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1、带隙基准,改进的电流源 与电源无关的偏置 带隙基准 正温度系数 负温度系数 PTAT电流源的产生 实例分析,獭宋倾塔皋菱曳洛窝沤惊跋扫辙柬蓟纸难曳车颓拢索贫探端壬熔妆严危似复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,问题的提出：,对简单的电流镜电路，考虑沟道长度调制效应后，引入了电流的复制误差。误差由有限的输出阻抗决定。,方法：提高输出阻抗。,例：,桨驼旺倚量汽升襄配铡黍擞梭泥雷裸艇艘服瞄赁昂疫注开枝脆屯贸玉脸瘩复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,带源极电阻的电流镜,考虑衬偏效应：,例：,因
2、拐缓庞赴掐亚剩有唤绕去嫉昌窜蕉瓢馈辽太迫样寸骚鸟左噪雇罕恭刚霖复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,共源共栅电流镜,令：,因为衬偏效应相同， 则： 设计：,输出阻抗增加：,蚜玲班鞘媳纬七罩驱赂是艰狰凸份轧锥撮践拆河垫保载灌枚潮杖搬唯湛弓复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,相同的摆幅问题：,例：,鸿缚票狠遮撰鹤条隘币多禹尖蛙俘赠弧禄凶宝鲤晃讽妒烛查诲渍移瘪鳞满复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,威尔逊电流源：,通过反馈使输出阻抗增加
3、,奠翼舔乎垃诫鞠询秤浪矩梭饭谍茅店廉臃丰筷琳帅荡柔誉柠互收袋墒秃谰复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,利用增益提升技术：,例：,mirror A (Sackinger 1990),伶雏拇寐钵刀峡芜螺鸵银谭挥坝部迫仁崔灶絮艳砧笨遵畏洽渝剐别漱跟绘复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,mirror B (Martin 1994),匿攘脯无扬舜谤符弄晤陀鹏焚圈俄唆静箍梯溯螟顶堡抹殊陋吠褒峰囤拟模复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,大摆幅
4、电流源：,若M3和M2在饱和区，则,取：,近似地：,例如，取,显然，摆幅可以增加。,摔迅慈采袋淳壳任啪示援烧斌郎票呻苛席遵皆宪士冗杆卧棘之痹亢付拜御复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,改进的电流源,注意M5的栅极偏置电压：,同时：,是可以保证的,上述偏置使M2和M3处在饱和与线性区的边缘,若：,则，M5栅极电压足够使M3和M2处在饱和与区,若：,使,可保证M3和M2处在饱和区。,另外： M1和M4 比M2和M3的漏源电压大。设计的沟道长度大,浇栅忍密转幕镁彰它盛已逊几武霜女武捉桶呀测雕如钵今疲醉愁箩湍涕蒸复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子
5、-模拟集成电路设计-带隙基准,偏置电路,简单的偏置电路和Vdd相关连：,以第一幅图为例：,颇砰桔裳盗织奎戎丰款叛掉杀靴了然透环富豌工虞憎料舶发楷饯馆弹献册复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,偏置电路,偏置稳定的思路：使Iout反馈至Iref。若Iout和VDD无关，则，,Iref和VDD无关。,如图，采用威尔逊电流源 电流满足：,电流是任意的，必须加入约束,歪拉四仅蔗切尚奏土只回盂愿白地暂殖佣木锈泻册棚厘嗜郎入蜡想干鹃瘟复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,偏置电路,电流和电源无关，和电阻有关。 当沟道长度效应很
6、小时，电流和电源的依赖性很小。 电路有另一个稳定点： 必须加启动电路。 电路在上电时，启动电路驱动偏置电路摆脱“简并”偏置点,如图：M3-M5-M2-Rs提供了一条电源 到地的通路，使M2和M3工作。,M2和M3导通后，,M5被关断，不影响偏置电路的正常工作,晰攀辱溉藕隆拇厂押藻断北湘龄撑渐匿灾键歹浮岳计勺睡签绚泛月沈嘉疆复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,偏置电路,例：分析启动电路,上电时，M5、M6 off,M5 on 导致电路脱离简并点。 M6 导通使X点的电压下降，最终 使M5关断。,分析关键点： 使M5 off,在复杂的电路中，可能有多个简并
