Menu Close

CMOS带隙基准电压

CMOS带隙基准电压

CMOS工艺对带隙基准电压的实现并不那么明显。带隙电压基本上连接到pn二极管,或更确切地说,连接到二极管连接的晶体管。该器件必须具有指数型且可重复的电流-电压特性,这种器件在CMOS工艺中并不容易找到。

在n阱工艺中,横向npn和pnp晶体管都很容易找到,然而它们具有非常低的 β,此外指数型电流-电压特性仅被限制在一个狭窄的电流范围内。另一方面,也可以使用垂直的或衬底的pnp晶体管,其基极是n阱,收集极是公共的p型衬底。 结果,他们所有的收集极都连接在一起。除非集电极已接地,否则它们不能在电路中使用。他们的β值很合理,输出电阻也非常高。

%title插图%num

图 1    N 阱 CMOS 工艺

 

在下图中显示了两种实现。 集电器被连接到衬底上。很明显,这两种电路都只能在n阱CMOS工艺中实现。这不是问题,因为大多数CMOS工艺确实是n阱的。 同样的优点也适用于双极对应物。

然而有一个重要的区别:CMOS运放有一个更大的失调。这意味着它们只有在失调正确的情况下才会自启动。更进一步,该失调在电流均衡和由此在输出电压中产生了更大的误差。

下图右侧电路的电源抑制比 ( PSRR,Power-Supply-Rejection Ratio) 再次更差。

%title插图%num

图 2    有运放的 CMOS 基准电压源

 

在下图中显示了一个带隙基准的实际例子:输出电压调整为 1.2 V,最大变化值为20mV,温度系数仅为4000ppm,或在非常宽的温度范围内的0.4%,或20 ppm/°C。与绝对温度成正比的电流是由晶体管Q1/Q2和电阻R产生,电阻R1和R2相等,与经过调整的RTRIM一起产生输出电压。

运算放大器是一个折叠的级联,以M1/M2作为输入器件,以M3B/M4B的漏极(点PDII)作为输出。它们工作在弱反演区中,现在相当大,以抑制失调和1/f噪声;它是一个两级放大器,因此需要一个补偿电容。

启动电路在下图左侧,它包括掉电功能 。晶体管M7的漏极(点PDII)给放大器和带隙基准提供偏置。,在该点和PD之间,通过晶体管M8/M9和M6/M7有两个反相器。当PD是高电位时,第一个反相器的输出低(点PDI),下一个反相器的输出高(点PDII),因此所有连接该点的pMOST都关闭,放大器和带隙也关闭,输出低电位。

当PD低时,点PDI高,PDII低,使所有pMOSTs提供偏置,输出由运算放大器调节。即使在 PD 消失时,电流镜 M2C/M2D 和电阻 R4 也会钳制这种情况。

%title插图%num

图 3    全 CMOS 基准电压电路

 

为了提高电源抑制比 ( PSRR,Power-Supply-Rejection Ratio) ,可以使用内部调压器,如下图所示。 左侧的带隙基准电压本身很容易识别出来。调节器的目标是确保节点1和节点2处于完全相同的电压,这样PSRR就得到了很大的改进。为此,使用两级放大器,M5作为输入晶体管,M9作为第二级。结果,调整 VREG 以最大程度地使节点 1 和 2 的电压相等。显然,M5必须与M1相匹配。于是,PSRR在1kHz时为−95dB,在1MHz时仍为−40dB。

%title插图%num

图 4    高电源抑制比的基准电压源

 

有时需要一个与地或电源电压无关的电压参考, 它是浮动的, 这需要一个全差分运算放大器,如下图所示。该原理如下图左侧所示:使用两对衬底pnp在右侧产生一个约2.4V的双倍带隙电压。为此目的,晶体管Q1和Q2必须受到与绝对温度成正比的电流的偏置,其在这里没有显示。

%title插图%num

图 5    浮动 CMOS 基准电压源

 

可以在没有电阻的情况下实现带隙基准。实际上,不同尺寸的MOST被用来放大二极管电压之间的差异。存在两个二极管, 十倍大的电流通过小八倍的二极管 D2 产生电压差 ΔVD,即与绝对温度成正比, 该差异然后由差分对 M3/M4 放大,并由 M7/M5 镜像到输出。 另一个差分对 M1/M2 然后将该电流再次转换为电压。

输出电压是由许多缩放因子A、B和G产生的结果,从而向跨二极管D2的电压增加适当的与绝对温度成正比的电压。输出电压不小于1.12V,在70°C温度范围内仅变化9mV。

%title插图%num

图 6    没有电阻的 CMOS 基准电压源

 

与绝对温度成正比单元的两个晶体管之间的不匹配仍然是一个问题。这就是为什么最好使用相同的晶体管,前提是它可以开关。在开关的第一阶段,pnp晶体管只携带电流IB2,该放大器为单位增益,因此输出电压仅为VBE;在开关的第二阶段,所有开关都打开,所有的电压现在都保持不变。在开关的第三阶段, pnp晶体管携带电流IB1+IB2, 该晶体管现在将其VBE增加了ΔVBE, 此外运放现在有了增益,并由两个电容设置,因此这个ΔVBE被放大并添加到之前保持的输出电压中。结果总输出电压为带隙基准电压。

%title插图%num

图 7    单结CMOS 基准电压源

 

很明显,弱反转中的MOST具有指数型电流-电压关系,这几乎与双极晶体管一样好,通过这种方式,双极带隙基准可能可以在CMOS中重复。然而,这之间也有一些重要的区别:首先,对于弱反转,电流小,电阻大,这对噪声不利;此外,MOST也有更大的失调电压, 因此误差也会更大,此外系数IDS0也没有与双极器件相同的温度系数,它不那么可重复。最后,弱反转中MOST的指数包含一个因子n,其中包含一个耗尽电容, 其与电压相关,因此它的值不是很容易重复。

现在很清楚,对于弱反转区的MOST,可以获得与双极晶体管相同的精度。

%title插图%num

图 8    弱反转区的 MOST

Posted in CMOS模拟集成电路

发表评论

相关链接