0.18um工藝的低功耗帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)化工大學(xué) 王 健 石運(yùn)棟

目前，隨著便攜式產(chǎn)品對(duì)低壓低功耗要求的不斷苛刻，如何研究集成電備，如筆記本電腦、手機(jī)、PDA、移動(dòng)電源等等，也對(duì)帶隙基準(zhǔn)電路提出了相應(yīng)新的需求。本文帶隙基準(zhǔn)電路包括帶隙核心電路，電流偏置電路以及運(yùn)算放大器，其電流偏置電路所有的MOS管工作狀態(tài)都處在亞閾值區(qū)域。通過(guò)設(shè)計(jì)納安級(jí)偏置電流電路，使其降低所產(chǎn)生的功耗，而且使得整體電路能在1.2V的低電壓下正常工作。此外，采用了米勒補(bǔ)償電路有效改善了電路的溫漂系數(shù)。本文電路采用SMIC 0.18μm工藝模型，通過(guò)仿真結(jié)果顯示，在1.2V的工作電源電壓、環(huán)境溫度-20～100℃下，實(shí)現(xiàn)了帶隙基準(zhǔn)電壓為600mV，溫漂系數(shù)僅為1.237ppm/°C，在低頻100Hz時(shí)電源抑制比達(dá)到-88.5dB，其產(chǎn)生的功耗僅為67.72uW。

1 帶隙基準(zhǔn)電路工作原理

在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)中，其一般輸出電壓Vref會(huì)穩(wěn)定在1.2V上下浮動(dòng)，而其所用電路產(chǎn)生的Vref是通過(guò)兩個(gè)正負(fù)電壓相抵消來(lái)具體實(shí)現(xiàn)的。在保證MOS管正常工作的狀態(tài)下，將所產(chǎn)生的正負(fù)溫度系數(shù)進(jìn)行合適的比例相加，就得到了一個(gè)與溫度不相關(guān)的輸出電壓。

1.1 CTAT電壓的產(chǎn)生

通過(guò)對(duì)雙極性晶體管的研究，得到：

VBE對(duì)T取導(dǎo)數(shù)，最后可得：

1.2 PTAT電壓的產(chǎn)生

由兩個(gè)不同發(fā)射區(qū)面積組成雙極晶體單元產(chǎn)生的PTAT電壓電路，兩晶體管參數(shù)相同，產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的電壓差。

這樣就得到了一個(gè)正的溫度系數(shù)電壓。由上式可以得出，所產(chǎn)生的正溫度系數(shù)與單個(gè)雙級(jí)管沒(méi)有關(guān)系，與這兩個(gè)雙級(jí)管產(chǎn)生的壓差有關(guān)系。

2 帶隙基準(zhǔn)源的核心電路結(jié)構(gòu)

2.1 核心電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源，其整體電路包括帶隙基準(zhǔn)核心電路，啟動(dòng)電路及偏置電流電路，其電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。一般來(lái)說(shuō)帶隙基準(zhǔn)電壓源有兩種選擇模式，一種是電流模模式，一種是電壓模模式。在選擇電壓模式時(shí)，一般的輸出為1.25V；如果要達(dá)到本次輸出的600mV左右，需要采用電流模式產(chǎn)生電路，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生任意基準(zhǔn)電壓。

圖1 帶隙基準(zhǔn)核心電路

在所需要的溫度狀況下，把正負(fù)溫度系數(shù)電壓進(jìn)行相加而產(chǎn)生需要的基準(zhǔn)電壓：

經(jīng)過(guò)cadence軟件掃描，確定VBE的溫度變化率，計(jì)算得到溫度變化率大概在：-1.66466mV/℃。確定ΔVBE的溫度變化率，當(dāng)溫度當(dāng)溫度從-20℃到100℃變化時(shí)，△VBE的變化率為180.5uV/℃。

計(jì)算溫度抵消系數(shù)：

為了得到更好的溫度特性，對(duì)電阻阻值進(jìn)行在一定范圍掃描來(lái)獲得合適的阻值。當(dāng)然這里的阻值選取并不是任意的，可以根據(jù)支路電路，運(yùn)放的偏置電壓，進(jìn)行合理的仿真與設(shè)計(jì)，這只需要簡(jiǎn)單的參數(shù)掃描即可實(shí)現(xiàn)。由于手工計(jì)算并不是完美的，我們最后需要確定R3的數(shù)值，這同樣把R3的參數(shù)作為參數(shù)變量，進(jìn)行掃描，得到一個(gè)Vref為600mV的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.2 運(yùn)放電路設(shè)計(jì)

本文的帶隙基準(zhǔn)源核心結(jié)構(gòu)是由BJT和電阻構(gòu)成，為了鉗制電壓，使核心電路正負(fù)端相等而加入了運(yùn)算放大器。帶隙基準(zhǔn)電路中的運(yùn)算放大器其產(chǎn)生的效果是使兩個(gè)共模點(diǎn)產(chǎn)生的共模電平相一致，對(duì)增益的要求相對(duì)小一些。在運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用米勒補(bǔ)償電路可以增加其工作時(shí)的穩(wěn)定性，雖可以通過(guò)NMOS為差分輸入管的單級(jí)，這樣要達(dá)到較低電源工作電壓的需求下，但對(duì)其所要實(shí)現(xiàn)的工藝要求較差，所以本文采用PMOS管作為差分輸入。

