車載傳感器芯片電流源設(shè)計(jì)

何孝起

（上海精傳電子科技有限公司，上海 201108）

車規(guī)半導(dǎo)體工藝作為特種工藝技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，隨著5G通信技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的不斷升級換代，以及自動駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，基于車規(guī)工藝的芯片設(shè)計(jì)方興未艾，在高安全性和高可靠性的車載芯片設(shè)計(jì)中，對于信號的處理電流型設(shè)計(jì)以其強(qiáng)抗干擾穩(wěn)定特點(diǎn)具備廣闊的應(yīng)用前景，作為電流型設(shè)計(jì)的基本電流源，是設(shè)計(jì)中不可或缺的基本單元，本文旨在通過設(shè)計(jì)中的思考和探索為車載芯片應(yīng)用設(shè)計(jì)提供一種實(shí)現(xiàn)方法以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 恒流源的用途

進(jìn)行模擬電路的設(shè)計(jì)，恒流源的用途十分廣泛，基本恒流源，恒壓源一直是電路設(shè)計(jì)的基石，能夠設(shè)計(jì)出高精度的恒流源，是保障半導(dǎo)體集成電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先決條件。

在車載的數(shù)模混合電路設(shè)計(jì)中，為進(jìn)行模擬信號的線性不失真放大，需要恒流源做軌到軌的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，在信號的調(diào)制和解調(diào)器設(shè)計(jì)中，也需要恒流源提供電路必須的偏置電流，由于電流設(shè)計(jì)在車載芯片設(shè)計(jì)中的明顯優(yōu)勢，高精度的恒流源設(shè)計(jì)對車載芯片越發(fā)重要，高質(zhì)量的恒流源設(shè)計(jì)能夠保證符合車規(guī)Q100 規(guī)范的強(qiáng)壯的車載系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

除了在復(fù)雜的車載系統(tǒng)芯片中應(yīng)用廣泛外，恒流源也可以用在芯片和測試和電源激勵上，在產(chǎn)品的線上測試中，恒流源可以作為判決準(zhǔn)則，來測試產(chǎn)品特定的性能和篩查次品。

具備制程穩(wěn)定性和有良好溫度特性的恒流源能夠極大提升設(shè)計(jì)電路性能，在如下的電流型運(yùn)算放大器電路中，穩(wěn)定的恒流源能夠極高地提升運(yùn)算放大器的增益，在進(jìn)行車載傳感器模擬基帶信號的解調(diào)設(shè)計(jì)中，高精度的恒流源是保證解調(diào)出的基帶信號線性度和保真度高的前提條件。

2 實(shí)現(xiàn)恒流源的電壓源設(shè)計(jì)

恒流源的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可由帶隙基準(zhǔn)的恒壓源實(shí)現(xiàn)，為獲得高精度的恒流源，帶隙基準(zhǔn)的恒壓源需要達(dá)到很高的精度，需要很好地設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償，而良好的溫度補(bǔ)償來自于高增益的運(yùn)放設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，對于傳統(tǒng)的BJT 器件溫度補(bǔ)償BANDGAP 設(shè)計(jì)，80dB 以上的高增益運(yùn)放能夠有效反饋鉗位獲得優(yōu)良的溫度補(bǔ)償特性，如圖1、圖2 所示。

圖1 帶輸出負(fù)反饋的帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

3 恒壓源到恒流源的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

從恒壓源實(shí)現(xiàn)恒流源，一個簡單的想法是用恒壓源驅(qū)動一個低溫漂的電阻，使用電流鏡技術(shù)就可以得到所需的恒流源，但是這個簡單想法忽略了重要的電阻的電流驅(qū)動，直接的帶隙基準(zhǔn)恒壓驅(qū)動電阻，抽取的電流破壞了帶隙基準(zhǔn)電路的電路溫度補(bǔ)償，導(dǎo)致帶隙基準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償特性變差，破壞了恒壓源的產(chǎn)生也導(dǎo)致設(shè)計(jì)的恒流源不可用。

利用恒壓源驅(qū)動電阻并采用隔離驅(qū)動設(shè)計(jì)，使用高增益的運(yùn)放隔離BANDGAP 的穩(wěn)定輸出，利用運(yùn)放電路的高增益，反饋驅(qū)動PMOS 管并鉗制下端電阻的電壓，運(yùn)放電路的增益和虛斷特性能夠保證獲得流經(jīng)電阻的穩(wěn)定電流，同時BANDGAP 的輸出因?yàn)闆]有電流支路的分流而能使輸出不受影響，這是在許多文獻(xiàn)和論文上常見的恒流源獲取設(shè)計(jì)思路，但是該設(shè)計(jì)嚴(yán)重低估了CMOS 制程下電阻的溫度漂移和制程差異性，盡管通過輸出負(fù)反饋的BANDGAP 能夠得到不同制程角的良好穩(wěn)定電壓輸出，但是穩(wěn)定的電壓驅(qū)動帶溫漂和強(qiáng)制程差異性的電阻器件，所得的電流將引入極大的偏差并不能滿足設(shè)計(jì)的要求。

