基于微調(diào)和斬波調(diào)制的多路低輸出帶隙基準(zhǔn)源

趙嬋君，趙宏亮，趙建中

（1.遼寧大學(xué)物理學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110031；2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所智能感知中心，北京 100029）

帶隙基準(zhǔn)是集成電路設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)部分，它為電路提供基準(zhǔn)電壓，對(duì)電路性能有顯著的影響[1]，并廣泛應(yīng)用于ADC、DAC、運(yùn)放中，電路中的功耗、電源抑制比、開環(huán)增益和溫度等特性都與它有直接關(guān)系，但隨著晶體管越來(lái)越高的集成度，使電源電壓在不斷減小，工藝偏差及晶體管的不匹配帶來(lái)的誤差對(duì)帶隙基準(zhǔn)的精度影響很大[2]。為減小這一失調(diào)電壓，一般采用大尺寸器件的運(yùn)放并選擇叉指結(jié)構(gòu)的版圖布局來(lái)減小失調(diào)或通過(guò)特殊的電路結(jié)構(gòu)來(lái)抑制[3]。

該文設(shè)計(jì)了一款采用微調(diào)技術(shù)[4]和斬波技術(shù)[5-6]實(shí)現(xiàn)的高精度低輸出帶隙基準(zhǔn)源。微調(diào)技術(shù)可以補(bǔ)償電阻和三極管失配導(dǎo)致的PTAT 電壓誤差；斬波技術(shù)是利用調(diào)制和解調(diào)，將低頻失調(diào)電壓調(diào)制到斬波頻率處，而有用信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后又解調(diào)到低頻處，然后通過(guò)低通濾波器將高頻處的頻率成分濾除掉，達(dá)到降低失調(diào)電壓的效果[7-8]。

1 誤差及原理分析

帶隙電壓源的零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)為：

但帶隙基準(zhǔn)中運(yùn)算放大器的晶體管的不匹配性會(huì)影響輸出電壓，產(chǎn)生誤差。這種影響被量化為VBE1-VOS≈VBE2+R3IC2（如果A1 很大）和VOUT=VBE2+(R3+R2)IC2。

VOS被放大了倍，在VOUT中引入了誤差，且VOUT本身受溫度影響，因此提高了輸出電壓的溫度系數(shù)。所以，可通過(guò)減小運(yùn)放的失調(diào)電壓來(lái)提高帶隙的精度[9]。

斬波穩(wěn)壓放大器是A/D 轉(zhuǎn)換器的一部分，它不受調(diào)制器輸入處低頻噪聲的影響。自70 年代以來(lái)，為了減少M(fèi)OS 放大器的偏置電壓的影響，采用斬波穩(wěn)定放大器實(shí)現(xiàn)了比較器。一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例是測(cè)量加速度和壓力的電容式傳感器。利用斬波穩(wěn)定器消除了偏移量、1/f噪聲和開關(guān)電荷注入的影響，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率和低漂移。

一般來(lái)說(shuō)，斬波穩(wěn)定放大器是低噪聲連續(xù)時(shí)間放大器，用于放大直流和甚低頻信號(hào)，主要用于儀器儀表的應(yīng)用，如生物醫(yī)學(xué)電子和光電子。通常設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到微電壓水平的偏置和噪聲，帶寬限制在幾百赫茲，同時(shí)保持功耗在100 W 以下。因此該設(shè)計(jì)主要采用斬波技術(shù)和微調(diào)技術(shù)來(lái)提高帶隙基準(zhǔn)源的精度。

斬波技術(shù)使用交流載波對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，原理如圖1（a）所示[10]。斬波穩(wěn)定放大器將輸入信號(hào)乘以一個(gè)方波，使帶限輸入頻譜在斬波頻率及其倍數(shù)周圍移動(dòng)[11]。該操作將信號(hào)從偏移量和1/f噪聲中分離，輸入譜如圖1(b)所示，截?cái)嗪吞砑邮д{(diào)電壓VOS和1/f噪聲vf(t)的vn(t)等，得到了圖1(c)的頻譜。經(jīng)過(guò)第二個(gè)調(diào)制器后，頻譜變成圖1(d)。低通濾波器可以降低偏移量的振幅和1/f貢獻(xiàn)[12]。

