电压基准源调研报告
- 格式：docx
- 大小：800.77 KB
- 文档页数：12
电压基准源调研报告
报告人：VicYu
时间：2016.06.27
目录
1基于MOSFET的电压基准源
2基于BJT的电压基准源
1基于MOSFET的电压基准（不带BJT的电压基准）
与基于BJT器件的基准相比，基于MOSFET的基准在PVT无关性上具有明显的劣势，但是仍然有很多人进行锲而不舍的研究，这是因为，一是它适应低压低功耗的潮流，二是它省面积。
1.1对迁移率和阈值电压进行温度补偿
例如，工作在饱和区下的MOS管栅源电压和MOS管阈值电压分别为：
2/GSTHOXIVVCWL
002depTHMSFTHVToxQVVTTC
--00=TnnTKT
其中，K为常数，n为1.5左右，迁移率μ具有负温度系数。因此该式的第一项为正温度系数；而VTH为负的温度特性。因此前后两项加权相加可以得到零温度系数的基准电压，在这种方法下，MOS管可以工作在饱和区，也可以工作在线性区。
优点：管子可以工作在线性区和饱和区；
缺点：若工作在线性区，受工艺抖动影响大。
1.2工作在弱反型区的VGS差值（正）与VGS（负）进行温度补偿
处于弱反型区（亚阈值区）的两个MOS管VGS与二极管电压具有相似的温度特性：
22GSTHDSDTT--=(-1)exp1-exp-expGSTHoxTTTVVVVVWInCVkVLnVVnV
DSGSTHT2TOX1=+nln(-1)CILVVVWVn
GSTH1TH2T21TΔ=-+lnlnVVVnVSSnVN
因为MOS管的阈值电压为负温度系数，因而使得处于弱反型区的MOS管的VGS为负温度系数；两者加权相加可获得零温度系数的基准电压。该种方法中，VGS差值的管子必须处在弱反型区。
优点：由于管子工作在亚阈值区，比较容易实现低功耗；
缺点：受工艺抖动影响比较严重，并且管子亚阈值区模型不准确。
1.3将具有同样温度特性的参数进行加权相减
利用两个阈值电压具有相同性质的温度特性（同是正温度特性或者同是负温度特性）MOS管，将分别正比于这两个阈值电压的参数进行加权相减，获得零温度特性的电压基准。采用该种方法的电压基准，其工作管不用处在亚阈值区，可以处于饱和区。
例如，同是增强型的管子NMOS和PMOS的阈值电压分别为：
0-0THnnTHnTVVTT
0-0THppTHpTVVTT
上式中，αn和αp是与温度无关的常数。因此，可以通过对NMOS和PMOS的开启电压进行加权相减，消去温度项，得到与零温度系数的电压。
另外，也可以采用增强型管子和耗尽型管子，进行加权运算获得零温度系数的基准电压。
优点：管子不用工作在线性区，从而减小了工艺漂移的影响；
缺点：若采用耗尽型管子，则需要增加工艺成本。
2基于双极型晶体管（BJT）的电压基准
2.1二极管电压的温度特性
若PN结二极管电压（或双极晶体管的基极-发射极电压）处于正向偏置区，流过二极管（或双极晶体管的集电极）的电流与二极管电压（或基极-发射极电压）呈指数关系，即：
BEBECSSTT=exp()-1exp()VVIIInVnV
CCBETTG0T1SG01Tln=ln=V+VlnlnkTexpCTIIVVVIVkTIVV
若取温度为T0时的VBE电压为VBE0，则有：
BEG0G0BE0T00=---(-)ln()TTVVVVxVTT
其中，VG0是温度为0K时二极管电压，为1.2V，T表示热力学温度，η是与工艺相关的参数，取值范围为3.6~4，x是二极管电流与温度相关的特性（IC=DTx，其中D为与温度无关的常量，对于与温度成正比的电流而言，x=1）。二极管典型温度系数大约为-2.2mV/℃。
分别对VBE求一次导和二次导：
G0BE0BET000-'=-+(-)-(-)ln()0VVkTfVxVxTqT＜
BE1''=-(-)0kfVxqT＜
由此可以分别知道VBE温度曲线：是递减函数；斜率递减的，是凸函数。
2.2基于二极管（双极晶体管）电压基准源
基于二极管电压（基极-集电极电压）的基准源可以实现：
①零阶电压基准源：未进行温度补偿，温漂性能为1.5~5mV/℃；
②一阶电压基准源：抵消一阶分量，温漂性能为50~100ppm/℃（0.05~0.1mV/℃）；
③二阶或高阶（曲率校正）电压基准源：进行了二阶或更高阶分量的抵消，温漂性能低于50ppm/℃。
2.2.1零阶电压基准源
①齐纳管实现的电压基准源
【例】
+-VZVinVredZenerR
常见的齐纳二极管击穿电压为5.5~8.5V，正温度系数，温漂性能为1.5~5mV/℃。
