毕业论文：高精度CMOS带隙基准源的设计

毕业设计
高精度CMOS带隙基准源的设计

摘 要

基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。目前,基准电压源被广泛应用模拟和混合电路中，如A／D、D／A转换器，电压调谐器，电压表，电流表等测试仪器以及偏置电路。这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。本文的目的便是设计一种高精度的CMOS带隙基准电压源。
本文首先介绍了基准电压源的国内外发展现状及趋势。之后详细介绍了带隙基准电压源的基本结构及其基本原理，进一步对不同的带隙基准源结构进行了分析比较。接着对如何提高带隙基准的电源抑制比以及带隙基准电压源的温度补偿原理进行了分析，还总结了目前提高带隙基准电压源温度特性的各种方法。在分析传统带隙基准原理基础上，基于传统的带隙基准结构，重点改善基准源中运算放大器的性能，采用曲率校正、内部负反馈电路、RC滤波器、快速启动电路等，设计了一种低温漂、高电源抑制比的基准电压源电路。应用ORCAD Capture、HSPICE 、CosmosScope仿真工具对本文中设计的带隙基准电压源电路进行模拟仿真并分析了结果。
模拟和仿真结果表明，电路实现了良好的温度特性和高电源抑制比，-40℃～100℃温度范围内，基准电压温度系数大约为20.2 ppm/℃。在1Hz到10KHz频率范围内平均电源抑制比(PSRR)可达到-290dB。

