基准电压源和线性稳压器的设计 输出电压能够快速调整，稳定输出。 V2 Digital VDDO oVOUT1 LDO Analog ● VoUT oVoUT2 VREF LDO BG RF VOUT o VoUT3 LDO 图1-1系统结构 1.3论文组织结构 本文结构如下： 第一章为概述。介绍了研究动机、研究内容和论文结构。 第二章为带隙基准电压源电路设计。介绍了带隙基准电压源的主要性能指 标的含义，基本结构及原理。使用方框图分析电路结构及性能，对电路来说比 较关键的误差来源，温度系数和噪声进行了详细的分析，接下来叙述电路如何 实现和仿真，最后总结了电路的性能。 第三章为电压一电流转换电路设计。分析了电路结构及性能，之后叙述电 路的具体实现，分析仿真结果，最后对电路的性能进行总结。 第四章为低压差线性稳压器设计。对电路结构及性能进行了分析。将各个 模块连接起来作为整体进行仿真。 第五章为总结与展望。对本文所述内容进行总结，并对今后工作做出展望。 6
基准电压源和线性稳压器的设计 6 输出电压能够快速调整，稳定输出。 图 1-1 系统结构 1.3 论文组织结构 本文结构如下： 第一章为概述。介绍了研究动机、研究内容和论文结构。 第二章为带隙基准电压源电路设计。介绍了带隙基准电压源的主要性能指 标的含义，基本结构及原理。使用方框图分析电路结构及性能，对电路来说比 较关键的误差来源，温度系数和噪声进行了详细的分析，接下来叙述电路如何 实现和仿真，最后总结了电路的性能。 第三章为电压—电流转换电路设计。分析了电路结构及性能，之后叙述电 路的具体实现，分析仿真结果，最后对电路的性能进行总结。 第四章为低压差线性稳压器设计。对电路结构及性能进行了分析。将各个 模块连接起来作为整体进行仿真。 第五章为总结与展望。对本文所述内容进行总结，并对今后工作做出展望
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 带隙基准电压源主要为系统提供稳定的直流参考电压，其精度和稳定性直 接影响和决定系统的整体性能。其主要特性是其输出参考电压不随温度的变化 而改变，与温度无关（或关系较小）。 低压低功耗，采用标准CMOS工艺，不使用片外电容，节省成本是带隙基 准电压源发展趋势。设计要求其在噪声、工艺、温度和外接电源等变化因素影 响时，仍具有精度高、温度系数小、线性调整率小、电源抑制比高和噪声低等 特性。 2.1.1主要性能指标 带隙基准电压源主要性能指标有精度、温度系数、线性调整率、电源抑制 比、直流功耗和噪声等 a)精度 带隙基准电压源精度为输出电压与标称值的误差，一般在空载的条件下测 量。在很多应用中，如在高精度数模模数转换需要精确值的系统，精度是最重 要的性能指标。 b)温度系数(Temperature Coefficient,TC) 温度的变化将导致输出电压的变化，温度系数用来表征输出参考电压受温度 影响的大小，单位为ppm/℃。在整个工作温度范围内(Tmax-Tmin),输出参考电压 的最大值VREF,max与最小值VREF,min之差相对标称输出参考电压VREF的变化定义 为温度系数， TC=VrEr max-VREr.mn 1 Tw-Tn大106 (2.1) 由于使用环境温度不确定，同时电路工作时产生热量使器件本身的温度发生 变化，要求电路在整个可能的工作温度范围内其温度系数越小越好。有些设计为 了得到较小的温度系数，则需要使用曲率补偿技术3][4][5]。 c)线性调整率(Line Regulation,LNR) 表征直流状态下电源电压波动对输出参考电压的影响程度。线性调整率越 小，输出参考电压越稳定。它是基准电压源的直流特性参数，与瞬时状态和纹波 电压无关。输出参考电压变化的直流量（△VREF)与电源电压变化的直流量（△VDD) 的比值，与频率无关