圖1 斬波電路原理圖與調(diào)制頻譜圖

該方法已通過(guò)測(cè)試1/f噪聲進(jìn)行模擬，其頻譜如圖2(a)所示。經(jīng)過(guò)spur 調(diào)制后的輸出頻譜如圖2(b)所示，一階低通濾波器經(jīng)過(guò)fch/10 處的頻譜如圖2(c)所示。

圖2 1/f噪聲的頻譜圖

微調(diào)（trimming）也就是細(xì)調(diào)某個(gè)元件的值。因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)源的輸出電壓的絕對(duì)精度是電路中的一個(gè)重要指標(biāo)，但是由于電路中工藝、溫度等難以控制的因素，一般很難保證精確的電阻值，所以常常需要微調(diào)帶隙基準(zhǔn)源中的電阻值，以提高基準(zhǔn)電壓的精度。

2 帶斬波調(diào)制及微調(diào)技術(shù)的多路低輸出帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的斬波電路由4 個(gè)傳輸門開關(guān)組成，它們?cè)谙辔幌嗖?80°的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制下，輪換打開與關(guān)閉，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償失調(diào)引起的誤差，提高了帶隙的精度。設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)如圖3 所示，clkp 和clkn 是兩個(gè)互為反相的方波時(shí)鐘信號(hào)，開關(guān)管M1～M16 組成斬波電路，R1～R4和M1 組成一個(gè)RC低通濾波器。第一個(gè)斬波電路放在運(yùn)算放大器輸入對(duì)管的柵極，來(lái)調(diào)制輸入信號(hào)[13]。在占空比為50%的時(shí)鐘周期信號(hào)的控制下，前半個(gè)周期內(nèi)，clkp 為低，clkn 為高，v1in 輸入信號(hào)為inn，v2in 輸入信號(hào)為inp；在后半個(gè)周期內(nèi)，clkp 為低，clkn 為高，輸入對(duì)將進(jìn)行切換。第二個(gè)斬波電路放在運(yùn)算放大器的負(fù)載電流鏡CNA和CNB 的源 端。當(dāng)clkp 為低、clkn 為 高 時(shí)，v1 接vp信號(hào)，v2 接vn 信號(hào)；當(dāng)clkp 為高、clkn 為低時(shí)，v1 接vn 信號(hào)，v2 接vp 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)切換電流鏡MOS管，消除了電流鏡的噪聲和失調(diào)，并對(duì)已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行了解調(diào)，隨后輸出端的濾波器將調(diào)制到的斬波頻率的紋波濾掉，以提高輸出電壓的精度，同時(shí)由于MOS 管的溝道調(diào)制效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致帶隙對(duì)電源明顯的依賴性，帶隙的核心電路還采用了Cascode 結(jié)構(gòu)，利用了Cascode 對(duì)電源的屏蔽特性。

圖3 運(yùn)用微調(diào)和斬波技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)

在數(shù)模混合電路中，除了基本的帶隙基準(zhǔn)電壓外，還需要低于基本的帶隙基準(zhǔn)電壓的其他電壓值，因此高精度多輸出帶隙基準(zhǔn)電路變得很重要，并被廣泛應(yīng)用。該設(shè)計(jì)通過(guò)串聯(lián)電阻在輸出端處實(shí)現(xiàn)了多路輸出，這種多路輸出電路結(jié)構(gòu)比較容易實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生了8 種電壓值依次降低的基準(zhǔn)電壓：400 mV、250 mV、200 mV、150 mV、115 mV、100 mV、75 mV、50 mV，滿足了不同模塊對(duì)各種基準(zhǔn)電壓的需求。同時(shí)還通過(guò)trim 對(duì)電阻值進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步提高輸出電壓的精度，如圖3 虛線橢圓框所示，其由R5～R7組成，電阻值比為4∶2∶1，通過(guò)3 個(gè)信號(hào)控制不同權(quán)重的電阻，形成8 個(gè)trim 檔。

