【正文】 22 3 NqKTR RRVRR R BAEBBA ???? () 第 12 頁 共 45 頁 由于電阻 R2A、 R2B 之間的分壓作用 ， 運(yùn)放的輸入共模電平進(jìn)一步降低 。于 2021 年發(fā)表于 JSSC。 NqRKTRVI BE ln111 ??? () 流過 R2的電流與 BEV 成正比 222 RVI EB? () 由基爾霍夫定律得 221213 ln RVNqRKTIII EB???? () )ln()ln( 1222332 2133 NqKTRRVRRRRVNqRKTRIV EBEBR E F ????? () 調(diào)節(jié)電阻 R R2 的大小 ， 使 REFV 的溫度系數(shù)為零 ， 調(diào)節(jié)電阻 R3 的大小來調(diào)整輸出基準(zhǔn)電壓的大小 。 如圖 11 第 11 頁 共 45 頁 當(dāng)運(yùn)放處于深度負(fù)反饋時， A 與 B 兩點(diǎn)電勢相等。輸出基準(zhǔn)電壓由兩個電流的和電流經(jīng)過電阻獲得。 NqRKTRVI BE ln111 ??? () 又由基爾霍夫定律得 231333 )( RIIVRIV EBR E F ???? () )(1 213323 RIVRRI EB ??? () )ln( 12332 333 NqKTRRVRR RRIV EBREF ???? () 圖 10 輸出端接分流電阻的帶隙基準(zhǔn)源 (2)BANBA 結(jié)構(gòu)帶隙基準(zhǔn)源 Hironori Banba 等人在 1999 年發(fā)表于 JSSC 上的一種新的 帶隙基準(zhǔn)的 電路結(jié)構(gòu) ，簡稱 BANBA 結(jié)構(gòu)。如圖 10 當(dāng)運(yùn)放處于深度負(fù)反饋時， A 與 B 兩點(diǎn)電勢相等。降低電源電壓的難題在于消除輸出基準(zhǔn)電 壓的影響。 綜上，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路存在很多問題，在電源電壓、溫度系數(shù)、功耗、 第 10 頁 共 45 頁 PSRR 等方面無法達(dá)到現(xiàn)今集成電路設(shè)計的要求。 在上述因素的影響下，簡單 CMOS帶隙基準(zhǔn)源的精度一般在 40 ppm/℃ 左右。不過，如果這種影響是被很好的利用，將會帶來意想不到的效果，通過后面章節(jié)的分析會發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。 ③ 在分析圖 9 電路的過程中，假設(shè)電阻的溫度系數(shù)為 0，這在實(shí)際電路中是不可能實(shí)現(xiàn)的。所謂失調(diào)就是，當(dāng)運(yùn)放輸入為零時，輸出電壓不為零，從而是輸出電壓產(chǎn)生誤差。 第 9 頁 共 45 頁 帶隙基準(zhǔn)的限制因素 [1] (1)帶隙基準(zhǔn)精度的限制因素 ① 三極管 VBE的溫度系數(shù)與溫度本身有關(guān)，而 ? VBE的溫度系數(shù)是一個常數(shù)，基本結(jié)構(gòu)中疊加的兩部分電壓進(jìn)行的溫度補(bǔ)償是一階近似補(bǔ)償，如果需要更為精確的基準(zhǔn)電壓，需要進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償。若只將 Ta1 和 22Ta 項(xiàng)抵消，為二階溫度補(bǔ)償；將 Ta1 ， 22Ta ， 33Ta 項(xiàng)抵消，為三階溫度補(bǔ)償；若將 Ta1 ， 22Ta ...... nnTa項(xiàng) 抵消，則為 N 階溫度補(bǔ)償。其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到現(xiàn)在電路的要求，因此產(chǎn)生了高階溫度補(bǔ)償技術(shù)。 由于式 ()中有 TlnT 一項(xiàng)，利用泰勒展開，式 ()可以表示為： 0122.. .. . .)( aTaTaTaTV nnEB ????? () (1)一階溫度補(bǔ)償 前面分析的簡單帶隙基準(zhǔn)就是一階溫度補(bǔ)償電路，其溫度系數(shù)一般在 40ppm/℃。從式 ()中可以看出 EBV 可分為常數(shù)項(xiàng)與溫度一階相關(guān)項(xiàng)和高階相關(guān)項(xiàng)。 (已經(jīng)遠(yuǎn)小于沒有溫度系數(shù)抵消時的情況 ) 溫度系數(shù)的補(bǔ)償原理 [1][8] 三極管的 VEB 可以表示為 00000 ln)()()( TTVVVTTVTV TGBEGEB ?? ????? () 其中， 0GV 為 0K 時硅的帶隙電壓，只與材料本身有關(guān)。如圖 9 圖 9 基本帶隙電壓源產(chǎn)生電路 )()( 323 212322 RRR VVVRRIVV BEBEBEBEout ??????? )(3232 RRRVV BEBE ???? () 第 8 頁 共 45 頁 由式 ()和式 ()得 )(ln 3232 RRR nVVV TBEout ??? () 3322 ln R RRq nkTVTV BEout ??????? () 式 ()中 TVBE?? 2 可由式 ()求得，若適當(dāng)?shù)剡x擇 n 與 2R 、 3R 的值，可以使0???TVout ，此時可以近似認(rèn)為輸出電壓與溫度無關(guān)。