基于鍺硅 BiCMOS 工藝的射頻帶隙基準(zhǔn)電流源設(shè)計(jì)

孫楷添，丁星火，張甘英

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 58 研究所，江蘇 無錫 214072；2.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，西安 710071）

基于鍺硅 BiCMOS 工藝的射頻帶隙基準(zhǔn)電流源設(shè)計(jì)

孫楷添1，丁星火2，張甘英1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 58 研究所，江蘇 無錫 214072；2.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，西安 710071）

射頻電路偏置電流源對(duì)噪聲的要求越來越高，引進(jìn)的噪聲不容忽視，帶隙基準(zhǔn)源在保證溫漂系數(shù)的同時(shí)要求有較低的噪聲。設(shè)計(jì)了一款不采用運(yùn)放結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的射頻帶隙基準(zhǔn)源電路，電源電壓3.3 V，基準(zhǔn)電壓 VREF為 3.14 V，采用 PNP 雙極管和電阻，利用緩沖器負(fù)載實(shí)現(xiàn)輸出 DC 點(diǎn)和輸出擺幅不變，改善了溫度系數(shù)并且降低了噪聲?；?0.18 μm SiGeBiCMOS 工藝的仿真結(jié)果表明，在-55～125 ℃溫度范圍內(nèi)，溫漂系數(shù)為 9.613×10-6/℃；7.5 GHz 頻率下，100 kHz 處噪聲為 6.164 nV/sqrt(Hz)，總輸出噪聲低至 2.08×10-6V。

鍺硅工藝；射頻；帶隙基準(zhǔn)；溫漂系數(shù)；噪聲

1 引言

本文基于 0.18 μm SiGeBiCMOS 工藝，設(shè)計(jì)了一款可用于射頻電路的帶隙基準(zhǔn)電流源電路，將倍增電路和微電流源電路相結(jié)合，一階結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)電壓溫漂系數(shù)接近二階，能夠輸出恒定的電流，電流通過鏡像電路輸出到緩沖器負(fù)載的偏置電流源的基極，緩沖器負(fù)載輸出 DC點(diǎn)和擺幅不變，安全可靠。

2 常見的帶隙基準(zhǔn)電路

BJT(雙極晶體管)的 VBE電壓隨溫度的升高而降低（CTAT），而兩個(gè)在不同電流密度下工作的雙極晶體管的 ΔVBE隨溫度的升高而升高（PTAT），把這兩個(gè)電壓按一定比例疊加，得到的基準(zhǔn)電壓就幾乎與溫度系數(shù)無關(guān)[2]。我們假設(shè)電壓 V1呈正溫系數(shù)，電壓 V2呈負(fù)溫系數(shù)，只要滿足下面的關(guān)系式：

這樣可以得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓：

在式（2）中，α、β 均為常數(shù)。

典型帶隙基準(zhǔn)電流源電路的結(jié)構(gòu)如圖1[2]所示。

圖2 整體電路架構(gòu)

圖1 典型帶隙基準(zhǔn)電流源電路圖

由圖1可知，帶隙基準(zhǔn)源包含三個(gè)部分：?jiǎn)?dòng)電路、電流偏置電路和帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。假設(shè) P2、P8、N4、N1 的寬長(zhǎng)比是 P3、P7、N3、N2 的 K 倍，Q3 由n個(gè)Q2并聯(lián)而成，忽略晶體管的體效應(yīng)。若流過N2的電流為 IREF，則流過 N1 的電流為 KIREF，可以得出：

由式（3）可知，電流偏置電路的 IREF大小與閾值電壓、三極管并聯(lián)的個(gè)數(shù)、電阻 R2值和溫度有關(guān)，與電源電壓無關(guān)，進(jìn)而得出輸出基準(zhǔn)電壓 VREF為：

只要調(diào)節(jié) R1和 R2的大小就可得到一個(gè)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓，該種結(jié)構(gòu)溫漂系數(shù)大約在幾十×10-6/℃左右，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，寄生效應(yīng)大，輸出端無法與緩沖器負(fù)載進(jìn)行匹配，無法保證輸出信號(hào)的DC點(diǎn)和擺幅不變，很難滿足射頻電路的需求。

通過求解非定常不可壓縮RANS方程，對(duì)上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的空泡水筒流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究空泡水筒不同位置處的流場(chǎng)特性，重點(diǎn)分析工作段內(nèi)的流場(chǎng)分布，得到以下結(jié)論：

3 鍺硅 BiCMOS 工藝下帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)

