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西南交通大学 硕士学位
论文一种基于LDO带隙基准电压源 别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:冯全源 20060301 飚南交通大学硕士研究嫩学位
论文 箔I页 摘 要 零
论文设诗麓鬻羧基礁邀筮漂遵鼹是薹露。
魂潺管理芯片懿一拿棱心睦路之~,带隙基准电路在Dc.Dc,~D(模/数),D/A(数/横)等集成电路中部畜广+泛静盎灞。
班)0稳瑟器馥冀怒低匿蓑,疆及成熬翡生产工芑,惫豢熊生产成本,占据了稳压电路很大的市场,而胤前景诱人,因而世界潜名的半导葬厂囊玉一不在职发彝生产这类嚣镎。
蟊翁,毫源喾理集艘逛臻市场丈酃分被国外产品占据,研究开发西内的电源管礴电路产品,能夺回巨大的市场。
困此,开曩本顼羁的硬究其祷特别邀要麴激义。
本文所设计龅电路一般斑用于移动电话与无线通信设备、PDA、数玛糯极、携带型电浊设备等。
本
论文根据LDO稳压器的要求,设计了一种糕于LD0的带隙基准电压添鹣逛路,它莱蘑e。
5 uBl,2P3戳,援eM0s王慧。
受了瓣毫奄蘧簿裁链,采用了低压共源共栅的电流镜结构,并且在旗准内部设计了~个运算放大器,台理鲢运放设诗更滋一步翁挺蹇了逛澡誉秘注:在捧餐瀑漂方瑟我襄裂爆了%E的负温度系数和△圪。
的正温度系数,并使用了PT盯(pr。
portional to如sol艇e t8驿erature,与缝辩涅发戏袤毖)蕊方法慰湿瘦遴抒了~缀季}缕:在保护电路的安全方面本文设计了~个软扁动电路,莉罔寇容充电的原瓒使基准安全建立,并利用爱馈的机理在基准建立后期动关断软囊动模块。
从弱在保证基准窿垒建立静露辩减,j、了静态奄流,降低了功耗。
本文首先简要介绍了电源管理芯片的羹要性及国内外发展现状,面临的簿霖;接着叙述了澄骧基疆蓬静关键基磷理论,然慝详缨滔述了磷蒎基礁逸压源的基本原理,根据以上情况和原理我们设计了~种基予LDO带隙糕准毫压源瓣毫鼹s并掰秘Sple乏接真靛释对塞添毫路送行了贫寞。
缝莱表骥,该电路具有较高的抑制温灞和电源电压的能力,扁动电路也保证了核心电路豹至E誉工作,其结鞠蕊荤,基鸯羝压餐功繇兹特点。
关键词:带隙基准;BIcMOS:PTAT:HsPIcE 西南交通大学硕士研究生学位
论文 第1|页 Abstract Band—gap reference Voltage circuit is one of the key circuits 0f powermanagement chip.It appljed fbr DC—DC,A/D conVerter,D/A conVerter jnintegrated circuit.Nowadays, foreign enterprises almost occupy the whOlemarket of power management 1C. it isⅡecessary to dominate such a big market.Therefore,it is of great significance t0 research and develop domestic powermanagement IC.MorcoVer,it is Very important to study the LDO 1inear regulatorcircuit.The typical applicatiOⅡof the chip includes the Mobile phones,WirelesscommuⅡication equipment, PDA, pOnable AV equipment, Battery poweredequipment. According to LDO lineaf regulator require,it designs a band-gap refereⅡcecjrcuit in this paper.The chip is manufactured by O.5um,2P3M、BICMOSprocess.For improVing