第二章带隙基准电压源电路设计 第二章 带隙基准电压源电路设计 2.1前言 1971年，带隙基准电压源由Widlar[2]首次实现，其为整个电路系统提供对 温度、电源电压和工艺变化不敏感的直流参考电压，它是模拟电路基础模块之一 [2]。随着集成电路工艺技术的不断发展，其应用范围不断扩大，结构不断创新， 性能不断的提高，朝着低电源电压、低功耗、低温度系数、高电源抑制和低噪声 的方向不断发展。 2.1.1带隙基准源的发展历史 集成电路发展初期，基准参考电压源主要是利用齐纳二极管来实现，但齐纳 二极管基准源存在所需电源电压高（高于7V)、工作电流大（一般为几毫安）、容易 受到表面氧化层中迁移电荷及外界环境的影响、噪声较大和长期稳定性差等缺点。 Widlar首次提出了带隙基准源概念2]。它相比于齐纳二极管基准源具有很 多优点，这一技术具有里程碑意义。其基本原理是利用具有负温度系数的三极管 的基极一发射极电压VE和具有正温度系数的工作在不同电流密度下的两个基 极一发射极电压之差△VE,将两个电压加权相加，得到零温度系数的基准电压。 在此之后，基于Widlar结构，Kuik利用运放设计一种精确参考电压源，这 种结构兼容于标准CMOS工艺，是目前标准CMOS工艺下的普遍结构3]。在 Kujk基准源的基础上，Brokaw提出了一种消除三极管基极电流误差的设计方 法，大大提高了带隙参考源输出电压的精度。相比于Widlar基准源，它大大简 化了电路结构，具有良好的电源抑制特性，是目前BiCMOS工艺下的常用结构 [4]。 随着工艺特征尺寸向深亚微米发展，电源电压降低到1V以下，这己低于硅 的带隙电压（约1.2V左右），H.Banba等人首次提出了可以工作在1V电压以下 的带隙基准结构[5]。其将输出参考电压转换为两路电流之和，一路正比于VBE 的电流，另一路正比于Vr。近日，有研究提出一种新结构SBGR(Subtracting Bandgap Reference),其将两个不同幅度，但具有相同温度系数的 CTAT(Complementary To Absolute Temperature)电流相减来得到低温度系数的 输出参考电压[6]。该结构相对于现有的结构，温度系数大大降低。 双极型晶体管由于良好的重复性和温度特性，一直都是带隙基准的主流测温 元件。但有研究表明：工作于弱反型区MOSFET的栅源电压与温度的关系是准 指数关系。可以用MOSFET的栅源电压Vcs取代双极型晶体管的基极-发射极电 压VBE来设计基准参考源，实现了纯CMOS器件基准参考源[7][8][9]。这种技术 7
第二章 带隙基准电压源电路设计 7 第二章 带隙基准电压源电路设计 2.1 前言 1971 年，带隙基准电压源由 Widlar[2]首次实现，其为整个电路系统提供对 温度、电源电压和工艺变化不敏感的直流参考电压，它是模拟电路基础模块之一 [2]。随着集成电路工艺技术的不断发展，其应用范围不断扩大，结构不断创新， 性能不断的提高，朝着低电源电压、低功耗、低温度系数、高电源抑制和低噪声 的方向不断发展。 2.1.1 带隙基准源的发展历史 集成电路发展初期，基准参考电压源主要是利用齐纳二极管来实现，但齐纳 二极管基准源存在所需电源电压高(高于 7 V)、工作电流大(一般为几毫安)、容易 受到表面氧化层中迁移电荷及外界环境的影响、噪声较大和长期稳定性差等缺点。 Widlar 首次提出了带隙基准源概念[2]。它相比于齐纳二极管基准源具有很 多优点，这一技术具有里程碑意义。其基本原理是利用具有负温度系数的三极管 的基极—发射极电压 VBE 和具有正温度系数的工作在不同电流密度下的两个基 极—发射极电压之差∆VBE，将两个电压加权相加，得到零温度系数的基准电压。 在此之后，基于 Widlar 结构，Kuijik 利用运放设计一种精确参考电压源，这 种结构兼容于标准 CMOS 工艺，是目前标准 CMOS 工艺下的普遍结构[3]。