有趣的是，這個溫度系數(shù)與溫度或集電極電流的 特性無關(guān)。如圖 8 所示 圖 8 正溫度系數(shù)的產(chǎn)生電路 對圖 8，有 nVnIIVIIVVVV TSTSTBEBEBE lnlnln21 ?????? () 因此， BEV? 可實(shí)現(xiàn)正溫度系數(shù)： nqknTVTV TBE lnln ??????? () 當(dāng) T=300K 時， ???? qkTVT // +。同時我們注意到 BEV 的溫度系數(shù)與本身有關(guān)，如果正溫度系數(shù)的量表現(xiàn)出一個固定的溫度系數(shù)，那么在恒定基準(zhǔn)的產(chǎn)生電路中就會產(chǎn)生誤差。 根據(jù)半導(dǎo)體物理的知識 可知 kTEbTI gmS ?? ? ex p4 () 其中， b 為比例系數(shù)， ?m 3/2， ?gE 。 (1)負(fù)溫度系數(shù)電壓 雙極型晶體管的基極 發(fā)射極電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。他們的結(jié)果能夠得到零溫度系數(shù)的電壓 REFV 。 第 6 頁 共 45 頁 帶隙基準(zhǔn)電壓源的 原理 [7] 為了得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓源。 帶隙基準(zhǔn)電壓源 帶隙基準(zhǔn)電壓源比其它基準(zhǔn)電壓源具有很多優(yōu)點(diǎn)： (1)由于它是建立在非表面的帶隙原理上，因此輸出電壓比穩(wěn)壓二極管更穩(wěn)定； (2)通過溫度補(bǔ)償技術(shù)，它的溫度系數(shù)可以很??； (3)穩(wěn)定性高； (4)工作靜態(tài)電流和功耗都很??； (5)電源電壓抑制比 PSRR 比較大，因此輸出電壓受電源電壓的影響很??； (6)與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝完全兼容； (7)可以工作于低電源電壓下； 溫度漂移、噪聲和 PSRR 等指標(biāo)能滿足大部分系統(tǒng)的要求。通過選擇合適的偏置電流，就可以獲得接近零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。擊穿電壓 VBV 的溫度系數(shù)會隨著擊穿電壓 VBV大小的變化而變化，齊納穩(wěn)壓擊 穿電壓的溫度系數(shù)為負(fù)，雪崩擊穿電壓的溫度系數(shù)為正。 VDDVREFR1 圖 5 穩(wěn)壓 二極管構(gòu)成的電壓基準(zhǔn)源 第 5 頁 共 45 頁 BVREF VV ? () BVDDZ ZVV VVRr rS REFDD )( ?? () 其中， Zr 是穩(wěn)壓二極管在擊穿點(diǎn) Q 的小信號阻抗。因此，在使用這種基準(zhǔn)時，必須提供一個恒定的電流。 M1R1VREFVDD VDDVREFR1Q1 圖 3 電阻與 MOS 管串聯(lián)的基準(zhǔn)電壓源 圖 4 電阻與雙極型晶體管串聯(lián)的基準(zhǔn)電壓源 對圖 3 和圖 4，有 1)(2 R VVVVV R E FDDTGSR E F ? ???? () ))()(1 1( 1 REFDDTREFVV VVRVVS R E FDD ??? ? () 當(dāng)穩(wěn)壓二極管 工作在反向偏置區(qū)時，在穩(wěn)定的電壓下，電流也是穩(wěn)定的。 想要得到電源電壓敏感系數(shù)小于 1 的電路結(jié)構(gòu)，就要在電路中提供相對穩(wěn)定的電流，才能減小基準(zhǔn)電壓對電源電壓的依賴。 對圖 1(b)，有 )/(1 )()/( NP TPDDNPTNREF VVVV ????? ??? () 其中，PoxPP LWC )(?? ?，NoxNN LWC )(?? ?，PLW)(代表 PMOS 管的寬長比，NLW)(代表 NMOS 管的寬長比。 直接采用電阻和 MOS 管分壓的基準(zhǔn)電壓 源 如圖 1 所示的基準(zhǔn)電壓源是最簡單的基準(zhǔn)源。本文的主要內(nèi)容如下： 1) 介紹 CMOS 帶隙基準(zhǔn)源的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及本課題研究目的意義； 2) 介紹基準(zhǔn)源的分類，分析 帶隙基準(zhǔn)源的基本原理、溫度補(bǔ)償?shù)脑恚? 3) 分析限制帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的因素并總結(jié)目前的改進(jìn)電路； 4) 對 BANBA 結(jié)構(gòu)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行分析、設(shè)計和仿真，并畫出版圖； 5) 通過數(shù)學(xué)建模的方法對 BANBA 結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出啟示，引申出新的溫度補(bǔ)償思想，并給出了一些實(shí)際電路中進(jìn)行調(diào)參的思路。