复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准.ppt
带隙基准,改进的电流源与电源无关的偏置带隙基准正温度系数负温度系数PTAT电流源的产生实例分析,改进的电流源,问题的提出：,对简单的电流镜电路，考虑沟道长度调制效应后，引入了电流的复制误差。误差由有限的输出阻抗决定。,方法：提高输出阻抗。,例：,改进的电流源,带源极电阻的电流镜,考虑衬偏效应：,例：,改进的电流源,共源共栅电流镜,令：,因为衬偏效应相同，则：设计：,输出阻抗增加：,改进的电流源,相同的摆幅问题：,例：,改进的电流源,威尔逊电流源：,通过反馈使输出阻抗增加,改进的电流源,利用增益提升技术：,例：,mirror A(Sackinger 1990),改进的电流源,mirror B(Martin 1994),改进的电流源,大摆幅电流源：,若M3和M2在饱和区，则,取：,近似地：,例如，取,显然，摆幅可以增加。,改进的电流源,注意M5的栅极偏置电压：,同时：,是可以保证的,上述偏置使M2和M3处在饱和与线性区的边缘,若：,则，M5栅极电压足够使M3和M2处在饱和与区,若：,使,可保证M3和M2处在饱和区。,另外：M1和M4 比M2和M3的漏源电压大。设计的沟道长度大,偏置电路,简单的偏置电路和Vdd相关连：,以第一幅图为例：,偏置电路,偏置稳定的思路：使Iout反馈至Iref。若Iout和VDD无关，则，,Iref和VDD无关。,如图，采用威尔逊电流源电流满足：,电流是任意的，必须加入约束,偏置电路,电流和电源无关，和电阻有关。当沟道长度效应很小时，电流和电源的依赖性很小。电路有另一个稳定点：必须加启动电路。电路在上电时，启动电路驱动偏置电路摆脱“简并”偏置点,如图：M3-M5-M2-Rs提供了一条电源到地的通路，使M2和M3工作。,M2和M3导通后，,M5被关断，不影响偏置电路的正常工作,偏置电路,例：分析启动电路,上电时，M5、M6 off,M5 on 导致电路脱离简并点。M6 导通使X点的电压下降，最终使M5关断。,分析关键点：使M5 off,在复杂的电路中，可能有多个简并点，需要仔细分析。,偏置电路,和大摆幅电流镜结合，可以有效减小由于有限输出阻抗引起的误差，同时不影响信号的摆幅。提供共源共栅电路的偏置,偏置电路,Q1Q4 是共源共栅NMOS电流镜，Q5提供二极管偏置。,Q6Q9 是共源共栅PMOS电流镜，Q14提供二极管偏置。Q5的电流由共源共栅偏置回路Q10、Q11提供，同样，Q14的电流由共源共栅偏置回路Q12、Q13提供。,启动电路 Q15-Q18：,bias loop off,Ii=0,Q17 off,Q18 on VG5=VG6,Q15,Q16 ON Q6Q9 ONQ10-Q11 ONQ5 ON Q1-Q4 ONWhen bias loop on,Q17 ON VG5=VG6,Q15,Q16 OFF,电路中的回路：偏置正反馈回路、启动回路、二个偏置（共源共栅）回路,带隙基准,概念：与温度无关的电压或电流基准电路 因为大多数参数（工艺参数）和温度有关。因此，和温度无关，即和工艺无关。,思路：将两个具有正温度系数和负温度系数的量加权相加，则，得到的量显示零温度系数。负温度系数：PN结二极管的基极-发射极正向电压，具有负温度系数。正温度系数：不同电流密度下的二个PN结二极管的基极-发射极正向电压之差，具有正温度系数。带隙基准：实现上述二者的加权相加。,带隙基准,负温度系数,当,带隙基准,正温度系数,Q1、Q2相同：,具有正温度系数。通过调节Q1、Q2面积改变电流密度,带隙基准,带隙基准令：,带隙基准,带隙基准电路,流过Q1、Q2的电流相等。