在 Kuijik 基准源的基础上，Brokaw 提出了一种消除三极管基极电流误差的设计方 法，大大提高了带隙参考源输出电压的精度。相比于 Widlar 基准源，它大大简 化了电路结构，具有良好的电源抑制特性，是目前 BiCMOS 工艺下的常用结构 [4]。 随着工艺特征尺寸向深亚微米发展，电源电压降低到 1 V 以下，这已低于硅 的带隙电压(约 1.2 V 左右)，H. Banba 等人首次提出了可以工作在 1 V 电压以下 的带隙基准结构[5]。其将输出参考电压转换为两路电流之和，一路正比于 VBE 的电流，另一路正比于 VT。近日，有研究提出一种新结构 SBGR(Subtracting Bandgap Reference) ，其将两个不同幅度，但具有相同温度系数的 CTAT(Complementary To Absolute Temperature)电流相减来得到低温度系数的 输出参考电压[6]。该结构相对于现有的结构，温度系数大大降低。 双极型晶体管由于良好的重复性和温度特性，一直都是带隙基准的主流测温 元件。但有研究表明：工作于弱反型区 MOSFET 的栅源电压与温度的关系是准 指数关系。可以用 MOSFET 的栅源电压 VGS 取代双极型晶体管的基极-发射极电 压 VBE来设计基准参考源，实现了纯 CMOS 器件基准参考源[7][8][9]。这种技术
射频接收机中基准源和温度检测模块设计 能大大降低成本，其在低电源电压和低功耗领域具有诱人的前景。 2.1.2国内外研究现状 自上世纪70年代以来，国内外对带隙基准电压源做了大量的研究，主要集 中在以下几个方面： (1)低温度系数 温度系数是带隙基准电压源最重要的指标。前文所述各种带隙基准结构，都 是一阶零温度系数的结构，能到达的温度系数一般为20~50ppml℃。这是由于 双极型晶体管的基极一发射极电压VE包含高阶温度项。在高精度系统中应用， 如：高精度的模数转换器和数模转换器，必须要进一步降低温度系数，使用曲率 补偿技术，该类技术的基本思路是通过各种方法，抵消VBE引起的温度二阶及以 上项。 主要的曲率补偿技术有：二阶曲率补偿技术、指数型曲率补偿法、VE线性 化法、基于不同类型电阻温度系数补偿法和分段线性补偿法。指数型曲率补偿法 是利用双极型晶体管的电流增益B随温度呈指数型变化的规律对基准电压进行 温度补偿的方法1O]。VeE线性化法是通过构建电路抵消VBE中的刀nT项，从而 实现精确补偿11[12]。基于不同类型电阻温度系数补偿法是利用不同类型电阻 具有不同温度系数的特点，来抵消的VE高阶项页13]。分段线性补偿法是将工作 温度范围分为若干个区间，分别对每个区间进行补偿，从而在整个温度范围内得 到低温度系数[14]。 (2)高电源抑制(Power Supply Rejection,PSR) 电源抑制一直都是带隙基准基准的重要指标之一。特别是近年来片上系统技 术的发展，不同类型的电路之间信号的串扰给芯片性能带来很大影响。为了抑制 电源电压的波动对输出的影响，需要提高电源抑制。 提高电源抑制的方法主要有以下几种：第一，对带隙基准供电电压进行预处 理。这种方法一般将带隙基准源的供电由电源电压改为电流源来代替，或者用预 处理过的电压来给带隙基准源供电[15[16[17][18]：第二，将电源噪声引到带隙 基准源的反馈环路中提高电源抑制[19]：第三，提高钳位运放的电源抑制比[19]： 第四，采用全差分结构可以显著改善电源抑制20]：第五，还有一个提高电源抑 制的简单方法，在输出电压端加RC滤波电路，但这种方法不利于集成，需要很 大的滤波电容。 (3)低输出噪声 随着带隙基准应用的越来越广，输出噪声变得越来越重要，特别是一些低噪 声应用中，例如射频接收机和高精度模数转换器。但关于低输出噪声带隙基准报 道并不多，较简单的降噪方法是加RC滤波电路，但需要较大的面积。另一种常
