一種p阱c級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)

一種p阱c級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)

1過溫保護(hù)電路在集成電路中，例如，電源管理芯片、a-d或d-a檢測(cè)器需要在片中集成高精度電壓參考源。其中，帶刺參考源的應(yīng)用最為廣泛。另外,在功率集成電路中,由于功耗較大,芯片的溫度變化也較大,為保證電路的穩(wěn)定性和可靠性,過溫保護(hù)電路也必不可少。本文設(shè)計(jì)了一種適用于P阱CMOS工藝的具有高電源電壓抑制比和低溫度系數(shù)的帶隙式基準(zhǔn)源;同時(shí),利用實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)源時(shí)所需的兩路具有不同溫度系數(shù)的電流,通過直接電流比較的方法,實(shí)現(xiàn)了高精度的過溫保護(hù)電路。整個(gè)電路中使用了三級(jí)共柵共源(Cascode)結(jié)構(gòu),因此基準(zhǔn)源的電源電壓抑制比高、溫度系數(shù)小。此外,過溫保護(hù)和解除保護(hù)的溫度跳變點(diǎn)可以通過調(diào)整相關(guān)MOS管的寬長(zhǎng)比進(jìn)行精確設(shè)置。2iptat和iiibe的交互作用整個(gè)電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由四部分組成。其中的關(guān)鍵部分是兩路電流:一路是由基準(zhǔn)核心電路產(chǎn)生的正比于絕對(duì)溫度的電流(PTAT電流,記為IPTAT);另一路是對(duì)雙極晶體管的發(fā)射極-基極電壓(VBE)進(jìn)行V-I變換產(chǎn)生的電流(記為IVBE),它具有負(fù)溫度系數(shù)。在輸出電路部分,調(diào)節(jié)這兩路電流的比值,將其相加,先可以得到一個(gè)理論上與溫度無關(guān)的恒定電流,再通過電流鏡的轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生對(duì)地輸出的基準(zhǔn)電壓信號(hào)。過溫保護(hù)電路中,則通過調(diào)節(jié)IPTAT和IVBE的比值,將其直接比較,產(chǎn)生過溫保護(hù)信號(hào)的輸出。下面具體分析每一部分電路的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)。2.1基準(zhǔn)電流的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)核心部分電路的作用是產(chǎn)生IPTAT電流,基本原理是利用兩只工作在不同偏置電流下的雙極晶體管,其BE結(jié)電壓差與絕對(duì)溫度成正比這一特性。首先,由于采用的是P阱CMOS工藝,設(shè)計(jì)中所有雙極晶體管都必須是npn管,如圖2(a)所示。npn管的p型基區(qū)可以和p阱擴(kuò)散(或注入)同時(shí)實(shí)現(xiàn),而n+發(fā)射區(qū)和集電極的n+接觸區(qū)可以和nMOS的源、漏區(qū)擴(kuò)散(或注入)同時(shí)實(shí)現(xiàn),基極的p+接觸區(qū)可以和pMOS的源、漏區(qū)擴(kuò)散(或注入)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)n型襯底都相當(dāng)于集電區(qū),必須保證所有晶體管集電極都連接在最高電位,便可以不對(duì)雙極晶體管進(jìn)行隔離,實(shí)現(xiàn)雙極晶體管的制備工藝和CMOS工藝兼容的目的。圖2(b)是基準(zhǔn)核心部分的具體電路,其基本結(jié)構(gòu)采用文獻(xiàn)中介紹的自偏置電流反饋環(huán)路。由于短溝道MOS管的溝道調(diào)制效應(yīng)較大,因此采用三級(jí)共柵共源結(jié)構(gòu)來提高整體電路的電壓抑制比和精度。MOS管的柵極偏置電壓由4只電阻分別提供,其中,nMOS管的三組偏置電壓(Vb、Vb1和Vb2)可以引出,供其它部分的電路使用。Q1～Q4四只npn晶體管的集電極都連接在電源電位上,Q1、Q2兩管相同,而Q3、Q4則由多只與Q1、Q2相同的晶體管并聯(lián)而成,其發(fā)射極有效面積之比設(shè)為N。設(shè)計(jì)中,所有nMOS管和pMOS管的參數(shù)取值分別相同,使MOS管形成的四路電流(I1～I(xiàn)4)大小相同,X和Y兩點(diǎn)的電位也相同。