最后通過數(shù)學(xué)建模的方法對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，得到啟示，引申出了一種通過一階電路實(shí)現(xiàn)二階甚至更高階溫度補(bǔ)償?shù)乃枷搿? 本文的主要內(nèi)容 為了設(shè)計 一種基于 CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，本文首先研究了帶隙基準(zhǔn)源的原理，限制其性能的主要因素，并給出了帶隙基準(zhǔn)源的改進(jìn)電路。 帶隙基準(zhǔn)源電路的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，將會是朝著能夠同時滿足低功耗、低溫度系數(shù)、高 PSRR、低噪聲，以及低電源電壓等要求發(fā)展。其中，雙極性工藝具有較快的器件速度，適合高速電路設(shè)計，但器件功耗相對較大 ； CMOS工藝具有功耗低、器件面積小、集成密度大等優(yōu)點(diǎn)，因此該工藝已經(jīng)發(fā)展成為VLSI 工藝的主流工藝技術(shù)。 20 世紀(jì) 70 年代初， Widlar 首先提出了帶隙基準(zhǔn)電壓源的概念和基本設(shè)計的思想，它在電源電壓、功耗、穩(wěn)定性等方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在軍事裝備、汽車電子、通訊設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品及工 第 2 頁 共 45 頁 業(yè)自動化控制等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng) 用。 帶隙基準(zhǔn)源電路的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，將會是朝著能夠同時滿足低功耗、低溫度系數(shù)、高 PSRR、低噪聲，以及低電源電壓等要求發(fā)展 [2]。文獻(xiàn) 6 的功耗是相當(dāng)小的，該文獻(xiàn)設(shè)計了一種無電阻、工作在亞閾值區(qū)的低功耗、小面積的 CMOS 電壓基準(zhǔn)源，但溫度系數(shù)較大。 表 1 部分最新帶隙基準(zhǔn)性能參數(shù)對比表 本文 文獻(xiàn) 3 文獻(xiàn) 4 文獻(xiàn) 5 文獻(xiàn) 6 TC/ppm 55 PSRR/dB 104 66 功耗 /W 電源電壓 /V 5 5 5 由表 1 可知：文獻(xiàn) 5 的電源抑制比都很高，文獻(xiàn) 3 中設(shè)計了參考電壓源，文獻(xiàn) 4 中加入了預(yù)校準(zhǔn)電路，文獻(xiàn) 5 中加入了誤差放大器，這些電路都可以提高電源抑制比。近幾年針對這些問題，很 多國內(nèi)外學(xué)者從溫度系數(shù)、電源抑制比 (PSRR)、功耗、精度等方面對其進(jìn)行了改進(jìn)，取得了十分不錯的進(jìn)展 [12]。因此，性能優(yōu)良的基準(zhǔn)源設(shè)計是所有電子系統(tǒng)設(shè)計中最基本和最關(guān)鍵的要求之一。它的溫度穩(wěn)定性和抗噪聲性能影響著整個電路系統(tǒng)的性能。 repairable resistor array。s very hard to be lower than 1 ppm/℃ in the high order technique of temperature pensation circuit. Therefore, the temperature coefficient index in this paper reaches the advanced level in our country. At last, we analyze the simulation results of BANBA structure circuit through mathematical modeling, and draw the conclusion that both the size of resistance and current are the sum on temperature T polynomial. The conclusion provides condition and possibility that the first order pensation circuit can achieve the result of high order temperature pensation circuit. This paper finally prompts a new temperature pensation thought, and gives some ideas of parameters tuning in the practical circuit. At present many high order temperature pensation circuits are very plex, so this thought has a lot of use and development space. Key Words: bandgap referen