曾啟明，李 琰，俞 航

（1. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2. 深圳大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

一種高穩(wěn)定度基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)*

曾啟明1，李 琰2，俞 航2

（1. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2. 深圳大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

文章介紹了一種基于帶隙基準(zhǔn)電壓（Band-gap Voltage）技術(shù)的高穩(wěn)定度基準(zhǔn)電路．通過使用溫度補(bǔ)償和負(fù)反饋運(yùn)放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了基準(zhǔn)電路的綜合性能．實(shí)際測試結(jié)果表明，溫度在28～120℃范圍變化時(shí)，所設(shè)計(jì)帶隙基準(zhǔn)電路電壓源的溫度特性為±20 ppm/℃，電流源輸出電流誤差小于±1.8%．在0.18μm工藝下電路版圖面積為180 μm ×200 μm，1.8V工作電壓時(shí)功耗僅為140 μW．

基準(zhǔn)電路；帶隙基準(zhǔn)電壓；電壓源；電流源

基準(zhǔn)電路包括基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源，是混合信號系統(tǒng)以及射頻系統(tǒng)的重要核心模塊，其主要功能是為電路工作提供穩(wěn)定可靠的偏置電壓和偏置電流[1]．基準(zhǔn)電路的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能．隨著集成電路規(guī)模的不斷增大，集成度、可靠性和穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)因素，使基準(zhǔn)電路在被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也對其性能提出了更高的要求．因此基準(zhǔn)電路的性能和集成度的提高，一直是業(yè)界研究的熱點(diǎn)．

由于工作性質(zhì)的特殊性，要求基準(zhǔn)電路在工藝、電源電壓、溫度（Process, Voltage, Temperature,PVT）等外部條件變化的情況下仍然能夠穩(wěn)定工作．在目前國內(nèi)外的研究和應(yīng)用中，基準(zhǔn)電壓源主要有齊納二極管、埋入型齊納二極管和帶隙基準(zhǔn)電壓源3種，而基準(zhǔn)電流源主要是簡單基準(zhǔn)電流源、閾值電壓相關(guān)電流源和帶隙基準(zhǔn)電流源三種．齊納二極管的特點(diǎn)是輸入范圍寬，但輸出精度較低，靜態(tài)電流較大，其內(nèi)部非零阻抗容易導(dǎo)致穩(wěn)定性問題．埋入型齊納二極管通過改進(jìn)工藝，輸出精度有所提高，但部分器件不能吸入電流．帶隙（Band-Gap）基準(zhǔn)，包括電壓源和電流源，在PVT參數(shù)變化下仍能夠保持高穩(wěn)定度．帶隙基準(zhǔn)電路采用非表面的帶隙機(jī)理，穩(wěn)定性相對齊納二極管更高．同時(shí)，低輸出阻抗和低靜態(tài)電流，使得帶隙基準(zhǔn)電路能夠獲得良好的溫度系數(shù)和穩(wěn)定性．圖 1給出了一種典型的基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)[2,3]．在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，基準(zhǔn)電壓可以通過串聯(lián)分壓的方式獲得，如圖1（a）所示．分壓電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，在版圖布局時(shí)能夠使用叉指結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)匹配特性．在實(shí)際應(yīng)用中，為降低功耗，減小工作電流，一般采用MOS對管的形式實(shí)現(xiàn)分壓電路．對于圖1（b）中的電流源，在MOS管參數(shù)確定的情況下，電流源的輸出IB僅與電阻的大小相關(guān)而與電源電壓無關(guān)，因此可以通過M2和M5鏡像，為其他電路提供與電源電壓無關(guān)的穩(wěn)定參考電流．

在上述典型的基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)中，電壓源依然受到PVT因素影響，電流源雖然與電源電壓無關(guān)，但依然受到MOS管參數(shù)的影響．為了改善基準(zhǔn)電路的性能，本文在傳統(tǒng)電壓源的基礎(chǔ)上，利用MOS管基極-發(fā)射極的負(fù)溫度特性與正溫度系數(shù)電壓相互補(bǔ)償?shù)脑?，?yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)參考電壓源電路．同時(shí)，在基于帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生恒定的參考電壓源的基礎(chǔ)上，使用運(yùn)算放大器構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高穩(wěn)定度的參考電流源．

