莫啸　李冬　张明科　孔德鑫

摘要：本文基于TSMC 28nm HPC工艺，设计了一款应用于900mV低压差线性稳压器（Low output Voltage，LDO）的高精度自偏置带隙基准源。仿真结果表明，在1.8V的工作电压下，该带隙基准的输出电压接近600mV。tt模式，温度范围-40℃到125℃，该带隙基准的温度系数低至8.8ppm/℃，具有良好的温度特性。tt模式，27℃时，低频的电源抑制比达到78.8dB，静态电流15.4μA。

关键词：自偏置;带隙基准;温度系数;电源抑制比

中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0075-03

0 引言

电压基准是当今模拟集成电路设计中应用最为广泛的模块，广泛应用于LDO，数模/模数转换电路（Analog to digital/digital to analog convert circuit，AD/DA）等电路。无论是哪种应用场景，均要求电压基准的输出电压具有不随电源电压变化，温度波动时输出电压变化小，输出电压不能受工艺影响的特点。带隙基准结构最早提出于1971年，相较于其他结构，带隙结构的电压基准能够更好的满足现阶段LDO，AD/DA等模拟模块的应用需求，成为目前最常用的电压基准实现结构。

本文研究了基于TSMC 28nm HPC工艺下的带隙基准源的设计，该带隙基准将被应用在900mV的高精度LDO中，因此对其精确度有一定的要求。

1 带隙基准的设计

带隙基准的一个重要性能指标是温度系数。在双极性晶体管中，基射极电压与温度有着负的温度系数，而两个具有不同密度的双极性晶体管电压差有着正的温度系数。利用正负温度系数的叠加，可以正好得出与温度不相关的电压。这是带隙基准的基础。本文提出的带隙基准是电流模式的带隙基准，其电路结构如图1所示。

从左到右，该带隙基准模块主要包括启动电路、自偏置电路、运算放大器、基准核心模块、缓冲器，同时还具有为下级模块提供基准电流的输出电流部分。该带隙基准模块采用了自偏置的电路结构，当支路电流为零时，将出现基准核心模块无法启动的情况，称之为零状态。零状态是任何自偏置电路结构都会遇到的，与工作状态相对立的状态，处于零状态下的偏置电路将失去价值。为了保证带隙基准模块可以一直处于启动状态下，需要在支路电流为零时，为支出电流提供一个额外的扰动，将工作点推离该状态，进入正常的工作状态，因此该电路需要一个启动电路。

本文启动电路的主要实现方式是通过电容在电路使能信号或电源电压跳变时带来的抖动进行充放电过程，将偏置电路推离零状态。在将偏置电路推离零状态后，该自启动电容将不再工作，且不会带来任何功耗。

自偏置电流源的电流表达式为，从该表达式中可以看出，输出电流与阈值电压和电阻有关，与电源电压无关。但该结论的得出，忽略了沟道调制效应，且该效应在深纳米工艺下更为明显。在实际的电路设计中，输出电流并非完全与电源电压无关，只能采用长沟道的晶体管来抑制该效应。

运算放大器采用折叠式共源共栅结构，以提高基准电压的精度以及对电源电压变化的抑制能力。缓冲器buffer的输出连接到输出PMOS管的栅极构成负反馈，提高稳定性。运算放大器需要偏置电路提供四个不同的电压，偏置电路采用两个电流镜形成四个偏置电位为放大器提供合适的偏置电压。基准核心电路采用了低压共源共栅结构，电流镜和差分对管均采用沟道长度较大的晶体管，减少了沟道长度调制效应导致的输出对电源的依赖性。在设计中，两个三极管发射极面积比为8：1，即两个三极管的数量比为8：1。

2 带隙基准的版图设计与仿真结果

2.1 前仿真结果

在全工艺角（tt，ff，ss，sf，fs）下，选取27℃、-40℃、125℃三个温度点，该带隙基准的输出电压数据如表1所示。

tt模式，1.8V的电源电压下，针对温度从-40℃到125℃的范围内，对该带隙基准的温度系数进行仿真，仿真结果如图2所示。

全工艺角下的温度系数数据如表2所示。

tt模式，1.8V的电源电压下，该带隙基准的电源抑制比仿真结果如图3所示。

全工艺角下的电源抑制比数据如表3所示。

整个带隙模块的静态电流数据如表4所示。

2.2 版图设计与后仿真结果

本文设计的带隙基准基于TSMC 28nm HPC工艺进行设计。为提高带隙基准电路的精确度，本文中的NMOS全部采用深N阱晶体管，在NMOS、电阻、电容所在的衬底区域增加深N阱，防止噪声从衬底影响敏感电路。基准核心电路的三极管采用3X3布局，位于版图的左上角，通过共质心的结构，减小工艺误差。运算放大器的输入对管采用共质心对称的结构，提高匹配度。在电流镜等结构中，周围增加dummy管，减小工艺误差。在电阻串中，电阻采用交叉结构，提高匹配度，同时在两侧增加dummy电阻。最终该部分版图如图4所示。

2.3 后仿真结果

在全工艺角（tt，ff，ss，sf，fs）下，选取27℃、-40℃、125℃三个温度点，该带隙基准的输出电压数据如表5所示。

tt模式，1.8V的电源电压下，针对温度从-40℃到125℃的范围内，对该带隙基准的温度系数进行仿真，仿真结果如图5所示。

全工艺角下的温度系数数据如表6所示。

tt模式，1.8V的电源电压下，该带隙基准的电源抑制比仿真结果如图6所示。

全工艺角下的电源抑制比数据如表7所示。

整個带隙模块的静态电流数据如表8所示。

3 结语

本文基于TSMC 28nm HPC工艺，设计了一款带有自偏置电路的带隙基准源。仿真结果表明，在1.8V的工作电压下，工艺角变化以及温度变化对该带隙基准电压的影响较小，实现了精度较高的输出电压指标，在实现不错的电源抑制比的同时，具有较小的功耗。本文采用的深N阱结构，可以为提高带隙基准精度提供一定的参考。

A high Precision and Self-bias Bandgap Reference

MO Xiao， LI Dong， ZHANG Ming-ke， KONG De-xin

（The 38th Research Institute of China Electronic Science and Technology Group Corporation ， Hefei Anhui  231500）

Abstract：Based on TSMC 28nm HPC technology， this paper design a high-precision self-bias band gap reference source applied to 900mV low-output voltage. The simulation result shows that output voltage of the band gap reference is close to 600mV under the working voltage of 1.8V. In tt mode， the temperature coefficient of the band gap reference is as low as 8.8ppm/℃ in the temperature of -40℃ to 125℃， showing good temperature characteristics. In tt mode， the low-frequency power supply rejection ratio reach 78.8dB， and the static current is 15.4μA at 27℃.

Key words：self-bias; bandgap reference; temperature coefficient; power supply rejection ratio