一种高精度CMOS带隙基准电压源设计

一种高精度CMOS 带隙基准电压源设计

沈菊,宋志棠,刘波,封松林,朱加兵

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050)

摘要:介绍了带隙基准电压源的基本原理,设计了一种高精度带隙基准电压源电路。该电路采用中芯国际半导造公司0118L m C M OS 工艺。Hspice 仿真表明,基准输出电压在温度为-10~120e 时,温度系数为613@10-6/e ,在电源电压为310~316V 内,电源抑制比为69dB 。该电压基准在相变存储器芯片电路中,用于运放偏置和读出/写驱动电路中所需的高精度电流源电路。

关键词:带隙;电压源;温度系数;电源抑制比,互补金属氧化物半导体

中图分类号:T N432 文献标识码:A 文章编号:10032353X (2007)0920792204

Design of High Precision CMOS Bandgap Voltage Reference

S HEN Ju,SO N G Zhi 2tang,LIU B o,FENG Song 2lin,Z HU Jia 2bing

(Shanghai Ins titute o f Mic r o s ys tem and In formation Techno lo gy,Chinese A cademy o f Sciences,

Shanghai 200050,China )

Abstract:A novel super perf or mance C M O S voltage reference circuit was designed based on the theory of bandgap voltage reference.Using S MIC 0118L m CM O S process,Hspice simulation shows that the avera ge temperature coefficient is 613@10-6/e in the ra ge of -10~120e .The circuit also has a high power supply rejection ratio,about 69dB when power supply voltage changes f rom 310~316V.It can be used in the high precision driver circuit of phase change memory chip.

Key words:bandgap;voltage reference;temperature coef ficient;power supply rejec tion ratio;CM O S

1 引言

相变存储器(C 2RA M)是一种新型的半导体存储器,利用加工到纳米尺寸的相变材料在晶态与非晶态时不同的电阻状态来实现数据存储[1]

。读、写操作是通过施加电压或电流脉冲信号在相变存储单元上进行的[2]。

对存储器芯片而言,随着集成电路技术进入深亚微米,要求在其内部设计电压基准和电流基准。这种基准是直流量,它与电源和工艺的参数关系很小,而与温度的关系是确定的。C 2RA M 的存储单

元对操作电压或电流十分敏感[2]

,因此其电压和电

流基准必须具有高精度。

本文介绍了一种新型的、结构简单的带隙基准电压源电路的设计,基准输出电压具有较低的温度系数和较高的电源抑制比,该基准用于C 2RA M 芯片中的运放偏置电路和对相变存储单元进行读、写操作的高精度驱动电流源电路。

2 电路实现及分析

211 带隙基准原理

带隙基准的原理[324]

是,对两个随温度变化而向相反方向变化的电压V 1和V 2,选取k 1和k 2,

使得

k 1

9V 19T +k 29V 2

9T

=0(1)

则得到具有零温度系数的电压基准

集成电路设计与开发

Design and Development of IC

V ref =k 1V 1+k 2V 2(2)半导体工艺各种不同的器件参数中,双极晶体管的特性参数具有最好的重复性,能提供正温度系数和负温度系数严格定义的量,成为基准产生电路的核心。双极晶体管的基极2发射极电压V be 呈负温度系数;两个双极型晶体管工作在不同的工作电流时,基极2发射极电压差$V be 正比于绝对温度。取

V ref =V be +K $V be

(3)

求出合适的K 值,可得到与温度几乎无关的参考

电压。

212 电路设计实现

本文设计的电路结构如图1所示,主要由控制电路、核心电路、提高电源抑制比(PSRR )电路

及启动电路组成。

图1 基准电压电路

21211 控制电路

控制电路由两级反向器电路构成,两级反向器的宽长比逐级增大,当数字使能信号O EN 为低电平时,电路不工作,降低了功耗;当O EN 为高电平,经两级反向器提高驱动能力后的输出端C 能有效地驱动运放A MP 的BI AS 的使能管,给它建立起稳定的直流偏置BIAS 。这样有效地解决了因版图中走线过长或后级电路晶体管存在寄生电容而导致的驱动能力不够的问题。21212 核心电路

核心电路中所使用的运放为图1中的A M P,由于CM O S 工艺存在大的失调电压和工艺偏差,并且失调电压是随温度改变的,所以设计时,应使运放的开环增益尽可能大[526],以减小失调电压对电路的影响,故A M P 在设计时采用了单端输出的两级运放结构。

运放AM P 使电路处于深度负反馈,在理想状态,电路平衡时,节点n 1和n 2处电压相等

V nl =V n2

(4)V nl =V eb0+I C0#R 1(5)V n2=V eb2

(6)V e b0+I C0#R 1=V eb2

(7)

Q 0发射区面积为Q 2的m 倍,I s 为Q 2的反向

饱和电流,那么

V e b0=k T q ln I C0m I s (8)

V e b2=k T q ln I C2

I s

(9)

I C0#R 1=kT q ln mI C2

I C0

(10)

M OS 管M 11,M 12,M 13,M 14分别形成电流镜,取M 12,M 13,M 14有相同的宽长比,则

I C2=I C0=I C1(11)I C0=

kT

qR 1

ln m (12)V ref =I C1#R 2+V eb1(13)V ref =

k T q

R 2

R 1

ln m +V eb1(14)V R 2=k T q R 2

R 1ln m

(15)对pnp 双极晶体管Q 1,发射极2基极电压具有负温度系数,温度系数表示为

9V eb19T =V eb1-(3+m)V T -E g /q

T

(16)

