基于锗硅 BiCMOS 工艺的射频带隙基准电流源设计

2017-06-27孙楷添丁星火张甘英

电子与封装 2017年6期

关键词：缓冲器基准电阻

孙楷添，丁星火，张甘英

（1.中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏无锡 214072；2.西安电子科技大学微电子学院，西安 710071）

基于锗硅 BiCMOS 工艺的射频带隙基准电流源设计

孙楷添1，丁星火2，张甘英1

（1.中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏无锡 214072；2.西安电子科技大学微电子学院，西安 710071）

射频电路偏置电流源对噪声的要求越来越高，引进的噪声不容忽视，带隙基准源在保证温漂系数的同时要求有较低的噪声。设计了一款不采用运放结构简单的射频带隙基准源电路，电源电压3.3 V，基准电压 VREF为 3.14 V，采用 PNP 双极管和电阻，利用缓冲器负载实现输出 DC 点和输出摆幅不变，改善了温度系数并且降低了噪声。基于 0.18 μm SiGeBiCMOS 工艺的仿真结果表明，在-55～125 ℃温度范围内，温漂系数为 9.613×10-6/℃；7.5 GHz 频率下，100 kHz 处噪声为 6.164 nV/sqrt(Hz)，总输出噪声低至 2.08×10-6V。

锗硅工艺；射频；带隙基准；温漂系数；噪声

1 引言

本文基于 0.18 μm SiGeBiCMOS 工艺，设计了一款可用于射频电路的带隙基准电流源电路，将倍增电路和微电流源电路相结合，一阶结构基准电压温漂系数接近二阶，能够输出恒定的电流，电流通过镜像电路输出到缓冲器负载的偏置电流源的基极，缓冲器负载输出 DC点和摆幅不变，安全可靠。

2 常见的带隙基准电路

BJT(双极晶体管)的 VBE电压随温度的升高而降低（CTAT），而两个在不同电流密度下工作的双极晶体管的 ΔVBE随温度的升高而升高（PTAT），把这两个电压按一定比例叠加，得到的基准电压就几乎与温度系数无关[2]。我们假设电压 V1呈正温系数，电压 V2呈负温系数，只要满足下面的关系式：

这样可以得到与温度无关的基准电压：

在式（2）中，α、β 均为常数。

典型带隙基准电流源电路的结构如图1[2]所示。

图2 整体电路架构

图1 典型带隙基准电流源电路图

由图1可知，带隙基准源包含三个部分：启动电路、电流偏置电路和带隙基准电压产生电路。假设 P2、P8、N4、N1 的宽长比是 P3、P7、N3、N2 的 K 倍，Q3 由n个Q2并联而成，忽略晶体管的体效应。若流过N2的电流为 IREF，则流过 N1 的电流为 KIREF，可以得出：

由式（3）可知，电流偏置电路的 IREF大小与阈值电压、三极管并联的个数、电阻 R2值和温度有关，与电源电压无关，进而得出输出基准电压 VREF为：

只要调节 R1和 R2的大小就可得到一个与温度无关的基准电压，该种结构温漂系数大约在几十×10-6/℃左右，结构相对复杂，寄生效应大，输出端无法与缓冲器负载进行匹配，无法保证输出信号的DC点和摆幅不变，很难满足射频电路的需求。

通过求解非定常不可压缩RANS方程，对上海船舶运输科学研究所的空泡水筒流场进行数值模拟，探究空泡水筒不同位置处的流场特性，重点分析工作段内的流场分布，得到以下结论：

3 锗硅 BiCMOS 工艺下带隙基准源的设计

本论文提出的带隙基准源采用 0.18 μm SiGe BiCMOS 工艺，工作频率高达 7.5 GHz，经过工艺论证，选择工艺截止频率为 68 GHz的高性能纵向 PNP双极管进行电路搭建，电路架构如图2所示。

图3 双极工艺带隙基准电流源电路图

带隙基准结构包括自启动电路和带隙基准电路，具体电路[4]如图3 所示，电源上电后自启动电路启动，对带隙基准电路充电，电压稳定后自启动电路关断，带隙基准电路工作，电阻上产生与温度无关的压降，输出两路电流。本次设计中，输出电流为 260 μA，通过缓冲器负载电路控制输出电压的大小和摆幅，为下级电路供电。

左边为自启动电路，电阻 R4阻值较大，起限流作用，Q8、Q9 和 Q10 采用二极管接法，开始上电时，D 点电压为点电压为 0，Q8 导通；经过一段时间后，C 点电压升高，M 点电压升高为对晶体管尺寸以及电阻进行设计，使C点电压大于D点电压，Q8 关断，带隙基准电路启动。

启动导通后，晶体管Q3取代运放来维持B点电

整体电路包括自启动电路、基准电路和缓冲器负载输出电路，上电后自启动电路能对基准电路充电，在基准电路内的电压稳定后，自启动电路关断，且基准电路能产生与温度无关的输出电流 Iref，缓冲器负载输出电路根据输出电流 Iref输出 DC 点和摆幅稳定的差分信号。

