1. CMOS工艺下Sub-1V带隙基准的设计挑战在低功耗集成电路设计中Sub-1V带隙基准BGR电路已经成为不可或缺的关键模块。传统带隙基准通常需要1.2V以上的工作电压这显然无法满足现代CMOS工艺对低电压的需求。我在实际项目中就遇到过这样的困境当系统供电电压降到1V以下时传统带隙基准电路要么无法启动要么输出精度大幅下降。Sub-1V带隙基准面临的首要挑战就是温度稳定性。在低电压下晶体管的跨导降低导致温度补偿效果变差。我曾经测试过一款0.8V工作的BGR电路在-40°C到125°C的温度范围内输出电压漂移达到了惊人的±5%。这主要是因为低压条件下PTAT正温度系数和CTAT负温度系数电流的匹配关系被破坏。另一个棘手的问题是**电源抑制比PSRR**的恶化。当电源电压降低时电源噪声对基准电压的影响会被放大。实测数据显示1.2V BGR的PSRR通常在60dB以上而0.8V版本可能只有40dB左右。这会导致基准电压随着电源波动而抖动严重影响ADC、DAC等精密电路的性能。2. Sub-1V带隙基准的核心设计原理2.1 低压带隙基准的基本架构要实现Sub-1V工作最常见的方案是采用电流模架构。与传统电压模BGR不同电流模架构通过叠加PTAT和CTAT电流来产生与温度无关的基准。我比较喜欢用这个类比就像调色时把红色和蓝色按比例混合可以得到紫色一样把正负温度系数的电流适当混合就能得到温度无关的基准。具体实现上通常会使用如图1所示的电路结构* 典型Sub-1V BGR核心电路 M1 1 1 0 0 NMOS W10u L1u M2 2 1 0 0 NMOS W10u L1u Q1 3 2 0 NPN 1 Q2 4 2 0 NPN 8 R1 3 5 10k R2 4 5 20k这个电路的关键在于利用MOS管工作在亚阈值区产生PTAT电流通过双极型晶体管的VBE产生CTAT电流使用电流镜确保电流比例精确匹配2.2 温度补偿的优化技巧在实际调试中我发现温度补偿效果对电阻比值极其敏感。有一次为了优化温度系数我连续调整了15次电阻比例才达到理想效果。这里分享一个实用技巧可以先用仿真软件扫描电阻比例与温度系数的关系曲线找到最佳工作点后再进行版图设计。高阶温度补偿也是提升性能的有效手段。通过在传统一阶补偿基础上增加二阶项可以将温度系数从原来的50ppm/°C优化到10ppm/°C以下。但要注意这会增加电路复杂度和功耗需要根据具体应用权衡。3. 提升PSRR性能的实战方案3.1 电源噪声抑制技术低压条件下PSRR下降的主要原因有两个一是工作点接近饱和区二是电流镜匹配精度降低。我在最近的一个项目中尝试了三种改进方案共源共栅电流镜将简单电流镜替换为共源共栅结构PSRR提升了约15dB预稳压技术在BGR前端增加一个LDO预稳压实测PSRR改善超过20dB差分架构采用全差分设计通过共模抑制来降低电源噪声影响表1对比了这三种方案的实测效果方案PSRR提升(dB)额外功耗面积代价共源共栅15低20%预稳压20中30%差分25高50%3.2 版图设计注意事项良好的版图设计对PSRR同样重要。我有一次因为忽略了匹配问题导致PSRR比仿真结果低了12dB。后来通过以下改进解决了问题对关键电流镜采用中心对称布局增加dummy器件保证边缘效应一致使用guard ring隔离噪声耦合电源走线尽量加宽并采用星型连接4. 反馈回路稳定性设计4.1 正反馈与负反馈的平衡Sub-1V BGR中通常同时存在正反馈和负反馈回路。设计不当很容易导致振荡我就曾经遇到过输出端出现100MHz自激振荡的情况。通过稳定性分析发现是因为正反馈环路增益过大。解决方法包括在误差放大器输出端增加弥勒补偿电容合理设置主极点位置控制正反馈环路增益小于负反馈环路4.2 启动电路设计低压BGR的启动问题尤为突出。我设计过一款0.7V工作的BGR最初版本有30%的概率无法正常启动。后来增加了如图2所示的启动电路才彻底解决问题* 可靠的启动电路示例 Mstart 6 7 0 0 NMOS W2u L0.5u Cstart 7 0 1p Rstart 7 0 10MEG这个电路的关键是RC时间常数要设置合理确保在电源上电后能及时开启主电路又不会干扰正常工作。