圖1 典型基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)[2,3]

圖2 電壓源核心電路結(jié)構(gòu)

圖3 帶啟動(dòng)電路的電壓源結(jié)構(gòu)

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 電壓源核心電路

本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓源的核心電路如圖2所示，M1、M2、M3作為電流鏡，I1、I2、I3相等．在電路設(shè)計(jì)的過程中，選用較長溝道的PMOS管以減小溝道調(diào)制導(dǎo)致的鏡像電流的失配問題，同時(shí)較大的溝道長度也有利于降低系統(tǒng)的噪聲．運(yùn)算放大器與M1、M2構(gòu)成反饋回路，使A、B 2點(diǎn)電壓VA和VB相等．根據(jù)電路：

而VA=VB，得：

設(shè)計(jì)中Q2的發(fā)射極面積是Q1的N倍，可得：

式（4）表明，M1、M2、Q1、Q2、R1和運(yùn)算放大器一同產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流 I2．通過鏡像 I2到M3支路，可得：

根據(jù)I2=I3：

根據(jù)式（6），參考電壓Vref僅與溫度和電阻比值R2/R1有關(guān)，通過調(diào)節(jié) R2/R1可以得到零溫度系數(shù)參考電壓．綜合匹配及版圖面積因素，實(shí)際電路中，取Q2的發(fā)射極面積是Q1的8倍，即N=8．

1.2 電壓源啟動(dòng)電路

實(shí)際應(yīng)用中，為了避免當(dāng) I1、I2與電路漏電流的大小相當(dāng)時(shí)進(jìn)入非正常狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的啟動(dòng)電路[4]，如圖3所示．M4～M8構(gòu)成電壓源的啟動(dòng)電路．當(dāng)電路進(jìn)入非正常狀態(tài)時(shí)，電路輸出電流為零．M5將M6的柵極拉升至高電平，M6導(dǎo)通使得A點(diǎn)電壓升高，最后通過運(yùn)放反饋環(huán)路使得電路正常工作．當(dāng)電路正常工作以后，M4鏡像M1電流I1使得M7、M8導(dǎo)通，保證M6的柵極電壓被關(guān)斷．

1.3 基準(zhǔn)電流源設(shè)計(jì)

在使用帶隙基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)參考電壓源的基礎(chǔ)上，本文利用運(yùn)算放大器構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一個(gè)高穩(wěn)定度的參考電流源，如圖4所示．運(yùn)放、R3、M9～M11共同構(gòu)成電流源電路．運(yùn)放通過負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，使VC=Vref，可得：

根據(jù)式（7），在電源電壓VDD確定的情況下，參考電流Iref的穩(wěn)定性由Vref的穩(wěn)定性確定，大大提高了電路的穩(wěn)定性．

圖4 電流源電路結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電路仿真結(jié)果及分析

為了仿真所設(shè)計(jì)電路的正確性，本文采用Bsim3v3模型，利用Cadence Spectre仿真工具對整個(gè)電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5和圖6所示．

圖5是基準(zhǔn)電壓源啟動(dòng)過程，圖中標(biāo)示了在電源電壓（①號曲線）的抬升過程中，電路中各關(guān)鍵參數(shù)的變化過程．曲線③是的啟動(dòng)電路中M6的電流變化情況，圖中清楚標(biāo)示，在電源電壓抬升至1.0V左右時(shí)，M6導(dǎo)通，電流峰值約為300 nA，該電流將灌入圖3中所示的A點(diǎn)，使電路擺脫非正常狀態(tài)．當(dāng)電源電壓繼續(xù)升高，M6柵極電壓拉低，約為0 V（⑥號曲線）．仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)電壓源能夠按照電路條件正常啟動(dòng)．電壓源工作后，啟動(dòng)電路關(guān)閉．

