一種具有魯棒啟動(dòng)行為的自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)

李政達(dá)，黃 魯

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230027)

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一種具有魯棒啟動(dòng)行為的自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)

李政達(dá)，黃 魯

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230027)

在很多應(yīng)用中，帶隙基準(zhǔn)需要在很寬的電源電壓范圍內(nèi)都能正常工作，而啟動(dòng)電路注入帶隙基準(zhǔn)的電流大小往往會(huì)因?yàn)殡娫措妷旱淖兓艿接绊?。因此，?duì)帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)行為研究變得很重要，尤其對(duì)于自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)，該結(jié)構(gòu)在啟動(dòng)過程中有一段非正常工作區(qū)。文章詳細(xì)分析了影響自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)正常啟動(dòng)的原因，進(jìn)而提出一種具有魯棒啟動(dòng)行為的自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)，增強(qiáng)了自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)魯棒性，同時(shí)也簡(jiǎn)化了啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)采用65 nm CMOS工藝，溫度系數(shù)為17.2 ppm/℃，總電流消耗為35 μA。

帶隙基準(zhǔn)；魯棒啟動(dòng)；CMOS集成電路

0 引言

帶隙基準(zhǔn)非常廣泛地應(yīng)用于多種系統(tǒng)和子系統(tǒng)中，例如LDO、DC/DC、ADC和DAC。隨著CMOS工藝的尺寸越來越小，低壓帶隙基準(zhǔn)的研究變得越來越重要。一種應(yīng)用很廣泛的低壓帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)由Banba[1]提出，稱為電流模式帶隙基準(zhǔn)，它能工作在接近1 V的電源電壓。而且通過曲率補(bǔ)償，電流模式帶隙基準(zhǔn)能得到很小的溫度系數(shù)[2]。但它的缺點(diǎn)是有一段穩(wěn)定的非正常工作區(qū)，啟動(dòng)電路可使該電流模式帶隙基準(zhǔn)達(dá)到正常的工作點(diǎn)。文獻(xiàn)[3-4]中對(duì)啟動(dòng)電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，以確保電流模式帶隙基準(zhǔn)的正常工作。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)分析了電流模式帶隙基準(zhǔn)具有一段非正常工作區(qū)的原因，為了克服這種潛在的啟動(dòng)問題，提出了非平衡電流模式帶隙基準(zhǔn)。非平衡電流模式帶隙基準(zhǔn)僅需采用簡(jiǎn)單的脈沖發(fā)生器啟動(dòng)電路便能達(dá)到正常的工作點(diǎn)，同時(shí)它在很寬的電源電壓范圍內(nèi)都能正常工作，但此結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)較差。另外帶隙基準(zhǔn)中的運(yùn)放有多種不同結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[6]中為偽差分結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[7]中為外部提供偏置，文獻(xiàn)[1,4，8]中則采用自偏置結(jié)構(gòu)，自偏置結(jié)構(gòu)會(huì)在運(yùn)放內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)正反饋環(huán)路，但文獻(xiàn)[1,4，8]中并未分析自偏置運(yùn)放對(duì)帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)行為的影響。本文對(duì)自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，分析了自偏置運(yùn)放對(duì)帶隙基準(zhǔn)環(huán)路穩(wěn)定性和啟動(dòng)行為的影響，同時(shí)針對(duì)電流模式帶隙基準(zhǔn)潛在的啟動(dòng)問題，提出一種具有魯棒啟動(dòng)行為的帶隙基準(zhǔn)。該結(jié)構(gòu)不會(huì)額外消耗過多的面積和功耗，也不會(huì)如非平衡電流模式帶隙基準(zhǔn)那樣增加帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)。

1 自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)

自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)[1,3]如圖1所示。圖中，PMOS管M8、M9和M10是完全相同的，同時(shí)，電阻R3與R4也是相同的，運(yùn)算放大器通過反饋回路使得Va點(diǎn)的電壓與Vb點(diǎn)的電壓相等，這樣就使得通過電阻R3和R4的電流相等，通過進(jìn)一步分析不難得到，帶隙基準(zhǔn)的參考電壓Vref為：

