一種具有魯棒啟動行為的自偏置電流模式帶隙基準

李政達，黃 魯

(中國科學技術大學 電子科學與技術系，安徽 合肥 230027)

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一種具有魯棒啟動行為的自偏置電流模式帶隙基準

李政達，黃 魯

(中國科學技術大學 電子科學與技術系，安徽 合肥 230027)

在很多應用中，帶隙基準需要在很寬的電源電壓范圍內都能正常工作，而啟動電路注入帶隙基準的電流大小往往會因為電源電壓的變化而受到影響。因此，對帶隙基準的啟動行為研究變得很重要，尤其對于自偏置電流模式帶隙基準，該結構在啟動過程中有一段非正常工作區。文章詳細分析了影響自偏置電流模式帶隙基準正常啟動的原因，進而提出一種具有魯棒啟動行為的自偏置電流模式帶隙基準，增強了自偏置電流模式帶隙基準的啟動魯棒性，同時也簡化了啟動電路的設計。帶隙基準的設計采用65 nm CMOS工藝，溫度系數為17.2 ppm/℃，總電流消耗為35 μA。

帶隙基準；魯棒啟動；CMOS集成電路

0 引言

帶隙基準非常廣泛地應用于多種系統和子系統中，例如LDO、DC/DC、ADC和DAC。隨著CMOS工藝的尺寸越來越小，低壓帶隙基準的研究變得越來越重要。一種應用很廣泛的低壓帶隙基準結構由Banba[1]提出，稱為電流模式帶隙基準，它能工作在接近1 V的電源電壓。而且通過曲率補償，電流模式帶隙基準能得到很小的溫度系數[2]。但它的缺點是有一段穩定的非正常工作區，啟動電路可使該電流模式帶隙基準達到正常的工作點。文獻[3-4]中對啟動電路進行了詳細的設計，以確保電流模式帶隙基準的正常工作。文獻[5]詳細分析了電流模式帶隙基準具有一段非正常工作區的原因，為了克服這種潛在的啟動問題，提出了非平衡電流模式帶隙基準。非平衡電流模式帶隙基準僅需采用簡單的脈沖發生器啟動電路便能達到正常的工作點，同時它在很寬的電源電壓范圍內都能正常工作，但此結構的帶隙基準溫度系數較差。另外帶隙基準中的運放有多種不同結構，文獻[6]中為偽差分結構，文獻[7]中為外部提供偏置，文獻[1,4，8]中則采用自偏置結構，自偏置結構會在運放內部構成一個正反饋環路，但文獻[1,4，8]中并未分析自偏置運放對帶隙基準啟動行為的影響。本文對自偏置電流模式帶隙基準進行了詳細的理論分析，分析了自偏置運放對帶隙基準環路穩定性和啟動行為的影響，同時針對電流模式帶隙基準潛在的啟動問題，提出一種具有魯棒啟動行為的帶隙基準。該結構不會額外消耗過多的面積和功耗，也不會如非平衡電流模式帶隙基準那樣增加帶隙基準的溫度系數。

1 自偏置電流模式帶隙基準

自偏置電流模式帶隙基準[1,3]如圖1所示。圖中，PMOS管M8、M9和M10是完全相同的，同時，電阻R3與R4也是相同的，運算放大器通過反饋回路使得Va點的電壓與Vb點的電壓相等，這樣就使得通過電阻R3和R4的電流相等，通過進一步分析不難得到，帶隙基準的參考電壓Vref為：

(1)

圖1 自偏置電流模式帶隙基準

由于帶隙基準中運放的偏置電壓由自己提供，而且該帶隙基準可以得到與溫度無關的電流，故將該結構稱為自偏置電流模式帶隙基準。由于無需額外的偏置電路，該結構的面積更小，功耗更低，而且自偏置運放結構會使帶隙基準有更高的低頻電源抑制。同時該帶隙基準可以得到低于1.2 V的輸出電壓。