CMOS工艺下Sub-1V带隙基准的设计与优化
1. CMOS工艺下Sub-1V带隙基准的设计挑战在低功耗集成电路设计中Sub-1V带隙基准BGR电路已经成为不可或缺的关键模块。传统带隙基准通常需要1.2V以上的工作电压这显然无法满足现代CMOS工艺对低电压的需求。我在实际项目中就遇到过这样的困境当系统供电电压降到1V以下时传统带隙基准电路要么无法启动要么输出精度大幅下降。Sub-1V带隙基准面临的首要挑战就是温度稳定性。在低电压下晶体管的跨导降低导致温度补偿效果变差。我曾经测试过一款0.8V工作的BGR电路在-40°C到125°C的温度范围内输出电压漂移达到了惊人的±5%。这主要是因为低压条件下PTAT正温度系数和CTAT负温度系数电流的匹配关系被破坏。另一个棘手的问题是**电源抑制比PSRR**的恶化。当电源电压降低时电源噪声对基准电压的影响会被放大。实测数据显示1.2V BGR的PSRR通常在60dB以上而0.8V版本可能只有40dB左右。这会导致基准电压随着电源波动而抖动严重影响ADC、DAC等精密电路的性能。2. Sub-1V带隙基准的核心设计原理2.1 低压带隙基准的基本架构要实现Sub-1V工作最常见的方案是采用电流模架构。与传统电压模BGR不同电流模架构通过叠加PTAT和CTAT电流来产生与温度无关的基准。我比较喜欢用这个类比就像调色时把红色和蓝色按比例混合可以得到紫色一样把正负温度系数的电流适当混合就能得到温度无关的基准。具体实现上通常会使用如图1所示的电路结构* 典型Sub-1V BGR核心电路 M1 1 1 0 0 NMOS W10u L1u M2 2 1 0 0 NMOS W10u L1u Q1 3 2 0 NPN 1 Q2 4 2 0 NPN 8 R1 3 5 10k R2 4 5 20k这个电路的关键在于利用MOS管工作在亚阈值区产生PTAT电流通过双极型晶体管的VBE产生CTAT电流使用电流镜确保电流比例精确匹配2.2 温度补偿的优化技巧在实际调试中我发现温度补偿效果对电阻比值极其敏感。有一次为了优化温度系数我连续调整了15次电阻比例才达到理想效果。这里分享一个实用技巧可以先用仿真软件扫描电阻比例与温度系数的关系曲线找到最佳工作点后再进行版图设计。高阶温度补偿也是提升性能的有效手段。通过在传统一阶补偿基础上增加二阶项可以将温度系数从原来的50ppm/°C优化到10ppm/°C以下。但要注意这会增加电路复杂度和功耗需要根据具体应用权衡。3. 提升PSRR性能的实战方案3.1 电源噪声抑制技术低压条件下PSRR下降的主要原因有两个一是工作点接近饱和区二是电流镜匹配精度降低。我在最近的一个项目中尝试了三种改进方案共源共栅电流镜将简单电流镜替换为共源共栅结构PSRR提升了约15dB预稳压技术在BGR前端增加一个LDO预稳压实测PSRR改善超过20dB差分架构采用全差分设计通过共模抑制来降低电源噪声影响表1对比了这三种方案的实测效果方案PSRR提升(dB)额外功耗面积代价共源共栅15低20%预稳压20中30%差分25高50%3.2 版图设计注意事项良好的版图设计对PSRR同样重要。我有一次因为忽略了匹配问题导致PSRR比仿真结果低了12dB。后来通过以下改进解决了问题对关键电流镜采用中心对称布局增加dummy器件保证边缘效应一致使用guard ring隔离噪声耦合电源走线尽量加宽并采用星型连接4. 反馈回路稳定性设计4.1 正反馈与负反馈的平衡Sub-1V BGR中通常同时存在正反馈和负反馈回路。设计不当很容易导致振荡我就曾经遇到过输出端出现100MHz自激振荡的情况。通过稳定性分析发现是因为正反馈环路增益过大。解决方法包括在误差放大器输出端增加弥勒补偿电容合理设置主极点位置控制正反馈环路增益小于负反馈环路4.2 启动电路设计低压BGR的启动问题尤为突出。我设计过一款0.7V工作的BGR最初版本有30%的概率无法正常启动。后来增加了如图2所示的启动电路才彻底解决问题* 可靠的启动电路示例 Mstart 6 7 0 0 NMOS W2u L0.5u Cstart 7 0 1p Rstart 7 0 10MEG这个电路的关键是RC时间常数要设置合理确保在电源上电后能及时开启主电路又不会干扰正常工作。