(1)

圖1 自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)

由于帶隙基準(zhǔn)中運(yùn)放的偏置電壓由自己提供，而且該帶隙基準(zhǔn)可以得到與溫度無關(guān)的電流，故將該結(jié)構(gòu)稱為自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)。由于無需額外的偏置電路，該結(jié)構(gòu)的面積更小，功耗更低，而且自偏置運(yùn)放結(jié)構(gòu)會(huì)使帶隙基準(zhǔn)有更高的低頻電源抑制。同時(shí)該帶隙基準(zhǔn)可以得到低于1.2 V的輸出電壓。

但此結(jié)構(gòu)的問題在于增加了帶隙基準(zhǔn)的簡(jiǎn)并點(diǎn)，如圖2所示，在該帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)過程中，當(dāng)Va和Vb較低時(shí)，三極管Q1和Q2處于截止區(qū)，M8和M9的電流全流過電阻R3和R4，此時(shí)的帶隙基準(zhǔn)處于非正常的工作狀態(tài)。這一段非正常工作區(qū)將增加帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)難度，因?yàn)樵诜钦９ぷ鲄^(qū)，Va與Vb相等，此時(shí)運(yùn)放無法幫助帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)到正常的工作點(diǎn)，完全需要依靠啟動(dòng)電路來使帶隙基準(zhǔn)脫離這一段非正常工作區(qū)。但是在很多應(yīng)用中，帶隙基準(zhǔn)需要在很寬的電源電壓范圍內(nèi)都能正常工作，而啟動(dòng)電路注入電流的大小會(huì)因?yàn)殡娫措妷旱淖兓艿接绊懀糇⑷腚娏鬟^大，帶隙基準(zhǔn)的輸出會(huì)產(chǎn)生較大的過沖，若注入電流過小，則無法確保帶隙基準(zhǔn)脫離非正常工作區(qū)。在此情況下，為了確保帶隙基準(zhǔn)正常工作，在文獻(xiàn)[3]中，用一個(gè)遲滯比較器來提升啟動(dòng)電路的判斷精度和帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)魯棒性，但是此設(shè)計(jì)增加了啟動(dòng)電路的復(fù)雜度和面積功耗。

圖2 兩條電流支路的電壓隨注入電流的變化曲線

圖3 非平衡自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)

在文獻(xiàn)[5]中提出了非平衡電流模式帶隙基準(zhǔn)，如圖3所示，該結(jié)構(gòu)拿掉了帶隙基準(zhǔn)的電阻R3，消除了低壓電流模式帶隙基準(zhǔn)的非正常工作區(qū)，使得此結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)僅剩一個(gè)電流為0的簡(jiǎn)并點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了面積和功耗；但由于缺少電阻R3，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)溫度系數(shù)較差，有41.5 ppm/℃。而且除此之外，以上文獻(xiàn)中都并未考慮到自偏置運(yùn)放中的正反饋對(duì)電流模式帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)行為的影響。

2 一種具有魯棒啟動(dòng)行為的自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)

2.1 自偏置運(yùn)放對(duì)電流模式帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)行為的影響

圖1為自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)，該帶隙基準(zhǔn)的小信號(hào)等效框圖如圖4所示。

圖4 自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)等效框圖

圖4中：

(2)

(3)

A2(s)=gm10R2

(4)

其中g(shù)m8、gm9和gm10指M8、M9和M10的跨導(dǎo)，RQ1和RQ2指三極管Q1和Q2線性區(qū)的小信號(hào)等效電阻，RQ1=RQ2，CQ1和CQ2指三極管Q1和Q2發(fā)射極對(duì)地的寄生電容，CQ2≈NCQ1，C0為額外加入的電容，C0≈CQ2-CQ1用于補(bǔ)償CQ2對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性的影響。R3=R4，一般都遠(yuǎn)大于R1、RQ1和RQ2。

