CMOS 能隙參考電壓電路分析與設計

CMOS 能隙參考電壓電路分析與設計

李民慶 蔡一名 許瑞軒 吳明峰 林建宏 張昇瑋

電子工程系

摘要

CMOS 能隙參考電壓電路（CMOS Bandgap Voltage Reference Circuit，CMOS BGVR），擁有 高阻抗、低消耗功率與低溫度係數之特性，更因其 整體效率之提升，近年來成為多數混合訊號積體電 路中，組成參考電壓電源之核心架構之主流。本文 針對設計組成一CMOS BGVR 電路之基本單元： 參考偏壓電流源、誤差放大器、核心參考電壓電路 加以分析與模擬，最後利用TSMC 0.35-μm CMOS 製程技術，設計一供應電壓為 2V，參考輸出電壓 為1.2V 之 CMOS BGVR 電路，探討操作在不同溫 度下，其溫度飄移之穩定度，為了反應供應電壓改 變時，CMOS BGVR 之整體電路有良好的穩定輸 出，整體CMOS BGVR 電路之溫度係數補償，均 在本文中加以分析與設計之考量。 關鍵詞：能隙參考電壓電路、誤差放大器、溫度係 數、電流源。

壹、前言

目前的電子產品中，不論是消耗性電子產品或 是可攜式電子產品，都朝向攜帶方便、短小輕薄與 多功能應用之趨勢，其所需的製程縮小，所需消耗 功率也就相對減少，但多功能應用之外接電源與 IC 內部電路所需電壓不盡相同，故需要穩定參考 電壓電路，以提供混合訊號積體電路參考偏壓之功 能。 CMOS BGVR 電路實現的方式為：利用負溫 度係數電壓與正溫度係數電壓互補，以便提供具有 零溫度係數之CMOS 能隙參考電壓電路[1]。 近年來CMOS BGVR 電路因為消耗功率的降 低，加上其體積小、高阻抗的特性，成為低功率參 考電壓電路的主流，本文首先針對 CMOS BGVR 電路架構加以分析與設計。

貳、能隙參考電壓電路之特性參數

基本能隙參考電壓電路之結構:包含一個偏壓 電流源、一個誤差放大器、溫度補償電阻與產生正 溫度係數電壓電路如圖一所示，輸出參考電壓如下 式表示[1]： ( ) 3 ( ) 2 2 1 1 ln Bln B REF EB T T R R V V N V N V R R ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ = +_{⎢ ⎥} +_{⎢ ⎥} ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(1)

其中 N 為 BJT 集極電流比值、V_T為熱電壓。 圖一 能隙參考電壓電路之基本結構

為了降低 CMOS BGVR 電路之供應電壓，傳統 設計方式是使用 PMOS 作為誤差放大器的輸入 級，以降低

V

_GS1端與

V

_GS2端電壓極限，在此電路 中使用 NMOS 作為誤差放大器的輸入級，而串聯 電阻

R

2_A

,

R

2_B

,

R

3_A與

R

3B在誤差放大器的輸入 端，係用以提升直流水平位準電壓，使誤差放大器 操 作 在 高 增 益 區 域 ， 而 電 阻 值 通 常 設 定 為 B A

R

R

₂

=

₂ 與

R

3_A

=

R

3_B。 CMOS BGVR 電路為提高參考輸出電壓穩定 度，參考輸出電壓產生在誤差放大器的負輸入端， 而非在誤差放大器的正輸入端。此外，串聯電阻可 提 供 CMOS 能 隙 參 考 電 壓 電 路 的 高 階 補 償 ， A

R

R

₁

,

₂ 與

R

_2B 是高阻抗 poly 電阻，而

R

3_A與 B

R

3 是 p-diffusion 電阻。 通常CMOS BGVR 電路在設計上所需考量的 參數包括有：溫度係數(Temperature Coefficient)、 輸出電壓飄移(Output Offset Voltage)、供應電壓 (Supply Voltage)、消耗電流(Current Consumption)... 等。 具有零溫度係數的參考輸出電壓在 CMOS 能 隙參考電壓電路中是一個非常重要的指標，即將提 供外接混合訊號積體電路所需要的穩定電壓源，它 直接關係到的就是溫度係數，輸出電壓飄移越大其 溫度係數則越大，其表示式如下所示： 6

1

TempCo

REF

10

REF

V

V

T

∂

=

×

×

∂

（2） 為本文說明上述 CMOS 能隙參考電壓電路的 基本特性，本文利用圖二之 CMOS BGVR 完整電路 來模擬與分析，以作為設計一 CMOS BGVR 電路之 原則，其中

