一种低噪声高电源抑制比的带隙基准源_徐敏航.pdf
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1、=DOI:1013290/jcnkibdtjs202307007July2023Semiconductor Technology Vol48 No7591一种低噪声高电源抑制比的带隙基准源徐敏航1,2,张振伟1,郎莉莉1,刘海静1,单毅1,董业民1,3,4,*(1 中国科学院 上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室,上海200050;2 中国科学院大学,北京100049;3 上海芯炽科技集团有限公司,上海200120;4 中国科学院大学 材料与光电工程研究中心,北京100049)摘要:基于 0.18 m CMOS 工艺设计了一种低噪声、高电源电压抑制比(PS)的新型带隙基准源(
2、BG)。使用低噪声的垂直双极结型晶体管取代 MOS 晶体管作为运算放大器输入,削减了低频闪烁噪声;通过引入三输入的运算放大器将电源扰动传递到电流管的栅极,极大程度地降低了电源纹波对输出基准电压的干扰;并通过 C 低通滤波器进一步改善噪声和 PS 性能;利用修调电路修调工艺偏差,实现了良好的温度特性。实测结果表明,该 BG 的 PS 在57.7 Hz下为108 dB,与仿真结果基本一致(102.3 dB 50 Hz);输出电压噪声在 10 Hz 时为42.20 nV/Hz,通过新提出的测试方法在 0.11 kHz 测得总噪声电压有效值低于 0.503 5 V;在40125,基准电压温度系数可以修
3、调至 20106/以下,最小值仅 14.09106/;BG面积为 254.1 m370.0 m,功耗约为 8.6 A 3 V。关键词:带隙基准源(BG);低噪声;高电源电压抑制比(PS);CMOS 工艺;低功耗中图分类号:TN710.4;TN432文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)07059109A Low Noise High PS Bandgap eferenceXu Minhang1,2,Zhang Zhenwei1,Lang Lili1,Liu Haijing1,Shan Yi1,Dong Yemin1,3,4,*(1 State Key Laboratory of
4、Functional Materials for Informatics,Shanghai Institute of Microsystemand Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3 Shanghai Simchip Technology Group Company,Shanghai 200120,China;4 Center of Materials
5、Science and Optoelectronics Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:A novel low noise and high power supply rejection ratio(PS)bandgap reference(BG)was proposed based on 0.18 m CMOS process The low noise vertical bipolar junction transistorswere employed t
6、o replace the input MOSFETs of the oprational amplifier to reduce the low-frequency flickernoise An operational amplifier with three inputs was introduced to transmit the power supply disturbance tothe gate of current MOSFET,thus greatly reduced the interference of power supply ripple on the outputr
