宽输入高抑制比带隙基准电路设计_孙宏建.pdf

1引言带隙基准源作为模拟芯片的核心部分，为整个芯片的其他子模块提供不受外部环境影响的基准电压，其性能对整个电路系统的性能有重要的影响。传统的带隙基准结构只能在较窄电源电压输入范围和狭窄的工作温度范围内才能保持较高的稳定性1。为扩展基准的电压输入范围并保证稳定性，设计一种宽电压输入范围且具有高电源抑制比的基准电路。通过利用电流源和稳压二极管，在很大程度上提高基准电路的电源的供电范围，使其在 340V 的范围内正常运作。针对温度-55180及电源电压 340V 的条件，在保证合格温度系数的情况下，以理想的电源电压抑制输出稳定的基准电压。2带隙基准电路原理一般带隙基准电路的基本结构较为简单，由电流复制电路（或误差放大器）、晶体管、分压电阻等组成，如图 1 所示。带隙基准一般是利用具有正、负温度系数的电压（VBE和 VBE）相加，得到一个不随温度变化的零温度系数的基准电压2。设计主要利用三极管的 VBE的负温度相关系数，涉及到如下三极管宽输入高抑制比带隙基准电路设计*孙宏建1，2，张锦龙1，霍建龙2，朱锦程1，2，赵媛1，2，赵浩生1，2，阮昊1，2（1.河南大学物理与电子学院，开封 475001；2.上海聚迹科技有限公司，上海 200072）摘要:为满足在高压宽输入电压条件下基准源的使用要求、提高电子产品的供电性能，基于华虹宏力 0.18m BCD 工艺设计并实现一种宽输入高抑制比的带隙基准电路。在传统带隙基准电路基础上加以改进，利用电流源、稳压二极管与差分电路共同作用的结构来提高整体电路的稳定性和电源电压范围。利用 Virtuoso 工具 Spectre 进行仿真，实验结果表明所设计基准电压源能在较宽的电源电压范围内良好运行，实现了较为理想的精度和稳定性，适用于高压芯片的设计及电子设备中。关键词：带隙基准；电源抑制比；0.18m 工艺DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.02.002中图分类号:TN402文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）02-0005-04Design of Bandgap Reference Circuit with Wide Input andHigh Rejection RatioSUN Hongjian1,2,ZHANG Jinlong1,HUO Jianlong2,ZHU Jincheng1,2,ZHAO Yuan1,2,ZHAO Haosheng1,2,RUAN Hao1,2(1.School of Physics and Electronics,Henan University,Kaifeng 475001,China;2.Shanghai Juji Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200072,China)Abstract:In order to meet the requirements of reference source under the condition of high voltageand wide input voltage and improve the power supply performance of electronic products,a bandgapreference circuit with wide input and high rejection ratio is designed and implemented based on HuaHong Hongli 0.18m BCD process.On the basis of the traditional bandgap reference circuit,the structureof current source,Zener diode and difference channel is improved to improve the stability of the wholecircuit and the power supply voltage range.Using Virtuoso tool Spectre to simulate,the experimentalresults show that the designed reference voltage source can run well in a wide range of power supplyvoltage,achieving ideal accuracy and stability,and is suitable for the design of high-voltage chips andelectronic equipment.Key words:Band gap reference;Power supply rejection ratio;0.18m process基金项目：科技部国家重点研发计划项目(2018YFB0704100)；河南大学一流学科培育项目(2019YLZDCG02)作者简介：孙宏建（1991），男，山东省烟台市人，硕士研究生，主研方向：模拟集成电路设计。通讯作者：阮昊（1971），男，湖北省通山县人，博士，教授，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，主研方向：光存储，集成电路。收稿日期：2022-12-09*微处理机MICROPROCESSORS第 2 期2023 年 4 月No.2Apr.，2023微处理机2023 年电流公式：其中 IS为反向饱和电流，有 ISKTni2的关系，代表少数载流子迁移率，Tm（m 一般取-3/2），ni代表Si 的本征载流子浓度，ni2T3e-Eg/KT，Eg为 Si 的带隙能量3-4，约为 1.112eV；b 为比例系数，VT=KT/q，所以 VBE为一个有负温度系数的电压。