M

_B1到

M

_B4和

R

₄為一個參考偏壓電 流源，

M

_SB1至

M

_SB3為參考偏壓電流源之啟動電 路，

V

_REF為 CMOS 能隙參考輸出電壓，

M

_A1至 5 A

M

組成一誤差放大器(Error Amplifier)，

M

_S1 至 3 S

M

為 CMOS BGVR 電路之啟動電路，其他則為 整體能隙參考電壓的偏壓電路[3]。 圖二 CMOS 能隙參考電壓完整電路

参、CMOS 能隙參考電壓之電路設計

將一個具有負溫度係數的電壓，和一個具有正 溫度係數的電壓，利用適當的比例相加，以得到零 溫度係數輸出參考電壓，為 CMOS 能隙參考電壓 電路之設計原則。 因 PN 接面二極體的順向電壓，具有負溫度係 數，故利用雙載子電晶體的基極-射極電壓對溫度 之 變 化 率 為 ， 如 式 (3) 所 示 ， 當_{T=300 K}o _且 750 BE V = mV時，基極-射極間電壓對溫度的變化率 約為_{-1.5mV/ K}o _，其中m≈ −_{3 / 2[1]。} (4 ) g B E T B E E V m V V q T T − + − ∂ = ∂

(3) 而通常產生正溫度係數之示意電路如圖三表 示，係由雙載子電晶體(BJT)操作在不同電流密度 下 ， 兩 者 之 基 極 - 射 極 電 位 差 (

Δ

V

_BE

=

V

_BE1

−

V

_BE2

=

V

_T

ln

N

)，其中 N 為 BJT 集極電流比值

(

nI /₀ I_S1×I_S2/ I₀

)

，故

Δ

V

BE能顯示一 正溫度係數電壓，如式(4)所示。 圖三 正溫度係數電壓產生之示意電路

ln BE V k N T q ∂Δ ₌ ∂

(4)

肆、參考偏壓電流源之設計

為了驅動一CMOS BGVR 電路，需建立一個 參考偏壓電流源，ㄧ個理想的參考偏壓電流源應該 和供應電源及溫度無關，許多類比電路的應用中都 需要此種建構要素來提供 此一參考偏壓電流源來 偏壓其他子電路。如圖四所示，此電路採用自我偏 壓方式，左半邊電路為參考偏壓電流源之電路，假 設

M

_B1至

M

_B4均在飽和區內運作且λ≈0，則可 決定

I

_OUT

=

I

_REF，為明確定義輸出電流準位，電 路 需 加 入 電阻

R

₄限 制

I

_OUT電 流 準 位 ， 電 路中 4 3 3 4

V

I

R

V

GS

=

GS

+

D ，因此得到輸出參考電流 為：

(

)

μ ⎛ ⎞ = _⎜ − _⎟ ⎝ ⎠ 2 2 4 2 1 1 1 / OUT P OX P I C W L R K (5) 其中 ₌

₍

₎

₍

₎

2 1 / / / B B M M K W L W L 。 此參考偏壓電流源之右半邊電路的

M

_SB1至 3 SB

M

為啟動電路，為了防止電路通電後呈現呆滯 狀態，因此我們必須經由

M

_SB3去觸發電路，使電 路在電源加入時

M

_SB3導通，整體電路正常工作， 當電路正常工作後其啟動電路必須關閉，其

M

_SB3 的電流在經過ㄧ小段時間後隨即關閉。 圖四 與供應電源無關之偏壓電流源

伍、誤差放大器之設計

在 CMOS 能隙差考電壓電路中，誤差放大器 是一個不可缺少的電路架構，CMOS BGVR 電路整 體性能，往往受限於誤差放大器設計的優劣。而設 計誤差放大器所需要考慮的參數有:低頻增益(DC Gain)、相位邊限(Phase Margin)、單位增益頻寬(Unit Gain Bandwidth) 、 共 模 拒 斥 比 (Common Mode Rejection Ratio) 、共模增益(Common Mode Gain) 、 電源拒斥比(Power Supply Rejection Ratio) 、輸入共 模電壓範圍(Input Common Mode Range) 、迴轉率 (Slew Rate) 與 消 耗 功 率 (DC Power Dissipation)… 等，其中又以低頻增益、單位增益頻寬、相位邊限 與迴轉率為設計重點。 CMOS BGVR 電路為了得到高準確的輸出參 考電壓，並且減少製程變異對輸出電壓影響，通常 設計誤差放大器時，須降低誤差放大器的輸出飄移 電壓(Offset Voltage)，而誤差放大器的輸出飄移電 壓與溫度有關，此將會影響參考電壓的準確度，如 式(6)所示[2]。 ( )

