一种结构简单的 CMOS 带隙基准电压源设计

一种结构简单的CMOS带隙基准电压源设计

周晏1+,蒋林2+,曾泽沧3+(西安邮电学院 陕西 西安 710061)

Abstract: This paper proposes a precise CMOS bandgap voltage reference with high power supply rejection ratio (PSRR). The voltage supply is 3.3V. Using CSMC 0.5 um CMOS process, Spectre simulation shows that the average temperature coefficient is 45.53×10-6/℃ in the rage of -40~80℃. The circuit also has change small when power supply voltage changes from 2~5V. The PSRR is the -73.3dB.

Key words: bandgap; power supply rejection ratio; temperature coefficient

摘 要: 本文提出了一种结构简单高电源抑制比的CMOS带隙基准电压源,供电电源3.3V。采用CSMC 0.5um CMOS工艺。Spectre仿真结果表明,基准输出电压在温度为-40~+80℃时,温度系数为45.53×10-6/℃,输出电压在电源电压为2~5V范围内变化小。电源抑制比达到-73.3dB。关键词: 带隙基准;电源抑制比;温度系数

文献标识码: A 中图法分类号: TN432

1 引言

随着集成电路工艺和设计水平的发展,在模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)等混合信号集成电路设计中,高性能的电压基准源设计已成为关键技术之一 [1]。带隙基准源具有以下优点:与标准CMOS工艺完全兼容,可以工作于低电源电压下,温度漂移、噪声和PSRR等性能能够满足大部分系统的要求[4]。本文基于传统带隙电压基准源原理,采用电流反馈、一级温度补偿等技术,并在电路中加入了启动电路,完成了一个高精度的带隙基准电压源的前端设计。所设计电路在CSMC 0. 5um CMOS工艺条件下进行了模拟和仿真。仿真结果表明,基准输出电压在温度为-40~80℃时,温度系数为45.53×10-6/℃,在电源电压为2~5V内,电源抑制高达-73.3dB。

2 CMOS带隙基准电压源电路结构

所设计Bandgap主要由启动电路,基准核心电路,输出反馈电路构成,以下分别予以讨论。

* Received 2007-03, Accepted 2008-03.

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输出反馈电路启动电路

图1 CMOS 带隙电压基准源电路

2.1 启动电路

为了使电路可以稳定工作,需要一个启动电路来使电路摆脱每个管子都关断的零工作状态。在图1中,当电路处于零工作状态时,M 5 、M 6导通,在电源电压作用下,使M 9、M 8组成的反向器导通,从而使M 10开启,使电路回到正常的工作状态;电路正常工作以后,由于M 4管子W/L 大于M 1、M 2、M 3,因此其跨导大,留过的电流大,从而使M 7导通,将M 10的栅极电压拉高关闭启动电路,进而使整个电路都处于导通状态,完成整个电路的启动工作。

2.2 基准核心电路

基于一次温度补偿技术,基准核心电路中, 晶体管Q 1、Q 2为使用标准CMOS 工艺制造的NPN 纵向三极管(BJT)。Q 2和Q 1的发射极面积的比为N=8,流过Q 1和Q 2的电流相等12I =I ,由于BE1T S I V V ln(

)I ≈,B E 2T S I V Vln ()N I ≈,其中I S 饱和电流。

所以 BE BE1BE2T 214V =V -V =V ln(N)=I R ? (1) 由(1)式可得: 14

21)ln( I I I R N V T === (2) 2ref1BE2214122BE2T 14

2R V =V +I R +(I +I )R =V +(1+)V lnN R (3)

在CSMC 工艺库下,-17S I =5.3210A ×, 1.16Ev E g =,14R =1k , 4.814

2=R R 。在室温下,mV/K 0.087T V T =??,可得:B E 2T S

I V = Vln()665m V N I ≈ 由T q /E V )m 4(V T V g T 2BE BE ?+?=??可得[4] ,其中3m=-2

。 得

mV/K. 10-1.87T V 3-BE ×≈?? (4) 由式(3)、式(4)可得:

0)8.421(8ln 0.08710.871V ln )21(T V V 3-T 142BE ref1≈×+××+×?=??++??=??T

N R R T 然而: ref1BE2214122V =V +I R +(I +I )R =1.2501V

综上,本文中选择N=8,214

R 4.8R =,使得10ref V T ?≈?,ref1V =1.2501V 。 设计中集电极采用带有源电流镜的差分对电路,这是一种与电源电压无关的结构。该电路与双极晶体管Q 1和Q 2结合得到与绝对温度成正比的偏置电流。假设M 11的源极所带负载为R a ,R a 减小了M 11上流过的电流,因此有:

GS12GS112a V =V +I R

a OUT TH11N OX n OUT TH12N

OX n OUT R I V )L /W (K C 2I V )L /W (C 2I ++=+μμ (5) 忽略体效应,我们有:

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OUT S I R = (6) 从而得到22a N OX N OUT 2)K

11(R )L /W (C 2I I ?==μ,它与电源电压无关,但仍是工艺,温度的函数。

2.3 输出反馈电路

该基准提供了V ref1,V ref2的两个输出,V ref1是与电源电压,温度,工艺无关的带隙基准电压输出,为其他电路提供一个稳定的电压偏置。M 0

相当于一个源极跟随器,M 12,M 13作为负载,选择适当的W/L 使得V ref1输出稳定。同时,流过M 0的饱和电流中一部分反馈给双极晶体管的基极,作为正确的电流偏置。V ref2则是用于镜像复制电流,对温度,电源电压变化要求不高。

3 电路模拟和仿真结果

基于0.5 um CSMC 工艺模型,用Cadence 的Spectre 仿真工具对该带隙基准电压源电路进行了温度扫描和电源抑制比的模拟仿真。温度范围为-40℃~80℃,电源电压范围为2V ~5V 。在0.5 um CSMC 工艺tt/restypical/captypical/biptypical 模型下的仿真所得结果为:温度系数可达45.53

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×10-6/℃。

图2 带隙基准的瞬态响应 图3

基准电压V ref1的温度特性曲线

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图4 V ref1随电源电压变化曲线 图5 V ref1交流PSRR 变化曲线

由图3仿真结果表明:在-40~80℃范围内,带隙基准电压源输出电压的温度系数γTC = | (1/ V REF1 ) (ΔV REF /ΔT) | =45.53×10-6/℃。

由图4可以看出,基准电压Vref1在3.3V-3.6V 之间随电源电压变化很小,当电源电压大于3.6V ,基准电压V ref1基本保持在1.25V 左右。

由图5可以看出,低频时输出V ref1电源抑制比最低可达-73.3dB ,在100 Hz 内PSRR < -72dB ,之后逐渐下降,显示了电路在低频下具有良好的电

源抑制能力,高频下也有接近-59dB的电源抑制能力。

4 结束语

本文设计了一个带隙基准电压源。经仿真分析表明,温度系数低,高电源抑制比,易于实现等特点适应现代集成电路的发展趋势。

本文创新点:提出了一种采用了一个PMOS电流源做调整管,简单的差分放大电路,产生与绝对温度成正比电流的结构的带隙基准电压源。

5 参考文献

[1] 杨卫丽,汪西川,邓霜.一种低功耗差动CMOS带隙基准源,微计算机信息[J].2005,7:页120-121。

[2] 幸新鹏,李冬梅,王志华.CMOS带隙基准源研究现状[J].微电子学,2008,2:第38卷第1期。

[3] 冯勇建,胡洪平.一种低功耗CMOS 带隙基准电压源的实现[J].微电子学,2007,4:第37卷第2期。

[4] 江志伟,谢憬.几种新颖的高精度带隙基准源二次补偿方法[J].现代电子技术,2007,第一期总第240期。

[5] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M] .西安:西安交通大学出版社,2003。

项目经济效益(60万元)

作者简介:周晏(1984.8),男(汉族),陕西,西安邮电学院,硕士,研究方向为VLSI设计与计算机辅助设计。

Biography:Zhou,yan(1984.8), male(Han),shaanxi,xi’an institute of posts and telecommunications,master.Research field: VLSI design and computer-aided design.

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