帶隙基準(zhǔn)學(xué)習(xí)筆記

帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)A.指標(biāo)設(shè)定該帶隙基準(zhǔn)將用于給LDO提供基準(zhǔn)電壓，LDO的電源電壓變化范圍為到，所以帶隙基準(zhǔn)的電源電壓變化范圍與LDO的相同。LDO的PSR要受到帶隙基準(zhǔn)PSR的影響，故設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)要有高的PSRo由于LD0是用于給數(shù)字電路提供電源，所以對(duì)噪聲要求不是很高。下表該帶隙基準(zhǔn)的指標(biāo)。電源電壓輸出電壓溫度系數(shù)35ppm/°CPSR@DC,@lMHz-80dB,-20dB積分噪聲電壓(lHz~100kHz)<lmV功耗<25uA線性調(diào)整率<%B.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇上圖是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)，假設(shè)尺寸相同，那么輸出電壓為喺是負(fù)溫度系數(shù)，對(duì)溫度求導(dǎo)數(shù)，得到公式(Razavi,Page313):其中，加?一扌。如果輸出電壓為零溫度系數(shù)，那么：得到:帶入：得到：在27°溫度下，輸出電壓等于，小于電源電壓，可這個(gè)電路并不能工作在電源電壓下，因?yàn)閷?duì)于帶隙基準(zhǔn)里的運(yùn)放來說，共模輸入范圍會(huì)受到電源電壓限制，電源電壓的最小值為：其中，％2是三極管0的導(dǎo)通電壓，％礙如加*是運(yùn)放差分輸入管對(duì)的柵源電壓，匕“…“心週?「是運(yùn)放差分輸入管對(duì)尾電流源的過驅(qū)動(dòng)電壓。對(duì)于微安級(jí)別的電流，可以認(rèn)為：這里將差分輸入對(duì)的體和源級(jí)短接以減小失配，同時(shí)閾值電壓不會(huì)受到體效應(yīng)的影響。假設(shè)差分對(duì)尾電流源的過驅(qū)動(dòng)電壓為lOOmV,那么，電源電壓的最小值為：下表列出了工藝P33晶體管閾值電壓和三極管的導(dǎo)通電壓隨Corner角和溫度變化的情況：-40°27°80°slow-826mV-755mV-699mVtypical-730mV-660mV-604mVfast-637mV-567mV-510mVBJT的滄-40°27°80°slow830mV720mV630mVtypical840mV730mV640mVfast860mV750mV660mV可以計(jì)算出在不同溫度的Corner角下電源電壓的最小值:-40°27°80°slowtypicalfast可以看出，對(duì)于大部分情況，電源電壓無法保證帶隙基準(zhǔn)中運(yùn)放的正常工作，所以必須改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，使其可以工作在電源電壓To上圖是一種實(shí)用的低壓帶隙基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，假設(shè)AA?M,尺寸相同，同樣假設(shè)：那么，輸出電壓為：如果輸出電壓為零溫度系數(shù)，那么：得到：帶入：得到：可以通過設(shè)置凡與凡的比值，將輸出電壓設(shè)定在任意值。誤差放大器輸入端在M和弘處，通過將設(shè)置為1，將這兩點(diǎn)電壓設(shè)定為BJT導(dǎo)通電壓的二分之一，計(jì)算出在不同溫度和Corner角下電源電壓的最小值:-40°27°80°slowtypicalfast可以看到，最壞情況出現(xiàn)在SlowCorner角低溫下，電源電壓最小值仍然小于，意味著這種結(jié)構(gòu)可以滿足本次低壓設(shè)計(jì)的要求。R2Al/R2A2越大，電源電壓的最小值越低，不過帶隙基準(zhǔn)環(huán)路增益也變低了。