the power rcjection,it adopts the low voltage cascodemiH’or structure,and designs the operation amplifie r.In the other hand,n takesup a temperature compensate techn0109y to improVe temperature stability.Thecharacteristic Of this design is combination between soft start—up circuit andreference Voltage circuit to assure the safe of establishiⅡg refcrence.By means ofcapacity charge principle,it designs the circuit which can cut Off when referenceV01tage reached.SO,it decreases the quiet current and the power cOnsumption. In the first part,this paper int】‘oduces the background and significance ofthis research.In the second chapter,the basic of the key knowledge js naⅡated.And then, It is a detailed description about the band—gap reference voltagedesigⅡ.It has successfully desigⅡed an reference voltage.HSPICE simulationresults which include temperature drift,PSRR(Power Supply Rejection Ration),quiet cu玎ent,time sequence.Therefore,the results have shOwn the circuit hasrejection of temperature drift and power supply.Soft startup circuit protects thecore circuit. The circuit hold adVantages of simply, low voltage aⅡd lowcoⅡsumDtion.K|ey words:LDO;band—gap refereⅡce;BICMOS;P1lAT;HSPICE 西南交通大学硕士研究生学位
论文 第1页 第1章绪论1.1引言 集成电路是现代信息产业和信息社会的基础,是改造和提升传统产业的核心技术。
随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到来,集成电路产业的战略地位越来越重要,它己成为事关国民
经济、国防建设、人民生活和信息安全的基础性、战略性产业。
世界集成电路产业的发展十分迅速。
2000年世界半导体产值达2000亿美元.而以集成电路为基础的电子信息产品的世界市场总额超过1万亿美元,成为世界第一大产业。
据国外权威机构预测,未来十年内,世界半导体的年平均增长率将达15%以上,到2010年全世界半导体的年销售额可达到6000~8000亿美元,它将支持4—5万亿美元的电子装备市场。
集成电路的技术进步日新月异。
目前世界集成电路大生产的主流技术为8英寸0.25微米,正在向12英寸O.18微米过渡,根据美国半导体协会(sIA)预测,到2010年将能达到18英寸O.07~O.05微米。
集成电路的技术进步还将继续遵循摩尔定律,即每18个月集成度提高一倍,成本降低一半。
系统集成芯片(SOc)技术;微电子机械(MEMs)技术:真空微电子技术;神经
网络芯片和生物芯片;砷化嫁(GaAs)集成电路、锗硅(Gesi)集成电路;基于量子效应的单电子器件和量子集成电路等,正在成为人们研究的热点,21世纪将有可能成为新的技术发展领域…。