其中使用較為廣泛的運(yùn)算放大器有那么幾種結(jié)構(gòu)：五管差分結(jié)構(gòu)、套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)以及折疊式共源-共柵結(jié)構(gòu)等等。本文所采用的全差分結(jié)構(gòu)，這種方式經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)算放大器的共模輸入端，但其所輸出端方式卻有兩種情況：雙端輸出與單端輸出。二級(jí)運(yùn)放的單級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，其穩(wěn)定性非常好，相對(duì)不足的是產(chǎn)生較低的增益。在使用單級(jí)運(yùn)放可靠性相關(guān)的問(wèn)題，為設(shè)計(jì)多級(jí)運(yùn)放作為選擇的鋪墊。此外，在搭建兩級(jí)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，是否能夠達(dá)到相對(duì)好的的性能，以及保證相對(duì)較好的穩(wěn)定性，總體是在設(shè)計(jì)電路時(shí)候相對(duì)較好的選擇。

為了避免產(chǎn)生振蕩，使運(yùn)放的主次極點(diǎn)而相互分離，本文采用了由MIM2電容組成的米勒補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，其所產(chǎn)生的相位裕度需要滿足要求。核心電路的電阻R1起到了抵消次級(jí)點(diǎn)的作用，極大的保證了電路的穩(wěn)定性。此外，其他相關(guān)指標(biāo)不是顯得特別重要。

2.3 啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

另外，在電源電壓工作過(guò)程中，也經(jīng)常會(huì)有簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)的存在。所謂的兼并點(diǎn)就是零點(diǎn)與正常工作點(diǎn)的兩種工作狀態(tài)。此外，需要設(shè)計(jì)一個(gè)啟動(dòng)電路來(lái)使其脫離產(chǎn)生的簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，從而使得帶隙基準(zhǔn)電壓源進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖1右邊部分是針對(duì)需要所設(shè)計(jì)的啟動(dòng)電路，由PM3，PM4，PM7，PM9和NM2，NM3組成。其中，PM4和NM2可作為一個(gè)反相器的設(shè)計(jì)。處于零點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，A點(diǎn)與Vref節(jié)點(diǎn)的電壓皆為零，還未正常啟動(dòng)，核心電路沒(méi)有電流產(chǎn)生。當(dāng)電源電壓逐漸增大時(shí)，PM4與NM2和M3構(gòu)成普通反相器結(jié)構(gòu)，高電平由NM3端輸出，相當(dāng)于給NM3給充電從使NM3導(dǎo)通，然后使運(yùn)放輸出電壓拉低，帶隙基準(zhǔn)核心電路導(dǎo)通進(jìn)入工作狀態(tài)，NM3管失去作用而關(guān)斷。啟動(dòng)電路中有三個(gè)二極管進(jìn)行串聯(lián)，當(dāng)電源電壓不斷增加，三個(gè)二極管消耗一定的電壓裕度，PM4和NM2一直處于關(guān)閉狀態(tài)，使啟動(dòng)電路不產(chǎn)生沒(méi)必要的功耗。

2.4 偏置電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗，不可避免實(shí)現(xiàn)一個(gè)小的偏置電流。實(shí)現(xiàn)低功耗的過(guò)程有很多種方法，直接使用低閾值電壓晶體管，或者利用襯底電壓前向偏置來(lái)實(shí)現(xiàn)低閾值MOS管。本文利用MOS管亞閾值特性，設(shè)計(jì)了一款新穎的電流偏置電路，將偏置電流設(shè)置在18.55nA為達(dá)到功耗的目的，為其整體電路進(jìn)行供電。其所有MOS管均處于亞閾值區(qū)域，在MOS管的尺寸選擇上，偏置在亞閾值區(qū)的MOS管取較大的長(zhǎng)度值，能夠更好的提供較小的偏置電流，從而降低整體電路的功耗降低了基準(zhǔn)的功耗和其溫漂系數(shù)。中間是組成的正反饋電路，就會(huì)產(chǎn)生簡(jiǎn)并點(diǎn)。

3 電路仿真與分析

本文電路基于smic.18um工藝文件，設(shè)計(jì)了一種帶有低功耗的帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)，該基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)帶有亞閾值偏置電流的特點(diǎn)。其電源工作電壓為1.5V，溫度控制范圍為-20℃～100℃時(shí)，輸出電壓隨溫度特性曲線結(jié)果見(jiàn)圖2，仿真的溫度曲線開(kāi)口向上。通過(guò)偏置電路產(chǎn)生納安級(jí)偏置電流，有效的提高了電源抑制比。在其溫度以及電壓變化正常范圍內(nèi)，產(chǎn)生溫度系數(shù)1.237ppm/°C，整個(gè)電路產(chǎn)生的靜態(tài)電流之和約為41.85uA，其產(chǎn)生的靜態(tài)功耗約為67.72uW。

圖2 輸出電壓變化曲線