將凡/尼設(shè)置為1,輸出電壓可以為，但是這時(shí)候帶隙基準(zhǔn)的低頻PSR會(huì)變差，為了提高低頻PSR,運(yùn)放的增益要很高，但是在這種電路中，PSR不僅與運(yùn)放增益有關(guān)，還與輸出級(jí)PMOS晶體管的輸出電阻有關(guān)，如下圖所示：當(dāng)PMOS晶體管輸出電阻足夠小的時(shí)候，陸的柵源電壓微小變化引起的電流變化與流過A/3小信號(hào)輸出阻抗的電流相比可以忽略不計(jì)，那么此時(shí)可以近似認(rèn)為的柵源電壓交流短路，那么，有：其中"為PMOS晶體管‘禺的小信號(hào)輸出阻抗，這個(gè)輸出阻抗與漏源電壓有關(guān)系，將PMOS晶體管偏置電流設(shè)為5uA,寬長(zhǎng)比分三組，各為10um/lum,20um/2um,40um/4um,電源電壓設(shè)為，漏端加一可變電壓VI,VI從0V掃描到，如下圖所示：測(cè)量PMOS晶體管M。、M4的小信號(hào)輸出阻抗隨VI的變化關(guān)系，得到如下數(shù)據(jù)：可以看到，晶體管的輸出阻抗隨漏源電壓的增加而增加，隨溝道長(zhǎng)度的增加也變大，當(dāng)VI升高到時(shí)，三種溝道長(zhǎng)度的晶體管的輸出阻抗減小到大約660k的數(shù)值，一般來說，&的數(shù)量級(jí)在100k左右，如果在電源電壓為時(shí)，帶隙基準(zhǔn)輸出，那么，此時(shí)的PSR是：為了提高低頻PSR,就必須在盡可能提高運(yùn)放增益的情況下，增加PMOS晶體管的小信號(hào)輸出阻抗“，這一措施首先是通過減小帶隙基準(zhǔn)輸出電壓來實(shí)現(xiàn)，帶隙基準(zhǔn)輸出電壓要接在LDO的誤差放大器輸入端，如果誤差放大器使用NMOS管作為輸入差分對(duì)，那么其共模輸入電壓至少為NMOS管的柵源電壓加上尾電流源的過驅(qū)動(dòng)電壓：用下圖可以仿真出誤差放人器最低共模輸入電壓的數(shù)值：用5uA的電流偏置二極管連接的寬長(zhǎng)比為20um/lum的NMOS管，將其源級(jí)用lOOmV的電壓偏置，模擬尾電流源的過驅(qū)動(dòng)電壓，將體接到地上，測(cè)量晶體管柵極電壓，這個(gè)電壓大致等于誤差放大器的最低共模輸入電壓，結(jié)果如下表：-40°27°80°slow945mV876mV830mVtypical822mV753mV704mVfast700mV630mV580mV最壞情況發(fā)生在SlowCorner角低溫情況，此時(shí)誤差放大器共模輸入電壓為，這就意味著如果用NMOS管作為誤差放大器輸入管，那么帶隙基準(zhǔn)輸出電壓不能低于。但是這時(shí)候輸出級(jí)PMOS晶體管的小信號(hào)輸出阻抗已經(jīng)變的很小，比如當(dāng)L=2um時(shí)，由上面的圖可以看到，輸出阻抗為大約為7M歐姆，此時(shí)PSR不是很高。所以誤差放大器的輸入管采用PMOS比較合適，為了提高匹配，降低噪聲，PMOS管的體和源級(jí)可以短接，進(jìn)一步提高了最高共模輸入電壓。共模輸入電壓最多為電源電壓減去PMOS管的柵源電壓再減去尾電流源的過驅(qū)動(dòng)電壓：假設(shè)過驅(qū)動(dòng)電壓為1OOmV,用同樣的手段（寬長(zhǎng)比20um/lum,偏置電流5uA）可以得到最高共模輸入電壓值：-40°27°80°slow383mV445mV492mVtypical484mV548mV595mVfast585mV650mV699mV可以看到，最壞情況發(fā)生在SlowCorner角低溫下，帶隙基準(zhǔn)輸出電壓必須低于383mV才能使所有Corner角都能滿足誤差放大器共模輸入范圍的要求。但是帶隙基準(zhǔn)輸出電壓越低，LDO的噪聲性能越差，故將帶隙基準(zhǔn)輸出電壓設(shè)置在400mV,實(shí)際上，可以增加PMOS晶體管的寬長(zhǎng)比，使在SlowCorner角低溫下，最高共模輸入電壓大于400mV即可。