在工艺角 tt时，对带隙基准源的输出噪声进行仿真分析，电源电压 3.3 V、频率 7.5 GHz、温度 25 ℃时，仿真结果见图6，100 kHz 处噪声为 6.164 nV/sqrt(Hz)。压恒定，避免交越失真，电流镜产生相同的电流，其中Q3基极电流可以忽略，流过Q1的电流等于流过Q3和 Q2之和，有：

根据工艺参数文件，确定比例参数使正负温度系数近似相互抵消，VR成为了一个和温度近似无关的电压值，可得在电阻R上的压降为：

带隙基准输出电压为A点电压，A点电压稳定，通过 Q6 的输出电流稳定，为了降低噪声，Q6 和 Q7 的集电极面积相对大一些。电路输出两路电流，可以按比例调整晶体管 Q6 和 Q7 尺寸以及 R 和 R3大小，调整输出基准电压和电流的大小，也可以增加输出支路实现多路基准电流输出。

输出电流通过镜像电路连接到缓冲器负载电流源的基极，驱动缓冲器负载。缓冲器负载原理图见图4，为了保证匹配性，电流源中电阻和缓冲器负载电阻采用同种类型单元电阻，根据电路需求进行串联或并联取值。假设输出 IREF1通过镜像驱动缓冲器，缓冲器负载的偏置电流为 ITAIL，负载输出的 DC 电压为：

摆幅为：

由于 ITAIL∝IREF1，另外 RL和 R 使用同类型的电阻，不同 Corner下 RL和 R 的比值为一个常数，所以

可见，缓冲器负载输出的 DC 点 Vout,DC和摆幅 VSW是与 VR成比例的，又由于 VR是一个和温度近似无关的电压值，所以这种偏置结构可以使缓冲器负载在不同温度下的DC点和输出摆幅保持近似不变。

图4 电阻负载缓冲器原理图

本文中，电阻阻值相对较小，小电阻得到了小电流，ITAIL为 4 mA，经过仿真，-55～125 ℃温度范围内，DC 稳定在 3.125～3.129 V，呈线性变化，差分输出摆幅最大为 0.406 V，最小为 0.403 V，这是其他简单结构的带隙基准做不到的。

4 带隙基准电流源的温漂系数与噪声

在典型条件下仿真分析带隙基准电流源的温度特性，基准电压为 A 点电压，仿真条件设置为：工艺角tt，电源电压 VCC为 3.3 V，在-55～125 ℃温度范围内扫描直流特性，得到的仿真结果如图5所示。

图5 DC温度扫描结果

由图5 可看出，25℃时，基准电压 VREF为 3.14375V；-55 ℃时，基准电压 VREF为 3.14752 V；125 ℃时，基准电压 VREF为 3.14208 V。基准电压曲线整体呈线性，输出电流稳定在 259 μA，通过计算，基准电压温漂系数为：

图6 noise 分析仿真结果

对噪声进行分析，可以看出带隙基准电流源的噪声主要由电阻热噪声（rn）构成的，热噪声来源于导体内部的热运动，与温度成正比，主要取决于实际工艺[6]，总输出噪声为 2.08×10-6V。

5 结论

输出噪声低至 2.08×10-6V，能够满足射频电路的稳定性能和精度要求。

[1]R JACOB BAKER.CMOS Circuit Design Layout and Simulation[M].3rdEdition,2010:135.

[2]喻乐贤.带调光功能的 LED 驱动电路设计 [D].西安：西安电子科技大学,2016:4.

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[4]Paul R Gray.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M].5thEdition:310-311.

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[6]何乐年.模拟集成电路设计与仿真[M].北京：科学出版社，2008:229-230.

针对射频电路中偏置电流源对带隙基准的特殊要求，基于 0.18 μm SiGeBiCMOS 工艺，设计了一款带隙基准电流源电路，将倍增电路和微电流源电路相结合设计，互补输出，结构简单，能有效地降低噪声，同时实现近似二阶结构的温漂系数[5]。

支路电流输出大小可控，温漂系数低、噪声小，通过仿真验证，电源电压 3.3 V，tt工艺角下，温漂系数为9.613×10-6/℃，100 kHz 处噪声为 6.164 nV/sqrt(Hz)，总

A Design of SiGeBiCMOS Bandgap Current Reference for Radio-Frequency Circuit

SUN Kaitian1,DING Xinghuo2,ZHANG Ganying1
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China；2.School of Microelectronic,Xidian University,Xi’an 710071,China）

Radio-frequency integrated circuits need low noise.The noise incurred is drawing more and more attention.The bandgap reference requires low temperature coefficientwith low noise.Base on the PNP bipolar transistor and resistance,the paperdesigns a new bandgap reference for radio-frequency circuitwithout OPA. Powervoltage is 3.3 V,and the reference voltage is 3.14 V.The DC operating points and outputswing remain unchanged using the buffer.The structure improves the temperature coefficient and reduces the noise.After simulation in 0.18 μm SiGeBiCMOS process,ithas a temperature coefficientin the range of-55～125 ℃ with 9.613×10-6/℃ atTT corner,6.164 nV/sqrt(Hz)at100 kHz and the outputnoise of 2.08×10-6V.

SiGe process;radio-frequency circuit;bandgap reference;temperature coefficient;noise