带隙基准源电路与版图设计.

2.2 基准电压源的温度特性 2.2.1 负温度系数项VBE

由于Pn结二极管的正向电压具有负温度系数，因此双极晶体管的基极--发射极电压具有负温度系数。对一个双极型器件有IC?ISexp（VBE/VT)，其中VT?kT/q，饱和电流IS正比于?kTni2，其中?为少数载流子的迁移率，ni为硅的本征载流子浓度。这些参数与温度的关系可以表示为?∝?0Tm，其中m≈-3/2，并且ni2∝

T3exp[?Eg/kT],其中Eg≈1.12 eV，为硅的带隙能量。所以

?ICVbe?VTln??I?S????IS?bT4?m??Eg??exp?(2-1) ? ?kT???Vbe?VT?IC?VT?IS??ifIC?constant??ln?? (2-2) ???T?T?IS?IS?TV?IC?VTEg????Tln??4?m?2VTm??3/2??TITkT (2-3) ?S?Vbe??4?m?VT?Eg/q (2-4) ?T

Vbe?750mVT?300?K??Vbe??1.5mV/?K?T (2-5)

2.2.2 正温度系数电压

在1964年人们认识到，如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比。例如，如图2.1所示，如果两个同样的晶体管(IS1?IS2)偏置的集电极电流分别为nI0和I0并忽略它们的基极电流，那么

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图2.1 PTAT电压产生电路[1] ?Vbe?Vbe1?Vbe2 (2-6)

?nIo??Io?kT (2-7) ????VTln??VlnV??I?T?I?Tq?s1??s2? （2-8）

?VTlnn

?Vbek?lnn 具有正温度系数 ?Tq2.3 基本原理

2.3.1 与温度无关的电路

利用上而得到的正、负温度系数的电压，我们现在可以设计出一个令人满意的

Vref??1Vbe??2VTlnn，这里VTlnn是两个工作在不同零温度系数的基准。我们有

电流密度下的双极晶体管的基极—发射极电压的差值。因为在室温下，

(2-9)

?VBE?V??1.5mV/K,T??0.087mV/K ?T?T

所以我们可以令?1=1，选择?2lnn使得（?2lnn）（0.087mV/K）=1.5mV/K，也就是?2lnn≈17.2，表明零温度系数的基准为

(2-10) Vref??1Vbe??2VTlnn?Vbe?17.2VT?1.25V8

2.3.2.与电源无关的偏置电路

如图2.2(a)所示，若电流IREF不随电源电压VDD变化，而且将M2和M3的沟道长度效应忽略不计，电流ID2和ID3的大小就保持与电源电压无关。

图2.2 电流镜偏置使用[1] （a) 理想电流源 （b）电阻

将电阻作为近似电流源接在电源电压VDD和M1栅极之间，如图2.3(b)所示，该电路输出电流与电源电压关系如为：

?VDD(W/L)2?IOUT?R1?1/gm1(W/L)1 （2-11)

想要得到对VDD不敏感的电路，该电路必须由自己偏置。图2.4所示电路中，

M3和M4复制了IOUT，由此确定了IREF.选择一定尺寸的MOS管尺寸，忽略沟道调制效应时，有IOUT?IREF. 由于每个二极管方式连接的器件都是被一个电流源驱动的，因此IREF和IOUT都与VDD无关。

2.4 基准电压源电路设计 2.4.1 基本原理

产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。与温度关系很小的基准电压或基准电流在许多模拟电路中被证实是必不可少的。值得注意的是，因为大多数工艺参数是随着温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。如何产生一个对温度变化保持恒定的量呢?如果将两个具有相反温度系数的量以适当的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。带隙基准源的原理就是使负温度系数和正温度系数相互抵消来达到温度补偿的目的。其基本原理如图1所示：其中VBE具有负温度系

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数，而VT具有正温度系数，将VBE和VT按一定比例系数求和，即可得到零温度系数的基准输出VREF。

图2.3 带隙基准的基本原理图

2.4.2 运放的设计

本文引入一种采用带隙（Bandgap）结构的电压基准，即利用带隙基准源电路产生一个可调负温度系数的电压，它和一负温度系数的电阻比值可获得零温度系数的电流。其原理框图如图2.4所示，为V-I变换电路框图，其原理简单，可求出通过电阻R的电流为:I = V/R = V ref/R。即获得基准电流。从而在此基础上添加电阻，稍微修改可获得可调输出基准电压。由于Vref为带隙基准电路产生的基准电压，故具有良好的电源抑制能力。相对于典型电流基准中热电压VT固定的温度系数，Vref具有可调的负温度系数。只要Vref的负温度系数设置得当，充分抵消工艺中给定的电阻负温度系数，即可得到性能良好的电流基准，从而得到需要的基准电压。

图2.4 电压基准设计框图

运算放大器根据其中级联放大单元的数目，可以分成单级、两级和多级运放三

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类。单级运放结构相对简单，但增益较低;两级运放能实现较高的性能，稳定性较好，得到了广泛应用，但是速度、频率特性方面一般比一级运放要差一些;三级以上的运放称为多级运放，它们能实现更高的增益，但需要复杂的补偿电路来保证运放的稳定性。全差分运放是指输入和输出都是差分信号的运放，它同普通的单端输出运放相比有以下几个优点:更低的噪声;较大的输出电压摆幅;共模噪声得到较好抑制;较好地抑制谐波失真的偶数阶项等。所以高性能的运放多采用全差分形式。

图2.5中列出了三种常用的全差分运放：直接套筒式共源共栅运放、折叠共源共栅运放和简单两级全差分运放。

直接套筒式共源共栅结构单极运放的增益高，输出电阻高，功耗低，而且由于是单极结构，其频率特性较好。它的缺点是输出电压摆幅小。为了减小直接套筒式共源共栅结构对运放输出摆幅的限制，可以采用折叠共源共栅结构。折叠结构与直接套筒式结构相比，功耗要略大一些，增益也有所降低，但是它的输出电压摆幅远大于前者，缓解了增益、电源电压与输出摆幅之间的矛盾。因此折叠共源共栅是一种广泛应用的运放结构。两级运放在增益和输出电压摆幅方面都可以达到较高值，但由于有两级电路，所以频率特性不如单极运放(带宽小、速度受限)，且功耗相对大些。本设计中采用简单两级全差分运放。

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