把帶隙基準(zhǔn)輸出電壓降低到左右，使PMOS晶體管漏源電壓有較大的提高，提高了輸出阻抗，，如當(dāng)L=2um時(shí)，由上面的圖可以看到，輸出阻抗為大約為23M歐姆，從而提高了PSR：這個(gè)數(shù)值還是不夠高，必須尋找其它結(jié)構(gòu)來提高PSRo實(shí)際上，低頻時(shí)，PMOS晶體管柵極電壓并不是與電源電壓同步變化的，如果運(yùn)放低頻增益很高，那么，在低頻時(shí)，可以認(rèn)為晶體管的漏端電壓不隨電源電壓變化，等效為接地，如下圖所示：假設(shè)M3尺寸一樣，當(dāng)電源電壓變化zW時(shí)，PMOS晶體管A/?、陸柵極電壓變化了對(duì)于由基爾霍夫電流定律，可以得到：那么，如果輸出級(jí)PMOS晶體管的“1等于陸和的輸出阻抗yo,那么流過心的電流將約等于零，PSR會(huì)有很大的提高，但是對(duì)于M2,它們的漏極電壓為BJT導(dǎo)通電壓，大約為，對(duì)于由于輸出電壓為，它的漏極電壓與M」、顯然不同，所以：為了使它們相等，在晶體管M】、M?、M3漏極加入一層cascode管，如下圖所示：這層cascode管強(qiáng)制使晶體管的漏極電壓相等，從而保證“1與s相等，提高了PSR,由于輸出電壓為，Cascode管的柵極電壓直接接地即可，省去了偏置電路，降低了額外的功耗。當(dāng)然，這個(gè)結(jié)論是在運(yùn)放增益足夠大保證運(yùn)放輸入端電壓的變化足夠小，可以近似認(rèn)為接地的條件下得出的，那么運(yùn)放的設(shè)計(jì)要保證這個(gè)條件的成立。為了使運(yùn)放輸入端對(duì)地電壓基本不變，必須提高環(huán)路增益，由于電源電壓變化范圍在到內(nèi)，當(dāng)電源電壓降至?xí)r，折疊式共源共柵放大器將不適用，可以采用兩級(jí)運(yùn)放，加Mfiler電容補(bǔ)償，也可以采用如下形式的誤差放人器結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)中，在W加處有一個(gè)二極管連接形式的晶體管，它為帶隙基準(zhǔn)主電路和運(yùn)放尾電流源提供偏置電壓，當(dāng)電源電壓變化時(shí)，這個(gè)二極管柵極電壓和電源電壓同時(shí)變化，這樣一來低頻PSR會(huì)減小很多，該運(yùn)放為單級(jí)運(yùn)放，主級(jí)點(diǎn)在第一級(jí)輸出端，非主級(jí)點(diǎn)在"方S處而且在高頻，只需在主級(jí)點(diǎn)處加電容即可保證穩(wěn)定性。帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（不包括啟動(dòng)電路）如下圖所示：C.零溫度系數(shù)設(shè)計(jì)假設(shè)M9、Mp、見尺寸相同，且：那么，輸出電壓的表達(dá)式為：若要得到零溫度系數(shù)，那么根據(jù)前面推導(dǎo)過公式，有：帶入輸出電壓的表達(dá)式，得到：要得到400mV的輸出電壓，那么，得到：考慮版圖布局的對(duì)稱性，將N設(shè)為8。現(xiàn)在仿真正溫度系數(shù)電壓特性，理論值為：用的PNP33管，發(fā)射結(jié)面積用5X5的,Q2和Q4的N二8,Q1和Q2的N二1,Q1和Q2的偏置電流設(shè)在luA,Q3和Q4的偏置電流設(shè)在10uA,如下圖所示：溫度從-40°掃描到80°，測(cè)量VQ1-VQ2與VQ3-VQ4隨溫度變化的曲線，得到下圖：實(shí)測(cè)值為：附上兩個(gè)Corner角的數(shù)據(jù)：Cornerslpoefastslow可以看出，正溫度系數(shù)斜率幾乎與偏置電流無關(guān)，與Corner角也無關(guān)，實(shí)測(cè)值與理論值基本吻合?，F(xiàn)在仿真匕E的負(fù)溫度系數(shù)，理論值為：其中，〃川一扌，假設(shè)％為，在300K時(shí)，可以計(jì)算出斜率為-16W/K。在所關(guān)心溫度范圍（-40。'80。）