混合微电子技术的快速发展及其应用领域的不断扩大,特别是在通信行业、
计算机系统高速发展和应用领域,电子和通信业界对于现代电子元器件(例如大规模集成电路,即VLsI)、电路小型化、高速度、低电源电压、低功耗和提高性价比等方面的要求越来越高¨~…。
传统的双极技术虽然具有高速、电流驱动能力强和模拟精度高等优点,但其功耗和集成度却不能适应现代VLsI技术的发展需要。
而一直作为硅锗(siGe)集成电路主要技术平台的}f【Os器件及其电路 西南交通大学硕士研究生学位
论文 第2页虽在高集成度、低功耗、强抗干扰能力等方面有着双极电路无法比拟的优势,但在高速、大电流驱动场合却无能为力。
可见无论是单一的cMOs,还是单一的双极技术都无法满足VLsI系统多方面性能的要求”1,因此融合了两种技术优势的新技术BicMOs器件及其电路便是vLSI发展的必然产物。
由于最先提出BiCMOS器件构造思路时,双极和cMOs两种技术在工艺和设备上差异较大、组合难度较大而且成本较高,同时因应用上的需求并不迫切,所以BiCMOS技术发展得比较缓慢“3。
随着双极和CMOs各自为提高电路性能和可靠性增加了许多工艺环节,例如采用薄膜外延深槽隔离、多晶硅自对准等新技术,使工艺复杂性和制备成本大为提高,两者工艺和设备的差异目趋模糊,因此并合两种技术的BicMOs开始发展了起来。
20世纪80年代可以说是BicMOs技术发展的第一个黄金时期,从美国无线电公司运用BicMOs开发的cA3440运算放大器开始,到日立、哈利斯、德克萨斯仪器(TI)和摩托罗拉等公司纷纷开发出BiCMOS门阵列、BicMOs APD(DPA)转换器、中央微处理器(cPu)、静存(sRAM)和动存(DRAM)等基于BiCMOs技术的产品,一直到最近其性能达到相当高的水平。
譬如80年代末,1.3 u m BicMOs 64kb和256kb SRA ̄【的存储时间已降到1 5 ns以下,1.3 u m BiCMOS门阵列包含了7560个元,4k三端口RAM和128个I/O冲器的延迟时间仅O.45ns,1.3 u m BiCMOS32位cPu的工作时间延迟减为5.5ns,平均传输延迟仅0.1 5ns.1 6kpPROM(可编程只读存储器)平均功耗只有5IIlwPMHz,而维持功耗也仅有5 u mw”1。
尽管CMOS器件尺寸缩小、功能增强,BicMOS研发曾有所回落,但由于近年来高速
通信系统中模拟和数字混合电路应用的迫切需要,BicMOs技术受到了前所未有的重视。
尽管BicMOs更适合于数字电路,但它也正在被越来越多地用于一些模拟电路设计中。
例如,除了构成运算放大器外,还常被用于模拟电路中的低阻抗输出级、电压/电流比较器、宽带/低噪声放大器和模拟乘法器中。
尽管BicMOs技术存在着工艺复杂和成本偏高的缺点,但其所达到的高性能却是单一工艺所无法比拟的,因此其发展空间令人乐观。
在便携式电子产品中,需要有高效的电源管理。
这在数字蜂窝电话(简称手机)中表现得尤为突出。
在过去几年中,手机的使用已经风靡全世界,正在成为人们普遍使用的语音通信工具。
在2003 西南交通大学硕士研究生学位
论文 第3页年,手机的销售量已超过五亿部。
不仅如此,为了吸引更多的消费者,手机厂商和服务运营商不断推出彩显、数字照相机、MP3播放机、PDA等各种新的手机功能和诸如下载多和弦铃声、多媒体短信、数据等各项服务。
随着手机朝着多功能化和“智能化”的方向发展,对电源管理也提出了更大的挑战,成为推动电源管理产品发展的主要因素〔引。
低成本设计中,如果电池电压与稳定的输出电压相比不是很高,负载电流足够低、不会造成系统过热,这种情况下,低压差线性稳压器(LDO)是比较理想的选择【”)“。
当从1节Li+电池产生3.3v输出时,Li+电池的有效电池电压变化范围大约是:4.2v至3v,输入4.2V时,LDO效率近似为79%;当电池电压降到3.6v(Li+电池工作时间最长的工作点)时,LD0效率为92%。
尽管高质量的Dc/Dc转换器可以提供95%以上的转换效率,但LD0此时所能提供的转换效率也很高,而且成本要低得多。
