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[導(dǎo)讀] 引言模擬電路中廣泛地包含電壓基準(zhǔn)(reference voltage)和電流基準(zhǔn)(current reference)。在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路中,基準(zhǔn)電壓的精度直接決定著這些電路的性能。

引言

模擬電路中廣泛地包含電壓基準(zhǔn)(reference voltage)和電流基準(zhǔn)(current reference)。在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路中,基準(zhǔn)電壓的精度直接決定著這些電路的性能。這種基準(zhǔn)應(yīng)該與電源和工藝參數(shù)的關(guān)系很小,但是與溫度的關(guān)系是確定的。在大多數(shù)應(yīng)用中,所要求的溫度關(guān)系通常分為與絕對溫度成正比(PTAT)和與溫度無關(guān)2種。

近年來有研究指出,當(dāng)漏電流保持不變時(shí),工作在弱反型區(qū)晶體管的柵源電壓隨著溫度升高而在一定范圍內(nèi)近似線性降低?;谠撎匦裕瑤痘鶞?zhǔn)源所采用的基極-發(fā)射極結(jié)可以被工作在弱反型區(qū)的晶體管代替產(chǎn)生低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源。文獻(xiàn)中提到采用該設(shè)計(jì)原理的基準(zhǔn)源,利用0.13μm工藝的低閾值電壓NMOS管和襯底調(diào)整的PMOS管實(shí)現(xiàn)其中的放大器。本文所采用的基準(zhǔn)源電路利用傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的核心電路原理,通過飽和狀態(tài)MOS等效電阻對PTAT電流動(dòng)態(tài)反饋補(bǔ)償,基本實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)源的穩(wěn)定要求。

1 帶隙基準(zhǔn)源的基本原理

帶隙基準(zhǔn)源可以在0~70℃的溫度范圍內(nèi)有l(wèi)O ppm/℃的溫度系數(shù)。由室溫下溫度系數(shù)為-2.2 mV/℃的PN結(jié)二極管產(chǎn)生電壓為VBE。同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)熱電壓VT(VT=kT/q),其與絕對溫度(PTAT)成正比,室溫下的溫度系數(shù)為0.085 mV/℃,則輸出電壓為:

將式(1)對溫度求導(dǎo),用VBE和VT的溫度系數(shù)求出理論上不依賴于溫度的K值。為了達(dá)到所希望的性能,更詳細(xì)地分析VBE與溫度的關(guān)系是必須的。帶隙基準(zhǔn)就是將負(fù)溫度系數(shù)的電壓與正溫度系數(shù)的電壓加權(quán)相加來抵消溫度對輸出電壓的影響。

1.1 負(fù)溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生

雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓具有負(fù)溫度系數(shù),或者說PN結(jié)二極管的正向電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。從文獻(xiàn)可得到與溫度的關(guān)系式:

式中:η為與三極管結(jié)構(gòu)有關(guān)的量,其值大約為4;α為與流過三極管的電流有關(guān)的一個(gè)量,當(dāng)PTAT電流流過三極管時(shí)α為1,當(dāng)與溫度不相關(guān)的電流流過三極管時(shí)為O;T0為參考溫度;VBG為硅的帶隙電壓。由式(1)可以看出VBE是一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓。

1.2 正溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生

兩個(gè)三極管工作在不同的電流密度下,它們的基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對溫度成正比。如果兩個(gè)同樣的三極管(IS1=IS2),偏置的集電極電流分別為nI0和I0,并忽略他們的基極電流,那么:

式中:△VBE表現(xiàn)出正溫度系數(shù),而且此溫度系數(shù)是與溫度無關(guān)的常量。

1.3 一階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源

將正、負(fù)溫度系數(shù)的電壓加權(quán)相加,就可以得到一個(gè)近似與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。常見的一階可調(diào)基準(zhǔn)源電路如圖1所示。

式中:N為Q2與Q1的發(fā)射結(jié)面積之比,式(4)中第一項(xiàng)具有負(fù)的溫度系數(shù),第二項(xiàng)具有正、負(fù)溫度系數(shù),合理設(shè)計(jì)R0與R1的比值和N的值,就可以得到在某一溫度下的零溫度系數(shù)的一階基準(zhǔn)電壓。式(5)中方括號內(nèi)是約為1.25 V的一階溫度無關(guān)基準(zhǔn)電壓,通過調(diào)節(jié)R2/R0的比值,可以得到不同大小的基準(zhǔn)電壓。

2 電路結(jié)構(gòu)及原理分析

圖2為本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源整體電路圖,包含帶隙核心電路、反饋補(bǔ)償電路和啟動(dòng)電路。其中虛框a為帶隙核心電路,虛框b為偏置及反饋補(bǔ)償電路,虛框c為基準(zhǔn)源啟動(dòng)電路。

2.1 帶隙核心電路

圖2中,由Mp1~Mp3,MN1,MN2,R1,R2和Q1,Q2組成的電路構(gòu)成帶隙核心電路。輸入晶體管的偏置電流由PMOS電流源提供,可通過減小其電流,而不是減小其寬長比來降低負(fù)載器件的gm,從而增加其差動(dòng)放大增益。