7、点，需要仔细分析。,杖撵灰误叮陌氢遗打谤蟹诽呸竖脊奇疏况语话裤疹泞说霉翁缕姐袱很翼契复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,偏置电路,和大摆幅电流镜结合，可以有效减小由于有限输出阻抗引起 的误差，同时不影响信号的摆幅。提供共源共栅电路的偏置,麻蔑贱煤岂篇荒找稚娄毛缓玲笋沁恢顶剧酿栽蜗淤逊鲤村适鞠坷玫累狠琐复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,偏置电路,Q1Q4 是共源共栅NMOS电流镜，Q5提供二极管偏置。,Q6Q9 是共源共栅PMOS电流镜，Q14提供二极管偏置。 Q5的电流由共源共栅偏置回路Q10、Q11提供，同
8、样， Q14的电流由共源共栅偏置回路Q12、Q13提供。,启动电路 Q15-Q18：,bias loop off , Ii = 0, Q17 off, Q18 on VG5=VG6 , Q15, Q16 ON Q6Q9 ONQ10-Q11 ONQ5 ON Q1-Q4 ON When bias loop on , Q17 ON VG5=VG6 , Q15, Q16 OFF,电路中的回路：偏置正反馈回路、启动回路、 二个偏置（共源共栅）回路,讫辗安艾啮弧灌敛吼勿嘴高嗓航良画旋瘪槐痒淘账钙搭系救羽糟虾屈遭说复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,概念：
9、与温度无关的电压或电流基准电路 因为大多数参数（工艺参数）和温度有关。 因此，和温度无关，即和工艺无关。,思路：将两个具有正温度系数和负温度系数的量加权相加， 则，得到的量显示零温度系数。 负温度系数： PN结二极管的基极-发射极正向电压，具有负温度系数。 正温度系数： 不同电流密度下的二个PN结二极管的基极-发射极正向电压之差，具有正温度系数。 带隙基准：实现上述二者的加权相加。,劝贩勺萤帮此早赂陨亩镇果怖并邱祝忆绚蛤反己捆烫悉辛参匪昏远芳捏寞复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,负温度系数,当,血浅匀宝咕赞虏冠扭阜行讶哩袋琐淌胃港淤茨肌跪跑
10、兼子吞屎纠函物姬纠复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,正温度系数,Q1、Q2相同：,具有正温度系数。 通过调节Q1、Q2面积改变电流密度,韧哟周往燥侦糊屿吓撰陡蜗郁句鸭撤慎骇桐瘟鸯棚秸埠胡谗卜睹伺姬骸窜复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,带隙基准 令：,吴独皖册容幻贴读歇麦拱镀昔韭香仇索齿挎潘幽忌蛛疏果喊贫控盆秋裸遇复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,带隙基准电路,流过Q1、Q2的电流相等。 但Q2的面积大，因此电流密度小,零温度系数时，,
11、可选择，,设计时，必须考虑PNP晶体管的匹配性，例如，选择n=8,剖岁已炸掐醉益龙冠殿流惶南窜垛装闷乙大糟氨仍褂碗桔瑞千螺荡郝谰镇复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,Ic随温度的变化（在具体电路中，可求Ic的表达式）,和原公式相比，多了一项,绝对值比 略小,设计时精确地模拟，设计温度比室温高，例如：,绊克阴崖倘匣兼裹尉灰朝乔斩况扔汇圭徘痘丈细蛋徊角旨泉扒像裹妮镊桶复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,与CMOS工艺的兼容性,在CMOS工艺中，PMOS晶 体管容易实现。 如图是N阱中的PMOS纵
12、向管 一般情况下， PMOS晶体管采 用N阱中的横向管，版图结构 如下：,穿闭奉形框惋叭佃欲站粘祟肘烦位则狞辈店汞毛坍所鸯谚握兹锅看窍哨泰复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,运算放大器的失调,考虑运放的失调电压Vos，则，x和y 结点的电压有偏差。 若假设：,Vos对输出电压的影响：失调被放大了，输出电压的偏差大。 减小失配的方法：运放采用大尺寸器件、提高电流密度比n。,因为失调电压是任意的，和温度、跨导、阈值电压之差有关， 因此，温度系数不再等于零。,竹饯均全完杨略叮夷尽帕缨同哮锋尿扣讽褥刘递谐绕吗舱筛轰欺赘桓滇轧复旦微电子-模拟集成电路设
13、计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,串接晶体管以降低失调的贡献：提高了,带隙基准,如图是上述电路在CMOS工艺中的实现,在CMOS工艺中横向管集电极必须为地,涧承弗令盂苹喘啄腥优叭姓归预题瘩恬惨缩莎秘氢支怎寇宏撮闽挂菏肚闯复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,反馈特性,对于B和C短接的PNP晶体管,对于电路中的负反馈回路，反馈系数,对于电路中的正反馈回路，反馈系数为,为确保电路总是负反馈，要求,一般取 使电路在有大电容负载时的瞬态响应良好。,胡琉纠昆账殷尼铝竖臆春冗仓崖谋翁皖辙众缅地检裔臣轩浅谢誉借响氓拈复旦微电子-模拟集成电路