由雙極晶體管的特性可以計(jì)算出,落在電阻Ra上的電壓差為ΔVBE=2VT·lnN式中,VT是熱電動(dòng)勢(shì)kT/q,k是玻爾茲曼常數(shù),q是電子電荷量,T是絕對(duì)溫度。流過電阻Ra的電流,即電流I1～I(xiàn)4,的大小為:ΙΡΤAΤ=2VΤ?lnΝRa(1)IPTAT=2VT?lnNRa(1)如果在電流I4的支路中串聯(lián)一適當(dāng)?shù)碾娮鑂b,如圖2(b)所示,則可以獲得一個(gè)相對(duì)于電源高電位VCC輸出的基準(zhǔn)電壓:Vref=VBE+2?Rb?lnΝRa?VΤ≈1.167(2)Vref=VBE+2?Rb?lnNRa?VT≈1.167(2)這里,VBE代表Q4管的發(fā)射極-基極電壓。有關(guān)基準(zhǔn)電壓的產(chǎn)生以及電阻R1、Rb的取值計(jì)算,在文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹,本文不再詳述。但用這種方法產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓是相對(duì)于VCC輸出的,而多數(shù)電路中要求基準(zhǔn)電壓對(duì)地輸出,因此,必須采用其它電平位移電路來解決。在本文的設(shè)計(jì)中,并不是將電阻Rb直接串入I4電流支路來獲取基準(zhǔn)電壓。首先,將(2)式兩邊同時(shí)除以Rb,則可以得到一個(gè)與溫度無關(guān)的“基準(zhǔn)電流”:Ιref=VBERb+2?VΤ?lnΝRa≈1.167/Rb(3)Iref=VBERb+2?VT?lnNRa≈1.167/Rb(3)這一電流由兩部分組成:1)與Q4的BE結(jié)壓降成正比的電流;2)由(1)式得到的PTAT電流。若能產(chǎn)生這一“基準(zhǔn)電流”,則可以通過電流鏡的轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生對(duì)地的基準(zhǔn)信號(hào)輸出。這一部分功能由下面介紹的V-I轉(zhuǎn)換和基準(zhǔn)輸出電路來實(shí)現(xiàn)。需要補(bǔ)充的是,整個(gè)基準(zhǔn)核心電路的工作需要一個(gè)外加信號(hào)的啟動(dòng)。另外,為了獲得較低的過驅(qū)動(dòng)電壓,所有MOS管的寬長(zhǎng)比都需要設(shè)計(jì)得比較大。2.2運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)圖3(a)是本文電壓-電流轉(zhuǎn)換的基本原理圖。假設(shè)運(yùn)算放大器具有理想特性,則流過電阻Rb和MOS管M1的電流IVBE正比于晶體管Q4的BE結(jié)壓降,為:ΙVBE=VBERb(4)IVBE=VBERb(4)實(shí)現(xiàn)了(3)式中右邊第一項(xiàng)的要求。為了提高V-I轉(zhuǎn)換精度,設(shè)計(jì)中除考慮運(yùn)算放大器的失調(diào)外,關(guān)鍵是運(yùn)算放大器的開環(huán)增益要足夠大。圖3(b)是整個(gè)V-I轉(zhuǎn)換電路的實(shí)際設(shè)計(jì)圖,運(yùn)算放大器采用n管輸入,偏置電流直接取自PTAT電流。為獲得高開環(huán)增益,也采用三級(jí)共柵共源的結(jié)構(gòu)。假設(shè)每只MOS管的本征增益為60,則可估算出運(yùn)算放大器的開環(huán)增益達(dá)100dB左右,足夠獲得高精度的電壓-電流轉(zhuǎn)換。圖3(c)是基準(zhǔn)輸出電路的結(jié)構(gòu),為獲得高精度的鏡像電流,同樣使用三級(jí)共柵共源的結(jié)構(gòu)。其中,pMOS管的柵極偏值電壓(V′b1,V′b2)由外部電路提供;M2管產(chǎn)生一路PTAT電流的鏡像電流,M3管產(chǎn)生一路IVBE的鏡像電流。這兩路電流相加后,通過Mp1和Mp2兩管組成的電流鏡,在電阻Rc上產(chǎn)生一個(gè)對(duì)地輸出的基準(zhǔn)電壓VREF。假設(shè)設(shè)計(jì)使MOS管寬長(zhǎng)比有:α0=(w/l)Μ2(w/l)Μ0=(w/l)Μ3(w/l)Μ1α0=(w/l)M2(w/l)M0=(w/l)M3(w/l)M1和β0=(w/l)ΜΡ2(w/l)ΜΡ1β0=(w/l)MP2(w/l)MP1則最終在電阻Rc上產(chǎn)生的輸出電壓為:VREF=α0?β0?(VBERb+2?VΤ?lnΝRa)?Rc≈1.167?α0?β0?RcRb(5)VREF=α0?β0?