自偏置運(yùn)放內(nèi)部還存在一個(gè)正反饋環(huán)路，為M6→M7→M5→M3,M4→M6，自偏置運(yùn)放內(nèi)部電路小信號(hào)等效框架如圖5所示。

圖5 自偏置運(yùn)放內(nèi)部電路等效框架

圖5中：

(5)

(6)

(7)

其中g(shù)m1～gm7為M1～M7的跨導(dǎo)，gm1=gm2，gm3=gm4，r1～r4指M1～M4的漏源小信號(hào)電阻，Cbias指Vbias點(diǎn)對(duì)Vdd的總寄生電容，C3指M3管柵極點(diǎn)對(duì)Gnd的總寄生電容，C1為額外加入的電容，其作用是為保證帶隙基準(zhǔn)的環(huán)路穩(wěn)定。

自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)的負(fù)反饋環(huán)路增益為：

T負(fù)(s)=A3(s)A4(s)[A1(s)-A0(s)]

(8)

自偏置運(yùn)放內(nèi)部的正反饋環(huán)路增益為：

T正(s)=A4(s)A5(s)

(9)

將式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)帶入到式(8)、(9)中，可得到：

(10)

(11)

此時(shí)，不難得到自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)的總環(huán)路增益：

(12)

(13)

從式(13)中可以看出，當(dāng)自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)正常工作時(shí)，由于負(fù)反饋的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于正反饋的強(qiáng)度，所以即使正反饋的環(huán)路增益大于1，該結(jié)構(gòu)仍然穩(wěn)定。但是，當(dāng)電流模帶隙基準(zhǔn)處于非正常工作區(qū)時(shí)，此時(shí)三極管Q1和Q2工作在截止區(qū)，可得到：

(14)

(15)

由于三極管Q1和Q2工作在截止區(qū)，CQ1和CQ2的值會(huì)減小，但C0一般為MOS電容，三極管截止時(shí)，MOS電容也處于截止區(qū)，電容同樣會(huì)減小，而R3=R4，故A1(s)-A0(s)≈0。最終將導(dǎo)致T負(fù)(s)≈0，此時(shí)自偏置運(yùn)放內(nèi)部的正反饋將可能會(huì)阻止自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)的正常啟動(dòng)，使得自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)變得更加困難。

2.2 具有魯棒啟動(dòng)行為的自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)難啟動(dòng)的主要原因是在其啟動(dòng)過程中，Va和Vb相等所產(chǎn)生的一段非正常工作區(qū)，而Va和Vb相等的原因是由于R3=R4，文獻(xiàn)[3]中將R3拿掉，使得帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)過程中Va一直大于Vb，消除了電流模式帶隙基準(zhǔn)的非正常工作區(qū)，但缺少R3后使得帶隙基準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度系數(shù)變得很差。通過分析可知，只需在此帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)過程中讓Va電壓一直大于Vb即可，本文通過在帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)過程中額外注入電流I1來消除這一段非正常工作區(qū)，如圖6所示，額外注入的電流I1起到了類似于拿掉R3的作用，但是當(dāng)帶隙基準(zhǔn)正常工作時(shí)，便不再額外注入電流，此時(shí)便不會(huì)影響到溫度系數(shù)。需注意的是，此帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)過程中，下拉Vbias是必須的，因?yàn)檫\(yùn)放為自偏置結(jié)構(gòu)，若不下拉Vbias而僅僅往Va中注入電流，運(yùn)放則無法工作在正常的工作點(diǎn)。

圖6 本文提出的具有魯棒啟動(dòng)行為的自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)