如果系统电压可以从3.3v降至3v,Dc.Dc转换器的优势将明显提高,但是,即使在这种情况下LDO也是一种较好的选择方案四。
1.2选题背景及意义1.2.1背景 电源及电源管理Ic市场在过去几年中得到了快速的发展,从1998年到2000年,半导体工业冲向新的高度,合并与收购、新品开发及公司发展速度都达到100%的水平。
电源与电源管理Ic市场在1998年市为28亿美元。
到2000年底则达到51亿美元以上,年平均复合增长率达35%。
但2001年增长率出现巨幅下降。
电源管理Ic市场在1999年和2000年期间出现了一系列翻天覆地的合并和收购。
这种浪潮在2001年有所减缓,但仍在继续。
vishav于2001年8月1日宣布有意收购General semiconductor公司,出价为5.389亿美元。
Maxim公司于2001年4月收购了Dallas半导体公司。
Faifchild公司于2001年3月收购了Intersil公司的功率分立器件业务。
蘸褰交通大学硕±誊嚣究生学稼
论文 第毒页Maxim集成产品公司于2001年4月11曰以25亿荧元收购了迭拉斯半鼯体公司。
达控额半导体生产全面鹣电量显示釉保护用魄漶管理lc。
j龟次收赡扩大了酝axim逛涟管理lc酶产菇线。
茯撬半导体公司于2001馨3月以大约3.38亿美元收购了Intersil的功率分立器件业务。
此次收购体现了快捷公词集中发展电源管理Ic秘分离元嚣{孛豹策硌”3。
从以上的信息中,我们不难麓甾市场对嘏源管理lC酶裰大鬻求,同时我们也可以感到在此领域中存在的激烈竞争。
1.2。
2意义 随着集成电路的集成水平按摩尔法则不断提高以及计算、通信、多媒体技术走向融合的趋势,我们看到越来越多的功能被集成到芯片、窜裂魄黪扳帮电子器终中,铡如,薪型驰智能电落不仅是臻鬻电话,还兼其壬’DA、数码柜枫、MP3播放器釉GPs功能于一身,使用户可以随时随地方便地进行通信、工作芹口娱乐活动。
高性能和小体积的携带型无线设备如移动媳话、PDA、笔记本电脑的需求臼髓增大,器耱豹薅积不裁缝枣,包会黪功能摸块藏子系绞帮不瑟增多,消耗的功率在成倍增长,每个模块都需要专门的变换器供电。
这样就对电源臀理的要求鼹加复杂和严格,讲究高效率、高性能和小尺寸,因此具有最佳性熊指标、最简外围电路、高集成度、高性价比、麓摇藏毒效率毫源等俊点弱毫澈管蓬毫黢其有广瓣弱市场兹爨110“H】。
目前,电源管理集成电路市场大部分被豳外产品占据,研究开发国内的魄源管理电路产品,熊谨回巨大的市场。
因此,开展本项罄赘礤究蒸有特鬟重蘩懿意义”8’”’”’。
本文掇到的LDO(低压差线性电压变换嚣)属于电源管理电路中的一种,并且将LDO中一个重要的部分一带隙基准电压源作为本次渫嚣载研巍。
它采焉O.5Hm BiCMOS工艺避行设计,熬个基准静态电流仅2.7uA;男多I,该带臻基准瞧压源包含较启动电路,傈证电路安全启动。
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论文 第5页1.3当前研究情况 随着集成电路工艺和设计水平的发展,在模/数转换器(ADc),数/模转换器(DAc)等混合信号集成电路
设计中口””3,高性能的电压基准源设计已成为关键技术之一。
由于电压基准源的温度稳定性以及抗噪声能力是影响转换精度的关键因素, 甚至影响到整个系统的精度和性能。
因此, 设计一个好的基准电压源具有十分重要的现实意义。
电压基准源有基于正向K。
电压基准,基于齐纳二极管反向击穿特性的电压基准,带隙电压基准等多种。
其中,带隙电压基准具有低温度系数,低基准电压,高电源抑制比,长期稳定性并且可与标准cMOS工艺兼容等优点,因而得到广泛的研究应用阳6““。
1。
4本
论文的主要
工作 本
论文将LDO(低压差线性变换器)中一个重要的部分一带隙基准电压源作为本次课题的研究。
它采用BicM0s工艺进行设计,通过对带隙基准电压源的原理分析,给出了合理的电路数据,然后借助仿真设计软件HsPICE对电路进行了完整设计和模拟仿真,包括带隙基准电压源对直流输入电压的变化,温度漂移、电源抑制比PsRR、启动时序等。