关键词: 带隙基准电压源, 温度系数,电源抑制比

ABSTRACT

Voltage reference is the vital basic module which is widely adopted in analog circuits. Nowadays, Voltage reference sources are widely used in both analog and mis-mode circuits，such as A/D，D/A，converters，voltage regulators，measurements，instrumentation circuits and bias circuits．It can supply a voltage with high stability. The power supply, technics parameter rand temperature has lesser effete to this voltage. Its temperature stability and antinoise capability influence the precision and performance of the whole system. The purpose of this article is to design a high precision CMOS bandgap voltage reference.
In this article, the present situation and developmental trend of voltage reference studi
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中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。它产生的基准电压精度、 温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片, 甚至整个控制系统的性能。由于带隙基准电压电路的输出电压几乎不受温度和电源电压变化的影响, 这就使得片内集成的带隙基准电压电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件，也是是迄今为止用于集成电路中的最为流行的高性能参考电压源。
随着电路系统结构的进一步复杂化,对模拟电路基本模块,如A/ D, D/ A 转换器、 滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求, 这样也就意味着系统对其中的基准电压源模块提出了更高的要求。另外,基准电压源是电压稳压器中的一个关键电路单元,它也是DC/ DC转换器中不可缺少的组成部分。在各种要求具有较高精确度的电压表、 欧姆表、 电流表等仪器中都需要电压基准源。
由于基准电压源的性能将直接影响到整个系统性能和指标，所以基准源性能的优化一直是研究的热点之一，在集成电路的高速发展中，集成电路的制作工艺水平也不断提高，从最初的双极性工艺发展到MOS工艺，而 90 年代以后 CMOS 工艺凭借其功耗低、设计简便和集成度高等特点成为目前的主流制作工艺。为了便于在一块芯片上同时实现数字电路单元和模拟电路单元的集成，标准数字CMOS工艺也被开发出来，因此开发基于标准 CMOS 工艺的高性能基准源在模拟/混合系统研究开发中必不可少。
1.1 国内外研究现状与发展趋势
近年来，国内外对CMOS工艺实现的电压基准源作了大量的研究，发表了大量的学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。
1)低电压工作的基准电压源
SOC(Signal Operation Control)的主流工艺是CMOS工艺,目前，5V(0.6um)、3.3V (0.35um)、1.8V(0.18um)、1.5V(0.15um)、1.2V(0.13um)、0.9V(0.09um)等电源电压已经得到广泛的使用。随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的电压基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压为1.2V左右，所以，对于电源电压低于1.2V的基准设计必须采用特殊的电路结构，许多文献都提出了输出基准电压低于1.2V的电路结构。采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，不同运放的电路结构和MOS管衬底效应造成的高阈值电压是限制工作电压的主要因素。
2)低温度系数的基准电压源
低温度系数的基准电压源对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说对于高精度的A/D、D/A结构，高精度的电流源、电压源等。对于普通的一阶温度补偿的带隙结构的温度系数一般在20ppm/℃～50ppm/℃，因此，设计低温度系数的基准电压源一般必须进行高阶温度补偿。目前出现的高阶补偿技术包括 环路曲率补偿法，β非线性曲率补偿法，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法等。
3)高电源抑制比的基准电压源
在数模混合集成电路中，电路中可能存在高频噪声和数字电路产生的噪声对模拟电路产生信号干扰的现象。在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源抑制比性能，有些设计中使用运放结构的带隙基准技术，在直流频率时的PSRR(Power Supply Rejection Ratio，电源抑制比)可达-110dB，在1MHz的PSRR达-70dB;而使用无运放负反馈结构的带隙基准，在1KHz的PSRR为-95dB，在1MHz的PSRR为-40dB。
4)低功耗的基准电压源
低功耗设计对于依靠电池工作的便携设备具有非常重要的意义，低功耗电路可以延长电池的使用寿命。有些设计中的电路功耗可达220uW。
1.2 课题研究的目的意义
过去，人们常用反向击穿的齐纳二极管作为参考的基准电压源。它与限流电阻配合，并通过调节流过自身的电流来抵消电源电压的变化对它造成的影响。但这需要较高的电源电压才能使二极管反向击穿。对于电源电压在5 V以下的电路设计并不合适。还有一种技术是在MOS工艺中基于增强型MOS管和耗尽型MOS管之间的阈值电压差来产生基准电压，它具有较低的温度系数。但工艺中离子注入的浓度将直接影响MOS管的阈值电压，使得输出的参考电压值不易控制，而且耗尽型的MOS管也不兼容主流的MOS工艺。1971年，RobertWidlar提出一种带隙参考电压源技术。带隙基准源电路由于具有低温度系数、低电源电压以及可与标准CMOS工艺兼容等优点而获得了广泛的研究和应用。
近年来，模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术一起得到了飞速的发展，芯片系统集成(system on chip)技术已经受到学术界及工业界广泛关注。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A／D、D／A转换器，滤波器电路以及锁相环等电路提出了更高精度及速度的要求。这就使得片内集成的带隙基准电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。传统的基准电压源电路在O～70℃的温度范围内能产生温度系数为 ℃的基准电压15罔，而且由于电路中存在运算放大器，基准源的指标在很大程度上受到运放失调电压(Offset)，电源电压抑制比(PSRR)等的限制，要想进一步提高电路的性能就需要在电路结构上进行改进。
1.3 本文的主要内容
为了设计一种高精度CMOS带隙基准源，本文将首先着手于研究带隙基准源的原理和提高带隙基准源性能的方法，再对高精度的CMOS带隙基准源进行完整设计分析，然后借助HSPICE对电路进行模拟仿真，包括带隙基准源的核心电路、电源抑制比电路、快速启动电路等。本文的主要内容如下：
1）介绍CMOS带隙基准源的现状、发展趋势以及本课题研究目的意义；
2）介绍基准源的分类，详细分析带隙基准源的基本原理和几种基本框架，并分析其优缺点；
3）分析影响带隙基准电压源温度性能的原因并总结目前的改进方法；
4）对高精度的CMOS带隙基准源进行设计分析和模拟仿真；














