一种输出可调CMOS能隙基准源电路的设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流一种输出可调CMOS能隙基准源电路的设计.精品文档.一种输出可调CMOS能隙基准源电路的设计第34卷第5期2004年10月微电子学MicroetectronicsVo1.34.5OCt.2004文章编号:10043365(2004)05057804一种输出可调CMOS能隙基准源电路的设计昊玉广,钟国华,贺荣华,刘道广.(1.西安电子科技大学微电子研究所,陕西西安710071;2.中国电子科技集团公司第二十四研究所,重庆400060)摘要:从分析典型的能隙基准电路的一般原理入手,重.占,讨论了一种输出可调节的CMOS能隙基准电路的设计.通过增加

2、一些辅助电路,提高了电路的电源抑制比.简单介绍了电路中双极晶体管在CMOS工艺中的实现方法.所设计的电路具有输出可调的功能和良好的温度特性.关键词:能隙基准源;输出可调;CMOS;温度系数;电源抑制比中图分类号:TN432文献标识码:ADesignofaCMOSBandgapReferenceCircuitwithAdjustableOutputWUYuguang,ZHONGGuohua,HERonghua,LIUDaoguang?.(InstituteofMicroelectronics,XidianUniversity,xian,Shaanxi710071:2.SichuanInstitu

3、teofSolidStateCircuits,ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation.Chongqing400060.尸.R.China)Abstract:Startingfromanalyzingthegeneralprincipleoftypicalbandgapreferencecircuit,thedesignofaCMOSbandgapreferencecircuitwithadjustableoutputisdiscussed.Byaddingsomeauxiliarycircuits,thepowerrejectionratiooft

4、hecircuitisimproved,TheimplementationofbipolartransistorsinCMOStechnologyisde.scribed,Thecircuitdesignedprovidesadjustableoutputandexcellenttemperatureperformance.Keywords:Bandgapreference;Adjustableoutput;CMOS;Temperaturecoefficient;PowerrejectionratioEEACC:2570D1引言在模拟集成电路的设计中,电压基准的应用越来越普遍,也变得越来越重要

5、.电压基准的电压输出一般不随供电电源变化而变化,它的电源抑制比高,同时应具有良好的温度特性.在所有的电压基准结构中,能隙基准的输出特性无疑是最突出的.通常的能隙基准产生的基准电压为1.25V(常温),接近于硅的禁带宽度,它的输出是不能随意调节的.本文所设计的能隙基准电路具有输出可调节的功能.2典型的能隙基准电路通常的能隙基准都是利用双极型晶体管的发射结获得负温度系数,以及不同电流密度偏置下的两个发射结的电压差产生正温度系数特性.利用这两收稿日期:20030831;定稿日期:20031017种不同的温度特性,可获得低温度系数的基准电压.典型能隙基准电压源的核心电路如图1所示.图1典型能隙基准电路

6、的简化核心电路图1中,M.,M.,M.,管构成电流镜回路,使流过Q.,Q.的电流相等并且不随供电电源的变化而变化.这种结构具有优良的电源抑制性能,从而使的源电位和的源电位相等(注:通常有些电路也用一个运算放大器来代替M3和M4两个第5期吴玉广等:一种输出可调CMOS能隙基准源电路的设计579MOS管).Qz的发射区面积是Q的N倍.图1电路中,管的结构完全一样,所有MOS管工作在饱和状态,从而流过R和R的电流相等.设流过R的电流为,有:VlV2+I1R1(2)蚍=kgT1nL(3)Vb,2一kgT1ni(4)zSV&一V&1一V&2一(1nN)kT/q所以荆一(5)3+k

7、gT(sn)惫(6)把(6)式两边对丁求导,并令其等于0,得:一+等-o,(kT/qq)一十丁一uLr一可以得到:(In)一17.2.代入(6)式,得:V.一V,一1.25V由上面的推导可求得图1中能隙基准源的输出为1.25V(常温下).通过分析,可知这种结构的基准输出是不可随意调节的.这种结构的基准输出限制了现代集成电路设计中要求用不同基准电压作偏置的需要.3输出可调能隙基准源的核心电路图2是输出可调能隙基准源的核心电路图,与图1不同之处是增加了两个相同电阻和减少了一个双极晶体管.U图2输出可调能隙基准源的核心电路在图2中,R.一R.,M.,三个MOS管的结构完全一样.流过.,三个晶体管的电