结果表明该带隙基准电压源电路的电特性参数均满足LDO对基准的指标要求。
具体工作如下: 第一章说明了开展本课题的背景和意义,以及概述自己做的一些工作。
第二章阐述了带隙基准电路的理论基础。
第三章详细叙述了带隙基准电压源的设计原理以及几个对电路指标产生影响的因素。
第四章讲述了带隙基准电压源的设计和仿真,详细分析了本文带隙基准的工作原理,并借助仿真设计
软件HSPICE对电路进行了完整的设计和模拟仿真。
第五章为结论与展望。
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论文 第6页 第2章带隙基准电压源电路理论基础 模拟电路广泛地包含电压基准和电流基准。
这种基准是直流量,它与电源和工艺参数的关系很小,但与温度的关系是确定的。
如一个差分对的偏置电流就必须根据基准产生,因为它会影响到电路的电压增益和噪声。
像在A/D和D/A转换器这样的系统中,也需要基准来确定其输入和输出的全程范围【”】。
产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。
除了电源、工艺、温度的不确定性外,基准产生电路的其它一些参数也是十分关键的。
在此我们着重讨论电源和温度对基准电路的影响。
下面我们来讨论共源共栅级,正负温度系数的产生,以及PTAT电流的产生原理。
2.1共源共栅极2.1.1共源共栅级的基本原理 共源极和共栅极的级联叫做共源共栅(cascode)结构。
这种结构具有许多有用的特性。
图2—1显示了共源共栅电路的基本结构:M1产生与输入电压Vi n成正比的小信号漏电流,M2仅仅使电流流经RD。
我们称M1为输入器件,M2为共源共栅器件。
这个例子需要注意的是,流经M1和M2的电流相等。
随着我们在这一节中对电路特点的阐述,共源共栅结构相对于简单的共源极的优点就变得显而易见了。
“。
显而易见了‘”1。
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论文 繁7页 圈2一l共源共掇结筠 图2—2共源共撵电路豹镳登奄压 蓄先我髓分板共源共搬缝梭懿傣置条件。
炎了保_i萎艇l工侮在魄和区,必须满足Vx≥Vin一‰。
假如M1和M2都处于饱和区,姗vx主要由Vb决定:Vx=Vb一%:。
因此,Vb一‰:》Vin一‰。
,从而可以得到Vb>Vin+%。
~‰,,觅菡2~2。
为了保谣M2饱和,必须满足Vout≥Vb—K。
,,如果Vb的取值使M1处于饱和区边缘,则Vout≥Vin一‰“+‰2一‰:。
觚丽缣涯Ml黧M2王彳睾在锪秘区静最,l、输密毫平等于M2和M1的过驱动电压之和。
换句话说,电路中M2管的增加会使毫路豹输窭怒压摇溪减小,藏小豹量变少为M2赘过辍动毫疆。
我们也说成M2“层叠”在M1上。
瑗在我{f1分板Vin从零变化到¥DD懿造程孛,凰2一l艨示共源共掇极的大信号特性。
当Vin≤‰,时,M1和M2处于截止状态,vout=vDD,且Vxm Vb一‰,(如果忽略亚闽值导通情况),见隧2—3。
擞Vin超过%,,之后,Ml开始抽取电流,Vout下降。
因为ID2增勰,‰,必定嗣时增加,故而导致Vx下降。
如果假定Vin为足够大的傻,会出现两个结果: 蚝。
◆ 西南交通大学硕士研究生学位
论文 第8页 。
‰{ ‰ 图2—3共源共栅级的输入输出特性 (1)Vx降到比Vin低一个阈值电压‰,,迫使M1进入线性区; (2)Vout降到比Vb低一个阂值电压‰,,使M2进入线性区。
对于不同的器件尺寸和%以及Vb,任何一个结果都可能先于另一个发生。
例如,如果Vb比较低的时候,M1会进入线性区。
需要注意的是,如果M2进入深线性区,Vx和Vout将接近相等。
共源共栅结构一个重要的特性就是输出阻抗很高。
有时候共源共栅级可以扩展为三个或更多器件的层叠以获得更高的输出阻抗,但是所需要的额外的电压余度使这样的结构缺少吸引力。
比如,三层共源共栅电路的最小输出电压等于三个过驱动电压之和。
2.1.2低压共源共栅电流镜 上面我们讨论了共源共栅的结构,这种结构我们在电路中可以给基准电压电路作为电流镜负载。
下面我们来看看以下两种共源共栅的结构。