本 論文 提出 的 帶 隙 基 準(zhǔn) 源 采 用 0.18 μm SiGe BiCMOS 工藝，工作頻率高達(dá) 7.5 GHz，經(jīng)過工藝論證，選擇工藝截止頻率為 68 GHz的高性能縱向 PNP雙極管進(jìn)行電路搭建，電路架構(gòu)如圖2所示。

圖3 雙極工藝帶隙基準(zhǔn)電流源電路圖

帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)包括自啟動(dòng)電路和帶隙基準(zhǔn)電路，具體電路[4]如圖3 所示，電源上電后自啟動(dòng)電路啟動(dòng)，對(duì)帶隙基準(zhǔn)電路充電，電壓穩(wěn)定后自啟動(dòng)電路關(guān)斷，帶隙基準(zhǔn)電路工作，電阻上產(chǎn)生與溫度無關(guān)的壓降，輸出兩路電流。本次設(shè)計(jì)中，輸出電流為 260 μA，通過緩沖器負(fù)載電路控制輸出電壓的大小和擺幅，為下級(jí)電路供電。

左邊為自啟動(dòng)電路，電阻 R4阻值較大，起限流作用，Q8、Q9 和 Q10 采用二極管接法，開始上電時(shí)，D 點(diǎn)電壓為點(diǎn)電壓為 0，Q8 導(dǎo)通；經(jīng)過一段時(shí)間后，C 點(diǎn)電壓升高，M 點(diǎn)電壓升高為對(duì)晶體管尺寸以及電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)，使C點(diǎn)電壓大于D點(diǎn)電壓，Q8 關(guān)斷，帶隙基準(zhǔn)電路啟動(dòng)。

啟動(dòng)導(dǎo)通后，晶體管Q3取代運(yùn)放來維持B點(diǎn)電

整體電路包括自啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電路和緩沖器負(fù)載輸出電路，上電后自啟動(dòng)電路能對(duì)基準(zhǔn)電路充電，在基準(zhǔn)電路內(nèi)的電壓穩(wěn)定后，自啟動(dòng)電路關(guān)斷，且基準(zhǔn)電路能產(chǎn)生與溫度無關(guān)的輸出電流 Iref，緩沖器負(fù)載輸出電路根據(jù)輸出電流 Iref輸出 DC 點(diǎn)和擺幅穩(wěn)定的差分信號(hào)。

在工藝角 tt時(shí)，對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的輸出噪聲進(jìn)行仿真分析，電源電壓 3.3 V、頻率 7.5 GHz、溫度 25 ℃時(shí)，仿真結(jié)果見圖6，100 kHz 處噪聲為 6.164 nV/sqrt(Hz)。壓恒定，避免交越失真，電流鏡產(chǎn)生相同的電流，其中Q3基極電流可以忽略，流過Q1的電流等于流過Q3和 Q2之和，有：

根據(jù)工藝參數(shù)文件，確定比例參數(shù)使正負(fù)溫度系數(shù)近似相互抵消，VR成為了一個(gè)和溫度近似無關(guān)的電壓值，可得在電阻R上的壓降為：

帶隙基準(zhǔn)輸出電壓為A點(diǎn)電壓，A點(diǎn)電壓穩(wěn)定，通過 Q6 的輸出電流穩(wěn)定，為了降低噪聲，Q6 和 Q7 的集電極面積相對(duì)大一些。電路輸出兩路電流，可以按比例調(diào)整晶體管 Q6 和 Q7 尺寸以及 R 和 R3大小，調(diào)整輸出基準(zhǔn)電壓和電流的大小，也可以增加輸出支路實(shí)現(xiàn)多路基準(zhǔn)電流輸出。

輸出電流通過鏡像電路連接到緩沖器負(fù)載電流源的基極，驅(qū)動(dòng)緩沖器負(fù)載。緩沖器負(fù)載原理圖見圖4，為了保證匹配性，電流源中電阻和緩沖器負(fù)載電阻采用同種類型單元電阻，根據(jù)電路需求進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)取值。假設(shè)輸出 IREF1通過鏡像驅(qū)動(dòng)緩沖器，緩沖器負(fù)載的偏置電流為 ITAIL，負(fù)載輸出的 DC 電壓為：

擺幅為：

由于 ITAIL∝IREF1，另外 RL和 R 使用同類型的電阻，不同 Corner下 RL和 R 的比值為一個(gè)常數(shù)，所以

可見，緩沖器負(fù)載輸 出的 DC 點(diǎn) Vout,DC和擺幅 VSW是與 VR成比例的，又由于 VR是一個(gè)和溫度近似無關(guān)的電壓值，所以這種偏置結(jié)構(gòu)可以使緩沖器負(fù)載在不同溫度下的DC點(diǎn)和輸出擺幅保持近似不變。

