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低于1V的基准电压和其它应用

低于1V的基准电压和其它应用

低于1V的基准电压

由于带隙基准电压总是1.2V,我们想知道如何获得一个低于1V的基准电压。 事实上,唯一可用的物理常数是这个带隙电压。 如何在较低的电源电压下利用该带隙电压的特性? 答案是将这个带隙基准电压转换为电流, 然后总结为较低的输出基准电压。对电源电压的要求是,我们至少需要一个VBE和一些mV。我们可以在极低的电流下偏置双极晶体管,这可能产生VBE值降至0.5V,在这种情况下,最小电源电压可以达到相同的数量级。

下图给出了低于1V带隙基准的原理。基准电压约为0.5V。由于使用了纯CMOS工艺,因此只能使用垂直的pnp,它们都用二极管表示。运算放大器有足够的增益来平衡电压Va和Vb。它是一个以C2作为补偿电容的两级放大器。请注意,这不是米勒电容。此外,所有的pMOST都携带相同的电流。 由于电压Va和Vb相同,因此从这些节点到接地的电流也必须相同。结果通过R3的电流是与绝对温度成正比,而通过R2的电流只是VBE/R2。这两个电流的总和也流经输出的pMOST,然后用R4的值设置输出电压。 然而,运算放大器的输入差分对不允许很低的电源电压,这将电源电压限制在2VGS+VDSsat。对于大约0.5V的VT,这大约是1.6V!运算放大器现在是限制因素。

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图 1    低于1V的CMOS 基准电压源

 

在下图这个实现中,使用了一个低于1V的电源电压的运放,结果一个真正的低于1V的带隙基准压源出现了,然而使用BiCMOS工艺而不是标准CMOS工艺。该原理与前面提到的原理相似, 运放通过使用反馈来平衡其输入电压,这个电压就只是VBE。所有的pMOST都有同样的电流。 因此通过电阻R0的电流与绝对温度成正比 (PTAT),它被添加到电流VBE/R2中,这个电流和也流过输出晶体管,然后电阻R3设置输出基准电压,这里大约是0.54V。

最近,同一作者(Cabrini,ESSCIRC 2005)添加了完全 CMOS 版本的设计, 在 -50°C 至 160°C 温度下为 7 ppm/°C,在 1 V 电源电压下仅消耗 26 uW, 折叠级联用作运算放大器。

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图 2    电源电压低于1V的BiCMOS 基准电压源

 

在低于1V的电源电压下工作的BiCMOS运算放大器显示在下图中。它使用了一个伪差分输入级;这很容易,因为输入电压连接到带隙的VBE。实际上,输入晶体管与带隙基准的二极管连接的npn晶体管形成电流镜,电流现在就确定了!输入晶体管的输出通过一个或两个电流镜导致输出, 因此它是一个单级的运算放大器,增益中等,但主导极频率较高,如GBW所指出的。最低电源电压为VGS+VDSsat。对于大约0.5V的VT,这只有大约0.9V。

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图 3    1V 运放 ( 1.2 MHz, 25 pF, 35 uA )

 

在下图中添加了启动电路。当电源接通时,电阻还不携带任何电流,晶体管MS导通,这也开启了带隙基准,然后npn电流镜开始导通并打开pMOST电流镜,其栅极总是设置为偏置电压VB。电阻现在携带一个很大的电流,这样MS的栅极接近电源电压,晶体管MS再次关闭。它不影响带隙基准的电流平衡。

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图 4    启动电路

 

曲率补偿现在是可行的。为此目的,添加了一个二极管和两个电阻R4和R5。它们生成一个项,从具有绝对温度成正比 (PTAT) 电流的结的 VBE 中减去具有恒定电流的结的 VBE。 该项就是曲线校正。 它的值由两个电阻设置。 通过这种方式,曲率误差在超过 80°C时,从 0.8 mV 降低到 0.3 mV,

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图 5    曲率校正

 

在下图的案例中,另一个运放被使用,它工作在低于1V的电源电压。一个真正的低于1V带隙基准再次出现,这次使用了标准的CMOS 工艺。这个原理与以前相似,运放通过使用反馈来平衡其输入电压,这个电压就是VBE;所有的pMOST都有同样的电流,通过电阻R1的电流与绝对温度成正比,它被添加到电流 VBE/(R2a+R2b) 中,这个电流的和也流过输出晶体管,电阻R3设置输出基准电压,这里约为0.6V。

作为运算放大器,使用折叠级联。 事实上,它的输入电压范围包括地。 此外如果使用低电压电流镜,则可以使用对称 OTA。 现在有几种设计方案是可行的,前提是可以设计一个运算放大器,其在正确的输入电压范围内运行。

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图 6    电源电压低于1V的CMOS 基准电压源

 

电流基准

要从带隙电压基准中获得电流基准,需要一个电阻。电流上的大部分不确定性将取决于这个电阻,此外电阻的温度系数也将发挥作用。

将电压转换为电流的最准确的方法是使用运放。 基准电压施加在电阻上, 输出电流与通过此电阻的电流完全相同。主要误差是由运算放大器的失调引起的。 温度系数由带隙基准的温度系数和电阻的温度系数决定。 根据应用的不同,一个可以用来补偿另一个。

