專利名稱：一種采用工藝偏差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廣泛應(yīng)用于電源芯片中的電壓基準(zhǔn)源，具體涉及一種混合信號(hào)芯片中采用工藝偏差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)源。

背景技術(shù)：
高精度、低成本的電壓基準(zhǔn)源模塊是模擬電路和數(shù)?；旌想娐分械闹匾糠?。目前，高精度電壓基準(zhǔn)源主要采用雙極型工藝和BiCMOS工藝制造，并且在芯片完成后還需要采用專門的修正技術(shù)來確保其精度。但是這些工藝技術(shù)復(fù)雜、制造成本高、與主流CMOS工藝不兼容，對(duì)芯片的逐個(gè)修正會(huì)大大降低生產(chǎn)效率。
現(xiàn)行CMOS集成電路占有市場(chǎng)約90％，產(chǎn)品高度集成化、數(shù)字和模擬電路混合集成成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，因此基于CMOS工藝的高精度電壓基準(zhǔn)源模塊具有廣闊的應(yīng)用前景。但是CMOS工藝不可避免的工藝偏差會(huì)對(duì)電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)品初始精度有較大的影響。初始精度指批量產(chǎn)品性能的一致性程度和容差。
文獻(xiàn)K.N.Leung and K.T.Mok，“A 2-V 23-uA 5.3-ppm/℃Curvature-Compensated CMOS Bandgap Voltage Reference，”IEEE J.Solid-State Circuits，vol.38，no.3，pp.561-564，Mar.2003.中采用電阻修正技術(shù)得到樣品的基準(zhǔn)電壓初始精度為1.14205V±2.85mV。市場(chǎng)上主流產(chǎn)品如美國(guó)MAXIM公司產(chǎn)品LM4051系列產(chǎn)品采用激光修正電阻來確保其初始精度，具體參數(shù)如下表 上海貝嶺公司采用雙極型工藝生產(chǎn)的BL431系列產(chǎn)品具體參數(shù)如下表 在基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，不采用修正技術(shù)的情況下，如文獻(xiàn)徐勇，王志功，關(guān)宇，喬廬峰，趙斐一種高精度帶隙電壓基準(zhǔn)源改進(jìn)設(shè)計(jì).半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27(12)2209.中的流片樣品測(cè)試結(jié)果150片樣品測(cè)試的初始精度值，輸出電壓基本落在1.23±0.02V的范圍內(nèi)。由此可以看到集成電路制造工藝的偏差對(duì)電壓基準(zhǔn)電路的影響非常明顯。
采用雙極型工藝和BiCMOS工藝并且在芯片制造完成后采用修正技術(shù)的高精度電壓基準(zhǔn)源，工藝復(fù)雜、制造成本高、與主流CMOS工藝不兼容，同時(shí)芯片制造完成后再次逐個(gè)對(duì)芯片進(jìn)行修正會(huì)大大降低生產(chǎn)效率。而基于CMOS工藝的電壓基準(zhǔn)源受到集成電路制造工藝偏差的制約，影響了精度的提高。
集成電路制造工藝偏差對(duì)于傳統(tǒng)電壓基準(zhǔn)的影響 傳統(tǒng)電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，其輸出基準(zhǔn)電壓表達(dá)式為 Vref＝VBE1+(1+R2/R1)·VT ln N 其中VBE1為晶體管Q1的基極-發(fā)射極電壓，R1為晶體管基極-發(fā)射極壓差電阻，R2為比例電阻，VT＝kT/q，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電荷量常數(shù)，N為晶體管Q1與晶體管Q2發(fā)射極面積之比。
其誤差的主要來源為 1)由電阻絕對(duì)阻值的誤差引起 VBE1電壓可表示為 其中R1為晶體管基極-發(fā)射極壓差電阻，Is為晶體管飽和電流系數(shù)電阻R1的誤差ΔR1使得VBE1電壓變?yōu)? 其誤差項(xiàng)為 2)pnp晶體管特性的偏差 晶體管特性主要受工藝參數(shù)晶體管飽和電流系數(shù)Is和晶體管電流放大倍數(shù)β的影響。
工藝參數(shù)Is的偏差ΔIs使得VBE1電壓變?yōu)? 其誤差項(xiàng)為 工藝參數(shù)β的偏差Δβ使得VBE1電壓變?yōu)? 其誤差項(xiàng)為 綜上所述，考慮所有由工藝偏差引起的基準(zhǔn)電壓總誤差為

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種芯片完成后不需要修正，提高初始精度、降低產(chǎn)品成本、提高生產(chǎn)效率的采用工藝偏差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)源。