但此結構的問題在于增加了帶隙基準的簡并點，如圖2所示，在該帶隙基準啟動過程中，當Va和Vb較低時，三極管Q1和Q2處于截止區，M8和M9的電流全流過電阻R3和R4，此時的帶隙基準處于非正常的工作狀態。這一段非正常工作區將增加帶隙基準的啟動難度，因為在非正常工作區，Va與Vb相等，此時運放無法幫助帶隙基準啟動到正常的工作點，完全需要依靠啟動電路來使帶隙基準脫離這一段非正常工作區。但是在很多應用中，帶隙基準需要在很寬的電源電壓范圍內都能正常工作，而啟動電路注入電流的大小會因為電源電壓的變化而受到影響，若注入電流過大，帶隙基準的輸出會產生較大的過沖，若注入電流過小，則無法確保帶隙基準脫離非正常工作區。在此情況下，為了確保帶隙基準正常工作，在文獻[3]中，用一個遲滯比較器來提升啟動電路的判斷精度和帶隙基準的啟動魯棒性，但是此設計增加了啟動電路的復雜度和面積功耗。

圖2 兩條電流支路的電壓隨注入電流的變化曲線

圖3 非平衡自偏置電流模式帶隙基準

在文獻[5]中提出了非平衡電流模式帶隙基準，如圖3所示，該結構拿掉了帶隙基準的電阻R3，消除了低壓電流模式帶隙基準的非正常工作區，使得此結構的帶隙基準僅剩一個電流為0的簡并點，大大簡化了啟動電路的設計，優化了面積和功耗；但由于缺少電阻R3，導致該結構溫度系數較差，有41.5 ppm/℃。而且除此之外，以上文獻中都并未考慮到自偏置運放中的正反饋對電流模式帶隙基準啟動行為的影響。

2 一種具有魯棒啟動行為的自偏置電流模式帶隙基準

2.1 自偏置運放對電流模式帶隙基準啟動行為的影響

圖1為自偏置電流模式帶隙基準，該帶隙基準的小信號等效框圖如圖4所示。

圖4 自偏置電流模式帶隙基準等效框圖

圖4中：

(2)

(3)

A2(s)=gm10R2

(4)

其中gm8、gm9和gm10指M8、M9和M10的跨導，RQ1和RQ2指三極管Q1和Q2線性區的小信號等效電阻，RQ1=RQ2，CQ1和CQ2指三極管Q1和Q2發射極對地的寄生電容，CQ2≈NCQ1，C0為額外加入的電容，C0≈CQ2-CQ1用于補償CQ2對環路穩定性的影響。R3=R4，一般都遠大于R1、RQ1和RQ2。

自偏置運放內部還存在一個正反饋環路，為M6→M7→M5→M3,M4→M6，自偏置運放內部電路小信號等效框架如圖5所示。

圖5 自偏置運放內部電路等效框架

圖5中：

(5)

(6)

(7)

其中gm1～gm7為M1～M7的跨導，gm1=gm2，gm3=gm4，r1～r4指M1～M4的漏源小信號電阻，Cbias指Vbias點對Vdd的總寄生電容，C3指M3管柵極點對Gnd的總寄生電容，C1為額外加入的電容，其作用是為保證帶隙基準的環路穩定。

自偏置電流模式帶隙基準的負反饋環路增益為：

T負(s)=A3(s)A4(s)[A1(s)-A0(s)]

(8)

自偏置運放內部的正反饋環路增益為：

T正(s)=A4(s)A5(s)

(9)

將式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)帶入到式(8)、(9)中，可得到：

(10)

(11)

此時，不難得到自偏置電流模式帶隙基準的總環路增益：

(12)

(13)

從式(13)中可以看出，當自偏置電流模式帶隙基準正常工作時，由于負反饋的強度遠大于正反饋的強度，所以即使正反饋的環路增益大于1，該結構仍然穩定。但是，當電流模帶隙基準處于非正常工作區時，此時三極管Q1和Q2工作在截止區，可得到：

(14)

(15)

由于三極管Q1和Q2工作在截止區，CQ1和CQ2的值會減小，但C0一般為MOS電容，三極管截止時，MOS電容也處于截止區，電容同樣會減小，而R3=R4，故A1(s)-A0(s)≈0。最終將導致T負(s)≈0，此時自偏置運放內部的正反饋將可能會阻止自偏置電流模式帶隙基準的正常啟動，使得自偏置電流模式帶隙基準的啟動變得更加困難。