射频接收机中基准源和温度检测模块设计 能大大降低成本，其在低电源电压和低功耗领域具有诱人的前景。 2.1.2 国内外研究现状 自上世纪 70 年代以来，国内外对带隙基准电压源做了大量的研究，主要集 中在以下几个方面： (1) 低温度系数 温度系数是带隙基准电压源最重要的指标。前文所述各种带隙基准结构，都 是一阶零温度系数的结构，能到达的温度系数一般为 20~50 ppm/ ℃。这是由于 双极型晶体管的基极—发射极电压 VBE 包含高阶温度项。在高精度系统中应用， 如：高精度的模数转换器和数模转换器，必须要进一步降低温度系数，使用曲率 补偿技术，该类技术的基本思路是通过各种方法，抵消 VBE引起的温度二阶及以 上项。 主要的曲率补偿技术有：二阶曲率补偿技术、指数型曲率补偿法、VBE线性 化法、基于不同类型电阻温度系数补偿法和分段线性补偿法。指数型曲率补偿法 是利用双极型晶体管的电流增益 β 随温度呈指数型变化的规律对基准电压进行 温度补偿的方法[10]。VBE线性化法是通过构建电路抵消 VBE中的 TlnT 项，从而 实现精确补偿[11][12]。基于不同类型电阻温度系数补偿法是利用不同类型电阻 具有不同温度系数的特点，来抵消的 VBE高阶项[13]。分段线性补偿法是将工作 温度范围分为若干个区间，分别对每个区间进行补偿，从而在整个温度范围内得 到低温度系数[14]。 (2) 高电源抑制(Power Supply Rejection，PSR) 电源抑制一直都是带隙基准基准的重要指标之一。特别是近年来片上系统技 术的发展，不同类型的电路之间信号的串扰给芯片性能带来很大影响。为了抑制 电源电压的波动对输出的影响，需要提高电源抑制。 提高电源抑制的方法主要有以下几种：第一，对带隙基准供电电压进行预处 理。这种方法一般将带隙基准源的供电由电源电压改为电流源来代替，或者用预 处理过的电压来给带隙基准源供电[15][16][17][18]；第二，将电源噪声引到带隙 基准源的反馈环路中提高电源抑制[19]；第三，提高钳位运放的电源抑制比[19]； 第四，采用全差分结构可以显著改善电源抑制[20]；第五，还有一个提高电源抑 制的简单方法，在输出电压端加 RC 滤波电路，但这种方法不利于集成，需要很 大的滤波电容。 (3) 低输出噪声 随着带隙基准应用的越来越广，输出噪声变得越来越重要，特别是一些低噪 声应用中，例如射频接收机和高精度模数转换器。但关于低输出噪声带隙基准报 道并不多，较简单的降噪方法是加 RC 滤波电路，但需要较大的面积。另一种常
第二章带隙基准电压源电路设计 用方法是通过分析噪声对其进行优化。目前文献报道的有效方法有：使用采用了 斩波稳定技术的运放，降低了低频的闪烁噪声[21]；使用RBVP(Reverse Bandgap Voltage Principle)方法设计的带隙基准电压源，具有良好的噪声特性， 偏置电流为20μA时，输出噪声为40nV∥WHz,在0.1~10Hz带内的峰峰输出 噪声为4VI22]。 (4)低电源电压 90nm工艺的电源电压为0.9V,而目前的工艺特征尺寸已到22nm,电源 电压势必更低。因此，对低电源电压的带隙基准电压源研究十分有必要。目前低 电源电压的主要实现方法是H.Banba于1999年提出的电流模的带隙基准结构 [5],这种技术不需要使用任何特殊器件和工艺，兼容于标准CMOS工艺。除此 之外，低电源电压技术还包括以下四种：第一，采用无运放结构16]：第二采用 特殊器件和工艺技术，例如低阈值器件和DTMOS技术，但这会增加成本23][24]： 第三，采用纯CMOS结构25]：第四，采取跨阻放大器取代跨导放大器，克服 运放的共模输入电压对电源电压的限制[26]。 (5)低功耗 电池寿命已成为限制便携式电子产品的瓶颈，谁能提供更长的电池续航时间， 谁就能在市场中占得先机。因此，低功耗已成为模拟电路设计的一个重要指标。 目前低功耗带隙基准源设计主要有以下两种方法：第一，使用工作在弱反型区的 MOSFET来设计带隙基准源[27]：第二，使用浮栅MOSFET器件来设计。这两 种方法都使用了特殊器件，因此成本较高28]。 2.1.3主要性能指标 带隙基准电压源就是要产生一个对温度、电源和工艺不敏感的输出基准电压， 因此，其主要性能指标包括：温度系数、线性调整率、精度、电源抑制、输出噪 声、启动时间和直流功耗等 a)温度系数TC(temperature coefficient) 温度系数是衡量输出参考电压随温度变化量大小的指标。其定义是指在工作 温度范围内，输出参考电压的最大变化量相对标称值的比值的百万倍与整个温度 区间的比值，其表达式如下 aE5mx-YEm四)X105 TC: VREE (2.1) Tmax-Tmin 单位为ppm/C(part per million/C)。式中Tmax和Tmin分别表示其能工作的最高和 最低温度，VREF.max和VREF.min分别表示在整个工作温度范围内的最大和最小输出 参考电压，VEF是指输出参考电压的标称值，通常是室温下的输出参考电压。 9
第二章 带隙基准电压源电路设计 9 用方法是通过分析噪声对其进行优化。目前文献报道的有效方法有：使用采用了 斩波稳定技术的运放，降低了低频的闪烁噪声[21]；使用 RBVP(Reverse Bandgap Voltage Principle)方法设计的带隙基准电压源，具有良好的噪声特性， 偏置电流为 20 μA 时，输出噪声为 40 nV/ Hz ，在 0.1~10 Hz 带内的峰峰输出 噪声为 4 μV[22]。 (4) 低电源电压 90 nm 工艺的电源电压为 0.9 V，而目前的工艺特征尺寸已到 22 nm，电源 电压势必更低。因此，对低电源电压的带隙基准电压源研究十分有必要。目前低 电源电压的主要实现方法是 H. Banba 于 1999 年提出的电流模的带隙基准结构 [5]，这种技术不需要使用任何特殊器件和工艺，兼容于标准 CMOS 工艺。除此 之外，低电源电压技术还包括以下四种：第一，采用无运放结构[16]；第二采用 特殊器件和工艺技术，例如低阈值器件和 DTMOS 技术，但这会增加成本[23][24]； 第三，采用纯 CMOS 结构[25]；第四，采取跨阻放大器取代跨导放大器，克服 运放的共模输入电压对电源电压的限制[26]。 (5) 低功耗 电池寿命已成为限制便携式电子产品的瓶颈，谁能提供更长的电池续航时间， 谁就能在市场中占得先机。因此，低功耗已成为模拟电路设计的一个重要指标。 目前低功耗带隙基准源设计主要有以下两种方法：第一，使用工作在弱反型区的 MOSFET 来设计带隙基准源[27]；第二，使用浮栅 MOSFET 器件来设计。这两 种方法都使用了特殊器件，因此成本较高[28]。 2.1.3 主要性能指标 带隙基准电压源就是要产生一个对温度、电源和工艺不敏感的输出基准电压， 因此，其主要性能指标包括：温度系数、线性调整率、精度、电源抑制、输出噪 声、启动时间和直流功耗等 a) 温度系数TC(temperature coefficient) 温度系数是衡量输出参考电压随温度变化量大小的指标。其定义是指在工作 温度范围内，输出参考电压的最大变化量相对标称值的比值的百万倍与整个温度 区间的比值，其表达式如下 REF,max REF,min 6 REF max min ( ) 10 V V V TC T T (2.1) 单位为ppm/℃(part per million/℃)。式中Tmax和Tmin分别表示其能工作的最高和 最低温度，VREF,max和VREF,min分别表示在整个工作温度范围内的最大和最小输出 参考电压，VREF是指输出参考电压的标称值，通常是室温下的输出参考电压