( )

( )

( )

( )

μ ⎡_{Δ Δ} ⎤ ⎛ ⎞ _{⎢ ⎥} =Δ +_{⎜ ⎟}⋅ Δ + ⋅ − ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ _{⎢⎣ ⎥⎦} 2 1 2 / mP DN P N OS THN THP mN N OX N P N W W g I L L V V V W W g C W L L L (6) 圖五 單級運算放大器 通常若只考慮高速的設計，ㄧ個單級的運算放 大器是個不錯的選擇，由於它只有單一極點，所以 也沒有穩定度上的問題。為簡化整體CMOS BGVR

電路，誤差放大器使用圖五之單級運算放大器，欲 減少輸出飄移電壓，

M

_A3與

M

_A4的

g

_mP必須小於 1 A

M

的

g

_mN ， 同 時 降 低 來 自

M

_A5的 偏 壓 電 流 DN

I

，使

M

_A5電晶體的尺寸大小必須小於

M

_A1與 2 A

M

，如此可使

V

_OS效應最小化，降低

V

_REF之誤 差。 根據前面所說明的參考偏壓電流源、誤差放大 器、正溫度係數電壓產生電路與啟動電路，完整 CMOS 能隙參考電壓電路即如圖二所示。

陸、實驗結果

本文使用 TSMC 0.35-μm CMOS 製程技術，模 擬分析上述各節設計之電路，以下是組成 CMOS BGVR 電路之各子電路模擬及分析的結果。 (一) 偏壓電流源之溫度係數與穩定度： 首先針對與供應電源無關之參考偏壓電流源 做分析與模擬，其中包含：溫度變化、供應電壓之 範圍與啟動電路之模擬。 (a) 參考偏壓電流源對溫度之變化： 圖六 參考偏壓電流源之溫度變化 當溫度範圍在0℃至 100℃之間時，參考偏壓 電流源所輸出之電流變動如圖六顯示：第一條曲線 製程(Fast NMOS Fast PMOS model, FF)為 2.2μA 至 3.2μA、第二條曲線製程(Fast NMOS Slow PMOS model , FS)為 2.1μA 至 2.9μA、第三條曲線為標準 製程(Typical model , TT)為 1.9μA 至 2.8μA、第四 條曲線製程(Slow NMOS Fast PMOS model , SF)為 1.8μA 至 2.8μA 與第五條曲線製程(Slow NMOS

Slow PMOS model , SS)為 1.8μA 至 2.6μA，其中參

考偏壓電流源之電流變化範圍均約為1μA 以下。 (b) 參考偏壓電流源與供應電壓之範圍： 圖七 參考電流源之暫態分析 如上圖七顯示當供應電壓範圍在 2V 至 5V 之 間時，參考偏壓電流源所提供的電流變化範圍也均 在 1μA 以下。 (c) 啟動電路之模擬： 圖八 參考電流源電壓與電流之變化 當供應電壓逐漸上升時，啟動電路開始動作， 隨著供應電壓開始啟動參考偏壓電流源電路，當參 考偏壓電流源電路達到供應電壓後，參考偏壓電流 源電路開始動作，而啟動電流隨時間逐漸下降至 0A 後，關閉啟動電路，整體啟動時間約在 3μsec 內即可完成。 (二) 單級誤差放大器之低頻增益、相位邊限 與單位增益頻寬： 在CMOS 能隙參考電壓電路中，主要考慮誤 差放大器的四項重點性能是：低頻增益、相位邊 限、單位增益頻寬與迴轉率。 (a) 單級誤差放大器之低頻增益、相位邊限與單位

增益頻寬： 圖九 誤差放大器之低頻增益 上圖九顯示此單級誤差放大器之低頻增益約 為 44dB，相角邊限約為 87 度，單位增益頻寬為 5.78MHz。 (b) 單級誤差放大器之共模增益： 圖十 誤差放大器之共模增益 (c) 單級誤差放大器之迴轉率： 圖十一 誤差放大器之迴轉率 (d) 單級誤差放大器之輸入共模範圍： 圖十二 誤差放大器之輸入共模範圍 (e) 單級誤差放大器之電源拒斥比： 圖十三 誤差放大器之電源拒斥比 (f) 單級誤差放大器之共模拒斥比： 圖十四 誤差放大器之共模拒斥比 根據上述圖十至圖十四可知，此單級誤差放大 器提供之共模增益為-46dB，迴轉率為 4.2 /V μs， 輸入共模範圍為 0.6V 至 1.4V，電源拒斥比在 10MHz 為-25dB，共模拒斥比為 90dB。 (三) 整體 CMOS BGVR 電路之溫度係數及穩定 度： 以下是模擬分析整體 CMOS 能隙參考電壓電 路，溫度由 0℃至 100℃，輸出參考電壓為 1.2V， 由圖十五可知，第一為(Fast NMOS Fast PMOS model,