②二极管电压基准源1
【例】
+-VDVinVredDiodeR
输出电压值0.7V左右，负温度系数，温漂性能约为-2.2mV/℃。
③二极管电压基准源2
【例】
VoR1R2R3Qn2Qn2CVin
输出电压为：
BER2o=V1R1V
综上，零阶电压基准源的优点：电路设计很简单，占用面积小；
零阶电压基准源的缺点：随工艺漂移较大，温漂太大。
2.2.2一阶电压基准源
①齐纳电压基准源
【例】
Vref1.5RQn2VinR
若齐纳二极管温漂为+5.5mV/℃，而二极管温漂为-2.2m V/℃，则需要2.5个串联的正向偏置的二极管电压（2.5*（-2.2 m V/℃）=-5.5mV/℃）进行补偿。输出电压基准为：
ZBEref=V+2.5VV
优点：设计简单，版图面积小；
缺点：随工艺漂移大，输出电压高，电源电压要求高。
②带隙电压基准源（电压模）
【例】
IPTATVCCQ1Q2MP1MP2MP3R2VrefR1abAMPGNDIPTATIPTAT1N
正温度系数电流：
12-ln()11BEBEBEPTATTVVVIVNRR
输出电压：
22ln1.2V1BEPTATBETRVrefVIRVVNR
基极-集电极电压VBE温度系数约为-2.2mV/℃，热电压VT温度系数为+0.086 mV/℃。
优点：PVT特性好；
缺点：输出电压固定为1.2V，不适合低电源电压下工作。
③带隙电压基准源（电流模）
【例】
IPTATVCCQ1Q2MP1MP2MP3R3VrefR1AMPGNDIPTATIPTAT1NR2R2ICTATICTAT
输出电压：
TR3lnNR3+R3=+VR2R1R2R1BEBEBEVVVrefV
优点：PVT特性好，适合低电源电压下工作；
缺点：设计较为复杂，电路启动更为困难（与电压模带隙基准相比）。
2.2.3曲率校正基准源
①二阶曲率校正技术
【例】
电流镜1:1RR1R2IPTAT2Qn1Qn2RR1R2IPTAT2D1D2VrefVref
输出基准电压为：
2BEPTATPTATV2IR1R2IVref（+）+R2
优点：
缺点：电路设计复杂，成本较高。
②与温度相关电阻比例技术（二阶曲率校正）
【例】
R1R2(A*VBE)/R1Vref(B*VT)/R2
输出基准电压为：
BETTAVBVBVR4R4R3R1R2R2Vref
其中，R1，R2，R4为type1型的电阻，R3为type2型的电阻，且Rtype1/Rtype2=+TC。
优点：电路简单，成本低廉；
缺点：两种类型的电阻失配较大，可能需要增加修调位数，工艺依赖性很强。
③二极管环路技术
【例】
R1Vref输出电流镜：（IVBE+INL）qn3qn1qn2R2R3IPTATINLIconstantIPTATIPTATIVBE
非线性补偿电流、与温度无关电流、输出基准电压分别为：
12tantanlnln333'BEqnBEqnTPTATTPTATNLNLconstconstVVVNIVNIIRRIIRI
tanPTATVBENL=I+I+IconstI
tan1constVrefIR
优点：适合在低电源电压下工作；
缺点：静态电流较大。
④β补偿技术
【例】
NPN晶体管正向偏置电流增益具有指数关系的温度特性，也就是说，随着温度的提高双极型器件导电能力更强：
0expexpGGTEVkTV
Vref1RI=ATI=BTVref2RI=ATI=BT
输出基准电压分别为：
BEBTVref1-AT+R-V
BEBTVref2AT+R+V
将Vref1或Vref2公式中两个高次项进行泰勒展开：
12'0''0000...1!2!TfTfTTefTTTTT
230102030...kkTTkTTkTT
23-TlnT-0-102030...ppTTpTTpTT
从二者的二阶导数可以看出，前者是凹型函数，后者是凸型函数，因此可以进行二阶补偿。
优点：电路简单；
缺点：。
⑤分段线性电流模技术
【例】
mp1mp2mp3IPTATIVBEINLINLMp1=非饱和状态Mp2=关断状态Mp1=饱和状态Mp2=开启状态电流温度IVBEINLIPTAT
非线性电流为：
0
- VBEPTATNLPTATVBEVBEPTATIIIIIII
与温度无关电流：
tanNLconstPTATVBEIIII
优点：电路较为简单；
缺点：随工艺漂移较大。
⑥非线性匹配校正技术
【例】
电流镜1:1R2R11Nqn1qn2IPTATICTATVref
非线性校正电压：