射频接收机中基准源和温度检测模块设计 b)线性调整率LNR(Line Regulation) 线性调整率衡量的是直流电源电压变化对输出参考电压的影响。它与即将介 绍的电源抑制共同组成衡量电源变化对输出电压影响的指标。线性调整率是表征 直流电压变化的影响，电源抑制表征的则是交流小信号电压变化的影响。因此， 线性调制率定义为输出参考电压直流变化量△VREF随电源电压直流变化量△VoD 的变化率，与频率无关。其表达式为 LNR= AVREE AVpo DC (2.2) c)精度(Accuracy) 精度是表征基准电压相对设计标称值的相对误差。主要由初始精度(Initial Accuracy)、线性调整率及温度系数决定。初始精度是指不带负载时输出参考电 压的容差。精度是指初始精度容差△VREFIA、温度变化范围内容差△VREF,TC和 电压范围内容差之和△VREF,NR与标称值之比，其表达式为 AcCuracy =AVAVE.I+AV (2.3) VREF d)电源抑制PSR(Power Supply Rejection,PSR) 电源抑制是衡量电源交流小信号对输出参考电压的影响。该概念是由运放的 电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio.,PSRR)的概念延伸而来。其定义为 输入到输出的交流电压增益与电源到输出的交流电压增益的比值，表达式为 PSRR=A (2.4) d 式中Av表示Vaa=0时输入到输出的增益，Aaa表示Vn=0时电源电压到输出的增 益，表达式如下： (2.5) A=- out (2.6) V 但带隙基准基准源没有类似运放的输入信号，电源是其唯一输入信号，所以 忽略输入信号带来的增益，推出该种结构的指标：电源抑制PSR(Power Supply Rejection),定义为电源电压交流小信号量△Vda到输出参考电压交流小信号量 △Vref的增益。表达式如下：
射频接收机中基准源和温度检测模块设计 b) 线性调整率LNR(Line Regulation) 线性调整率衡量的是直流电源电压变化对输出参考电压的影响。它与即将介 绍的电源抑制共同组成衡量电源变化对输出电压影响的指标。线性调整率是表征 直流电压变化的影响，电源抑制表征的则是交流小信号电压变化的影响。因此， 线性调制率定义为输出参考电压直流变化量∆VREF随电源电压直流变化量∆VDD 的变化率，与频率无关。其表达式为 REF DD ∆ ∆ DC V LNR V (2.2) c) 精度(Accuracy) 精度是表征基准电压相对设计标称值的相对误差。主要由初始精度(Initial Accuracy)、线性调整率及温度系数决定。初始精度是指不带负载时输出参考电 压的容差。精度是指初始精度容差 ∆VREF,IA、温度变化范围内容差 ∆VREF,TC 和 电压范围内容差之和 ∆VREF,LNR与标称值之比，其表达式为 REF,IA REF,TC REF,LNR REF VV V Accuracy V (2.3) d) 电源抑制PSR(Power Supply Rejection，PSR) 电源抑制是衡量电源交流小信号对输出参考电压的影响。该概念是由运放的 电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio，PSRR)的概念延伸而来。其定义为 输入到输出的交流电压增益与电源到输出的交流电压增益的比值，表达式为 v dd A PSRR A (2.4) 式中 Av 表示 Vdd=0 时输入到输出的增益，Add表示 Vin=0 时电源电压到输出的增 益，表达式如下： out dd id in 0 V A V V (2.5) out v in dd 0 V A V V (2.6) 但带隙基准基准源没有类似运放的输入信号，电源是其唯一输入信号，所以 忽略输入信号带来的增益，推出该种结构的指标：电源抑制 PSR(Power Supply Rejection)，定义为电源电压交流小信号量∆Vdd 到输出参考电压交流小信号量 ∆Vref的增益。表达式如下：