內(nèi)求平均值，用的PNP33管，發(fā)射結(jié)面積用5X5的，Q1和Q2的N二1,偏置電流分別為luA和10uA,如下圖所示：測(cè)量VQ1和VQ2隨溫度變化的曲線，結(jié)果如下：得到負(fù)溫度系數(shù)為：附上兩個(gè)Corner角的數(shù)據(jù)：CornerluAlOuAslowtypicalfast可以看出，BJT的負(fù)溫度系數(shù)電壓幾乎不隨Corner角變化，會(huì)隨偏置電流變化，將帶隙基準(zhǔn)BJT的靜態(tài)電流設(shè)在10uA以內(nèi)，那么近似認(rèn)為負(fù)溫度系數(shù)為：由公式：得到：可以得到：至此，我們得到了產(chǎn)生輸出400mV、具有零溫度系數(shù)電壓的帶隙基準(zhǔn)的電阻比例:電阻比例確定后，下一步是確定電阻的絕對(duì)數(shù)值，這涉及到功耗，噪聲，面積的折衷，下面附上帶隙基準(zhǔn)電路圖。從上圖中看出，帶隙基準(zhǔn)的偏置電流正比于流過晶體管必八A/10的電流，而流過它們的電流等于：減小可以減小帶隙基準(zhǔn)的面積，帶來的壞處是功耗的增加，然而高的功耗可以減小帶隙基準(zhǔn)的噪聲。的設(shè)計(jì)上圖是小信號(hào)電路圖，在分析PSRR時(shí)，假設(shè)電源電壓變化了AV,可以計(jì)算出陸柵極電壓的變化量解和輸出電壓變化量△匕護(hù)，那么：由于晶體管A/匚、M“、不決定各支路電流大小，故在計(jì)算PSRR時(shí)忽略這三個(gè)晶體管，同時(shí)另：當(dāng)電源電壓變化后，晶體管Ms柵極電壓將發(fā)生變化，這個(gè)變化是由兩條信號(hào)通路同時(shí)疊加引起，一條通路是：電源電壓變化后，有小信號(hào)電流流入Vin+和V加-節(jié)點(diǎn),信號(hào)被運(yùn)放放大后在M5柵極產(chǎn)生一個(gè)電壓這個(gè)電壓為：另一條通路是：電源電壓變化后，有小信號(hào)電流通過流入陸和％源級(jí)，流入大小為l/g”,4的電阻后，在陸柵極產(chǎn)生一個(gè)電壓△匕5/這個(gè)電壓為:在A/：漏端，根據(jù)基爾霍夫電流定律，有：聯(lián)立上面三個(gè)方程組，得到下面公式：得出：因?yàn)椋核陨厦婀胶?jiǎn)化為：從某種意義上說：孝越接近1,PSRR越大。由簡(jiǎn)化后的公式可AV以看到，除了增大運(yùn)放開環(huán)增益之外，還可以提高他的本征增益和Mg的本征增益g,”*,9。當(dāng)：和：時(shí)，表達(dá)式化簡(jiǎn)為：如果：我們得到：也就是說即使弘筆型g”「||Gg疵忌無窮大，還是會(huì)變化，直觀上可以這樣理解：當(dāng)張也尹g沁4113久打5無窮大的時(shí)候，Mg漏端可以認(rèn)為接地，那么流過Mg的電流一定會(huì)流入町「所以：現(xiàn)在分析輸出端，如下圖所示：假設(shè)輸出晶體管的跨導(dǎo)為g,”“，輸出阻抗為加，假設(shè)Rl?ron,那么我們可以得到公式：可以得到PSRR表達(dá)式：這個(gè)表達(dá)式告訴我們一個(gè)重要結(jié)論：當(dāng)：足夠大的時(shí)候，PSRR主要由Mg（還有M“）和％的匹配程度決定，這也就是為什么要加一層cascode管（下圖黑色圈內(nèi)部分）的原因。加入cascode管以后，晶體管M9、A/10>漏端電壓近似相等，那么它們的小信號(hào)輸出阻抗的差距就不是很大，跨導(dǎo)也近似相等，所以PSRR會(huì)升高。綜合以上分析，可以看到，提高PSRR的手段主要由三個(gè)，一是帶隙基準(zhǔn)要具有足夠大g,“9寫厶，”心，這主要是通過提高運(yùn)放增益和旳5的本征增益來實(shí)現(xiàn)，二是提高M(jìn)g和的本征增益，三是提高晶體管“9、A/10>的匹配，可以通過加入cascode管使其漏源電壓相等和增加A/八冋。、的面積減小隨機(jī)失配兩種途徑來實(shí)現(xiàn)。噪聲的考慮帶隙基準(zhǔn)的噪聲主要是指中低頻(1念?100R處)的噪聲，高于這個(gè)頻段的噪聲會(huì)被電容濾掉，實(shí)際上如果帶隙基準(zhǔn)外接汕量級(jí)的片外電容，那么只需考慮1kHz-下的低頻噪聲。上圖中，由于晶體管,嘰、M6.