1v供电的低噪声带隙基准电压源

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1、1V供电的低噪声带隙基准电压源（节选）KeithSanbornIEEE成员DongshengMaIEEE成员VadimIvanovIEEE成员摘要：本文将会提出一种新的工作电压1V以内的带隙基准电压源，和以前的设计相比，它具有更低的输出噪声，同时对不同的制造过程有着更好的兼容性。这项技术将通过使用反向带隙电压原理（RBVP），使带隙基准工作在1V的低压下。与此同时，在不使用外置滤波器的情况下输出噪声也控制在很低水平。虽然设计时采用的是0.5um的BiCMOS工艺，但是它能与绝大多数的CMOS和B

2、iCMOS工艺很好地兼容。在所有的测试模块和空闲模块中，一个完整的晶圆面积大约是0.4mm2。理论分析和实验结果都显示，在20uA的偏置电流下工作时，输出噪声的频率密度为40nV/Hz。此外，在0.1—10Hz频带下的峰到峰输出噪声仅为4uV。室温下，未经调整的电压基准的平均输出为190.9mV，在-40℃到125℃之间的平均温度系数在11ppm/℃附近，误差不超过5ppm/℃。关键词：BiCMOS低噪声低压噪声测量峰到峰噪声亚1V带隙基准电压温度系数1V供电正文：一、介绍电压基准在模拟电路或者

3、数模混合电路（例如数据整流器和电压调节器）是一个关键性的模块。下面是一个理想电压基准的一些关键要求：(1)输出电压与温度无关；(2)输出电压与输入无关；(3)可以在一个较宽的输入电压范围内正常工作；(4)输出电压易被测量。一个典型的可以满足上述要求的基准就是带隙基准。据作者所知，这种基准最早于20世纪70年代初在NationalSemiconductor杂志中出现，是由Widlar在研究LM1095-V输出电压调节器时提出的。通过改进，基准的输出电压能被调整到10V和2.5V。在这两个方案中，我

4、们都是通过把一个与绝对温度互补的电压（CTAT）和一个与绝对温度成正比的电压（PTAT）相加，产生一个与温度系数一阶线性相关的电压，并作为带隙电路的输出电压。这个与温度系数一阶线性相关电压的产生，可以用表一中所示的带隙基准来解释，这个电路的输出电压为（1）图一.采用双极性NPN管的带隙基准电压源这里的是管和管发射极面积的比值。（1）式中的和分别是CTAT和PTAT电压。电路中各个电阻的阻值和上述的数值应该被恰当得选择，使得CTAT和PTAT电压对温度的影响恰好能够相互抵消。当温度影响被抵消之后，

5、（1）式中的值将约等于0开尔文时候硅的频带间隙电压1.2V。尽管上述带隙基准能够满足之前所提到的所有典型要求，它仍然在最小电源电压方面有个缺点。假设表一中放大器的最大输出过驱动电压为200mV，那么此带隙基准所需要的最小电源电压为（2）随着新制造工艺下最小特征尺寸的不断减小，在这些工艺下工作的电路元件所需要的电源功率也必须要相应减小，这样才能满足更小的击穿电压需求。因此，可以在1.4V电源电压以内工作的电压基准有着非常广泛的需求。进来，一种新的可以解决低压供电问题的电压基准在一些文献中被提出。这

6、些基准通过产生一个与温度无关的电流，并使它的镜像通过一个电阻，以此产生出一个低于1V的输出电压。这些电路不仅可以再在1V的供电下正常工作，而且在BiCMOS和CMOS工艺下都可以实现。但是由于电路拓扑结构中MOS电流镜的存在，这种基准在平带下有着较高的噪声输出。另外一种通过不同MOS器件的阈值电压加权所产生的低压基准，则使用一个外置的滤波电容来减小噪声。可是这种方法也难以实现，因为所需要的滤波电容太大（超过100nF），以至于很难被集成到芯片里。除此之外，由于会增加系统的成本和体积，我们应当尽量

7、避免使用外置零件。本文中，一种新的带隙基准将被提出，它将能在低于1V的电源电压下进行工作。此外，在没有大容值外置滤波电容的情况下，它仍然能很好控制输出噪声。它在BiCMOS和CMOS工艺下都可以很好地兼容。本文的其他内容结构如下。在第二章，我们将回顾一些以前的低压带隙技术，两种低于1V的基准将被详细讨论，分别是电流模式基准和电压模式基准。我们会分析这两种基准所采用的技术和关键性问题。在第三章，我们将给出所设计的方案，包括详细的原理分析和电路图，这一章的后半部分还会有一个和以前技术的简略比较。电路

8、的噪声和功耗的分析则在第四章，这一章同时还提出了相应的优化方案。第五章是仿真结果，用来验证提出的设计方案。第六章主要是研究成果的总结归纳。二、经典低压基准设计方案1.电流模式基准一个传统的带隙基准所需要的输入电压通常要高于其输出电压1.2V。一些文献中已经提出了新的电流模式基准，它们可以在低于1.2V的供电电压下正常工作，同时它们在BiCMOS和CMOS工艺下都可以被实现。通过将CTAT电流和PTAT电流相加，电流模式基准能够产生产生一个与温度无关的电流。随后将这个电流镜像复制并通过一个电阻，就