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括MOS管M1、M2，MOS管M1的源極連接到節(jié)點(diǎn)VDD，柵極連接到節(jié)點(diǎn)C，漏極連接到節(jié)點(diǎn)Vref，MOS管M2的源極連接到節(jié)點(diǎn)VDD，柵極連接到節(jié)點(diǎn)C，漏極連接到節(jié)點(diǎn)D，比例電阻R2a連接在節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)Vref之間，匹配電阻R2b連接在節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)D之間，誤差放大器amp的正輸入端連接到節(jié)點(diǎn)B，負(fù)輸入端連接到節(jié)點(diǎn)A，輸出端連接到節(jié)點(diǎn)C，晶體管基極-發(fā)射極壓差電阻R1連接在節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)E之間，晶體管Q1的發(fā)射極連接到節(jié)點(diǎn)E，基極連接到節(jié)點(diǎn)G，集電極連接到節(jié)點(diǎn)GND；晶體管Q2的發(fā)射極連接到節(jié)點(diǎn)A，基極連接到節(jié)點(diǎn)F，集電極連接到節(jié)點(diǎn)GND，其特征在于第一工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1連接在節(jié)點(diǎn)G與節(jié)點(diǎn)GND之間，第二工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb2連接在節(jié)點(diǎn)F與節(jié)點(diǎn)GND之間。
本發(fā)明的第一工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1的電阻值等于第二工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb2的電阻值。
本發(fā)明在考慮到工藝偏差對(duì)電壓基準(zhǔn)源的影響，采用工藝偏差補(bǔ)償電阻，連接在晶體管基極，使得晶體管基極-發(fā)射極電壓與工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1上電壓之和不受工藝偏差的影響，從而得到初始精度高、無需修正的高精度電壓基準(zhǔn)源。



圖1是本發(fā)明工藝偏差補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)模塊的電路原理圖； 圖2是圖1中的晶體管Q1、Q2和電阻Rb1、Rb2的剖面結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明基準(zhǔn)電壓與設(shè)計(jì)參數(shù)電阻比Rb1/R1的曲線，其中橫坐標(biāo)為電阻Rb1/R1比值，縱坐標(biāo)為電壓； 圖4是本發(fā)明在不同工藝角下基準(zhǔn)電壓與電阻比Rb1/R1的關(guān)系曲線，其中橫坐標(biāo)為電阻Rb1/R1比值，縱坐標(biāo)為電壓； 圖5是本發(fā)明中基準(zhǔn)電壓溫度特性模擬結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為電壓。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1，本發(fā)明包括MOS管M1、M2，MOS管M1的源極連接到節(jié)點(diǎn)VDD，柵極連接到節(jié)點(diǎn)C，漏極連接到節(jié)點(diǎn)Vref，MOS管M2的源極連接到節(jié)點(diǎn)VDD，柵極連接到節(jié)點(diǎn)C，漏極連接到節(jié)點(diǎn)D，比例電阻R2a連接在節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)Vref之間，匹配電阻R2b連接在節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)D之間，誤差放大器amp的正輸入端連接到節(jié)點(diǎn)B，負(fù)輸入端連接到節(jié)點(diǎn)A，輸出端連接到節(jié)點(diǎn)C，晶體管基極-發(fā)射極壓差電阻R1連接在節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)E之間，晶體管Q1的發(fā)射極連接到節(jié)點(diǎn)E，基極連接到節(jié)點(diǎn)G，集電極連接到節(jié)點(diǎn)GND；晶體管Q2的發(fā)射極連接到節(jié)點(diǎn)A，基極連接到節(jié)點(diǎn)F，集電極連接到節(jié)點(diǎn)GND，其特征在于第一工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1連接在節(jié)點(diǎn)G與節(jié)點(diǎn)GND之間，第二工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb2連接在節(jié)點(diǎn)F與節(jié)點(diǎn)GND之間，第一工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1的電阻值等于第二工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb2的電阻值。
該結(jié)構(gòu)能有效補(bǔ)償工藝偏差對(duì)于基準(zhǔn)電壓的影響。如圖2所示，第一工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1，第二工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb2，晶體管基極-發(fā)射極壓差電阻R1，比例電阻R2a和匹配電阻R2b均采用n-well作為電阻，同時(shí)pnp晶體管Q1和pnp晶體管Q2的基區(qū)也是n-well，這保證了工藝偏差補(bǔ)償電阻和pnp晶體管具有相同的工藝角。