產(chǎn)生的噪聲電流在M5漏端產(chǎn)生的噪聲電壓要比晶體管M4的噪聲電壓在M5漏端產(chǎn)生的噪聲電壓小g,?5(^21|b)倍，所以晶體管M5、Me、的噪聲可以忽略不計(jì)；此外，晶體管冋2、M“、產(chǎn)生的噪聲電壓在中低頻范圍內(nèi)被強(qiáng)源級(jí)負(fù)反饋抑制掉，所以也可以忽略不計(jì)下面計(jì)算帶隙基準(zhǔn)的噪聲。MOS管的噪聲可以用一個(gè)與其并聯(lián)的電流源來表示，如下圖：?jiǎn)挝惶幍钠骄β孰娏鳛椋旱谝豁?xiàng)為熱噪聲，第二項(xiàng)為1仃噪聲，其中廠和K是與工藝有關(guān)的常數(shù)。運(yùn)放產(chǎn)生的等效輸入噪聲電壓（實(shí)際為電壓的平方，表示在1歐姆電阻上產(chǎn)生的噪聲功率）為:阮"回&希＞呵&黑存血護(hù)呦&堤勻?qū)櫖F(xiàn)在求這個(gè)噪聲電壓到輸出端的增益，如下圖所示:假設(shè)張等于％。，另:由基爾霍夫電流定律:得到：又因?yàn)椋核赃\(yùn)放噪聲在輸出端產(chǎn)生的電壓為：A/?的在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓可以用下圖計(jì)算出：假設(shè)乩9等于g”2由基爾霍夫電流定律：得到：又因?yàn)椋核訫g的噪聲電流在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓為：同理可得的噪聲電流在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓為：Mn的噪聲電流在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓為：兩個(gè)電阻凡在輸出產(chǎn)生的噪聲電壓為：電阻仏在輸出產(chǎn)生的噪聲電壓為：現(xiàn)在計(jì)算電阻尺在輸出產(chǎn)生的噪聲電壓，如下圖所示：設(shè)三極管Q和2的小信號(hào)電阻分別為心［和心‘因?yàn)榱鬟^三極管的電流相等，所以這兩個(gè)電阻相等，由基爾霍夫定律:得到：得出電阻覽在輸出產(chǎn)生的噪聲電壓為：可以得到總的輸出噪聲電壓為：一般來說，有：那么，可以得到：假設(shè)：將噪聲簡(jiǎn)化，得到：其中：現(xiàn)在計(jì)算蟄和傀2：其中：之前設(shè)計(jì)的電阻比例為：所以有：所以：所以：將噪聲表達(dá)式簡(jiǎn)化，得到：之利用前得到的產(chǎn)生400mV輸出電壓的電阻表達(dá)式：將N二8帶入，繼續(xù)簡(jiǎn)化，得到：假設(shè)流過的電流較大，將它們工作在強(qiáng)反型區(qū),為了降低功耗，減小了流過的電流，將它們工作在亞閾區(qū),利用跨導(dǎo)公式：得到：之前推導(dǎo)得到，在輸出帶隙基準(zhǔn)電壓為零溫度系數(shù)的條件下，覽與/咖9的關(guān)系為：帶入噪聲表達(dá)式，得：繼續(xù)化簡(jiǎn)，得到表達(dá)式：由上面的噪聲表達(dá)式可以看出，一但電阻尺、凡、仏比例確定后，運(yùn)放在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓就與尺的大小無關(guān)了。要減小運(yùn)放的等效輸入熱噪聲電壓，只有一種選擇，就是是增加運(yùn)放的偏置電流。要減小運(yùn)放的等效輸入1仃噪聲電壓，可以增加叱或厶，也可以增加叱或厶。由晶體管A/八M“、產(chǎn)生的熱噪聲電壓與尺有關(guān)，可以看到，減小尺不但減小了電阻本身產(chǎn)生的熱噪聲電壓，而且減小了晶體管Mg、M10.產(chǎn)生的熱噪聲電壓，付出的代價(jià)是流過晶體管A/八冋。、的電流增加，功耗變大。由上面公式還可以看出，晶體管A/八Mg、％產(chǎn)生的1//噪聲電壓也與尺有關(guān)，要減小1仃噪聲電壓，可以增加厶，或者減小&。通過上面的討論可知：要減小帶隙基準(zhǔn)的噪聲，一是要減小運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓，可以通過增加電流和晶體管的尺寸來實(shí)現(xiàn)。