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图 7    电压-电流转换器

电阻的温度系数强烈地取决于电阻的掺杂水平,这里只考虑硅中的集成电阻。

高掺杂电阻具有小的方块电阻 ( 方阻 ) ,对温度的依赖小。下图中显示了n型区,电阻率很大程度上取决于载流子的迁移率, 例如发射极区域,但也包括CMOS工艺中的漏极区域和源极区域。 低掺杂的电阻强烈地依赖于温度, 例如n 阱电阻具有很强的温度系数,此外一些具有高电阻率(1-2kΩ/方)的离子注入电阻具有高温度系数,还取决于所使用的退火工艺。基极电阻介于两者之间,这取决于所使用的工艺。在MOST电流-电压表达式中的K’ 因子也包含了迁移率,它随着温度的升高有一定程度的下降。一个典型的值是K’ ~ T−1.5

 

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图 8    电阻的温度系数

 

为了将带隙基准电压精确转换为电流,可以使用下图中的电路,对输入端施加1.25V的带隙电压。相同的带隙电压出现在Q2的发射极,跨过电阻R1,流过Q2的电流因此与温度无关。在Q3发射极和跨过电阻R2的电压与绝对温度成正比,因为它是带隙电压减去VBE,通过Q3的电流也与绝对温度成正比。

添加两个电流并通过R4产生电压,从而驱动输出晶体管,电流反馈通过M5施加。晶体管M6抵消了输出器件的阈值电压,这样电阻R3就不会对精度起作用。 晶体管M6由M4和M7驱动,它的栅极对电压-电流转换起虚拟地的作用。晶体管 M6 和 M8 显示为双管 ( M6A 和 M6B, M8A和M8B ),表示它们很大并且通过质心对称布局匹配良好。

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图 9    电压-电流转换器

 

电流基准也可以在没有电阻的情况下实现,实际上,使用MOST的电阻性沟道来代替。它由顶到顶的电流镜组成,晶体管尺寸比为a和b;nMOST电流镜具有失调电压V2。通过这种方式,唯一可能的偏置点是在零和基准电流Iref,请留意nMOST的体效应并没有出现!

下图给出了实际的表达式,它取决于这个失调电压V2,比值a和b,取决于尺寸W1/L1,特别是包含了迁移率的K’ ,不用说后者 K’ 是在高精度方面最差的一个;此外,K’ 因子的负温度指数约为−1.5。如果我们可以做到V2与绝对温度成正比;那么大约剩下−0.5作为电流的温度指数,这确实是可以接受的! 如何通过 MOST 实现与绝对温度成正比的失调电压V2? 大约 0.32 V 的值可以实现如下。

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图 10    没有电阻的电流基准

 

实现上一讲的与绝对温度成正比的失调电压V2的一个相当简单的方法是使MOSTs工作在弱反转区。同样,对于双极与绝对温度成正比的单元,两个 MOST 通过公共栅极实现弱反转(下图右侧),下端的晶体管T9a作为上端晶体管T9b的电阻,这只有当上端晶体管变大,使其VGS变小时,才有可能实现。 VGS中的电压差,或 T9a 两端的电压 (这里用 Vo 表示),于是又与绝对温度成正比。 参数 S 是 W/L; 对于给定的值,电压 Vo 约为 64 mV, 它仅取决于 W/L 比和 n。

5个这样的单元串联,就产生320mV的基准电压,该电压足够大以抑制不匹配的影响,电流上的弥散可以低至5%!

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图 11    电流基准

 

如果使用开关电容,可以在没有电阻的情况下实现准确的电流基准。我们现在知道,一个精确的电阻可以通过一个等效开关电容来实现,这将在下图的电路中使用。

当如图所示的开关关闭时,基准电压存储在电容C1上,于是它的电荷是VrefC1。在持续半个时钟周期 Tc/2 的同一时间内,通过 T3 的电流正在给和C1 相同大小的C2放电, 这个通过 T3 的电流等于参考电流 Iref。 请留意这里同时使用了正电源和负电源!

当开关以另一种方式闭合时,积分器 A1 和电容器 C3 使C1和C2 上的电荷相等。 如果不是,积分器会调整通过 T1、T2 和 T3 的电流,这也等于 Iref。 C1和C2上的电荷在稳态时相等。 有效电阻与等效开关电容的预期完全相同。 电流现在非常精确,因为它只取决于晶体振荡器时钟和电容器的绝对值。 这比电阻的绝对值精确得多!

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图 12    SC 电压-电流转换器

LDO 调节器

讨论了电压和电流基准, 两者都可用于电压和电流调节器。 这里只讨论另一种调节器, 它是一种负载可变的反馈电路, 因此设计并不简单。

在下图中显示了这两种调节器。左侧使用源随器配置的输出晶体管,右侧作为放大器,结果右侧的在反馈环路中多一个级,因此它更容易出现不稳定的现象,然而它是首选的,因为输出器件的电压降可以更小,因此功耗较小。 注意到负载阻抗可能变化很大,导致稳定性问题更糟。 输出电流可以在三个或更多数量级上变化。 等效负载电阻变化很大, 输出晶体管的跨导也变化很大, 请记住非主极点由该跨导决定。

补偿器件必须覆盖广泛的输出负载。 避免非常大的补偿电容的唯一方法是尝试跟踪负载的补偿模式。

 

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图 13    低压差稳压器原理

 

本章介绍了带隙基准电压的所有重要方面和电流基准,详细的讨论了在双极和CMOS工艺中的带隙基准电压,它们可以在1V电源电压下工作。电流基准实际上并不存在,电压-电流转换需要离散的或MOST的沟道电阻。最后我们必须记住,这些基准电压不仅在ADC中需要,在电压和电流调节器中也需要。这些反馈环路的稳定性并不总是那么明显。

Posted in CMOS模拟集成电路

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