7、eference voltage The noise and PS performances were further optimized by C low-pass filter Theprocess deviation was adjusted to obtain good temperature characteristics by utilizing trim circuit Themesurement results show that the proposed BG has a PS of 108 dB at 57.7 Hz,which is basicallyconsistent
8、 with simulation result(102.3 dB 50 Hz)The output voltage noise is 42.20 nV/Hz at10 Hz and the total noise root-mean-square voltage at 0.11 kHz is less than 0.503 5 V obtained by thenew proposed measurement method The reference voltage temperature coefficient can be trimmed to lowerthan 20106/at 401
9、25,and the minimum value is only 14.09106/The BG occupies an徐敏航等:一种低噪声高电源抑制比的带隙基准源=592半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月area of 254.1 m370 m,and the power consumption is about 8.6 A3 VKeywords:bandgap reference(BG);low noise;high power supply rejection ratio(PS);CMOS process;low powerEEACC:1205;2570D0引言在集成电
10、路领域,带隙基准源(BG)被广泛应用于模拟电路和数模混合电路,如高精度模数转换器(ADC)中,低噪声、高电源电压抑制比(PS)、良好温度特性的带隙基准源为系统提供了精度高、随温度变化小的直流参考电压,是整个系统不可或缺的部分。近年有关低温度系数的带隙基准源设计有较大进展,通过采用高阶补偿或分段补偿等方法,可以将温度系数控制在 5106/以下13,而低噪声和高 PS 的电路设计相对较少,且指标较差。在高精度系统应用中,不同种类或尺寸的器件对带隙电压产生的噪声干扰极其影响基准电压和系统精度;另外,若系统中包含时钟电路或开关电路,高频的开关动作会干扰电源,使其产生纹波,进一步恶化基准电压性能。因此设
11、计低噪声、高 PS 的带隙基准源是极其必要的。周前能等人4 在电路中引入了新的模块,通过基准电流源和低压差线性稳压器,产生一个额外的直流电压作为带隙基准的电源电压,从源头减小带隙电路的电源纹波,获得了较高的 PS,但是新模块极大增加了电路的设计复杂性和验证难度,导致功耗和面积增大。NAlhasssan 等人5 通过负反馈结构消除电源纹波对输出电压的影响,并通过低通滤波器进一步提升高频处的 PS,在 60 MHz 处可达51 dB,但该设计对低频处的 PS 提升效果有限,并且引入的有源负载、泄漏补偿等模块也增加了设计难度。张涛等人6 在传统带隙基准源的基础上,在运算放大器的输出级引入新支路,将电
12、源的扰动传递到主电流 MOS 管的栅极,使得主电流管的栅源电压保持相对恒定,并且通过低通滤波器进一步改善 PS和噪声性能,但该设计的器件参数会随着温度和工艺偏差发生很大变化,导致性能恶化。伍锡安等人7 对低通滤波器进行改进,使用较少的 MOS 管实现了 G 级的电阻,改善了噪声性能,同时还引入一个开关配合复位电路加快建立时间,但滤波性能同样极易受到工艺偏差和温度的影响。针对上述噪声和 PS 性能方面的问题,本文提出了一种低噪声、高 PS 的新型带隙基准源,应用于高精度模拟前端的24 bit ADC 中,并进行流片;同时针对带隙基准源极微小的噪声,提出了一种新的测试方法。1带隙基准源的干扰分析传
13、统的带隙基准源如图 1(a)所示,采用双极结型晶体管(BJT)产生 2 个温度系数相反的电压,将它们按一定比例相加,得到一个与温度变化无关的基准电压 VBG,即8 VBG=VBE,Q2+VBEQ1,Q213(1)式中:VBE,Q2为三极管 Q2 的基极发射极电压;VBEQ1,Q2为 Q1 和 Q2 的基极发射极电压差;1和3为不同阻值的同种类电阻。式中第一项的温度系数为负,第二项的温度系数为正,调整 1和 3的阻值即可调整两项的比例。VD DM P 1M P 2R2R3XYR1Q 1n:1Q 2vD Dgm 1vs g 1gm 2vs g 2rd s 1vs g 1vs g 2rd s 2A
