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A Single-Trim CMOS Bandgap Reference With a 3δ Inaccuracy of 0.15% From 40C to 125C 概述: 1、为了消掉process偏差导致的每片chip的偏差,需要使用trim技术对每片进行单独的校准 2、bandgap中process的偏差一般是线性的,可以通过单点校准来上下调节曲线的纵坐标进行校准 3、Bandgap中的运放offset偏差是非线性的,不能通过单点校准来消除 4、通常要降低运放的offset偏差可以使用bipolar充当输入对管,也可以使用大尺寸的MOS对管 前者的匹配性比较好但是需要bicmos工艺;后者在牺牲面积的情况下可以减小MOS对管的offset 5、运放的offset还可以通过添加调零电路和chopper电路来实现 前者会导致输出不连续同时增加运放的低频噪声;后者会使用时钟,增加动态功耗,同时带来高频下的ripple,需要大的滤波电容来减小ripple 6、VBE的温度特性是轻微非线性的(二阶非线性),需要使用曲率补偿减小该温度特性 Bandgap原理: 通过运放将VBEQ1钳位到R2上端,使得R2上电压压降为ΔVBE=VBEQ1-VBEQ2=VT*lnN,流过R1/R2支路的电流相等(R1/R2两端电压差值相等),则VBG表达式如公式(1)所示 Bandgap常用电路及误差分析: 实际bandgap电路如(a)所示,该架构中M1/M2存在失配,为了减小失配的影响,一般采用(b)架构,主要是利用R1A/R1B(电阻大,数量多,匹配度高)之间的失配比M1/M2小得多这个原理 Bandgap中的误差: 线性误差: a、三极管饱和漏电流IS的偏差 b、电阻的偏差 c、电阻mismatch 以上的线性误差可以通过trimming进行单点消除 非线性误差: a、运放的失调电压offset – 使用chopper电路 b、三极管的VBE电压 – 使用曲率补偿电路 Trimming原理: VBG = VBEQ1 + IPTATR1A + 2IPTAT*(R3+RT),其中IPATA=VT*ln8/R2 调节RT的阻值,就能使得VBG的电压上升或者下降,此时VBG温度曲率不发生改变(IPTAT未被处理) 此处修改:RT的阻值改变不仅会影响BG的温度特性(RT直接影响IPTAT的系数)还会影响BG的DC电平,此处涉及到两种校准目标: 1、不关心VBG曲线的上下移动,当不同PV下,温度曲线会呈现不同的正温、负温特性(PVT仿真仿一仿就知道了) 此时需要两点校准:在0℃和80℃下(此处取值为假设)分别测量到VBG输出电压1.12V和1.18V,得到正温斜率,则按照编程code位控制减小RT值,可以调节温度特性变为水平 2、不关心调节RT对温度特性的影响,只需要单点校准,在室温27℃下,测量得到两片die,一片1.12v,一片1.25v,则前一片RT增大,后一片RT减小,使得VBG调整到1.2V 假设27℃下VBG随PV会发生40mV的上下总偏差,电阻RT变化范围设计20kohm,要想得到至少0.5mV的调节精度,则至少需要7BIT编程调节,得到40mV/(2^7)=0.3125mV的调节精度 VBE曲率补偿原理: VBE非线性表达式如(6)所示,当三极管输入零温漂电流时,α=0;当输入为PTAT电流时,α=1 如上图左所示,Q1路流入PTAT正温电流,Q3路流入ZERO零温漂电流,则根据等式(7)(9)有: Vvc = VBEQ3 - VBEQ1 = VT*ln(T/T0) 则上图右所示的实际电路中有: Ibg/2 = Ipata+Ivc = VTlnN/R2 - (-Vvc/R5)=VTlnN/R2+VT*ln(T/T0)/R5 VBG = VBEQ1+R1*(Ibg/2)+(R3+RT)Ibg = VBEQ1+(R1+2R3+2RT)/R2VTlnN+(R1+2R3+2RT)/R5VT*ln(T/T0) 其中两个绿色部分VBEQ1中存在的-(η-1)VTln(T/T0)非线性项和(R1+2R3+2RT)/R5VTln(T/T0)项,可以通过电阻比例的合适取值抵消掉 → (R1+2R2+2RT)/R5=(η-1) η通常取4 最终的VBG=VBEQ0*(T/T0)+(R1+2R3+2RT)/R2VTlnN,无二阶非线性项存在 遗留问题1: 非线性通过等式(R1+2R2+2RT)/R5=(η-1)中电阻比值消掉,其中包含了RT值,也就是当trimming操作改变RT值时,非线性的消除发生了偏差,重新引入了非线性 遗留问题2: 运放的chopper部分分析,将留在运放章节,后续更新 Reference: A Single-Trim CMOS Bandgap Reference With a 3δ Inaccuracy of 0.15% From 40C to 125C, IEEE-2011 Curvature-Compensated BiCMOS Bandgap with 1V Supply Voltage, IEEE-2001 A Curvature-Corrected Low-Voltage Bandgap Reference, IEEE-1993 非常推荐大家关注我刚开通的 公众号【FPGA开发笔记】,我每天都会更新分享发布自己在FPGA开发过程中的心得和收货,也会分享一些硬件电路、模拟IC设计、电子DIY、嵌入式软件相关的文章。 |
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