如圖7所示，此時(shí)電流模式帶隙基準(zhǔn)的非正常工作點(diǎn)僅剩下電流為0的簡(jiǎn)并點(diǎn)，啟動(dòng)電路只需讓電流模式帶隙基準(zhǔn)脫離電流為0的簡(jiǎn)并點(diǎn)即可，之后運(yùn)放便會(huì)幫助此帶隙基準(zhǔn)達(dá)到正常的工作點(diǎn)，這將大大降低對(duì)啟動(dòng)電路判斷精度和注入電流精度的要求，提升帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)魯棒性。而且由于額外注入的電流，Q1進(jìn)入線性區(qū)，A1(s)≠A0(s)，自偏置運(yùn)放內(nèi)部的正反饋對(duì)電流模式帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)影響的問題也得到了解決。此外，額外注入電流I1的方法并非一定需要上電復(fù)位信號(hào)，其他的啟動(dòng)電路同樣也可以達(dá)到此目的。

圖7 兩條電流支路的電壓隨注入電流的變化曲線

3 電路仿真結(jié)果和比較

基于SMIC65 CMOS工藝，使用Cadence Spectre工具對(duì)電路進(jìn)行仿真，當(dāng)電源電壓為1.4 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓在-40℃～+100℃下溫度系數(shù)為17.2 ppm/℃。如圖8所示。

圖8 帶隙基準(zhǔn)的溫度特性

圖9為電源電壓從0 V～3.6 V時(shí)帶隙基準(zhǔn)的仿真。從圖中可以看出，當(dāng)電源電壓為1.4 V～3.6 V時(shí)，帶隙基準(zhǔn)輸出電壓Vref=400 mV。

圖9 寬電源電壓下的帶隙基準(zhǔn)仿真

圖10 帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)的瞬態(tài)仿真

為了驗(yàn)證此電流模式帶隙基準(zhǔn)具有魯棒啟動(dòng)行為，圖10給出了帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)的瞬態(tài)仿真，可以看出，在帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)過程中，Va一直大于Vb，說明此時(shí)非正常工作區(qū)已經(jīng)被消除。

表1給出了本設(shè)計(jì)和其他設(shè)計(jì)的比較，文獻(xiàn)[5]為非平衡電流模式帶隙基準(zhǔn)，本文與文獻(xiàn)[5]都能在很寬的電源電壓范圍內(nèi)正常工作，但文獻(xiàn)[5]的溫度系數(shù)較差，為41.5 ppm/℃，而本文的帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)為17.2 ppm/℃。

表1 本設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)比較

4 結(jié)論

本文基于SMIC 65nm工藝提出了一種具有魯棒啟動(dòng)行為的自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)。提升了自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)魯棒性，減小了啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，降低了對(duì)啟動(dòng)電路判斷精度和注入電流精度的要求，使得此帶隙基準(zhǔn)可以在很寬的電源電壓下正常工作，并且也不會(huì)影響到帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)。

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A self-bias current-mode bandgap reference with robust start-up behavior

Li Zhengda, Huang Lu

(Department of Electronic Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

In many applications, the bandgap reference needs to operate over a wide range of supply voltages, the amount of current injected into the bandgap reference by the start-up circuit can be affected by variations in the supply voltage. Therefore, it is important to study the startup behavior of bandgap reference, especially for the low-voltage self-bias current-mode bandgap reference, which has a non-normal operating region. In this paper, the reasons that affect the self-bias current-mode bandgap reference normal startup are analyzed in detail. Then, a self-biased current-mode bandgap reference with robust start-up behavior is proposed, the start-up robustness of the self-biased current-mode bandgap reference is enhanced, and the design of the start-up circuit is simplified. A bandgap reference in 65 nm CMOS process is presented, the temperature coefficient is 17.2 ppm / °C and the total current consumption is 35 μA.

bandgap reference; robust start-up; CMOS integrated circuits

TN492

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.011

李政達(dá)，黃魯.一種具有魯棒啟動(dòng)行為的自偏置電流模式帶隙基準(zhǔn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：34-37，41.

2017-02-10)

李政達(dá) (1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)。

黃魯(1961-)，通信作者，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：混合信號(hào)IC芯片設(shè)計(jì)。

E-mail: luhuang@ustc.edu.cn。