第二章带隙基准电压源电路设计 PSR=AVer AVdd (2.7) e)输出噪声 输入噪声是描述运放噪声的指标，与电源抑制相类似，描述带隙基准电压源 只能用输出噪声，因为带隙基准没有类似运放的输入。随着电路对噪声的要求越 来越高，低输出噪声在电路设计中的地位越来越高。 f)启动时间(Start Time) 由于带隙基准电压源存在直流简并偏置点，一个是正常的直流工作点，另一 个整个电路零电流不工作的状态。为了解决这个问题，带隙基准电路需要加入自 启动电路，保证电路工作在正确的直流偏置点。启动时间则是指电源上电后，输 出参考电压达到正常标称值所需的时间，其在高速电路中是一个重要指标。 g)直流功耗 便携式电子产品的广泛应用，使得低功耗也是带隙基准电压源的一个重要方 向。使用全CMOS结构和浮栅器件的带隙基准器件可以得到很低的功耗[27][28]， 但这是以较高的成本为代价的。 2.1.4带隙基准源的基本原理及结构 带隙基准电压源就是要产生一个与温度无关的输出参考电压。基本思路是产 生一个正温度系数的量和一个负温度系数的量，再将两个量以适当的权重相加， 得到一个零温度系数的量，并将它输出。 要实现这样电路，就必须在集成电路器件中找到这样的量。实际上，集成电 路中所有器件都存在与温度有关的特性，例如电阻、MOS管、隧穿二极管和双 极型三极管。但在所有半导体工艺的器件参数中，双极型晶体管的特性参数被证 实具有最好的重复性29]。双极型晶体管的基极一发射机电压VE具有负温度系 数，两个工作不同电流下的双极型晶体管的基极一发射机电压之差△VE具有正 温度系数，利用上面两个量，可以得到零温度系数的输出参考电压，如图2-1 所示。 11
第二章 带隙基准电压源电路设计 11 ref dd V PSR V (2.7) e) 输出噪声 输入噪声是描述运放噪声的指标，与电源抑制相类似，描述带隙基准电压源 只能用输出噪声，因为带隙基准没有类似运放的输入。随着电路对噪声的要求越 来越高，低输出噪声在电路设计中的地位越来越高。 f) 启动时间(Start Time) 由于带隙基准电压源存在直流简并偏置点，一个是正常的直流工作点，另一 个整个电路零电流不工作的状态。为了解决这个问题，带隙基准电路需要加入自 启动电路，保证电路工作在正确的直流偏置点。启动时间则是指电源上电后，输 出参考电压达到正常标称值所需的时间，其在高速电路中是一个重要指标。 g) 直流功耗 便携式电子产品的广泛应用，使得低功耗也是带隙基准电压源的一个重要方 向。使用全CMOS结构和浮栅器件的带隙基准器件可以得到很低的功耗[27][28]， 但这是以较高的成本为代价的。 2.1.4 带隙基准源的基本原理及结构 带隙基准电压源就是要产生一个与温度无关的输出参考电压。基本思路是产 生一个正温度系数的量和一个负温度系数的量，再将两个量以适当的权重相加， 得到一个零温度系数的量，并将它输出。 要实现这样电路，就必须在集成电路器件中找到这样的量。实际上，集成电 路中所有器件都存在与温度有关的特性，例如电阻、MOS管、隧穿二极管和双 极型三极管。但在所有半导体工艺的器件参数中，双极型晶体管的特性参数被证 实具有最好的重复性[29]。双极型晶体管的基极—发射机电压VBE具有负温度系 数，两个工作不同电流下的双极型晶体管的基极—发射机电压之差∆VBE具有正 温度系数，利用上面两个量，可以得到零温度系数的输出参考电压，如图 2-1 所示