14、1R3R2R1RQ 1RQ 2gm,A M Pvd i f fro u t+-A 1+-VB GvB G+-(a)传统带隙基准源电路图(b)小信号模型图 1传统带隙基准源电路图及小信号模型Fig.1Circuit diagram and small signal model of conven-tional BG当电源电压 VDD发生扰动时,带隙基准源的输出电压也会发生小幅度的扰动,两者的比例即为电路的 PS,可以通过小信号分析得到该参数。传统带隙基准源的小信号模型如图 1(b)所示,其PS 为9 徐敏航等:一种低噪声高电源抑制比的带隙基准源=July2023Semiconductor Tec
15、hnology Vol48 No7593PS=vBGvDDQ1+31()1gm,AMProut(2)式中:vDD和 vBG分别为电源电压和输出电压的扰动小信号;Q1为小信号模型中的三极管 Q1 的等效电阻;gm,AMProut为运算放大器 A1 的增益,其中 gm,AMP和 rout分别为 A1 的等效跨导和等效输出电阻。由式(2)可知,传统带隙基准源的 PS 较低,输出电压受电源扰动明显。除此之外,带隙基准源中的各个器件会产生不同频率分量的噪声,该噪声与电源无关,是器件本身的特性,不同噪声汇总折算到输出端,也会影响输出电压的精度。因此,在高精度系统应用中,需要对带隙基准源进行改进,以产生更精
16、准的参考电压。2新提出的带隙基准源针对传统电路的噪声和 PS 问题,提出了一种低噪声、高 PS 的新型带隙基准源,如图 2 所示。电路中包含启动电路、带隙基准核心电路、输出电压修调结构和 C 低通滤波电路。在核心电路中,三极管 Q1、Q2,电阻 1、2,MOS 管 MP1以及运算放大器 A1 共同构成了基准电压产生模块(其中可调电阻 2与 1为同种类电阻,用于补偿芯片流片带来的工艺角偏差);运算放大器 A2 产生 MP0 和 MP1 的偏置电压,用于提高带隙基准源的 PS;MP0 及 MN0 支路产生分压 VBN给 A1 和A2 提供偏置电压,进一步增强 A1 和 A2 的 PS性能。3和 4
17、为同类型同阻值的电阻,调整后可使 MP1 工作在合适的区域,同时配合提高 PS;电容 C1、C2用于确保环路的稳定性。启动电路用于使电路摆脱零电流工作点,并进入正常工作状态。C 低通滤波电路配合参考电压缓冲器,在路径上进一步滤除高频噪声和电源纹波带来的干扰。VD DE NM P 1R3R4M Ns t a r t 1M Ns t a r t 2M Ps t a r t 1M Ns t o p 1M Ns t o p 2VB NCs t a r t启动电路带隙基准核心电路XIP T A TQ 1Q 21:nR1R2C1C2M P 2 M P 3M P 4M P 5M P 6Q 3Q 4Q 5 Q
18、 61:11:1:2Q 7M N 1M N 2M N 3VB NVB GVB PM P 0M N 0A 1A 2VB G=R CRf i l t e rP A DCf i l t e rR C 低通滤波Y反相器图 2提出的低噪声、高 PS 带隙基准源Fig.2Proposed low noise high PS bandgap reference2.1电源电压抑制比改进电源纹波对输出电压的影响,本质上是因为电源的扰动改变了 Q1、Q2 所在支路的电流,使得VBG随之变化,因此,本文在传统带隙基准源的基础上进行改进,提出了如图 2 所示的带隙基准源,引入了三输入的运算放大器 A2,用于检测 X、
19、Y节点间的共模电压和 VBG的差,进而检测两支路的电流变化,并反馈至电流管 MP1,使得 MP1 的栅源电压 VGS几乎不变,极大提升了电路抗电源纹波干扰的能力。图 3 是本文提出的带隙基准核心电路的小信号分析简化模型。为了便于分析,将三极管 Q1 和 Q2简化为电阻 Q1和 Q2,图中 vg表示电源扰动引起的 MP1 的栅极电压扰动,vX和 vY分别表示 X、Y节点的电压扰动。vd dvg+-ro 1gm 1vs g 1R3R4vXRQ 1vYRQ 2R1R2A 2A 1vB G+-+-图 3电源纹波对输出电压影响的简化模型Fig.3Simplified model for the infl
