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1、设计1.5VCM0S高阶曲率补偿带隙基准源摘要本文提出了一种低压低噪声高阶曲率补偿CMOS带隙参考源。为了降低基准电压，增 加了两个电阻式。此外，由高值电阻和扩散电阻提供的高阶温度补偿。提供的带隙基准电源 可以提供1.5V温度系数低于15.2ppm/C电源调整率为5.5mV的基准电压(Vth=0.9V, 0C)。1 介绍 基准电压源是许多电子器件不可缺少的一部分，比如电源转换，数据转换和射频电路 基准电压源对温度的依赖无疑影响了这些应用的表现。所以，低压低温度系数的基准 电压源在商业产品中变得越来越重要。实际上，有很多技术可以减小基准电压源的温度系数， 比如由Song et al提出的二次温度
2、补偿技术及由Rincon-Mora et al发展的分段线性曲率校正 技术。基于电阻率随温度改变，Lewis et al.和Audy分别提出了二阶和三阶曲率补偿技术。 这一思路由Leung et al扩展到高阶曲率校正并应用到CMOS基准电压源的设计中。温度补偿 CMOS 带隙基准电源利用负温度系数，高值多晶硅电阻和正温度系数的扩散 电阻实现电阻系数与温度相关。从而有效地减少带隙基准电压的漂移。以上电阻都可以用 CMOS技术实现，最小的供应电压为2V,作为将来的应用来说还不够低。为了进一步减小电源电压，本文提出了一种低压曲率补偿技术。它通过两个相同的电 阻串同时提供曲率补偿和电平转换。在这篇文
3、章中，在第二节提出了低压基准电压方案，这个重要的设计考虑到了一些会 影响精度的因素，包括电流镜匹配，放大器的偏移电压以及输出噪音。第三节显示了实验结 果并证实了这一想法，最后，第四节提出了结论。2 提出曲率补偿带隙基准电源 电路结构和低压高阶曲率补偿基准源原理图分别如图1 和图 2 所示。为了降低电源电 压，在传统设计中的误差放大器电压Vgs有限，我们使用了 NMOS输入级放大器。电阻串 R2A、R2B 和 R3B 使用偏移电压可以工作在高增益区的输入直流电压 。电阻的值设为 R2A=R2B,R3A=R3B。由于稳定性问题，基准电压源由误差放大器的负输入而不是正输入得 到。此外，电阻串也可以为
4、基准电压提供高阶曲率补偿。操作原理类似于， R1, R2A 和 R2B 为高值多晶硅电阻，R3A和R3B为P型扩散电阻。基准电压Vref 怙=卩换+牛山(小VT +牛ln(N) VTR2B和R1也由同样的材料构成，所以电阻率R2B/R1与温度无关，相反，R2B和R1 由不同不同材料构成，所以 R3B/R1 随温度变化。多晶硅电阻和 p 扩散电阻的温度系数为 -1.05x10- 3和 1.65x10- 3。为了达到高输出精度且对工艺变化不敏感，电流镜和低失调电压放大器的设计是非常 重要的。此外，基准源的稳定性是一个必须考虑的关键点，设计的要求和方法说明如下。1 电流镜匹配误差放大器用来使Ml的V
5、DS与M2的VDS相等以维持基准电压的准确性。此外M1 和 M2 采用了长沟道以减小沟道调制效应。当速度与带隙基准电源设计无关时，这不会降 低带隙基准电源的表现。2 低漂移电压放大器误差放大器的漂移电压与温度有关，它会影响基准源的性能。与温度有关的偏移电压Vos丄:%|期仏L也虽h碎2 F轴何仏)如心一阿口为了减小偏移电压，MA3和MA4 (gmp)的gm应小于MAI (gmn)。来自于MA5的偏流IDN应小于MA1的(W/L)N,且MA2应很大。3 输出噪音误差放大器的噪声源的最小化可以减少基准源的输出噪声。放大器的输出噪声为为了最小化输出噪声，应减小(gmp/gmn),在同样的设计方法中，
6、最小化偏移电压也可 以做到。4频率补偿 就像之前提到的，基准源输出取自由两个回馈环提供的误差放大器负输出(正反馈来 自于误差放大器和M2,负反馈来自于误差放大器和Ml)。误差放大器的负输入上的电容 负载降低了正反馈的宽带而获得了更好的稳定性。Cl极点分离增强了稳定性，一个设计方 针是使用负载电容较大的Cl。3 实验结果我们用AMS 0.6-p mCMOS技术实现了所提的CMOS带隙基准电源。它的阈值电 压大约为0. 9V(0)。图3展示了它的芯片图，有效区域为283p m X 413p m。图 4展示了在不同电源电压和温度条件下的测量结果。建议带隙基准电源的在1.5V, 1.6V, 1.7V,
7、 1.8V, 1.9V 下温度系数为 14.36ppm/C, 15.16ppm/C, 15.17ppm/C, 14.39ppm/oC, 13.59ppm/C and 13.58ppm/C。测量结果表明基准源提供了一个温度系数低的基准电压。电源抑制比和输出噪声扇区的测量结果显示在图 5 和图 6 中。带隙基准电源的电源抑 制比为10Mhz下-42dB，输出噪声为0.135p V/sqrt Hz100Hz。室温下的电源调整率为 5.5mV/V。总电流消耗小于20p A。表一总结了带隙基准电源的性能。Table 1: Measured Performance Summary of the Proposed Voltage Reference.Spedfi cationMeasured ResultSupply Voltage1.5-2VCurrent ConsumptionC5.5mV/VOutput Noise100HzOJ 35gV/sqrt HzPSRR10MHz-42dBChip area: 283jim x 413gmin AMS 0.6-p.tn CMOS N-well technology4 结论本文提出了 1.5V带隙基准电源。使用了基于与温度有关的电阻率的高阶曲率校正理论。 根据建议的结构均衡理论，准确，无差错的执行提供了低温度系数，高电源抑制比和 低噪声基准电压。