式中:m U -115;E g U 1112eV;V T =kT/q;q 为电子电量;而V R 2呈正温度系数,有

9V R

29T =

k

q

R 2

R 1

ln m (17)

一定温度下,适当选取R 1,R 2及m ,使9V R 29T =9V eb1

9T (18)即可得到零温度系数的基准电压V ref 。21213 提高PSRR 电路

当电源电压V D D 升高,则节点RE G 电压升高,使n 1,n 2节点的相对电压差产生相应的变化,经A M P 放大后,节点n 3的电位升高,这样,最终由M 14产生反馈电流使V REG 降低,从而保持较稳定的状态。即核心电路本身就有一定的电源抑制作用[7]。

V RE G 越稳定,输出V ref 对V D D 的抑制越强,要

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有更高的PSRR ,需要提高关键的节点n 3与V REG 之间的阻抗[8],或者加上提高电源抑制比电路[9],设计图1中左边部分所示的提高电源抑制比电路结构,该部分电路通过采用双端输出的两级运放O P 的作用,当V REG 电压升高时,使图1中节点n 7电位升高,M 15产生的反馈电流使V REG 电压降低,并保持在一个较稳定的状态,从而有效地提高PSRR 。

21214 启动电路

电路正常工作点由前面所述推导确定,但当电源V D D 接通瞬间,可能出现各支路电流为0,节点n 4为高电平,节点REG 及n 1,n 2,n 3等为低电平的情况,整个电路不能正常工作[9]。为此需要加上启动电路,启动电路由M 2,M 3,M 4,M 5,M 6构成,作用是保证在出现上述非平衡点时,使节点n 4降为低电平,REG,n 1,n 2,n 3等为高电平并处于一个稳定状态,一旦电路正常工作,M 2,M 3,M 4,M 5,M 6将关闭,启动电路中各支路没有电流流过,不会引起额外的功耗。

3 电路模拟仿真

311 温度特性和电源抑制特性

采用中芯国际半导造公司(S M IC)0118L m CM O S 工艺模型,M O SFE T,Level 49,BJT,L evel 1。对温度特性,固定电源电压313V,在-10~120e 范围内进行温度扫描;对电源抑制特性,在310~313V 范围内对电源电压扫描。输出特性曲线见图2和图3。其中,图3(a)和(b)分别是加上提高PSRR

电路前后的特性曲线。

图2 基准电压

的温度特性曲线

(a)未加上PS RR

电路

(b)加上提高PSR R 电路

图3 基准电压随电源电压变化曲线

312 工艺偏差特性

在TT,SS,FF,FNSP,S NFP 五种工艺角下对电路进行仿真,以验证工艺误差对精度的影响。在TT 模型下,27e 时的V ref 为11253632V,将SS,FF,FNSP,S NFP 这四种工艺模型下的基准电压输出与T T 下的比较,绝对偏差最大为010028V,最小为01000756V,相对偏差最大为01002311,最小为01000603,说明工艺偏差的影响很小(表1)。

表1 基准电压随工艺模型的偏差(27e )

导通角SS FF FNSP SNFP V ref /V 11255794112507341125254111254388绝对差010021260100280100109101000756相对差

01001696

01002311

01000870

01000603

4 版图设计

版图设计时需要特别注意器件的匹配性以及布

局布线的合理性。关键器件pnp 双极晶体管,实际

电路中的面积比设为S Q 0B S Q 1B S Q 2=8B 7B 1,关键的Q 0和Q 2,采用了单元器件组合结构:3@3阵列,

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Q 0围绕在Q 2四周,以增加匹配性,电阻采用POL Y 电阻,阻值比R 1B R 2=1B 1012,以R 1为单位电阻,R 2用这样的单位电阻串、并联实现,它们并排放在一起,以减少环境的影响,增强电阻的匹配性。图4和图5

给出了版图实现。

图4 Q 0和Q 2的版图实现

图5 整个C 2RA M 驱动电路的版图实现

5 结论

基于带隙基准电压源的基本原理,设计了一种

高精度带隙基准电压源电路。整个电路采用S MIC 0118L m C M OS 工艺模型,进行了温度特性、电源特性、工艺偏差的仿真。结果表明,输出基准电压在温度为-10~120e 时,具有613@10-6

/e 的温度系数,在电源电压为310~316V 变化时,基准输出随电源电压变化仅为010101%/V,PSRR 为69dB 。各种工艺偏差均较小,相对TT 模型的最大偏差为01002311,是一种低温度系数,高电源抑制比的带隙基准电压源。该电压基准在C 2RA M 芯片电路中,用于运放偏置和读出/写驱动电路中所需的高精度电流源电路,体现了很好的性能。

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(收稿日期:2007204216)

作者简介:

沈菊(1982)),女,江苏苏州人,在读硕士研究生,研究方向为模拟集成电路研究与设计;

宋志棠(19)),男,山西人,研究员,博士生导师,主要从事SOI 材料,铁电、相变材料,半导体工艺与器件,纳电子器件方面的研究工作。

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