2.2 具有魯棒啟動行為的自偏置電流模式帶隙基準設計

自偏置電流模式帶隙基準難啟動的主要原因是在其啟動過程中，Va和Vb相等所產生的一段非正常工作區，而Va和Vb相等的原因是由于R3=R4，文獻[3]中將R3拿掉，使得帶隙基準啟動過程中Va一直大于Vb，消除了電流模式帶隙基準的非正常工作區，但缺少R3后使得帶隙基準穩態時溫度系數變得很差。通過分析可知，只需在此帶隙基準啟動過程中讓Va電壓一直大于Vb即可，本文通過在帶隙基準啟動過程中額外注入電流I1來消除這一段非正常工作區，如圖6所示，額外注入的電流I1起到了類似于拿掉R3的作用，但是當帶隙基準正常工作時，便不再額外注入電流，此時便不會影響到溫度系數。需注意的是，此帶隙基準啟動過程中，下拉Vbias是必須的，因為運放為自偏置結構，若不下拉Vbias而僅僅往Va中注入電流，運放則無法工作在正常的工作點。

圖6 本文提出的具有魯棒啟動行為的自偏置電流模式帶隙基準

如圖7所示，此時電流模式帶隙基準的非正常工作點僅剩下電流為0的簡并點，啟動電路只需讓電流模式帶隙基準脫離電流為0的簡并點即可，之后運放便會幫助此帶隙基準達到正常的工作點，這將大大降低對啟動電路判斷精度和注入電流精度的要求，提升帶隙基準的啟動魯棒性。而且由于額外注入的電流，Q1進入線性區，A1(s)≠A0(s)，自偏置運放內部的正反饋對電流模式帶隙基準啟動影響的問題也得到了解決。此外，額外注入電流I1的方法并非一定需要上電復位信號，其他的啟動電路同樣也可以達到此目的。

圖7 兩條電流支路的電壓隨注入電流的變化曲線

3 電路仿真結果和比較

基于SMIC65 CMOS工藝，使用Cadence Spectre工具對電路進行仿真，當電源電壓為1.4 V時，基準電壓在-40℃～+100℃下溫度系數為17.2 ppm/℃。如圖8所示。

圖8 帶隙基準的溫度特性

圖9為電源電壓從0 V～3.6 V時帶隙基準的仿真。從圖中可以看出，當電源電壓為1.4 V～3.6 V時，帶隙基準輸出電壓Vref=400 mV。

圖9 寬電源電壓下的帶隙基準仿真

圖10 帶隙基準啟動的瞬態仿真

為了驗證此電流模式帶隙基準具有魯棒啟動行為，圖10給出了帶隙基準啟動的瞬態仿真，可以看出，在帶隙基準啟動過程中，Va一直大于Vb，說明此時非正常工作區已經被消除。

表1給出了本設計和其他設計的比較，文獻[5]為非平衡電流模式帶隙基準，本文與文獻[5]都能在很寬的電源電壓范圍內正常工作，但文獻[5]的溫度系數較差，為41.5 ppm/℃，而本文的帶隙基準溫度系數為17.2 ppm/℃。

表1 本設計與其他設計比較

4 結論

本文基于SMIC 65nm工藝提出了一種具有魯棒啟動行為的自偏置電流模式帶隙基準。提升了自偏置電流模式帶隙基準的啟動魯棒性，減小了啟動電路的設計復雜度，降低了對啟動電路判斷精度和注入電流精度的要求，使得此帶隙基準可以在很寬的電源電壓下正常工作，并且也不會影響到帶隙基準的溫度系數。

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A self-bias current-mode bandgap reference with robust start-up behavior

Li Zhengda, Huang Lu

(Department of Electronic Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

In many applications, the bandgap reference needs to operate over a wide range of supply voltages, the amount of current injected into the bandgap reference by the start-up circuit can be affected by variations in the supply voltage. Therefore, it is important to study the startup behavior of bandgap reference, especially for the low-voltage self-bias current-mode bandgap reference, which has a non-normal operating region. In this paper, the reasons that affect the self-bias current-mode bandgap reference normal startup are analyzed in detail. Then, a self-biased current-mode bandgap reference with robust start-up behavior is proposed, the start-up robustness of the self-biased current-mode bandgap reference is enhanced, and the design of the start-up circuit is simplified. A bandgap reference in 65 nm CMOS process is presented, the temperature coefficient is 17.2 ppm / °C and the total current consumption is 35 μA.

bandgap reference; robust start-up; CMOS integrated circuits

TN492

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.011

李政達，黃魯.一種具有魯棒啟動行為的自偏置電流模式帶隙基準[J].微型機與應用，2017,36(13)：34-37，41.

2017-02-10)

李政達 (1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：模擬集成電路設計。

黃魯(1961-)，通信作者，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向：混合信號IC芯片設計。

E-mail: luhuang@ustc.edu.cn。