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 带隙基准电压源主要为系统提供稳定的直流参考电压，其精度和稳定性直 接影响和决定系统的整体性能。其主要特性是其输出参考电压不随温度的变化 而改变，与温度无关(或关系较小)。 低压低功耗，采用标准 CMOS 工艺，不使用片外电容，节省成本是带隙基 准电压源发展趋势。设计要求其在噪声、工艺、温度和外接电源等变化因素影 响时，仍具有精度高、温度系数小、线性调整率小、电源抑制比高和噪声低等 特性。 2.1.1 主要性能指标 带隙基准电压源主要性能指标有精度、温度系数、线性调整率、电源抑制 比、直流功耗和噪声等 a) 精度 带隙基准电压源精度为输出电压与标称值的误差，一般在空载的条件下测 量。在很多应用中，如在高精度数模/模数转换需要精确值的系统，精度是最重 要的性能指标。 b) 温度系数(Temperature Coefficient, TC) 温度的变化将导致输出电压的变化，温度系数用来表征输出参考电压受温度 影响的大小，单位为ppm/℃。在整个工作温度范围内(Tmax-Tmin)，输出参考电压 的最大值VREF,max与最小值VREF,min之差相对标称输出参考电压VREF的变化定义 为温度系数， REF,max REF,min 6 REF max min 1 10 V V TC V TT − − = × − (2.1) 由于使用环境温度不确定，同时电路工作时产生热量使器件本身的温度发生 变化，要求电路在整个可能的工作温度范围内其温度系数越小越好。有些设计为 了得到较小的温度系数，则需要使用曲率补偿技术[3][4][5]。 c) 线性调整率(Line Regulation, LNR) 表征直流状态下电源电压波动对输出参考电压的影响程度。线性调整率越 小，输出参考电压越稳定。它是基准电压源的直流特性参数，与瞬时状态和纹波 电压无关。输出参考电压变化的直流量(ΔVREF)与电源电压变化的直流量(ΔVDD) 的比值，与频率无关
基准电压源和线性稳压器的设计 LNR=AVREE AVoD Ipc (2.2) d)电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio,PSRR) 电源的瞬时小信号变化（如噪声）将导致输出电压的变化，电源抑制比用来 表征电路对这种变化的抑制能力，单位为分贝(B)。对于运算放大器等有输入 信号的电路模块，使用电源抑制比PSRR的概念，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 dd (2.3) 其中Ay= 表示电源电压交流小信号为零时输入到输出的增益： Vin lvdd =0 表示输入电压交流小信号为零时电源电压到输出的增益。 然而对于带隙基准源，没有与其他电路模块相似的输入信号。电源为带隙基 准源模块的输入，电源的瞬时小信号变化引起输出电压的变化定义为电源抑制 PSR(Power--Supply Rejection),其表达式为，输出参考电压变化的交流小信号 量(ved)与电源电压变化的交流量（⑥vd)一交流小信号纹波的比值，与频率有关。 PSR= (2.4) e)直流功耗 直流功耗是衡量电路性能好坏的重要指标，特别是应用在便携式电子产品， 低功耗一直是主要的研究方向。低电压工作对便携设备具有非常重要的意义。 便携设备如手机(Mobile Phone)、个人数字助理(PDA)和手持GPS等依靠电池 工作，电池容量有限，低功耗可以延长电池的使用时间。作为集成电路的一个 基本单元电路，低功耗也一直是基准电压研究发展的一个方向[6]。 )噪声 噪声也是电路性能的重要指标，低噪声是电路设计时必须考虑的性能。对 高精度系统，低频的f噪声是一个重要的指标。 以上各个性能指标之间存在相互影响，设计时需要综合考虑，对各种指标 进行折中。 2.1.2基本结构及原理 带隙基准电压源输出电压由不同温度特性的两部分电压组成：一部分电压与 温度正相关， 业为正：一部分电压与温度负相关，光为负。当两部分电压以 aT