3 仿真結(jié)果分析與比較

基于SMIC 40 nm CMOS 工藝，通過(guò)Cadence 公司的Spectre 仿真工具對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真分析。

帶斬波帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓的溫度特性曲線如圖4 所示，由圖4 數(shù)據(jù)可計(jì)算得，當(dāng)電源電壓為2.5 V、溫度范圍為-40～125 °C 時(shí)，未加斬波的帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓溫度系數(shù)為50.12 ppm；而加了頻率為2 MHz 的斬波后，帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓溫度系數(shù)為10.45 ppm。

圖4 帶斬波帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓的溫度特性曲線

常溫時(shí)，在TT corner 下，對(duì)基準(zhǔn)電壓隨電源電壓變化情況進(jìn)行仿真，如圖5所示，由圖5數(shù)據(jù)可知，在電源電壓為1.2～3.6 V 范圍內(nèi)，對(duì)整體電路進(jìn)行了PSRR仿真，在低頻段，PSRR 高達(dá)76.3 dB，性能比較穩(wěn)定。

圖5 輸出電壓隨電源電壓變化仿真圖

當(dāng)給輸入對(duì)管和負(fù)載管分別加入±2%的誤差時(shí)，對(duì)室溫下的輸出電壓進(jìn)行仿真，并與未加斬波的普通帶隙的輸出電壓進(jìn)行對(duì)比，如圖6 所示，結(jié)果表明，普通帶隙基準(zhǔn)由于失調(diào)電壓引起的最大誤差達(dá)到25.23 mV，而加斬波調(diào)制的帶隙基準(zhǔn)由于失調(diào)電壓引起的最大誤差達(dá)到0.29 mV，相對(duì)精度提高了88 倍。

圖6 加斬波的普通帶隙與未加斬波的普通帶隙的輸出電壓值對(duì)比

表1 為不 同corner 下，加trim 與未加trim 的基準(zhǔn)電壓值比較結(jié)果。仿真數(shù)據(jù)顯示未加trim 的帶隙基準(zhǔn)源由于工藝等因素引起的最大誤差達(dá)到8.56 mV，而加trim 的帶隙基準(zhǔn)源由于工藝等因素引起的最大誤差達(dá)到1.53 mV，相對(duì)精度提高了5 倍。

表1 加trim與未加trim的基準(zhǔn)電壓值比較結(jié)果

該設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)的對(duì)比如表2 所示。該設(shè)計(jì)基于SMIC 40 nm CMOS 工藝在工作電壓為2.5 V 的條件下，可以實(shí)現(xiàn)0.05～0.4 V 的多路低輸出電壓，加斬波的誤差僅有±0.38%，溫度系數(shù)為10.45 ppm，均優(yōu)于其他設(shè)計(jì)。

表2 該設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)對(duì)比

4 結(jié)論

該文基于SMIC 40 nm CMOS 工藝設(shè)計(jì)了一款采用斬波調(diào)制和微調(diào)技術(shù)的多路低輸出帶隙基準(zhǔn)源，有效地提高了輸出電壓的精度，大幅降低了其溫度系數(shù)。在加入頻率為2 MHz 的斬波后，帶隙基準(zhǔn)輸出電壓的溫度系數(shù)達(dá)到10.45 ppm，與傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)相比，加入斬波后的輸出電壓精度提高了88 倍，且經(jīng)過(guò)微調(diào)技術(shù)，精度又提高了5 倍。該電路實(shí)現(xiàn)的多路輸出電壓可應(yīng)用于對(duì)各種基準(zhǔn)電壓的需求。