20、uence of power supplyripple on output voltage徐敏航等:一种低噪声高电源抑制比的带隙基准源=594半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月由于 MP1 为长沟道器件,其输出电阻 ro1很大,在小信号模型中流经的电流很小。为了更直观地讨论环路对 PS 的影响,进行小信号分析时,忽略ro1的影响。分析可知vX+vY2 vBG()AV2=vg(3)vX vY()AV1=vBG(4)式中:AV1和 AV2分别为运算放大器 A1 和 A2 的开环增益;vX与 vY满足vX=gm1vdd vg()2+1Q1()(5)vY=gm1vdd vg()2+2
21、1+Q2()(6)式中:gm1为 MP1 的跨导;1和 2分别为 Q1、Q2所在支路电流分流的比例系数,分别为1=4+Q2+13+4+Q1+Q2+1(7)2=3+Q13+4+Q1+Q2+1(8)联立式(3)(8)可以求得vgvdd=gm1AV2M1+gm1AV2M 1(9)式中 M 为多项式,即M=1Q1+2Q2+1()2+2AV11Q12Q2+1()(10)带隙基准源的 PS 为PS=20lg vBG/vdd()=20lg AV1 20lg AV2 20lg M+20lg 1Q12(Q2+1)20lg AV1 20lg AV220lg3 42+Q1(Q2+1)()(11)式(9)和(11)表
22、明,若电源端存在扰动,电源到 VBP节点的小信号增益约为 1,意味着 MP1 的栅源电压 VGS几乎不变,核心电路受到的干扰很小,与传统设计相比,本设计的 PS 至少提高了AV2倍。2.2噪声性能改进与新型测量方法在本文设计的模拟前端系统中,ADC 的参考电压 VEF-ADC可以从内部产生或从外部输入,其系统框图如图 4 所示,图中 PGA 为增益可编程放大器,椭圆框内表示该模块引入的噪声。内部参考电压产生模块带隙基准源参考电压缓冲器v2nv2n,带隙基准源,参考电压缓冲器信号输入P G A+-2 4 b i t高精度A D C外部参考电压芯片数据输出VR E F-A D C 2图 4ADC
23、的参考电压模块框图Fig.4Block diagram of reference voltage module of ADC参考电压缓冲器为 ADC 提供幅值合适的参考电压,其增益为 2 倍,起隔离作用的同时也保证了驱动能力。ADC 的转换精度受 VEF-ADC噪声的影响,当使 用 内 部 参 考 电 压 时,VEF-ADC的 总 噪 声v2n,EF-ADC为v2n,EF-ADC=2 vn,带隙基准源()2+v2n,参考电压缓冲器(12)式中电压均以有效值表示,等式右侧第 1 项为带隙基准源的噪声;第 2 项为参考电压缓冲器的噪声。式(12)表明,由于缓冲器存在增益,参考电压的总噪声主要来源于
24、带隙基准源。因此可以通过两种方法分别从器件和路径上降低带隙基准源对ADC 参考电压噪声的贡献。2.2.1从器件削减噪声带隙基准源中的噪声包含电阻热噪声、C 网络的 kT/C 噪声、MOS 管的热噪声和闪烁噪声以及BJT 的噪声。MOS 管的闪烁噪声 v2nf,MOS可表示为8 v2nf,MOS=kCoxWL1f(13)式中:k 为玻耳兹曼常数;Cox为单位面积的栅氧化层电容;W 和 L 分别为 MOS 管的栅宽和栅长;f 为频率。当频率很低时,闪烁噪声分量很大,若噪声的积分频率范围包含低频分段,闪烁噪声会占主导地位且噪声总量较大,在高精度应用中会限制系统性能,将 MOS 管作为运算放大器的输入
25、级时,性能受限程度将更加严重。虽然通过增大 MOS 管的面积可以减小闪烁噪声8,但该方法效果有限,且会牺牲大量面积,增加制造成本。BJT 的噪声 v2n,BC主要包含基极电阻热噪声和集电极电流散粒噪声10,折算到基极可表示为v2n,BC=4kTrb+2qICg2m(14)徐敏航等:一种低噪声高电源抑制比的带隙基准源=July2023Semiconductor Technology Vol48 No7595式中:T 为热力学温度;rb为 BJT 的基极电阻,数量级约为几百;q 为单位电荷常量;IC为集电极电流;gm为等效跨导,gm=IC/VT,其中 VT为热电压,VT=kT/q,当 IC为 A
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