一種常見的恒流源電路如圖2 所示，該電路使用BJT 鏡像電流源，利用恒壓Vcc 減去VT0 的Vbe, 產(chǎn)生壓降在電阻R 上形成穩(wěn)定電流，在不考慮電阻R 阻值變化和NPN 管的導(dǎo)通電壓Vbe 變化情況下，該電路能夠形成穩(wěn)定的恒流。

圖2 恒流源電路

在PCB 電路設(shè)計(jì)中，由于采用高精度的電阻R 以及成熟的BJT 器件NPN 管，因此在車規(guī)寬溫度范圍-40 到150 范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)的電流很穩(wěn)定，然而在集成CMOS 模擬電路中，電阻的阻值受制程工藝的很大影響，在不同工藝角下，高阻值的電阻不同溫度下阻值變化很大，這樣，使用恒定電壓驅(qū)動電阻，將得到一個變化很大的電流，無法實(shí)現(xiàn)恒流滿足集成電路的設(shè)計(jì)要求。

上述電路還有一個不容忽視的變量是NPN 管的導(dǎo)通壓降，在集成CMOS 電路中，不同制程和溫度下，NPN 的導(dǎo)通壓降呈現(xiàn)不容忽視的變化，NPN 管的導(dǎo)通電壓呈現(xiàn)和溫度負(fù)相關(guān)的特性，隨著溫度的升高，NPN 的導(dǎo)通電壓隨之升高，這樣將導(dǎo)致電阻上的壓降減少，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的恒流電流減少，若需要獲得恒定的電流輸出，必須采用溫度補(bǔ)償方案，傳統(tǒng)方法是使用NPN 管的不同面積下Vbe 差值的正溫度相關(guān)特性，形成溫度正相關(guān)補(bǔ)償電流，和溫度負(fù)相關(guān)電流相加形成恒流輸出，如圖3 所示。

圖3 Bandgap 運(yùn)放的增益仿真

溫度補(bǔ)償?shù)暮懔髟吹脑O(shè)計(jì)原理在于實(shí)現(xiàn)溫度正相關(guān)的PTAT（Proprotional To Absolute Temperature）電流，同時疊加實(shí)現(xiàn)CTAT（Complementary To Absolute Temperature）電流，同時調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)臋?quán)重，實(shí)現(xiàn)恒流源設(shè)計(jì)。如圖4 所示。

圖4 CTAT 和PTAT 的恒流源實(shí)現(xiàn)

雙極性三極管的基射開啟電壓呈溫度負(fù)相關(guān)特性，可以產(chǎn)生CTAT（絕對溫度互補(bǔ)）電流，集電極電流可以表達(dá)為：

則基射電壓的溫度偏導(dǎo)可以表示為：

對于不同面積比例的三極管器件，工作在相同的集電極電流下，他們基射電壓的不同直接和溫度系數(shù)正相關(guān)，可以表達(dá)為：

通過兩個偏微導(dǎo)的相加，除以負(fù)載電阻得到電流取和為零，可得穩(wěn)定輸出的溫度無關(guān)電流為：

可用如下的原理電路得到溫度無關(guān)的恒流輸出，如圖5 所示。

圖5 恒流源原理電路設(shè)計(jì)

圖6

圖7 帶負(fù)反饋溫度補(bǔ)償?shù)暮懔髟摧敵?/p>

要克服集成電路設(shè)計(jì)中電阻器件的溫漂和強(qiáng)制程差異，需要采用溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)和輸出負(fù)反饋設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)輸出負(fù)反饋的CTAT 電流，來補(bǔ)償PTAT 電流，達(dá)到恒流設(shè)計(jì)的目的。

實(shí)現(xiàn)的恒流設(shè)計(jì)，采用低壓共源共柵結(jié)構(gòu)的電路，可以實(shí)現(xiàn)電流的鏡像輸出，如圖6 所示實(shí)現(xiàn)的共源共柵電路,可以精確復(fù)制生成的參考電流源IREF。

4 設(shè)計(jì)結(jié)論

帶輸出負(fù)反饋的恒流源設(shè)計(jì)能夠在寬溫度范圍內(nèi)達(dá)到良好的輸出精度，運(yùn)放的高增益確保了溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ浜陀行?，同時電源電壓的變化也不影響實(shí)現(xiàn)的電流精度。

如圖7 所示，通過運(yùn)放高增益控制的CTAT 電流補(bǔ)償，恒流源輸出能夠達(dá)到0.2%的精度，高精度的恒流源對許多IP模塊的設(shè)計(jì)很重要，能夠進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)以獲得優(yōu)異的電路性能。

本文介紹了CMOS 集成電路恒流源的實(shí)現(xiàn)，主要通過運(yùn)放的隔離驅(qū)動設(shè)計(jì)，以及CTAT 絕對溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到很高精度的恒流源實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)充分利用了集成帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)了很小的版圖面積，同源設(shè)計(jì)也獲得了良好的線性度保證輸出的穩(wěn)定性，本文提出的恒流源設(shè)計(jì)能夠較好地應(yīng)用在車規(guī)的集成電路設(shè)計(jì)上，滿足車規(guī)產(chǎn)品的高穩(wěn)定，高可靠性要求。