8、流一样大,假设为I.;同时,的源电压相等,所以,流过Rz,R.的电流也相同,假设为.,则流过R.的电流:I4一(klk2)/RlV(1n)/Rl流过R的电流:I5一Vkl/R2所以,流过的电流:I2一4+I5一(1nN)/R1+Vk1/R2=(kT/q)(1n)/R1+Vk1/R2于是,V.一I2*R4一R4/R2(k1+(kT/q)(1nN)nR2/R1)=R4/R2*V厂:=/I4*1.25(7)由(7)式可得:这种结构的基准电压输出可通过R/R的不同比值来调节基准电压的输出值.基准电压的输出由R,R,R的不同比值来决定,与其具体电阻值的关系比较小;同时,在工作时,三个MOS管工作在饱和状

9、态.由于这种电路的输出的可调性,从而解决了图1结构的不足.基于图2的电路结构,设计了完整的电路图,如图4所示.它在图2的基础上增加了启动电路和提高电源抑制比的电路.4基准源的具体电路4.1启动电路首先介绍一下在电路设计中为什么要加启动电路.图3是一个恒流源电路,三个MOS图3恒流源电路管的W/r相同,管为K(W/L),我们可以写出1=Vas2+ID2R,或者2+IoR,式中,为流过Rs的电流.忽略体效应,有:,/(一六)一R(8)由(8)式可得两个满足方程的解】一0580吴玉广等:一种输出可调CMOS能隙基准源电路的设计2004芷或者z一意一方从(8)式方程的解可知,电流与供电电压无关,但是,

10、满足电路工作要求的方程解却有两个,如果电流工作在无电流状态,电路也处于平衡态,那么电路就没有输出,所以,在很多电路设计中,必须加入启动电路.对于图4电路,在电源接通的瞬间,可能出现各支路电流为零,节点.为高电位,节点.,.,枷及其它各节点都为低电平的情况,整个电路不工作.于是,在本电路中增加了启动电路.图4中的M.Ma.,.四个MOS管组成了本电路的启动电路.假设电路加电后处于非工作平衡点,则.为低电平时,.导通,.电平升高,.导通,导通时节点.电位下降,从而.,.导通,电位上升,导通,使节点.电位相对枷保持低电位.,.,.导通,进而节点,电位升高,使,.,.导通,最终使各支路都有电流流过,达

11、到工作平衡点.同时,.导通,使.电位下降,以及电位上升,.,.将会相继关闭,最终启动电路各支路没有电流流过.整个电路保持在正常工作点.图4能隙基准源完整电路图4.2提高电源抑制比的电路为了提高电路的电源抑制比,本电路设计在图2的基础上增加了一部分电路,以提高电路的电源抑制比.电路结构如图4所示.电路工作原理如下:能隙基准核心电路是在内部校准电压.下工作,通过两级增益放大反馈来保证节点.和电位相同.并以此来调节内部电位枷,使之不随供电电源的变化而变化.假设.变化(如升高)引起rf,1升高,使流经和.的电流和节点.,z的电位相对值产生变化.变化的值通过.放大,使.节点电位上升,于是,.产生的反馈电

12、流使,J处的电压降低.从而达到提高电路电源抑制比的要求.5电路的模拟仿真结果5.1直流特性扫描分析为了考察电源电压变化对输出基准电压的影向,对电路进行了直流特性扫描分析,结果如图5所示.由图5可以看出,该电路具有两个输出,分别约为1.26V和180mV,输出大小可以通过调节R,R与R.的比值加以改变.该电路具有较高的电源抑制比,电源电压从3.3V变化到11V时,输出基准电压基本保持不变,其中输出枷变化约4mV,2变化约0.6mV.一04口V(,)oV()图5电源电压变化对输出基准电压的影响5.2温度特性分析为了考察电路的温度特性,对电路进行了温度特性分析,温度范围为一55120.C,结果如图6