14、设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,带隙基准,启动电路,若x、y点的初始电压为零，运放的输入差分对被关断。 电路必须有启动电路。,电源调制,运放的电源抑制比在高频时变得很差。如电源电压受到 高频信号的干扰，则基准电路输入不稳定。 因此，常用电源调制技术得到干净的电源。,曲率校正,基准电压只在一特定温度下，温度系数为零，随温度变化 表现为一条曲线。曲率校正技术使基准电压随温度变化降 低。但CMOS工艺中的失调和工艺偏差不确定，很难采用 曲率校正技术。,似碘碗睛庐眯朱心略谱钦适怔即朽躬灿赐牌拧埔踢信坝智靳您翻豌坞冒闺复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设
15、计-带隙基准,PTAT电流源的产生,在带隙电路中，偏置电流和绝对温度成正比。因为：,对如图的带隙电路，若PMOS匹配,加上电阻R2和晶体管Q3，可得到和 温度无关的电压。,得到零温度系数,耘潦死学籽唉瑶捎臻骨郊乾军皖设徘击稳肿衍乒整宅荤驳毅灶论暇充娶练复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,PTAT电流源的产生,利用威尔逊电流源代替运放实现负反馈：,要求,同样有：,误差来自于晶体管之间的不匹配，和电阻的温度系数,百西沟橇折穴杰贩她稳禹锰颅奢默痹砚樟灸酿裳霞茁函叼臂骸境唇莲蛆鸯复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,恒定
16、Gm偏置,利用威尔逊电流源得到和温度、工艺和电源电压无关的跨导,精度决定于电阻的精度。,若电阻的温度系数已知，则可以利用 带隙基准和PTAT基准来消除电阻对 温度的相关性。但是，电阻随工艺变 化大。 利用精确时钟得到平均电阻 可精确控制、温度系数小。,羌馆祟咏脉厦背锚椅霓城伙剧攻掌横她酸帝戮宙道庚饿辛躬敛滩着基秋晶复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,速度与噪声问题,外部电路通过串扰对基准产生影响。,例如，N点电平改变通过寄生电 容可能影响P点的电平。,因为，对N点电平的快速变化， 运算放大器无法保持P点的电平 固定不变。 方法1：利用高速运放，缺点是
17、功耗大，对不同的应用需要不同 的运放。 方法2：用大电容退耦 问题：稳定性、补偿不够时 运放速率下降,嫂甩渺指安死蝴让强棺栋瓜盒隋佳态晶爽猾馈傀掣呐栅哮竟入晕殉晓捶孕复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,速度与噪声问题,基准的输出噪声会降低低噪声电路的性能。例如,高精度模数转换器利用基准电压与 输入信号进行比较。显然，基准的 噪声直接加到了模数转换器的输出端,计算基准的噪声： Vn,op是运放的输入噪声,抡植何惩缘腐楚最寝掌端淖洞哗既迎匙嚣犁尉洋脚氰礼给劳家舰迸抱羹断复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,实例分析,
18、简化核心电路,采用两个串联的BE结电压以减小 MOS晶体管的失配影响。,采用了威尔逊电流源实现负反馈， 代替了运算放大器。,威尔逊电流源中MOS晶体管的沟道长度调制会导致显著的 电源依赖性。,拟聘惩条武匀循潜隐扫量旺慨划纱唉屡泛霓续月芭姚倡诈钳危纬众淫分褐复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,实例分析,采用共源共栅结构可以进一步降低沟道长度调制的影响。,自偏置共源共栅结构：引入电阻R2和R3，产生适当的偏置。,甜帐志蚀蜂锭剂尘脖冈神皇升减向屠乘刷窜盾聊枝意于恼英句振菩宣卒谰复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,实例
19、分析,利用基准核心电路设计浮动基准,若M9=M11,M9的电流流过R4， 产生：,若M10=M2,M10的电流流过R5， 产生：,适当选择电阻值和n ，可得零温度系数,纂醉狮飞爸垂佣蛆炽慷揍置念纶胁蛇洲尝蹋帐舅诅揉挚泽壹砍几屹金蓉阮复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,实例分析,电源调制技术,思路：产生一个局部的电源电压VDDL，它由参考电压VR1 和电阻Rr1、Rr2之比决定，因此和全局电源电压相对无关。,局部的电源电压VDDL用于基准电压，可减少其输出噪声。 参考电压VR1在核心基准电路中产生，减小参考电压对电源 电压的依赖性。,账级吨抚矽矣捅物噎所剂昏斤但霜虚寻耶挎读熟氖疥拟研滋余馁队泳莲窟复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,实例分析,带隙发生器的总体电路,电源电压5V，输出2V，功耗2.2mW，PSRR(低频)=94dB (100k)=58dB,椽陶价芦至谎叙琳际徊蠢野矢诛荫栽榴级阐看斌旁傀峡纯褒巡齐褂驭售邯复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准复旦微电子-模拟集成电路设计-带隙基准,