一種p阱c級進模設計

1過溫保護電路在集成電路中，例如，電源管理芯片、a-d或d-a檢測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,過溫保護電路也必不可少。本文設計了一種適用于P阱CMOS工藝的具有高電源電壓抑制比和低溫度系數(shù)的帶隙式基準源;同時,利用實現(xiàn)基準源時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,實現(xiàn)了高精度的過溫保護電路。整個電路中使用了三級共柵共源(Cascode)結(jié)構(gòu),因此基準源的電源電壓抑制比高、溫度系數(shù)小。此外,過溫保護和解除保護的溫度跳變點可以通過調(diào)整相關(guān)MOS管的寬長比進行精確設置。2iptat和iiibe的交互作用整個電路的基本結(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:一路是由基準核心電路產(chǎn)生的正比于絕對溫度的電流(PTAT電流,記為IPTAT);另一路是對雙極晶體管的發(fā)射極-基極電壓(VBE)進行V-I變換產(chǎn)生的電流(記為IVBE),它具有負溫度系數(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)生對地輸出的基準電壓信號。過溫保護電路中,則通過調(diào)節(jié)IPTAT和IVBE的比值,將其直接比較,產(chǎn)生過溫保護信號的輸出。下面具體分析每一部分電路的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)。2.1基準電流的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換基準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)電壓差與絕對溫度成正比這一特性。首先,由于采用的是P阱CMOS工藝,設計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阱擴散(或注入)同時實現(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)擴散(或注入)同時實現(xiàn),基極的p+接觸區(qū)可以和pMOS的源、漏區(qū)擴散(或注入)同時實現(xiàn)。整個n型襯底都相當于集電區(qū),必須保證所有晶體管集電極都連接在最高電位,便可以不對雙極晶體管進行隔離,實現(xiàn)雙極晶體管的制備工藝和CMOS工藝兼容的目的。圖2(b)是基準核心部分的具體電路,其基本結(jié)構(gòu)采用文獻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)制效應較大,因此采用三級共柵共源結(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為N。設計中,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～I4)大小相同,X和Y兩點的電位也相同。由雙極晶體管的特性可以計算出,落在電阻Ra上的電壓差為ΔVBE=2VT·lnN式中,VT是熱電動勢kT/q,k是玻爾茲曼常數(shù),q是電子電荷量,T是絕對溫度。流過電阻Ra的電流,即電流I1～I4,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?shù)碾娮鑂b,如圖2(b)所示,則可以獲得一個相對于電源高電位VCC輸出的基準電壓: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)基準電壓的產(chǎn)生以及電阻R1、Rb的取值計算,在文獻中有詳細介紹,本文不再詳述。但用這種方法產(chǎn)生的基準電壓是相對于VCC輸出的,而多數(shù)電路中要求基準電壓對地輸出,因此,必須采用其它電平位移電路來解決。在本文的設計中,并不是將電阻Rb直接串入I4電流支路來獲取基準電壓。首先,將(2)式兩邊同時除以Rb,則可以得到一個與溫度無關(guān)的“基準電流”: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“基準電流”,則可以通過電流鏡的轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生對地的基準信號輸出。這一部分功能由下面介紹的V-I轉(zhuǎn)換和基準輸出電路來實現(xiàn)。需要補充的是,整個基準核心電路的工作需要一個外加信號的啟動。另外,為了獲得較低的過驅(qū)動電壓,所有MOS管的寬長比都需要設計得比較大。2.2運算放大器的結(jié)構(gòu)圖3(a)是本文電壓-電流轉(zhuǎn)換的基本原理圖。假設運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)實現(xiàn)了(3)式中右邊第一項的要求。為了提高V-I轉(zhuǎn)換精度,設計中除考慮運算放大器的失調(diào)外,關(guān)鍵是運算放大器的開環(huán)增益要足夠大。圖3(b)是整個V-I轉(zhuǎn)換電路的實際設計圖,運算放大器采用n管輸入,偏置電流直接取自PTAT電流。為獲得高開環(huán)增益,也采用三級共柵共源的結(jié)構(gòu)。假設每只MOS管的本征增益為60,則可估算出運算放大器的開環(huán)增益達100dB左右,足夠獲得高精度的電壓-電流轉(zhuǎn)換。圖3(c)是基準輸出電路的結(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)生一個對地輸出的基準電壓VREF。假設設計使MOS管寬長比有: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管的寬長比和調(diào)節(jié)電阻Rc的值,可以獲得任意大小的基準信號值。2.3溫度跳變點的設計IPTAT為正溫度系數(shù),而IVBE為負溫度系數(shù)。因此,可用這兩路電流直接比較來產(chǎn)生過溫保護信號,原理如圖4(a)所示。圖中,兩只pMOS管的寬長比相同,其它nMOS管的寬長比有: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管的寬長比,使溫度正常時I5<I7,過溫保護輸出低電平,開關(guān)K關(guān)斷,電流I6不起作用;溫度升高時,I5增加,I7減小。若溫度上升使I5>I7,過溫保護將輸出高電平,同時,開關(guān)K導通,I6產(chǎn)生一個正反饋作用,使電路穩(wěn)定輸出高電平,不受溫度細小波動的影響。過溫保護輸出高電平后,若溫度下降到I5+I6<I7時,過溫保護解除,重新輸出低電壓,此時,開關(guān)K關(guān)斷,也產(chǎn)生一個正反饋的作用,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,同時也產(chǎn)生了“溫度滯徊”的效果。溫度上升時,過溫保護的溫度跳變點取決于使電流I5=I7的溫度點,由(1)、(2)兩式,可以計算出溫度跳變點為:Τ=q2k?lnΝ?α3α1+α3?RaRb?Vref(6)同理,過溫保護解除的跳變點取決于使電流I5+I6=I7的溫度點,跳變點為:Τ=q2k?lnΝ?α3α1+α2+α3?RaRb?Vref(7)式中,T為絕對溫度?？梢钥吹?所有溫度跳變點都可以通過相關(guān)MOS管的寬長比方便地進行設置。電路的具體設計示于圖4(b),其中,開關(guān)K由一只nMOS晶體管實現(xiàn)。為提高溫度跳變的靈敏度和精度,同樣使用了三級共柵共源的結(jié)構(gòu)。3電源電壓的影響按照以上的設計電路,用Cadence軟件對其進行了模擬,器件的模型參數(shù)引自中國華晶電子集團公司“2μmCMOS集成電路設計規(guī)則”。設計中,所有MOS管的溝長均取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;設計中,基準輸出部分的MOS管寬長比為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,基準信號輸出相應變化的模擬結(jié)果。從圖中可以計算出,在0～80°C范圍內(nèi),基準信號的溫度系數(shù)約為13ppm/°C。圖5(b)是在27°C下,當電源電壓從5V變化到12V時,基準輸出信號的模擬結(jié)果。從圖中可以計算出,電源電壓抑制比約為4.2μV/V。圖5(c)是電路過溫保護功能的模擬結(jié)果,電源電壓取6V。與前面的理論分析相同,該電路實現(xiàn)了良好的“溫度滯徊”特性。另外,為了衡量溫度跳變點的穩(wěn)定性,將信號輸出反轉(zhuǎn)到電源電壓的二分之一處定義為溫度跳變點。模擬中,電源電壓從5V變化到12V時,溫度跳變點的變化不超過±0.5°C,實現(xiàn)了高精度過溫保護。4基于npn管的過溫保護控制利用三級共柵共源結(jié)構(gòu),設計了