(VBERb+2?VT?lnNRa)?Rc≈1.167?α0?β0?RcRb(5)改變相關(guān)MOS管的寬長(zhǎng)比和調(diào)節(jié)電阻Rc的值,可以獲得任意大小的基準(zhǔn)信號(hào)值。2.3溫度跳變點(diǎn)的設(shè)計(jì)IPTAT為正溫度系數(shù),而IVBE為負(fù)溫度系數(shù)。因此,可用這兩路電流直接比較來產(chǎn)生過溫保護(hù)信號(hào),原理如圖4(a)所示。圖中,兩只pMOS管的寬長(zhǎng)比相同,其它nMOS管的寬長(zhǎng)比有:α1=(w/l)Μ5(w/l)Μ0?α2=(w/l)Μ6(w/l)Μ0?α3=(w/l)Μ7(w/l)Μ1M5和M6的柵極接在電位Vb,產(chǎn)生PTAT電流的鏡像電流;M7的柵極接在電位Vibe(圖3(b)中M1管的偏置電壓),產(chǎn)生IVBE電流的一個(gè)鏡像電流。這些電流的大小分別為:I5=α1·IPTAT,I6=α2·IPTAT,I7=α3·IVBE。調(diào)節(jié)MOS管的寬長(zhǎng)比,使溫度正常時(shí)I5<I7,過溫保護(hù)輸出低電平,開關(guān)K關(guān)斷,電流I6不起作用;溫度升高時(shí),I5增加,I7減小。若溫度上升使I5>I7,過溫保護(hù)將輸出高電平,同時(shí),開關(guān)K導(dǎo)通,I6產(chǎn)生一個(gè)正反饋?zhàn)饔?使電路穩(wěn)定輸出高電平,不受溫度細(xì)小波動(dòng)的影響。過溫保護(hù)輸出高電平后,若溫度下降到I5+I6<I7時(shí),過溫保護(hù)解除,重新輸出低電壓,此時(shí),開關(guān)K關(guān)斷,也產(chǎn)生一個(gè)正反饋的作用,使得電路輸出穩(wěn)定。從以上分析中可以看到,開關(guān)K控制的電流I6不僅能使輸出穩(wěn)定,同時(shí)也產(chǎn)生了“溫度滯徊”的效果。溫度上升時(shí),過溫保護(hù)的溫度跳變點(diǎn)取決于使電流I5=I7的溫度點(diǎn),由(1)、(2)兩式,可以計(jì)算出溫度跳變點(diǎn)為:Τ=q2k?lnΝ?α3α1+α3?RaRb?Vref(6)同理,過溫保護(hù)解除的跳變點(diǎn)取決于使電流I5+I6=I7的溫度點(diǎn),跳變點(diǎn)為:Τ=q2k?lnΝ?α3α1+α2+α3?RaRb?Vref(7)式中,T為絕對(duì)溫度?？梢钥吹?所有溫度跳變點(diǎn)都可以通過相關(guān)MOS管的寬長(zhǎng)比方便地進(jìn)行設(shè)置。電路的具體設(shè)計(jì)示于圖4(b),其中,開關(guān)K由一只nMOS晶體管實(shí)現(xiàn)。為提高溫度跳變的靈敏度和精度,同樣使用了三級(jí)共柵共源的結(jié)構(gòu)。3電源電壓的影響按照以上的設(shè)計(jì)電路,用Cadence軟件對(duì)其進(jìn)行了模擬,器件的模型參數(shù)引自中國(guó)華晶電子集團(tuán)公司“2μmCMOS集成電路設(shè)計(jì)規(guī)則”。設(shè)計(jì)中,所有MOS管的溝長(zhǎng)均取2μm;npn晶體管Q1、Q2和Q3、Q4的面積比取1∶8,電阻Ra為2kΩ,Rb和Rc為10.295kΩ;設(shè)計(jì)中,基準(zhǔn)輸出部分的MOS管寬長(zhǎng)比為α0=1、β0=1,輸出電壓約為1.167V。圖5(a)是電源電壓為6V,環(huán)境溫度從0°C到150°C變化時(shí),基準(zhǔn)信號(hào)輸出相應(yīng)變化的模擬結(jié)果。從圖中可以計(jì)算出,在0～80°C范圍內(nèi),基準(zhǔn)信號(hào)的溫度系數(shù)約為13ppm/°C。圖5(b)是在27°C下,當(dāng)電源電壓從5V變化到12V時(shí),基準(zhǔn)輸出信號(hào)的模擬結(jié)果。從圖中可以計(jì)算出,電源電壓抑制比約為4.2μV/V。圖5(c)是電路過溫保護(hù)功能的模擬結(jié)果,電源電壓取6V。與前面的理論分析相同,該電路實(shí)現(xiàn)了良好的“溫度滯徊”特性。另外,為了衡量溫度跳變點(diǎn)的穩(wěn)定性,將信號(hào)輸出反轉(zhuǎn)到電源電壓的二分之一處定義為溫度跳變點(diǎn)。模擬中,電源電壓從5V變化到12V時(shí),溫度跳變點(diǎn)的變化不超過±0.5°C,實(shí)現(xiàn)了高精度過溫保護(hù)。4基于npn管的過溫保護(hù)控制利用三級(jí)共柵共源結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了