其中Mp1,Mp2,MN1,MN2均工作在飽和狀態(tài),Mp1,Mp2復(fù)制了Iout,從而確定了IREF。從本質(zhì)上講,IREF被“自舉”到Iout。選擇一定的MOS管尺寸,如果忽略襯底溝長長度調(diào)制效應(yīng),則有Iout=KIREF,因?yàn)槊總€(gè)二極管連接的器件都是由一個(gè)電流源驅(qū)動(dòng)的,故IREF和Iout與VDD無關(guān),左右兩支路永遠(yuǎn)維持這兩個(gè)電流值。雙極晶體管Q1和Q2工作在不同的電流密度下,它們的基極與發(fā)射極間的電壓差與絕對溫度成正比。將與電源無關(guān)的偏置電路與雙極晶體管結(jié)合,得到帶隙核心電路。

假設(shè)Mp1,Mp2和MN1,MN2均為相同的對管,將PTAT電流Ip3加到基極-發(fā)射極電壓上,因此輸出電流為:

PTAT基準(zhǔn)電流IMp3PTAT(與絕對溫度成正比)通過R3產(chǎn)生輸出基準(zhǔn)電壓。

2.2 自偏置電路及反饋補(bǔ)償電路

為了提高電源電壓抑制,該設(shè)計(jì)對核心電路和運(yùn)放的電源電壓進(jìn)行了調(diào)節(jié),由MOS管的電流電壓特性可知,當(dāng)VDS≥VG-VTH時(shí)器件工作在飽和區(qū),有:

對其求導(dǎo)得:

式中:VGS為柵源電壓;VTH為閾值電壓。

因?yàn)闁怕┒探樱蔒N3,MN5一定處于飽和狀態(tài),它們均可作為一個(gè)阻值由過驅(qū)動(dòng)電壓控制的等效電阻,定義MN3和MN5的等效電阻分別為RN3和RN5,則可將MN3與R3視為并聯(lián)電阻Rx,如果Vout增大,則RN3減小,并聯(lián)電阻Rx減小,從而使PTAT基準(zhǔn)電流通過MN3分流一部分;同樣原理適用于MN5和MN6,達(dá)到抑制補(bǔ)償輸出電壓,使基準(zhǔn)源輸出電壓穩(wěn)定。其中Mp4和Mp5為MN3提供偏置電流,但使用這種“自偏置電路”會(huì)帶來電路的啟動(dòng)問題。

2.3 啟動(dòng)電路

在基準(zhǔn)源電路中需要啟動(dòng)電路使得系統(tǒng)上電時(shí)電路能夠進(jìn)入正常的工作狀態(tài),而自偏置放大器電路往往也存在啟動(dòng)問題。當(dāng)電路處于非工作狀況時(shí),放大器的輸入端電壓初始值為零,而輸出電壓由于寄生電容的存在可能位于一個(gè)比較高的電勢,當(dāng)電源接通后不但放大器的偏置電路為截止?fàn)顟B(tài),而且基準(zhǔn)源的核心電路也無法正常啟動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的啟動(dòng)電路則可以同時(shí)滿足放大器和核心電路的啟動(dòng)要求,它由Mp6~Mp8,MN7,MN8,R4,R5構(gòu)成。

當(dāng)電源接通后,啟動(dòng)電路提供了放大器輸出端到地的通路,從而拉低了核心電路中Mp1~Mp3的柵極電勢,放大器的偏置電路開始工作,同時(shí)基準(zhǔn)源的Mp1和Mp2支路中流過的電流也隨之增大,使得放大器的輸入端電勢上升,這樣放大器進(jìn)入高增益工作區(qū),帶動(dòng)基準(zhǔn)源電路開始正常工作。

電路剛啟動(dòng)時(shí),使Mp7和Mp8飽和,保證MN8柵極有足夠高的開啟電壓,當(dāng)MN8導(dǎo)通時(shí),一個(gè)小的導(dǎo)通電流流過運(yùn)放,啟動(dòng)帶隙電路。電路開啟后,虛框b部分電流鏡像電路將輸出電流進(jìn)行鏡像,給啟動(dòng)電路提供偏置,偏置電流使Mp6導(dǎo)通,從而MN7的柵極電壓升高,MN7導(dǎo)通,由于MN8的電阻很大,導(dǎo)致MN7漏極電壓很低,從而關(guān)斷MN8,使啟動(dòng)電路(虛框c)兩端電壓降低而停止工作。

3 仿真結(jié)果與分析

圖3說明了該基準(zhǔn)源對電壓的抑制效果。根據(jù)仿真數(shù)據(jù),在所取5~10 V的輸出電壓范圍經(jīng)計(jì)算基準(zhǔn)電壓電源抑制比為82 dB。圖4為Cade-nce下的溫度仿真曲線,根據(jù)所要求取的溫度范圍在-25~+120℃,計(jì)算得溫度系數(shù)為:TCF=7.427 ppm/℃。圖5為整體電路的版圖設(shè)計(jì),面積近似為0.022 mm2。

4 結(jié)語

本文通過對傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的基本原理分析,設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電路工作電壓為5~10 V,通過飽和狀態(tài)MOS等效電阻對PTAT電流反饋補(bǔ)償,得到了82 dB的電源電壓抑制比和低于7.427 ppm/℃的溫度系數(shù),版圖面積0.022 mm2。該電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)源電壓基本滿足普通應(yīng)用要求。

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