采用工藝偏差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)電壓表達(dá)式 其中R2為電阻R2a的電阻值考慮工藝偏差，得到各個(gè)工藝角下的基準(zhǔn)電壓 1)快工藝角(Fast Corner)下基準(zhǔn)電壓為 其中VBE1，fast為快工藝角下晶體管Q1的基極-發(fā)射極電壓 2)典型工藝角(Typical Corner)下基準(zhǔn)電壓為 其中VBE1，typical為典型工藝角下晶體管Q1的基極-發(fā)射極電壓 3)慢工藝角(Slow Corner)下基準(zhǔn)電壓為 其中VBE1，slow為慢工藝角下晶體管Q1的基極-發(fā)射極電壓 根據(jù)在以上三個(gè)工藝角下的基準(zhǔn)電壓數(shù)學(xué)表達(dá)式，作出基準(zhǔn)電壓與設(shè)計(jì)參數(shù)電阻比Rb1/R1的曲線；根據(jù)該曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)，參見圖3，在B點(diǎn)處得到最優(yōu)值，使工藝偏差對(duì)于基準(zhǔn)電壓的影響最小，最優(yōu)電阻比Rb1/R1為 本發(fā)明采用中芯國(guó)際0.18um CMOS工藝庫，對(duì)采用工藝偏差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)源進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，得到結(jié)果如下圖4在室溫25℃下，設(shè)計(jì)參數(shù)電阻比Rb1/R1取優(yōu)選值15(B點(diǎn))，在所有工藝角下其初始精度為1.526V到1.533V，波動(dòng)范圍7mV。圖5為電壓基準(zhǔn)源在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作的電壓-溫度曲線，電壓范圍1.526V-1.535V，波動(dòng)范圍9mV。
為了驗(yàn)證傳統(tǒng)電壓基準(zhǔn)源受工藝偏差的影響程度，我們對(duì)其也進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，所有工藝角下其輸出電壓約為1.24±0.02V，波動(dòng)范圍40mV，這與文獻(xiàn)徐勇，王志功，關(guān)宇，喬廬峰，趙斐一種高精度帶隙電壓基準(zhǔn)源改進(jìn)設(shè)計(jì).半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27(12)2209.的結(jié)論相符。
通過本發(fā)明達(dá)到的效果與現(xiàn)有電路性能的比較，顯示本發(fā)明能在不采用特殊工藝和各種修正技術(shù)的前提下能夠大幅度提高電壓基準(zhǔn)源的初始精度和產(chǎn)品性能的一致性。
權(quán)利要求
1.一種采用工藝偏差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)源，包括MOS管M1、M2，MOS管M1的源極連接到節(jié)點(diǎn)VDD，柵極連接到節(jié)點(diǎn)C，漏極連接到節(jié)點(diǎn)Vref，MOS管M2的源極連接到節(jié)點(diǎn)VDD，柵極連接到節(jié)點(diǎn)C，漏極連接到節(jié)點(diǎn)D，比例電阻R2a連接在節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)Vref之間，匹配電阻R2b連接在節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)D之間，誤差放大器amp的正輸入端連接到節(jié)點(diǎn)B，負(fù)輸入端連接到節(jié)點(diǎn)A，輸出端連接到節(jié)點(diǎn)C，晶體管基極-發(fā)射極壓差電阻R1連接在節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)E之間，晶體管Q1的發(fā)射極連接到節(jié)點(diǎn)E，基極連接到節(jié)點(diǎn)G，集電極連接到節(jié)點(diǎn)GND；晶體管Q2的發(fā)射極連接到節(jié)點(diǎn)A，基極連接到節(jié)點(diǎn)F，集電極連接到節(jié)點(diǎn)GND，其特征在于第一工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1連接在節(jié)點(diǎn)G與節(jié)點(diǎn)GND之間，第二工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb2連接在節(jié)點(diǎn)F與節(jié)點(diǎn)GND之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用工藝偏差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)源，其特征在于所說的第一工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1的電阻值等于第二工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb2的電阻值。
全文摘要
一種采用工藝偏差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)源，采用工藝偏差補(bǔ)償電阻，連接在晶體管基極，使得晶體管基極-發(fā)射極電壓與工藝偏差補(bǔ)償電阻Rb1上電壓之和不受工藝偏差的影響，從而得到初始精度高、無需修正的高精度電壓基準(zhǔn)源。
文檔編號(hào)G05F3/24GK101221455SQ20071001866
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者邵志標(biāo), 傅懿斌 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)