附近下电源电压的运放和启动电路的CMOS带隙基准电路设计.doc

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1、1v附近下电源电压的运放和启动电路的CMOS带隙基准电路设计摘要----在数字ＣＭＯＳ技术中，带隙基准电路的设计提出了一些设计难题，应为电源电压低于硅带隙在电子伏下的电压（１．２ｖ）。有一种旨在解决由电源低压所引起的的主要问题的电流模式结构得到使用，但是应用在运放和专用启动电路中值得我们警惕。即使像耗尽型ＭＯＳ管这样的非标准器件有助于管理供电比例，它们也很少使用且不好控制。所以，他们必须避免放在一个具有高移植性的健全电路设计中。本文提出的这些电路可以适用于低压运放并解决了在达到合适电源电压偏置点的主要问题。在数字０．１８－０．３５μｍ技术中，一些带隙基准电路可以在

2、最小电源电压的为０．９到１．５ｖ的情况下实现５００ｍｖ的标称输出。关键词　带隙基准　ＣＭＯＳ集成电路　低压设计　电压基准一　介绍现在，模拟和数字电路都需要对温度敏感度低的基准电压生成器，比如ＤＲＡＭ和闪存芯片。因为传统的基准电源提供接近于硅带隙在电子伏下的电压，他不能用于最新的电源电压在１ｖ以下深亚微米中。曾经报道的采用电流模式的实现技术的ＣＭＯＳ带隙基准电源具有绕过电源电压限制的可能性。但是，这项技术需要最小２ｖ的电源电压（用耗尽型ＭＯＳＴｓ提供），而且需要额外增加一个在模拟和混合电路中很少使用的复位电源信号。最近报道了采用ＢｉＭＯＳＥ技术的电流模式带隙基准电源

3、，但是低压运放不能用于数字ＣＭＯＳ技术中。本文将会讨论低压带隙基准电源设计和提出一些有用的电路技术。此外，还提出了一些在０．１８－０．３５μｍＣＭＯＳ技术的实现最小供电电源从０．９－１．５ｖ的技术。二　ＣＭＯＳ带隙基准电源在带隙基准电源中，对温度低敏感的输出电压由加在ｐｎ结上的电压和与温度成正比的　　　相加得到。设输出电压Ｖbg大致与硅带隙在电子伏下的电压相等，有可能抵消它的温度敏感性。在CMOS，采用竖向PNP的双极晶体管。由于输出电压为1.2v，这种结构不能用于最新的的CMOS技术中，这种技术的电源电压从1.8V（0.18μm）到1.2V（0.13μm），到下

4、一代技术规模中，将会降到0.9V。使用pn结二极管代替非标准设备可以应对逐渐减小的电源电压，但是再现性、可移植性差，以及需要非标准设备。相反，通过使用电阻，我们可以实现0.7v的亚1v输出电压。但是，这项技术不适用于工作在温度变化范围很大的高精度基准电源，因为降低由电阻得到的电压会大大增加曲率错误。在Fig1中的低压电流模式带隙基准电源，X和Y节点的电源通过运放保持相等，因为R1=R2,I1b=I2bb.因为通过M1和M2的电流也相等，I1a=I2a，R3的压降是（kT/q）ln（N）。由此，通过M2的电流Ib为（1/R3）(kT/q)ln(N)+Vd1/R2,二

5、极管上的压降Vd1恒等于Vx。第一个贡献正比于绝对温度，但是第二个随温度升高的电压：通过选择N，R2和R3是dIb/dT约等于0，一个对温度敏感度低的任意Vref可通过温度系数低的R4得到。三带隙基准电源最近发现了电流模式带隙基准电源有一些限制。最小的供应电压大约为2v，远高于最新CMOS电路支持的电源电压。此外，耗尽型晶体管很少用于运放中，而且在追求可移植性的电路中应该依靠标准的COMS器件。最后，依靠使用额外电压复位信号而使电源正确启动的电路不能用与模拟和混合电路中。分析图1中的电流模式电路可知，理论上它所提供的最小电源电压是Vd1+Vdssat-m1，Vds

6、sat-m1是M1的饱和电压。因为Vd1约等于0.65V，Vdssat-m1约等于0.1V，理论上可以使供应电压低到0.75V。当是供应如此低的的电压很难达到足够的增益和和稳定性。四运放的设计在图1中，运放的输出电压Vx约等于0.65V，它是D1两端的电源且独立于电源电压。如果更换更简单、安静的器件的措施的话，运放的输入级可以用pMOSE器件也可以用nMOSE器件。在图2中，我们提出了三种解决方案。为了足够的稳定性，每个运放都采用了R-C补偿网络。在每个结构中，偏置电流可从带隙基准源本身产生（虚线），也可从由原电压Vb引脚产生，我们更多采用前一个方案，因为它提供了

7、敏感性更低的电源电压，但是它引起了非必要偏压点上少许电压增加，这个偏压点是没有电流通过的带隙核心。此外，为了使偏压电压降低，我们要使输入晶体管的栅极长度和面积很大。实事上，晶圆基准源的伸展主要得益于运放的偏移电压，另外的一小部分来源于pMOS镜像电流源和基底PNP管。为了比较这些方案的优缺点，我们考虑在0.35μm技术下，我们考虑典型阈值电压为0.5V的nMOS管和0.6V的pMOS管，注意到最新的数字CMOS技术中，这些值并没有太大的改变。图2（a）中，对于pMOS方案，电源电压低于1.5V将使微电流发生器M0工作在饱和区，使偏置电流It升高，降低了共模抑制比。

8、当电源电压