但Q2的面积大，因此电流密度小,零温度系数时，,可选择，,设计时，必须考虑PNP晶体管的匹配性，例如，选择n=8,带隙基准,Ic随温度的变化（在具体电路中，可求Ic的表达式）,和原公式相比，多了一项,绝对值比 略小,设计时精确地模拟，设计温度比室温高，例如：,带隙基准,与CMOS工艺的兼容性,在CMOS工艺中，PMOS晶体管容易实现。如图是N阱中的PMOS纵向管一般情况下，PMOS晶体管采用N阱中的横向管，版图结构如下：,带隙基准,运算放大器的失调,考虑运放的失调电压Vos，则，x和y结点的电压有偏差。若假设：,Vos对输出电压的影响：失调被放大了，输出电压的偏差大。减小失配的方法：运放采用大尺寸器件、提高电流密度比n。,因为失调电压是任意的，和温度、跨导、阈值电压之差有关，因此，温度系数不再等于零。,串接晶体管以降低失调的贡献：提高了,带隙基准,如图是上述电路在CMOS工艺中的实现,在CMOS工艺中横向管集电极必须为地,带隙基准,反馈特性,对于B和C短接的PNP晶体管,对于电路中的负反馈回路，反馈系数,对于电路中的正反馈回路，反馈系数为,为确保电路总是负反馈，要求,一般取 使电路在有大电容负载时的瞬态响应良好。,带隙基准,启动电路,若x、y点的初始电压为零，运放的输入差分对被关断。电路必须有启动电路。,电源调制,运放的电源抑制比在高频时变得很差。如电源电压受到高频信号的干扰，则基准电路输入不稳定。因此，常用电源调制技术得到干净的电源。,曲率校正,基准电压只在一特定温度下，温度系数为零，随温度变化表现为一条曲线。曲率校正技术使基准电压随温度变化降低。但CMOS工艺中的失调和工艺偏差不确定，很难采用曲率校正技术。,PTAT电流源的产生,在带隙电路中，偏置电流和绝对温度成正比。因为：,对如图的带隙电路，若PMOS匹配,加上电阻R2和晶体管Q3，可得到和温度无关的电压。,得到零温度系数,PTAT电流源的产生,利用威尔逊电流源代替运放实现负反馈：,要求,同样有：,误差来自于晶体管之间的不匹配，和电阻的温度系数,恒定Gm偏置,利用威尔逊电流源得到和温度、工艺和电源电压无关的跨导,精度决定于电阻的精度。,若电阻的温度系数已知，则可以利用带隙基准和PTAT基准来消除电阻对温度的相关性。但是，电阻随工艺变 化大。利用精确时钟得到平均电阻可精确控制、温度系数小。,速度与噪声问题,外部电路通过串扰对基准产生影响。,例如，N点电平改变通过寄生电容可能影响P点的电平。,因为，对N点电平的快速变化，运算放大器无法保持P点的电平固定不变。方法1：利用高速运放，缺点是功耗大，对不同的应用需要不同的运放。方法2：用大电容退耦问题：稳定性、补偿不够时运放速率下降,速度与噪声问题,基准的输出噪声会降低低噪声电路的性能。例如,高精度模数转换器利用基准电压与输入信号进行比较。显然，基准的噪声直接加到了模数转换器的输出端,计算基准的噪声：Vn,op是运放的输入噪声,实例分析,简化核心电路,采用两个串联的BE结电压以减小MOS晶体管的失配影响。,采用了威尔逊电流源实现负反馈，代替了运算放大器。,威尔逊电流源中MOS晶体管的沟道长度调制会导致显著的 电源依赖性。,实例分析,采用共源共栅结构可以进一步降低沟道长度调制的影响。,自偏置共源共栅结构：引入电阻R2和R3，产生适当的偏置。,实例分析,利用基准核心电路设计浮动基准,若M9=M11,M9的电流流过R4，产生：,若M10=M2,M10的电流流过R5，产生：,适当选择电阻值和n，可得零温度系数,实例分析,电源调制技术,思路：产生一个局部的电源电压VDDL，它由参考电压VR1和电阻Rr1、Rr2之比决定，因此和全局电源电压相对无关。,局部的电源电压VDDL用于基准电压，可减少其输出噪声。参考电压VR1在核心基准电路中产生，减小参考电压对电源电压的依赖性。,实例分析,带隙发生器的总体电路,电源电压5V，输出2V，功耗2.2mW，PSRR(低频)=94dB(100k)=58dB,
