一種高精度自偏置的帶隙基準(zhǔn)源

莫嘯　李冬　張明科　孔德鑫

摘要：本文基于TSMC 28nm HPC工藝，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于900mV低壓差線性穩(wěn)壓器（Low output Voltage，LDO）的高精度自偏置帶隙基準(zhǔn)源。仿真結(jié)果表明，在1.8V的工作電壓下，該帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓接近600mV。tt模式，溫度范圍-40℃到125℃，該帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)低至8.8ppm/℃，具有良好的溫度特性。tt模式，27℃時，低頻的電源抑制比達(dá)到78.8dB，靜態(tài)電流15.4μA。

關(guān)鍵詞：自偏置;帶隙基準(zhǔn);溫度系數(shù);電源抑制比

中圖分類號：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0075-03

0 引言

電壓基準(zhǔn)是當(dāng)今模擬集成電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的模塊，廣泛應(yīng)用于LDO，數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（Analog to digital/digital to analog convert circuit，AD/DA）等電路。無論是哪種應(yīng)用場景，均要求電壓基準(zhǔn)的輸出電壓具有不隨電源電壓變化，溫度波動時輸出電壓變化小，輸出電壓不能受工藝影響的特點(diǎn)。帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)最早提出于1971年，相較于其他結(jié)構(gòu)，帶隙結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)能夠更好的滿足現(xiàn)階段LDO，AD/DA等模擬模塊的應(yīng)用需求，成為目前最常用的電壓基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

本文研究了基于TSMC 28nm HPC工藝下的帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)，該帶隙基準(zhǔn)將被應(yīng)用在900mV的高精度LDO中，因此對其精確度有一定的要求。

1 帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

帶隙基準(zhǔn)的一個重要性能指標(biāo)是溫度系數(shù)。在雙極性晶體管中，基射極電壓與溫度有著負(fù)的溫度系數(shù)，而兩個具有不同密度的雙極性晶體管電壓差有著正的溫度系數(shù)。利用正負(fù)溫度系數(shù)的疊加，可以正好得出與溫度不相關(guān)的電壓。這是帶隙基準(zhǔn)的基礎(chǔ)。本文提出的帶隙基準(zhǔn)是電流模式的帶隙基準(zhǔn)，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從左到右，該帶隙基準(zhǔn)模塊主要包括啟動電路、自偏置電路、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)核心模塊、緩沖器，同時還具有為下級模塊提供基準(zhǔn)電流的輸出電流部分。該帶隙基準(zhǔn)模塊采用了自偏置的電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)支路電流為零時，將出現(xiàn)基準(zhǔn)核心模塊無法啟動的情況，稱之為零狀態(tài)。零狀態(tài)是任何自偏置電路結(jié)構(gòu)都會遇到的，與工作狀態(tài)相對立的狀態(tài)，處于零狀態(tài)下的偏置電路將失去價值。為了保證帶隙基準(zhǔn)模塊可以一直處于啟動狀態(tài)下，需要在支路電流為零時，為支出電流提供一個額外的擾動，將工作點(diǎn)推離該狀態(tài)，進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，因此該電路需要一個啟動電路。

本文啟動電路的主要實(shí)現(xiàn)方式是通過電容在電路使能信號或電源電壓跳變時帶來的抖動進(jìn)行充放電過程，將偏置電路推離零狀態(tài)。在將偏置電路推離零狀態(tài)后，該自啟動電容將不再工作，且不會帶來任何功耗。

自偏置電流源的電流表達(dá)式為，從該表達(dá)式中可以看出，輸出電流與閾值電壓和電阻有關(guān)，與電源電壓無關(guān)。但該結(jié)論的得出，忽略了溝道調(diào)制效應(yīng)，且該效應(yīng)在深納米工藝下更為明顯。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，輸出電流并非完全與電源電壓無關(guān)，只能采用長溝道的晶體管來抑制該效應(yīng)。

