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1、第26卷第10期半导体学报Vol.26No.102005年10月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSOct.,20053低压低功耗CMOS带隙电压基准及启动电路设计许长喜(南开大学微电子科学系,天津300071)摘要:介绍了一种低压电流模带隙电压基准电路,并提出了一种新颖的启动电路结构.电路采用预先设置电路工作点和反馈控制相结合的方法有效地克服了第三简并点的问题,从而保证电路能够正常工作.文中给出详细的分析和电路实现,并给出了一种电路简并点和启动裕度分析的SPICE仿真方法.电路采用0
2、125μmCMOS工艺设计并流片.最后对电路的测试结果进行了比较和分析.关键词:低压低功耗;带隙电压基准;启动电路;SPICE仿真EEACC:2570D;1280中图分类号:TN402文献标识码:A文章编号:025324177(2005)1022022206用0125μmCMOS工艺进行设计并流片,测试结果1引言表明在0～100℃的温度范围内,电路能够可靠工作并提供14ppm/K,01987V的电压输出.带隙基准可以在温度及电源电压变化环境中提供稳定的参考电压,因此广泛应用于各种模拟集成2电流模带隙基准原理电
3、路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片[1](SOC)中,其精度直接决定了整个系统的精度.随带隙基准的基本原理是利用pn结电压的负着集成电路工业的发展,SOC将成为今后集成电路温度系数和不同电流密度下两个pn结电压差的正设计的主流,而数字CMOS工艺在VLSI制造中占温度系数相互补偿,从而得到温度漂移很低的输出有绝对主导地位,因此,设计与标准数字CMOS工电压.理论证明,这个输出电压值约等于硅的带隙电艺兼容的高精度带隙基准电压源知识产权模块(IP)压,所以这种电路被称为带隙基准电压源.具有重要意义.带隙基准有
4、许多重要的性能参数,如传统带隙基准电路只能产生1125V左右的带对温度的依赖性、基准值的精确性、电路的功耗、噪隙基准电压,这限定了电路在低压下的应用.为了在声等.另外,由于带隙基准电路存在多个简并点,电低压下得到稳定的电压参考源,必须对传统的带隙路的启动问题也值得仔细考虑.电压基准源电路进行改进或者提出新的结构.1999本文设计了一种应用于便携式音频电路的低压年,Banba等提出了一种适合低压工作的电流模结[2][3～6]低功耗电流模带隙基准电路.分析总结了与电路启构电路,并在最近几年取得了很大的进展.动相关
5、的因素,提出了一种新颖的电路结构以克服图1是电流模式带隙基准电路的原理图.Qa和在电流模式下带隙基准电路潜在的第三简并点问Qb发射结面积比为1∶N.Qa,Qb,Rbe,Ra,Rb,题.电路预先设置了正常工作点,通过监测核心电路Mpu1,Mpu2和运放组成了核心电路.内部节点电压来反馈控制启动的过程,从而保证电假定Mpu1,Mpu2和Mpu3是相同的,且Ra=路能够可靠地工作.同时本文给出了一种SPICE的Rb,而运放的深度负反馈作用迫使Va=Vb=VBEb.仿真方法来分析电路的简并点和启动裕度.电路采Mpu1
6、,Mpu2和Mpu3的栅极电压同时受运放的输3天津市重点攻关基金资助项目(批准号:033187111)许长喜男,1978年出生,博士研究生,研究方向主要为音频ADC/DAC、混合信号以低压低功耗模拟集成电路设计.Email:xuchangxi@mail.nankai.edu.cn2005203203收到,200520426定稿n2005中国电子学会第10期许长喜:低压低功耗CMOS带隙电压基准及启动电路设计2023出控制,因此Ia=Ib=Ic,由图1可以得到,Ia1=Ib1,有第三种状态才能稳定的存在,但是由
7、于漏电流的Ia2=Ib2存在而使第一种和第二种状态都有稳定存在的可[3,7]ΔVBE=VBEb-VBEa=(kT/q)lnN(1)能.ΔVBEbVBEb传统带隙基准核心电路的两臂只各存在一个电Ic=Ia=Ia1+Ia2=+(2)RbeRa流通路,因而可以很容易确定两个简并点的位置[3].Vref=IcRref(3)只要在一段时间内,给三极管电路一个小小的启动联立(1)～(3)式,可以求得输出的电压为:电流,电路就会向着正常工作的工作点逼近并最终Vref=Rref(Ra×kTlnN+VBEb)(4)稳定工作.但
8、在电流模的结构中,如图1所示,两个RaRbeq并联电阻Ra和Rb引入了额外的电流通路,当考虑运放的失调误差Vos,最终的输出电压为:Mpu1和Mpu2的漏极电位很低,不足以开启BC短RrefRakTVref=[(lnN-VOS)+VBEb](5)接的三极管时,Ra和Rb的存在也能为电路提供电RaRbeq流通路而允许电路存在第三个简并点;或者即使电其中(4)式中第二项为传统结构带隙基准电压表达路能够正