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论文 繁g页窝2—4普通p赫Os共源共橱电流镜 圈2~5低莲装源共橱邀流镜结构 在图2—4中我们可以计算得到普通PMOs共源共栅电流镜所消耗的毯降为(陈。
一‰|+陈:一‰|+‰),其中‰,,‰:分别为凇和M2的楞源电压,假设鼹毒PM0s管的阙值电压的绝对僮均为为‰。
嚣图2—5所示的低压共源菸栅电流镜消耗的电压最小可以为两个p氍os鹭熬过赣动电压之积,靼(1‰,一‰l丰|%:一‰1),爨霾2一《枣了一个‰,因此匣适合在低的电源电压下工作。
在本次
论文中我们就采蘑了盈2—5豹设计
方案。
2。
2正负溢度系数电透的产生2.2.1负温度系数电压的产生 黧霭2—6(a)辑示,如策忽路晶体管蒸极电流,掰箕集电极静电流等于射极电流,它们的大小关系可表示为n”式中 乓一鑫髂管发射极发自锪秘电凌,它憋大小与发羹孝极露程戏正比,与掺杂浓度成反比。
麟悫交逶大学硕士磷突裳学位
论文 繁{O燹卜Boltaman常数带一曦葡量,一热力学激发(绝对溢赓) }r其中,翰一兰为熟电压,戴由式(2—1)可褥 譬 , ‰一乓‰擎) (2—2) J髫葵孛 j,。
杰丝整 。
(2一S) 睨眠式中磊一器体管发射援稼积 穰一藻酝窀予扩散系数 税一基嚣竟嶷 兢一蒸嚣杂缓浓度潮予走、致、联、氓趣与凝度笼关,胃设 F;血 (2~《) %姨 魏根鼹爱鞭斯遛公式可表示为 晓一K辑 (2—5) 囊式(2—3)、(2~4)和(2—5),可得 js蕾。
,}讳々群。
慰? (2—8) 式中雎?为撩本征藏流子浓度:缒为毽舱意子迁移攀,可分剃畿示为 n?*e≯e弹(—%,墨) (2~7) 段一乃r。
(2—8) 式《2—7)军嚣(2—8)中,e、0为与激度涎关得鬻数,y怒与麓阪掺杂浓度有关的参数,%为带辕魄压。
两南交通大学硕士研究生学位
论文 第1 1聪 i。
2舀 图2—6 三极管熬射结电压及温度特性联立式(2—2)、(2—6)、(2—7)帮(2—8)可得出 p刍=巧lll艮F4…exp9名,巧)/鼢】 (2—9)式中厶与温度有关,可袭示为 ,c删Gr7 (2一10)式中G、v均为常数。
把式(2一10)代入(2~9)可得;,BE—P≥一%【(4一r—y)l珏r—h国G/轰:≠℃D)j (2一i1) 式(2一11)即为晶体管基射缩电压‰与温度珀々近似关系式。
式中■黔一y—y)l鞋}顼与溢度骞关,劳逶遭对数关系反浚爨来,其交纯不显著;而盼m幻肛项与温度成正比。
与此可见,‰大体上随温度减枣瑟线蛙增翔。
熬襞将瀑廑线蠛终接裂缝对零发,‰达型建豹势熬电压值%21.205V,如图2—6(b)所示。
三极管在20~150℃温度范隘内很好的保持着这~特性。
通过不断试验,并运用统计规律,可以取其值为屯.2mV/℃,即温度镣上升1℃,认为三稷管‰正赢电压下降2.2TnV,丽溢度每下降l℃,箕正两电压上升2.2mV。
三极管这种良好的温度特性,我们就可以利用它来产生基准所需荽兹负溢度系数。
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论文 第12页2.2.2正温度系数电压的产生 在1964年人们认识到¨6““,如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下,那么他们的基极一发射级电压的差值就与绝对温度成正比由恒流源供电的晶体管,其基射结电压%。
随温度升高而减小。
但是,制作在一块集成电路上的两个相同类型的晶体管,如果两者的恒定电流密度的比值不等于1,那么它们的K,之差△%,是随温度的升高而增加,即△K。
具有正温度系数。
其原理推导如下所述。
根据晶体三极管的原理 ,。
1-,s1(e9‰‘脂7—1) (2~1 2) _,。
2=,j2(£9‰2”7—1) (2—1 3)当‰>>七丁/目时, 7‘7 ,c1。
,sle9‰1 (2—14) I:2。
|s乎q’mik3 (2一15) 为了简化
问题,我们可以先假设Q,、Q:的几何尺寸完全相同那么,。
等于,。
:,将式(2—14)和(2—1 5)相除得 ,。
l归。
2=B4‘‰1一%52’懈 .