運(yùn)算放大器采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，以提高基準(zhǔn)電壓的精度以及對電源電壓變化的抑制能力。緩沖器buffer的輸出連接到輸出PMOS管的柵極構(gòu)成負(fù)反饋，提高穩(wěn)定性。運(yùn)算放大器需要偏置電路提供四個不同的電壓，偏置電路采用兩個電流鏡形成四個偏置電位為放大器提供合適的偏置電壓。基準(zhǔn)核心電路采用了低壓共源共柵結(jié)構(gòu)，電流鏡和差分對管均采用溝道長度較大的晶體管，減少了溝道長度調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致的輸出對電源的依賴性。在設(shè)計(jì)中，兩個三極管發(fā)射極面積比為8：1，即兩個三極管的數(shù)量比為8：1。

2 帶隙基準(zhǔn)的版圖設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

2.1 前仿真結(jié)果

在全工藝角（tt，ff，ss，sf，fs）下，選取27℃、-40℃、125℃三個溫度點(diǎn)，該帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

tt模式，1.8V的電源電壓下，針對溫度從-40℃到125℃的范圍內(nèi)，對該帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

全工藝角下的溫度系數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

tt模式，1.8V的電源電壓下，該帶隙基準(zhǔn)的電源抑制比仿真結(jié)果如圖3所示。

全工藝角下的電源抑制比數(shù)據(jù)如表3所示。

整個帶隙模塊的靜態(tài)電流數(shù)據(jù)如表4所示。

2.2 版圖設(shè)計(jì)與后仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)基于TSMC 28nm HPC工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。為提高帶隙基準(zhǔn)電路的精確度，本文中的NMOS全部采用深N阱晶體管，在NMOS、電阻、電容所在的襯底區(qū)域增加深N阱，防止噪聲從襯底影響敏感電路。基準(zhǔn)核心電路的三極管采用3X3布局，位于版圖的左上角，通過共質(zhì)心的結(jié)構(gòu)，減小工藝誤差。運(yùn)算放大器的輸入對管采用共質(zhì)心對稱的結(jié)構(gòu)，提高匹配度。在電流鏡等結(jié)構(gòu)中，周圍增加dummy管，減小工藝誤差。在電阻串中，電阻采用交叉結(jié)構(gòu)，提高匹配度，同時在兩側(cè)增加dummy電阻。最終該部分版圖如圖4所示。

2.3 后仿真結(jié)果

在全工藝角（tt，ff，ss，sf，fs）下，選取27℃、-40℃、125℃三個溫度點(diǎn)，該帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓數(shù)據(jù)如表5所示。

tt模式，1.8V的電源電壓下，針對溫度從-40℃到125℃的范圍內(nèi)，對該帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

全工藝角下的溫度系數(shù)數(shù)據(jù)如表6所示。

tt模式，1.8V的電源電壓下，該帶隙基準(zhǔn)的電源抑制比仿真結(jié)果如圖6所示。

全工藝角下的電源抑制比數(shù)據(jù)如表7所示。

整個帶隙模塊的靜態(tài)電流數(shù)據(jù)如表8所示。

3 結(jié)語

本文基于TSMC 28nm HPC工藝，設(shè)計(jì)了一款帶有自偏置電路的帶隙基準(zhǔn)源。仿真結(jié)果表明，在1.8V的工作電壓下，工藝角變化以及溫度變化對該帶隙基準(zhǔn)電壓的影響較小，實(shí)現(xiàn)了精度較高的輸出電壓指標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)不錯的電源抑制比的同時，具有較小的功耗。本文采用的深N阱結(jié)構(gòu)，可以為提高帶隙基準(zhǔn)精度提供一定的參考。

A high Precision and Self-bias Bandgap Reference

MO Xiao， LI Dong， ZHANG Ming-ke， KONG De-xin

（The 38th Research Institute of China Electronic Science and Technology Group Corporation ， Hefei Anhui? 231500）

Abstract：Based on TSMC 28nm HPC technology， this paper design a high-precision self-bias band gap reference source applied to 900mV low-output voltage. The simulation result shows that output voltage of the band gap reference is close to 600mV under the working voltage of 1.8V. In tt mode， the temperature coefficient of the band gap reference is as low as 8.8ppm/℃ in the temperature of -40℃ to 125℃， showing good temperature characteristics. In tt mode， the low-frequency power supply rejection ratio reach 78.8dB， and the static current is 15.4μA at 27℃.

Key words：self-bias; bandgap reference; temperature coefficient; power supply rejection ratio