圖6（a）和圖6（b）分別是電壓源和電流源相對溫度變化（-40～120℃）的仿真結(jié)果．當(dāng)電源電壓為1.8V，工藝參數(shù)為TT corner時(shí)，圖（a）表示電壓源輸出參考電壓的變化小于389.52μV，參考電壓變化小于±20 ppm/℃；圖（b）顯示，基準(zhǔn)電流源所輸出的參考電流的變化小于2.9%，均符合要求．

圖5 電壓源啟動(dòng)過程仿真結(jié)果

圖6 基準(zhǔn)電路輸出溫度曲線的仿真

2.2 版圖實(shí)現(xiàn)及測試結(jié)果

圖7是整個(gè)帶隙基準(zhǔn)電路的集成電路版圖，尺寸為180μm×200μm．電路實(shí)現(xiàn)后，使用 Spectre工具進(jìn)行后仿，結(jié)果表明，基準(zhǔn)電路工作在1.8V電源電壓時(shí)，電壓源輸出參考電壓為 1.25V，溫度特性為±20 ppm/℃（28～120℃）；電流源輸出參考電流為10 μA，溫度特性為±1.86%（28～120℃）．電路功耗為140 μW．

最后從溫度系數(shù)及輸出電流精度兩方面與參考文獻(xiàn)中的相關(guān)電路進(jìn)行對比，見表 1．從表 1可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，本文中的基準(zhǔn)電路具有較小的溫度漂移，同時(shí)輸出電流的誤差較?。?/p>

圖7 帶隙基準(zhǔn)電路版圖

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于帶隙基準(zhǔn)電壓技術(shù)的高穩(wěn)定度基準(zhǔn)電路．仿真和測試結(jié)果表明，通過溫度補(bǔ)償原理應(yīng)用和負(fù)反饋運(yùn)放電路的使用，優(yōu)化后的基準(zhǔn)電路在-40～120℃溫度范圍變化時(shí)參考電壓和參考電流的溫度特性分別為±20 ppm/℃和±1.86%，具有高穩(wěn)定度．本文電路已實(shí)際應(yīng)用于5.8GHz無線收發(fā)機(jī)，系統(tǒng)測試結(jié)果表明，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際工作要求．

表1 基準(zhǔn)電路性能比較

[1] 孫順根，吳曉波，王旃，等．一種高精度CMOS能隙基準(zhǔn)電壓源.微電子學(xué)[J]．2003，33（2）：157-159．

[2] ALLEN P E，and HOLBERG D R．CMOS Analog Circuit Design [M]. Oxford University Press, USA，2002．

[3] RAZAVI. Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. McGraw-Hill Education - Europe，2000．

[4] 唐宇，馮全源．一種低溫漂低功耗帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)[J]．電子元件與材料，2014，33（2）：35-38．

[5] Texas Instrument. REF200 Dual Current Source and Current Sink[EB/OL]．http://www.ti.com.cn/product/cn/ref200.

Abstract: A band-gap voltage reference circuit with high stability is introduced in this paper. By using temperature compensation and network of operational amplifier negative feedback, a new structure with better performance is achieved. Experiment results show that the temperature property of the optimized voltage source is ±20 ppm/℃, and its reference current source with less than ±1.8% change from 28℃ to 120℃. The chip area is 180 μm×200 μm in the 0.18 μm process, and the power consumption is only 140 μW in 1.8V operating voltage.

Key words: reference circuit; band-gap voltage; voltage source; current source

Design of a Reference Circuit with High Stability

ZENG Qiming1, LI Yan2, YU Hang2
（1.School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China;2. College of Computer and Software Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060,China）

TN492

A

1672-0318（2017）05-0017-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2017.05.003

2017-04-24

*項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1201256, 61201042)；廣東省高等職業(yè)教育品牌專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（編號：9004-02160101）；深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院精品資源共享課建設(shè)項(xiàng)目（編號：9003-04160414）

曾啟明（1984-），男，博士，講師，主要研究方向：大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、人體生命信號處理．