二是要減小電阻和Mg、M」。、的噪聲，不僅可以通過增加尺寸來實(shí)現(xiàn)，還可以通過在保持尺、R「仏比例不變的情況下減小尺來實(shí)現(xiàn)，代價(jià)是電流增加，導(dǎo)致功耗增加。所以，帶隙基準(zhǔn)的噪聲與功耗和面積是一對(duì)矛盾的東西，只能在三者之間折衷。電路參數(shù)設(shè)計(jì)上圖為帶隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)，在前面敘述中，我們得到了產(chǎn)生輸出400mV零溫度系數(shù)電壓的電阻比例:由流過Mg電流的公式：可以選擇電阻K進(jìn)而確定其他電阻，將仏設(shè)為4.5M,得到&的值：進(jìn)而得到：加大耐八冋。、的尺寸既可以提高它們的匹配從而提高低頻PSRR,又可以降低噪聲，所以其溝道長(zhǎng)度應(yīng)該取得較大，這里取2伽，溝道寬度選擇finger數(shù)等于4,如果finger數(shù)取太大,會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放反饋環(huán)路穩(wěn)定性下降。因?yàn)榕cM9、M」。、是電流鏡關(guān)系，所以其寬長(zhǎng)比與必八Mg、相同，不過finger數(shù)可以不相同，由于運(yùn)放反饋壞路中非主級(jí)點(diǎn)在Me柵極，所以流過Me的電流可以大一點(diǎn)將非主級(jí)點(diǎn)外推，finger數(shù)取4。對(duì)于M?,原則上加大finger數(shù)可以增加流過它的電流，減小的熱噪聲，但是由于1仃噪聲在低頻時(shí)占更大的比重，它與電流無關(guān)，故加太多電流不會(huì)減小太多的熱噪聲，而且浪費(fèi)功耗，所以將的finger數(shù)取2即可，電流為流過Me的一半。對(duì)于M^、M“、嘰,大的溝道長(zhǎng)度使它們的源極電壓趨于相等，有利于改善％、％、％小信號(hào)輸出阻抗的匹配，提高低頻PSRR,在這里，A/口、M“、Mu的尺寸和M9.Mg、設(shè)為相同。對(duì)于也到M「必須增加尺寸，以減小噪聲。％'愉的尺寸設(shè)為3iun/2iun,finger數(shù)等于8,的尺寸設(shè)為M2um,finger數(shù)等于2,為了減小失調(diào),的尺寸設(shè)為&曲2仙,finger數(shù)等于8。為了提高負(fù)反饋環(huán)路的穩(wěn)定性，使用NWOS電容，大小為20^77/10^7?,finger數(shù)等于4。三極管選發(fā)射結(jié)面積為5x5的P/VP管，較大的發(fā)射結(jié)面積可以減小正向?qū)▔航?，從而降低了電源電壓。在推?dǎo)帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)表達(dá)式中，默認(rèn)電阻的溫度系數(shù)為零，實(shí)際上電阻也是有溫度系數(shù)的，那么，在選擇電阻材料時(shí)要盡可能選擇溫度系數(shù)低的材料。勸說.13工藝有以下幾種電阻，它們的溫度系數(shù)和方塊電阻列表如下:電阻種類器件名TCIR-sheetSiliciden+diffusionrndifSilicidep+diffusionrpdifSiliciden+polvrnpoSilicidep+polvrppoNwellunderstirnwsti1120ohmNwellunderaarnwaa453ohmNon-siliciden+diffusionrndifsab70ohmNon-silicidep+diffusionrpdifsab147ohmNon^silieiden+polyrnposab267ohmNon~silicidep+polyrpposab317ohm從上圖可以看到，非硅化P+多晶硅電阻具有遠(yuǎn)小于其他種類電阻的溫度系數(shù)和較大的方塊電阻，所以選擇非硅化p+多晶硅電阻。