2. 基准电压源的原理与电路

2.1 基准源指标介绍
实际中，稳定的电压是每一个模拟电路都不可或缺的，鉴于产生稳定压的基准模块的重要性和广泛的应用，以及对性能的高要求，国内外对带隙基准电压源做了大量的研究，研究内容主要集中在以下几个方面：
1．相对温度系数Tc(Temnerature coefficient))
基准电压源的温度漂移特性通常用相对温度系数来表征，单位是ppm／℃(ppm表示百万分之一)，它表示由于环境温度变化引起韵输出电压的漂移量，反映基准源在整个工作温度范围内输出电压最大值与最小值相对正常输出时的变化，是衡量基准电压源的关键性技术指标，低温度系数是必须的。输出时的变化，是衡量基准电压源的关键性技术指标，低温度系数是必须的。
2．负载调整率
负载调整率(灵敏度)，基准输出电压自身的相对变化与规定范围内负载电流相对变化的比值，通常用uV／mA表示。为了保证在负载端得到准确的基准电压，一般总可以用缓冲放大器隔离基准和负载，保持基准的高性能。负载调整率越小说明基准电压源带负载的能力就越强。
3．电源电压调整率
电源电压调整率，基准输出电压自身的相对变化与规定范围内输入电源电压相对变化的比值，通常用uV／V表示。电源电压调整率越小说明电源电压对基准电压源的输出电压影响越小。
4．电源抑制比PSRR
电源抑制比，电源电压存在的纹波电压频率从低到高变化时，基准输出电压变化相对于电源电压变化的小信号增益。
5．启动时间
启动时间，是电源上电后，基准电压源输出达到正常值所需要的时间，通常都是us数量级的。
6．噪声
基准输出电压中的噪声(Noise)包括两类：一类是宽频带的热噪声；另一类是低频1／f噪声。在高频时噪声主要是热噪声，这种宽带噪声可以在输出端和地间增加一个大电容，有效滤除，而1／f噪声是基准源的内在固有噪声，与工艺有关，一般在0.1到10Hz范围内定义，无法抑制。在高精密设计中，噪声的因数是不可忽视的。
2.2 基准电压源的结构
2.2.1直接采用电阻和管分压的基准电压源
如图2.1所示的基准电压源可以说是最简单的基准源。

(a)采用电阻分压的基准电压源 (b)采用管分压的基准电压源
图 2.1采用电阻和管分压的基准电压源
对图2.1(a)，有
(2.1)
(2.2)
其中， 表示电源电压幅度敏感系数。
对图2.1（b），有
(2.3)
其中， ， ， 代表PMOS管的宽长比， 代表NMOS管的宽长比。若有 ， ， ，则它的输出基准电压对电源电压非常敏感，而且对温度也非常敏感，所以它的应用受到很大的限制。

图2.2电源电压敏感系数小于1的简单电压源
若要得到电源电压敏感系数小于1的电路结构，就要像图2.2那样设计电路，在电路中提供相对稳定的电流，才能减小基准电压对电源电压的依赖。
2.2.2有源器件与电阻串联组成的基准电压源
通过以上的分析，为了能设计出简单的基准电压源，人们设计出了有源器件与电阻串联组成的基准电压源，如图2.3和图2.4所示。

图2.3电阻与MOS管串联的基准电压源 图2.4电阻与双极晶体管串联的基准电压源
在图2.3中，得到：
(2.4)
(2.5)
齐纳（稳压）二极管工作在反向偏置区时，在稳定的电压下，它的电流也是稳定的，而且随着电压的增加，电流会迅速的增加。因此使用这种基准时，必须提供恒定的电流。最基本的形式就是由电源和电阻来完成，如图2.5所示。

图2.5 齐纳二极管构成的电压基准源
(2.6) (2.7)
是击穿二极管在击穿点Q（如图2.6）的小信号阻抗。

图2.6 齐纳二极管工作特性
反向击穿发生在电压为 的时候， 变化范围为6V～8V(如图2.7)， 值的大小取决于n+区和p+区的掺杂浓度。击穿电压的温度系数会随着击穿电压BV的值变化，齐纳击穿电压的温度系数为负，雪崩击穿电压的温度系数为正。通过选择合适的正温度系数就可以抵消掉二极管的结压降负温度系数（约为-2.0mV/℃）。通过选择合适的偏置电流，就可以获得接近零温度系数的基准电压。然而这种基准源的应用越来越少，因为它们使用起来有点困难：精度不高，噪声大，输出基准电压对电流和温度都有较大的依赖性。


图2.7 的温度系数与 的关系
2.2.3带隙基准 ……（未完，全文共33309字，当前仅显示5991字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：高精度CMOS带隙基准源的设计》）