基准电压源和线性稳压器的设计 8 REF DD Δ Δ DC V LNR V = (2.2) d) 电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio, PSRR) 电源的瞬时小信号变化(如噪声)将导致输出电压的变化，电源抑制比用来 表征电路对这种变化的抑制能力，单位为分贝(dB)。对于运算放大器等有输入 信号的电路模块，使用电源抑制比 PSRR 的概念，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 (2.3) 其中 out V in dd 0 v A v v = = 表示电源电压交流小信号为零时输入到输出的增益； out dd dd in 0 v A v v = = 表示输入电压交流小信号为零时电源电压到输出的增益。 然而对于带隙基准源，没有与其他电路模块相似的输入信号。电源为带隙基 准源模块的输入，电源的瞬时小信号变化引起输出电压的变化定义为电源抑制 PSR(Power-Supply Rejection)，其表达式为，输出参考电压变化的交流小信号 量(δvref)与电源电压变化的交流量(δvdd)—交流小信号纹波的比值，与频率有关。 ref dd f δv PSR δv = (2.4) e) 直流功耗 直流功耗是衡量电路性能好坏的重要指标，特别是应用在便携式电子产品， 低功耗一直是主要的研究方向。低电压工作对便携设备具有非常重要的意义。 便携设备如手机(Mobile Phone)、个人数字助理(PDA)和手持 GPS 等依靠电池 工作，电池容量有限，低功耗可以延长电池的使用时间。作为集成电路的一个 基本单元电路，低功耗也一直是基准电压研究发展的一个方向[6]。 f) 噪声 噪声也是电路性能的重要指标，低噪声是电路设计时必须考虑的性能。对 高精度系统，低频的 I/f 噪声是一个重要的指标。 以上各个性能指标之间存在相互影响，设计时需要综合考虑，对各种指标 进行折中。 2.1.2 基本结构及原理 带隙基准电压源输出电压由不同温度特性的两部分电压组成：一部分电压与 温度正相关， V1 T ∂ ∂ 为正；一部分电压与温度负相关， V2 T ∂ ∂ 为负。当两部分电压以
第二章带隙基准电压源电路设计 适当的权重相加，则结果就会为零温度系数， +a-0 í (2.5) 即总的电压VREF=a1V1+a2V2,理论上与温度无关。在半导体技术的不同器件参数 中，双极型晶体管的特性被证明是最具重复特性的，可产生明确的正的温度系数 参量和负的温度系数参量的器件[7]。 VREF=VEB+KVT V=kT/q KVT 图2-1带隙基准电压源电路拓扑结构 使用双极型晶体管，选择适当的电路结构，可得到零温度系数的电压。电路 拓扑结构如图2-1所示8]。其中Vr=kT1q是与绝对温度成正比(Proportional To Absolute Temperature,PTA刀的电压VPTAT,具有正温度系数。PNP双极型晶体 管的射极-基极电压VEB,即PN结二极管的正偏电压是与绝对温度成互补关系 (Complementary To Absolute Temperature,CTAT刀的电压VCTAT,具有负温度系 数[9]。Vr和VEB的温度特性， ovk OT q (2.6) aV鱼_s-(4+mV-Eg/g (2.7) aT T 其中k为开尔文常数，Eg为硅的带隙能量。VB的温度系数与温度有关，因此如果 具有正温度系数的V为定值，与温度无关，带隙基准电压源的温度补偿会出现偏 差，即输出参考电压只能在一个温度点上获得零温度系数[10]。 输出电压的表达式由VE、V和V的系数项组成。V出现在双极型晶体管射 VE 极电流的表达式=1se中，经过变换，V的系数为对数项。如图2-2所示， 如果Q2与Q1尺寸大小相同，则s1=s2,得： A Ve Ven2-Vem:V;In -V,In=V Inn (2.8) 1s2 9
第二章 带隙基准电压源电路设计 9 适当的权重相加，则结果就会为零温度系数， V V α α T T 1 2 1 2 0 ∂ ∂ + = ∂ ∂ (2.5) 即总的电压VREF=α1V1+α2V2，理论上与温度无关。在半导体技术的不同器件参数 中，双极型晶体管的特性被证明是最具重复特性的，可产生明确的正的温度系数 参量和负的温度系数参量的器件[7]。 图 2-1 带隙基准电压源电路拓扑结构 使用双极型晶体管，选择适当的电路结构，可得到零温度系数的电压。电路 拓扑结构如图 2-1所示[8]。其中VT=kT/q是与绝对温度成正比(Proportional To Absolute Temperature, PTAT)的电压VPTAT，具有正温度系数。