13、和图7所示.广8O.4O04O8OI2O口v(f/图6Vr.,】的温度特性由图中可以看出,该电路具有较好的温度系数.输出基准电压枷的温度系数约为35ppm/.C,2的温度系数约为5ppm/.C.但是,该电路温度系数的好坏主要取决能否将电阻R.和R与R.的比值做得很准确.在版图设计中,电阻的问题要认真考虑.另外,由于PNP管Q.的发射结压降艇的温度系数与其本身的大小有关,因此,可通过工艺控制,使艇在偏置电流下保持合适的值.第5期吴玉广等:一种输出可调CMOS能隙基准源电路的设计581_,|:Lf图7,2的温度特性6CMOS工艺中双极晶体管的实现无论对于正的还是负的温度系数的量,我们推导的与温度无

14、关的电压都是依赖于双极器件的指数特性.所以,我们必须在标准的CMOS工艺中找到具有这种特性的结构.图8是用CMOS工艺实现的接地双极晶体管.图8CMOS工艺中PNP双极晶体管的实现在n阱工艺中,n阱中的P+区(与PFET的源漏区相同)作为发射区,n阱本身作为基区.P型衬底作为集电区,并且必然接地.所以,在双极晶体管的工艺实现中,并不需要增加更多的版次,用常规的CMOS工艺即可实现.7结论本文的电路设计是针对某集成电路中对不同基准电压的要求而设计的.其主要优点是可以通过调节电阻的比值来控制基准电压的输出,从而满足集成电路设计中用不同基准电压做偏置的要求.模拟仿真表明,设计的电路温度特性良好,电源

15、抑制比高,达到了预期的要求.参考文献:E1lnbaH.ShigaH.ACMOSbandgapreferencecircultwithsub一1一VoperationJ.IEEEJSolStaCirc,1999,34(5):8183.2LasanenK,KorkalaV.Designofa1一VlowpowerCMOSbandgapreferencebasedonresistivesubdivisionJ.IEEEJSolStaCirc.2002,37(5):564567.3刘韬,徐志伟,程君侠.一种高电源抑制比CMOS能隙基准电压源J.微电子学,1999,29(2):128131.4Allen

16、PE,HolbergDR.CMOSanalogcircuitdesignM.2ndEd.北京:电子工业出版社,2002.53RazaviB.DesignofanalogCMOSintegratedcircuitsM.西安:西安交通大学出版社,2003.作者简介:吴玉广(1947一),男(汉族),江苏大丰人,教授,主要从事系统集成,VLSI设计,先后主持了国家重点科技攻关项目,国家863项目,国防预研基金项目等十多个项目的研究工作,获得省部级科研成果奖8项,厅局级科研成果奖16项.2.专用集成电路新书推介图书代号:TN95740,页数:752页,定价:66元作者:MichaelJohnSebas

17、tianSmith;审校者;章倩苓,译者:虞惠华等;出版社:电子工业出版社内容简介:本书是一本有关专用集成电路(ASIC)的综合性和权威性书籍.书中叙述了VLSI系统设计的最新方法.由于充分利用了商业化工具和预先设计好的单元库,ASIC设计已成为速度最快,成本最低而且错误最少的一种Ic设计,ASIC和ASIC设计方法已在工业界的各个领域得到广泛的推广应用.本书介绍了半定制和可编程的ASIC.在对每种ASIC类型的数字逻辑设计与物理特性的基本原理进行描述后,讨论了ASIC逻辑设计设计输入,逻辑综合,仿真以及测试,并进一步讲述了相应的物理设计划分,平面布图规划,布局以及布线.此外,本书对在ASIC设计中需要了解的各方面知识以及必须做的工作都有详尽的叙述.本书另有英文版图书代号:TN84070,页数:1026页,定价:86元如果您希望了解此次推介图书的详细信息,欢迎登录华信教育资源网.ca查询,或者直接与我们联系:北京市万寿路173信箱教材服务部100036电话:01068152204,传真:01068151741,Email:edu.ca