(guān)系.從圖6中得出，輸出電壓保持在1.1 V的恒定值.交叉耦合增益級(jí)電路結(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)為9.8×10-6℃-1，加上分段曲線校正后的溫度系數(shù)有一定程度改善，為8.8×10-6℃-1.由圖6可見，加上分段曲線校正電路后，大約在30 ℃之后溫度曲線有一個(gè)較大的回升，也即此時(shí)的PTAT電流增大.仿真結(jié)果與上面的理論分析符合.

圖7是所設(shè)計(jì)分段曲線校正帶隙基準(zhǔn)的電源抑制比，在小于100 kHz的頻率范圍內(nèi)，提出的帶隙基準(zhǔn)電路的電源抑制比約為-25 dB.

圖8是BGR輸出電壓隨電源電壓的變化，電源電壓工作范圍在1.6 V到3.0 V之間.圖9是所設(shè)計(jì)的BGR輸出電壓在不同工藝下的變化.可以看出輸出基準(zhǔn)電壓隨著電源電壓和工藝變化是一個(gè)恒定值.該分段曲線校正帶隙基準(zhǔn)源的最大功耗為100 nW.

表1為本設(shè)計(jì)的電路仿真結(jié)果和參考文獻(xiàn)中的參數(shù)比較.由表1可見，尹勇生等[10]的設(shè)計(jì)功耗很大；ZHOU等[11]的設(shè)計(jì)溫度范圍太小；LIU等[12]的設(shè)計(jì)雖然功耗稍低于本設(shè)計(jì)，但其溫度補(bǔ)償效果并不理想，溫漂仍然很大.本文電路的功耗和溫漂都相對(duì)較小，工作溫度范圍最大.

表1 本文帶隙基準(zhǔn)與參考文獻(xiàn)中基準(zhǔn)的性能比較

4 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有分段曲線校正電路的帶隙基準(zhǔn)電壓源.通過在交叉耦合級(jí)帶隙基準(zhǔn)電路基礎(chǔ)上增加分段曲線校正電路，減小了溫度系數(shù).其在電源電壓為1.8 V條件下工作時(shí)，功耗僅為100 nW，溫度系數(shù)為8.8×10-6℃-1.在電源電壓為1.6 V到3.0 V之間以及在不同工藝下仿真時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出電壓值均在最小溫度系數(shù)下恒定輸出.該帶隙基準(zhǔn)電路使用0.18 μm CMOS工藝仿真設(shè)計(jì)，適用于低功耗高精度應(yīng)用場(chǎng)合.