PNP双极型晶体 管的射极-基极电压VEB，即PN结二极管的正偏电压是与绝对温度成互补关系 (Complementary To Absolute Temperature, CTAT)的电压VCTAT，具有负温度系 数[9]。VT和VEB的温度特性, T k q V T ∂ = ∂ (2.6) EB T g ( ) EB V V mV E 4 /q T T ∂ −+ − ∂ ＝ (2.7) 其中k为开尔文常数，Eg为硅的带隙能量。VBE的温度系数与温度有关，因此如果 具有正温度系数的VT为定值，与温度无关，带隙基准电压源的温度补偿会出现偏 差，即输出参考电压只能在一个温度点上获得零温度系数[10]。 输出电压的表达式由VBE、VT和VT的系数项组成。VT出现在双极型晶体管射 极电流的表达式 V V I I EB T E S = e 中，经过变换，VT的系数为对数项。如图 2-2所示， 如果Q2与Q1尺寸大小相同，则IS1=IS2，得： nI I V V V V V Vn I I 0 0 EB EB2 EB1 T T T S2 S1 Δ =−= − = ln ln ln (2.8)
基准电压源和线性稳压器的设计 EB /ss 图2-2带隙基准电压源核心电路 nlo 31 Vref from△Ve=V,lnn VEB VCTAT VPTAT , from VEB Temperature(K) 图2-3典型带隙基准电压源电路的温度系数 将电压VCTAT和VPTAT进行组合，可得到温度系数很小的带隙基准电压源， 如图2-3所示1。选择适当的K值，则有V-Y+K兴=0，可以得 aT OT 到很小温度系数的参考基准电压VREF, VREF VEB +KVI (2.9) 由于工艺存在偏差，基准源实际输出的参考电压将与标称值有差异。为了 得到精确的参考电压，要对电路进行修正(Trimming)。修正的方法有硬修正 (hard-trimming)和软修正(soft-trimming[12]。硬修正使用特殊工艺调整电路元 件参数至一个合适的值，如使用激光改变电容或电阻器件的参数，使其值接近 理想值，进而得到精确的参考电压。但硬修正需要增加额外的工艺步骤，过程 复杂，费用较贵。例如对电阻进行修正，通过切割部分电阻来增大电阻值，或 通过一些连线“跳过”某些特定的电阻来减小电阻值，最终得到期望的电阻值。 在进行微调的过程中必须始终监视所微调电阻的阻值，以保证得到期望的阻值。 如果微调过程中电路加电称为动态微调，不加电则为静态微调。常用的电阻微 调技术有熔丝微调、激光调微调和齐纳二极管微调等。这些电阻微调的方法需 要额外增加很大的芯片面积，成本也会随之增加。 另一种修正为软修正。该方法使用数字控制的方式，调整电路元件参数， 10
基准电压源和线性稳压器的设计 10 图 2-2 带隙基准电压源核心电路 Δ EB T V Vn = ln 图 2-3 典型带隙基准电压源电路的温度系数 将电压 VCTAT和 VPTAT 进行组合，可得到温度系数很小的带隙基准电压源， 如图 2-3 所示[11]。选择适当的 K 值，则有 VV V K TT T REF EB T 0 ∂∂ ∂ = + = ∂∂ ∂ ，可以得 到很小温度系数的参考基准电压 VREF， V V KV REF EB T = + (2.9) 由于工艺存在偏差，基准源实际输出的参考电压将与标称值有差异。为了 得到精确的参考电压，要对电路进行修正(Trimming)。修正的方法有硬修正 (hard-trimming)和软修正(soft-trimming)[12]。硬修正使用特殊工艺调整电路元 件参数至一个合适的值，如使用激光改变电容或电阻器件的参数，使其值接近 理想值，进而得到精确的参考电压。但硬修正需要增加额外的工艺步骤，过程 复杂，费用较贵。例如对电阻进行修正，通过切割部分电阻来增大电阻值，或 通过一些连线“跳过”某些特定的电阻来减小电阻值，最终得到期望的电阻值。 在进行微调的过程中必须始终监视所微调电阻的阻值，以保证得到期望的阻值。 如果微调过程中电路加电称为动态微调，不加电则为静态微调。常用的电阻微 调技术有熔丝微调、激光调微调和齐纳二极管微调等。这些电阻微调的方法需 要额外增加很大的芯片面积，成本也会随之增加。 另一种修正为软修正。该方法使用数字控制的方式，调整电路元件参数