圖4 電阻負(fù)載緩沖器原理圖

本文中，電阻阻值相對(duì)較小，小電阻得到了小電流，ITAIL為 4 mA，經(jīng)過仿真，-55～125 ℃溫度范圍內(nèi)，DC 穩(wěn)定在 3.125～3.129 V，呈線性變化，差分輸出擺幅最大為 0.406 V，最小為 0.403 V，這是其他簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)做不到的。

4 帶隙基準(zhǔn)電流源的溫漂系數(shù)與噪聲

在典型條件下仿真分析帶隙基準(zhǔn)電流源的溫度特性，基準(zhǔn)電壓為 A 點(diǎn)電壓，仿真條件設(shè)置為：工藝角tt，電源電壓 VCC為 3.3 V，在-55～125 ℃溫度范圍內(nèi)掃描直流特性，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 DC溫度掃描結(jié)果

由圖5 可看出，25℃時(shí)，基準(zhǔn)電壓 VREF為 3.14375V；-55 ℃時(shí)，基準(zhǔn)電壓 VREF為 3.14752 V；125 ℃時(shí)，基準(zhǔn)電壓 VREF為 3.14208 V。基準(zhǔn)電壓曲線整體呈線性，輸出電流穩(wěn)定在 259 μA，通過計(jì)算，基準(zhǔn)電壓溫漂系數(shù)為：

圖6 noise 分析仿真結(jié)果

對(duì)噪聲進(jìn)行分析，可以看出帶隙基準(zhǔn)電流源的噪聲主要由電阻熱噪聲（rn）構(gòu)成的，熱噪聲來源于導(dǎo)體內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)，與溫度成正比，主要取決于實(shí)際工藝[6]，總輸出噪聲為 2.08×10-6V。

5 結(jié)論

輸出噪聲低至 2.08×10-6V，能夠滿足射頻電路的穩(wěn)定性能和精度要求。

[1]R JACOB BAKER.CMOS Circuit Design Layout and Simulation[M].3rdEdition,2010:135.

[2]喻樂賢.帶調(diào)光功能的 LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) [D].西安：西安電子科技大學(xué),2016:4.

[3]孫楷添.高速 SerDes 芯片中鎖相環(huán)電路的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2016:4.

[4]Paul R Gray.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M].5thEdition:310-311.

[5]Thomas H Lee.CMOS 射頻集成電路設(shè)計(jì)[M].余志平，周潤(rùn)德，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2014:242-245.

[6]何樂年.模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：科學(xué)出版社，2008:229-230.

針對(duì)射頻電路中偏置電流源對(duì)帶隙基準(zhǔn)的特殊要求，基于 0.18 μm SiGeBiCMOS 工藝，設(shè)計(jì)了一款帶隙基準(zhǔn)電流源電路，將倍增電路和微電流源電路相結(jié)合設(shè)計(jì)，互補(bǔ)輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效地降低噪聲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)近似二階結(jié)構(gòu)的溫漂系數(shù)[5]。

支路電流輸出大小可控，溫漂系數(shù)低、噪聲小，通過仿真驗(yàn)證，電源電壓 3.3 V，tt工藝角下，溫漂系數(shù)為9.613×10-6/℃，100 kHz 處噪聲為 6.164 nV/sqrt(Hz)，總

A Design of SiGeBiCMOS Bandgap Current Reference for Radio-Frequency Circuit

SUN Kaitian1,DING Xinghuo2,ZHANG Ganying1
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China；2.School of Microelectronic,Xidian University,Xi’an 710071,China）

Radio-frequency integrated circuits need low noise.The noise incurred is drawing more and more attention.The bandgap reference requires low temperature coefficientwith low noise.Base on the PNP bipolar transistor and resistance,the paperdesigns a new bandgap reference for radio-frequency circuitwithout OPA. Powervoltage is 3.3 V,and the reference voltage is 3.14 V.The DC operating points and outputswing remain unchanged using the buffer.The structure improves the temperature coefficient and reduces the noise.After simulation in 0.18 μm SiGeBiCMOS process,ithas a temperature coefficientin the range of-55～125 ℃ with 9.613×10-6/℃ atTT corner,6.164 nV/sqrt(Hz)at100 kHz and the outputnoise of 2.08×10-6V.

SiGe process;radio-frequency circuit;bandgap reference;temperature coefficient;noise

TN402

A

1681-1070 （2017）06-0023-04

孫楷添（1990—），男，遼寧阜新人，助理工程師，供職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 58研究所，主要從事模擬 IC 設(shè)計(jì)、ESD 防護(hù)設(shè)計(jì)與研究。

2017-1-11