A Single-Trim CMOS Bandgap Reference With a 3δInaccuracy of 0.15% From 40C to 125C
概述:
1、為了消掉process偏差導(dǎo)致的每片chip的偏差,需要使用trim技術(shù)對(duì)每片進(jìn)行單獨(dú)的校準(zhǔn)
2、bandgap中process的偏差一般是線性的,可以通過單點(diǎn)校準(zhǔn)來上下調(diào)節(jié)曲線的縱坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)
3、Bandgap中的運(yùn)放offset偏差是非線性的,不能通過單點(diǎn)校準(zhǔn)來消除
4、通常要降低運(yùn)放的offset偏差可以使用bipolar充當(dāng)輸入對(duì)管,也可以使用大尺寸的MOS對(duì)管
前者的匹配性比較好但是需要bicmos工藝;后者在犧牲面積的情況下可以減小MOS對(duì)管的offset
5、運(yùn)放的offset還可以通過添加調(diào)零電路和chopper電路來實(shí)現(xiàn)
前者會(huì)導(dǎo)致輸出不連續(xù)同時(shí)增加運(yùn)放的低頻噪聲;后者會(huì)使用時(shí)鐘,增加動(dòng)態(tài)功耗,同時(shí)帶來高頻下的ripple,需要大的濾波電容來減小ripple
6、VBE的溫度特性是輕微非線性的(二階非線性),需要使用曲率補(bǔ)償減小該溫度特性
Bandgap原理:
通過運(yùn)放將VBEQ1鉗位到R2上端,使得R2上電壓壓降為ΔVBE=VBEQ1-VBEQ2=VT*lnN,流過R1/R2支路的電流相等(R1/R2兩端電壓差值相等),則VBG表達(dá)式如公式(1)所示
Bandgap常用電路及誤差分析:
實(shí)際bandgap電路如(a)所示,該架構(gòu)中M1/M2存在失配,為了減小失配的影響,一般采用(b)架構(gòu),主要是利用R1A/R1B(電阻大,數(shù)量多,匹配度高)之間的失配比M1/M2小得多這個(gè)原理
Bandgap中的誤差:
線性誤差:a、三極管飽和漏電流IS的偏差 b、電阻的偏差 c、電阻mismatch
以上的線性誤差可以通過trimming進(jìn)行單點(diǎn)消除
非線性誤差:
a、運(yùn)放的失調(diào)電壓offset -- 使用chopper電路
b、三極管的VBE電壓 -- 使用曲率補(bǔ)償電路
Trimming原理:
VBG = VBEQ1 + IPTAT*R1A + 2*IPTAT*(R3+RT),其中IPATA=VT*ln8/R2
調(diào)節(jié)RT的阻值,就能使得VBG的電壓上升或者下降,此時(shí)VBG溫度曲率不發(fā)生改變(IPTAT未被處理)
此處修改:RT的阻值改變不僅會(huì)影響B(tài)G的溫度特性(RT直接影響IPTAT的系數(shù))還會(huì)影響B(tài)G的DC電平,此處涉及到兩種校準(zhǔn)目標(biāo):
1、不關(guān)心VBG曲線的上下移動(dòng),當(dāng)不同PV下,溫度曲線會(huì)呈現(xiàn)不同的正溫、負(fù)溫特性(PVT仿真仿一仿就知道了)
此時(shí)需要兩點(diǎn)校準(zhǔn):在0℃和80℃下(此處取值為假設(shè))分別測量到VBG輸出電壓1.12V和1.18V,得到正溫斜率,則按照編程code位控制減小RT值,可以調(diào)節(jié)溫度特性變?yōu)樗?/p>
2、不關(guān)心調(diào)節(jié)RT對(duì)溫度特性的影響,只需要單點(diǎn)校準(zhǔn),在室溫27℃下,測量得到兩片die,一片1.12v,一片1.25v,則前一片RT增大,后一片RT減小,使得VBG調(diào)整到1.2V
假設(shè)27℃下VBG隨PV會(huì)發(fā)生40mV的上下總偏差,電阻RT變化范圍設(shè)計(jì)20kohm,要想得到至少0.5mV的調(diào)節(jié)精度,則至少需要7BIT編程調(diào)節(jié),得到40mV/(2^7)=0.3125mV的調(diào)節(jié)精度
VBE曲率補(bǔ)償原理:
VBE非線性表達(dá)式如(6)所示,當(dāng)三極管輸入零溫漂電流時(shí),α=0;當(dāng)輸入為PTAT電流時(shí),α=1
如上圖左所示,Q1路流入PTAT正溫電流,Q3路流入ZERO零溫漂電流,則根據(jù)等式(7)(9)有:
Vvc = VBEQ3 - VBEQ1 = VT*ln(T/T0)
則上圖右所示的實(shí)際電路中有:
Ibg/2 = Ipata+Ivc = VT*lnN/R2 - (-Vvc/R5)=VT*lnN/R2+VT*ln(T/T0)/R5
VBG = VBEQ1+R1*(Ibg/2)+(R3+RT)*Ibg =VBEQ1+(R1+2R3+2RT)/R2*VT*lnN+(R1+2R3+2RT)/R5*VT*ln(T/T0)
其中兩個(gè)綠色部分VBEQ1中存在的-(η-1)*VT*ln(T/T0)非線性項(xiàng)和(R1+2R3+2RT)/R5*VT*ln(T/T0)項(xiàng),可以通過電阻比例的合適取值抵消掉 →(R1+2R2+2RT)/R5=(η-1) η通常取4
最終的VBG=VBEQ0*(T/T0)+(R1+2R3+2RT)/R2*VT*lnN,無二階非線性項(xiàng)存在
審核編輯:黃飛
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