正温度系数的电压则由三极管的基极-发射极电压的差值 VBE所产生。3电压基准的新设计研究提出的新式带隙基准结构如图 2 所示。电路包括带隙基准的供电模块、启动电路、电流源、基准核心和温度补偿等模块。新设计通过电流源和稳压二极管组成新的电路结构，与差分电路共同作用，提高整体电路的稳定性，既在很大程度上提高了基准电路的电源的供电范围，也在一定程度上减小了芯片的版图面积。从图 2 可以看出，当带隙的电源电压从 0 上升到 40V，由 MOS 管 MP0、MN0和电阻 R1、R2、R3组成启动电路使得由 MOS 管 MP0MP4组成的电流镜开始工作；当电源电压升到 6V 之前，开关功率管 MP5一般处于线性区，此时电压 VDD_PRE随着电源电压的升高而升高；当电源电压升高超过 6V 之后，由于受到稳压二极管 Z3的稳压作用，开关功率管 MP5的栅极电压会被钳位到 6V 左右，MP5管的漏极电压 VDD_PRE就被钳位到 5V 左右，而 VDD_PRE作为后续带隙电路电压源就一直输出这一压降给基准核心模块供电。此时整体电路的运放功能开始起效，但由于简并点的存在，当电路上电时，已知会存在两种状态，一种为正常工作态，另一种则为各管正常导通但无电流流过的零工作状态。为避免第二种情况发生，需要先启动电路来使带隙核心电路正常工作，待整个电路工作起来之后再通过反馈关断启动电路，以避免其影响核心电路的运行。在图 2 中，通过由 MP4、MN7、MN8、MN12等 MOS 管组成的电流镜电路复制 MP4的电流，外部使能信号作用于 MN10、MN11的栅极，分别给由 MP7、MP8、MN13、MN14及电阻 R6组成的偏置电路和由 MP11、MP12、MN15、MN16等带隙核心电路提供启动信号；待电路输出端电压反馈到 MN9，使其导通，导致 MN7、MN8、MN12的栅极电压拉低，进而影响由MN7、MN8、MN12组成的电流镜使启动电路不工作，使启动电路对基准核心电路不产生影响,以此为后续带隙核心电路的正常工作提供稳定精准的电压。(1)(2)(3)图 1简单电流复制电路的带隙基准BECSTexp()VIIV=g4Sexp()mEIbTKT+-=CBETSln()IVVI=M1M2M3M4R1Q1Q2Q3R2M5VREFGND由 MP9MP11、MN15MN16均为相同的对管组成的差分运放电路和 Q1Q2、R8R12组成的温度补偿电路共同构成带隙基准核心电路。已知两个双极晶体管在不相等的电流密度（IC/IS）下，它们的 VBE的差值表现出正温度系数。Q1和 Q2的尺寸比为 n:1，则两者的基极与发射极电压差为：流过 R12的电流与温度成正比，其大小为：MN0MP0MP1MP2MP3MP4MP5R1R2R3Z3R4R5VDD_PREEN1MP6MN1MN3MN2MN4MN5MN6Z2MN7MN8MN9MN10MN11MN12MN13MN14MN15MN16MN17MN18MP7MP8MP9MP10MP11MP12C1MP13MP14R6R7R8R9R10R11R12Q1Q2R13C2VDD_PREIP_PTATVBGVDDGNDEN2EN2供电偏置电路供电电路偏置电路带隙核心电路输出EN1图 2新设计带隙基准电路(4)BEBE1BE200TTTS1S2 lnlnln VVVnIIVVVnII=-=-=62 期因此输出电压为：设计中 Q1和 Q2的尺寸比为 8:1，需要依此分配 R8、R10、R12的电阻值，将正温度系数 VTlnn 和负温度系数 VBE1按一定比例相加即可得到零温度系数的输出电压 VOUT5。在所设计的带隙基准核心电路中，为了钳制电压、使基准核心电路的输入正负两端相等，加入了运放。该运放的作用是使正负端的共模电平相等，对增益要求则相对小一些。为了避免电路的不稳定，使两级放大器的主次极点分离，采用密勒补偿电容和调节零点的电阻来增加环路工作的稳定性。此处虽可通过 NMOS 管作为差分输入的单级，但在较低电源电压工作的需求下，并不适于现实的工艺条件，故此选用 PMOS 管作为差分输入6。基于工艺设计规则，并考虑匹配因素（如：电流镜、差分对等）、寄生因素（如：金属走线的寄生、闩锁效应等）、天线效应（尽量避免过长导线）等，整个版图的面积约为 470m320m，如图 3 所示。4基准电路仿真与分析电路在 Virtuoso 上进行设计，利用 Spectre 工具完成仿真。在电源电压由 0 上升到 40V 的过程中，带隙基准电路的基准电压输出曲线如图 4 所示。不同工艺角下的仿真结果曲线如图 5 所示。由图 4 中的仿真结果可见，当电源电压上升到3V 左右，基准电路开始工作并稳定在 1.2V 左右。当电源电压升高，输出电压并不随之改变，整个电路已完全处于工作状态。在 340V 范围内带隙基准处于正常工作范围，说明输入电压范围足够宽。图 5 的仿真结果表明，在 TT、FF、SS 工艺角下基准电压的输出比较稳定。带隙基准电路的温度系数也是反映电路输出电压温度稳定性的关键指标，在无额外复杂电路添加的情况下，电路的温度系数仿真结果如图 6 所示。在典型工艺角下随着温度从-50180逐渐上升，基准电压基本保持在 1.2V 左右，最高 1.194V，最低 1.1923V，有 610-6/的温度系数。由于此温度系数较为理想，该电路在较低和较高温度下也能正常工作。除了温度，基准电路也受到电源电压变化带来的干扰，对此，电源抑制比（PSRR）能够很好反映整个电路的稳定程度。典型工艺角下，温度取 27，基准电压的电源抑制比仿真曲线如图 7 所示。在低频状态下，基准的 PSRR 为 133.5dB，说明该基准电压源具有良好的抗干扰特性。(5)12T12lnnIVR=TOUTBE18101212ln=()VnVVRRRR+(6)图 5不同工艺角下基准电压仿真VDD_PREVBGttffssffttss图 6温度系数仿真VBG图 7基准的 PSRR 特性仿真VF/VBG图 4基准电压输出仿真VDD_PREVBG图 3版图设计孙宏建等：宽输入高抑制比