尺寸如下表列出：電阻名稱尺寸Finger數(shù)阻值8^2A1、R)A2、R'BL、3926啟動(dòng)電路該帶隙基準(zhǔn)有三個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)，第一個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)為正常狀態(tài)，輸出400mV基準(zhǔn)電壓，第二個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)為所有晶體管都關(guān)斷、三極管截止的狀態(tài)，此時(shí)電路里沒有電流流過，第三個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)是這樣的，只有三極管處于關(guān)斷狀態(tài)，Mg和％導(dǎo)通，有電流流過他，此時(shí)運(yùn)放正負(fù)輸入端電壓相等，‘仏和Mg柵極電壓穩(wěn)定在一個(gè)隨機(jī)值，輸出電壓在OmV到400mV之間（遠(yuǎn)小于400mV接近OV）o為了使電路在啟動(dòng)時(shí)不至于錯(cuò)誤的工作在兩個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)上，必須加額外的啟動(dòng)電路，使電源上電完能夠保證電路工作在正常狀態(tài)。照圈內(nèi)是該帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)電路，由晶體管冏八M“、附門組成（A//柵極接地）。下面說明工作原理：一開始電源沒上電時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)電壓都為零。當(dāng)電源電壓上升時(shí)，因?yàn)闆]有電流流過二極管連接的所以的柵極電壓將跟隨電源電壓變化，當(dāng)電源電壓上升到大于PMOS管的閾值電壓時(shí)，M】5和％導(dǎo)通，有電流流入旳5和旳門的柵極，因?yàn)閮?柵極對(duì)地可以看成是一個(gè)大電容，而且冋§是倒比管，跨導(dǎo)即驅(qū)動(dòng)能力很小，所以這個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓上升速度非常緩慢，在電源電壓不高的時(shí)候可以認(rèn)為是近似接地，所以M“的柵源電壓隨著電源電壓的升高繼續(xù)增大，電流經(jīng)M“流入Ms柵極，導(dǎo)致其柵極電壓增大，如圖中黃色線所示，此時(shí)柵極電壓被拉到接近地的電位。隨著電源電壓繼續(xù)上升，Mg和冋。導(dǎo)通，柵源電壓逐漸增大，M心和同3漏極電壓開始上升，直到導(dǎo)通三極管0和此時(shí)，M“柵極電壓上升到足矣關(guān)斷M“的程度，流過的電流最終減為零，由于此時(shí)啟動(dòng)電路已經(jīng)不參與反饋，所以電路固有的負(fù)反饋使電路最終工作在正常狀態(tài)。通過增加M込的寬長(zhǎng)比、減?。サ膶掗L(zhǎng)比以及增加％的尺寸，可以提高啟動(dòng)電路的速度。所有管子的尺寸在下表列出。器件名稱尺寸器件名稱尺寸仿真結(jié)果1?溫度系數(shù)仿真由于帶隙基準(zhǔn)的電源電壓要求是到，仿真兩種電源電壓下不同Corner角的溫度系數(shù)，溫度從-40。變化到80°。下圖為電源電壓為時(shí)不同Corner角下輸出電壓隨溫度變化的曲線：由匕e的溫度系數(shù)表達(dá)式：可以看出，三極管導(dǎo)通電壓隨Corner角的變化同樣影響了匕占的溫度系數(shù)，導(dǎo)致在不同Corner角下溫度系數(shù)不同。實(shí)際上也可以這樣解釋，之前已經(jīng)說明，BJT的負(fù)溫度系數(shù)電壓幾乎不隨Corner角變化，這個(gè)結(jié)論是建立在BJT的電流不隨Corner角變化的前提下的,實(shí)際上，當(dāng)Corner變化后，電阻&阻值的變化引起了偏置電流的變化，從而造成BJT的負(fù)溫度系數(shù)電壓的變化。