FF)，第二為(Fast NMOS Slow PMOS model , FS)，第 三為製程中的標準製程(Typical model , TT)，第四為 (Slow NMOS Fast PMOS model , SF)，最後為(Slow NMOS Slow PMOS model , SS)，其中 FF 製程之溫度 係 數 為15.5ppm/0C ， FS 製 程 之 溫 度 係 數 為 C 0 12.2ppm/ ， 且 標 準 TT 製 程 之 溫 度 係 數 為 C 0 12ppm/ ，SF 製程之溫度係數為12.7ppm/0C，SS 製程溫度係數為12.8ppm/0C，整體 BGVR 電路溫度 操作範圍由 0℃至 100℃，溫度係數均小於16ppm/0C 以下，且參考輸出電壓之變化均小於 1mV 以下。 圖十五 能隙參考電壓電路溫度模擬

柒、結論

將上節實驗之誤差放大器(Error Amplifier)與 CMOS 能隙參考電壓電路(CMOS BGVR)重要特性 參數結果，分別整理列表在表一及表二。 由下表可知一個 CMOS 構成之誤差放大器， 供應電壓為 2V，輸出電流為 13uA，消耗功率為 27uW， 直流增益為 44dB，共模增益為-46dB，電 源拒斥比在10MHz 為-25dB，共模拒斥比為 90dB， 迴轉率為4.2V/μs。 其 CMOS 能隙參考電壓電路之供應電壓為 2V ，輸 出參考 電壓 為 1.2V ，溫 度係數 均小 於 C 0 16ppm/ 以下，且參考輸出電壓之變化均小於1mV 以下。 表一 誤差放大器電路之特性參數 特性參數 規格 Supply voltage 2V Max. current consumption at 2-V supply 13uA Max. power dissipation

at 2-V 27uW

DC gain 44dB

Common Mode gain -46dB PSRR at 10MHz -25dB CMRR 90dB Slew Rate 4.2 V/μs 表二 CMOS 能隙參考電壓電路(CMOS BGVR)特 性參數 特性參數 規格 Supply voltage 2V Max. current consumption at 2-V supply 35uA Reference voltage 1.2V TC at VDD=2V 16ppm/0C 為提昇整體 CMOS 能隙參考電壓電路的操作 性能，就必須要提高此誤差放大器之電壓增益，故 二級運算放大器電路架構是個不錯的選擇，但其他 的電路架構[4]有可能會使其他性能提升或下降，要 如何提高 CMOS 能隙電壓電路對於溫度係數的補 償，減少不必要的電壓與電流消耗之問題也都是值 得再深入探討之課題。

參考文獻

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Threshold Voltage Device” , IEEE Journal of Solid-State Circuit, vol. 37, no. 4, pp. 526-530, Apr. 2002.

Analysis and Design of CMOS Bandgap Voltage Reference Circuit

Min-Chin Lee Yi-Ming Tasi Jui-Hsuan Hsu

Ming-Fong Wu Jian-Hong Lin Sheng-Wei Chang

Department of Electronic Engineering

Abstract

Bandgap Voltage Reference Circuit (BGVR) is main sub-structure of mixed-mode Integrated Circuit system in recent years, due to its high impedance, low power dissipation, high efficiency and low temperature coefficient characteristics. In this paper, the main components within CMOS BGVR consist of the basic current source, an error amplifier and the core cell of reference voltage circuit are analyzed and discussed in detail. To demonstrate the feasibility of the design procedure, a CMOS BGVR with supply voltage 2.0V and reference output voltage 1.2V is designed and fabricated using TSMC 0.35um CMOS technology.

A temperature coefficient scheme by poly and p-diffusion resistor is presented that provides both a fast transient response and full range temperature stability from 0℃ to 100℃ with temperature coefficient less 16ppm/℃ and output voltage variation less 1mV. The PSRR, CMRR, slew rate and temperature coefficient are analyzed and discussed in this paper.