在typical情況下，正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)剛好抵消，所以曲線呈開口向下的拋物線形狀，在fastCorner角，由于匕占變大，導(dǎo)致負(fù)溫度系數(shù)dVBE/^T變小，從而正溫度系數(shù)項(xiàng)占優(yōu)勢(shì)，所以輸出電壓隨溫度升高直線增加。在slowCorner角，由于叫變小，導(dǎo)致負(fù)溫度系數(shù)dV^/dT變大，從而負(fù)溫度系數(shù)項(xiàng)占優(yōu)勢(shì)，所以輸出電壓隨溫度升高直線減小。下表總結(jié)了電源電壓為時(shí)輸出電壓的數(shù)據(jù)。

Corner輸出電壓變化量溫度系數(shù)typical407mV°Cfast415mV°Cslow399mV°C下表總結(jié)了電源電壓為時(shí)輸出電壓的數(shù)據(jù)。Corner輸出電壓變化量溫度系數(shù)typical407mV9ppm/°Cfast415mV35ppm/°Cslow399mVC可以看到，輸出電壓幾乎不隨電源電壓變化，但是隨Corner角變化比較大，原因解釋如下：測(cè)量Corner角下電阻和三極管導(dǎo)通電壓變化的關(guān)系，得到：Cornertypical692mVfast713mVslow31k674mV由帶隙基準(zhǔn)輸出電壓表達(dá)式:得到下表：Cornertypicalfastslow可以看出，雖然電阻的比值在不同Corner角下稍有變化，但是影響輸出電壓變化的主要因素是三極管導(dǎo)通電壓，將心理減小可以降低輸出電壓隨Corner角變化的程度，但是輸出電壓會(huì)變低。2.PSRR的仿真下圖為tvpicalCorner角常溫時(shí)電源電壓為時(shí)PSRR的曲線：PSRR在DC時(shí)為-89dB,在1MHz時(shí)為T9dB。由于在所有Corner角下1MHz的PSRR都約等于-20dB,所以下面不再列出1MHz時(shí)的PSRRo下表總結(jié)了電源電壓為時(shí)低頻PSRR的數(shù)據(jù)。Corner-40°27°80°typical-99dB-89dB-86dBfast-66dB-86dB-91dBslow-80dB-86dB-85dB下表總結(jié)了電源電壓為時(shí)PSRR的數(shù)據(jù)。Corner-40°27°80°typical-91dB-90dB-88dBfast-91dB-89dB-87dBslow-92dB-90dB-89dB可以看出，除去-40°fastCorner角，帶隙基準(zhǔn)的低頻PSRR最高-99dB,最低為-80dB,在大多數(shù)Corner角下為-90dB左右，唯獨(dú)在電源電壓、溫度為-40°、fastCorner角時(shí),PSRR降到了-66dB,原因解釋如下：上圖為在電源電壓、溫度為-40°、fastCorner角時(shí)帶隙基準(zhǔn)部分電路的截圖，可以看到Mg與陸。漏端電壓為，漏端電壓為，它們之差為。看看在其他Corner角下這兩端電壓之差，下表列出：電源電壓為時(shí)：Corner-40°27°80°typicalfastslow電源電壓為時(shí):Corner-40°27°80°typicalfastslow可以發(fā)現(xiàn)在電源電壓、溫度為-40°、fastCorner角時(shí)M9漏端電壓與漏端電壓之差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他Corner角。由于晶體管的跨導(dǎo)和輸出阻抗要隨漏源電壓變化，所以在電源電壓、溫度為-40。、fastCorner角時(shí)，M9與也】跨導(dǎo)和輸出阻抗匹配程度最差，根據(jù)之前推導(dǎo)的PSRR表達(dá)式：可以看出，在Mg與％跨導(dǎo)和輸出阻抗匹配很差的情況下，PSRR會(huì)變差，下面解釋為什么在電源電壓、溫度為-40。、fastCorner角時(shí)Mg與漏端電壓之差最大。對(duì)于晶體管岡