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1、西安科技大学 硕士学位论文 可程控参考电压源电路的设计 姓名：白荣 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：刘树林 20090522 论文题目：可程控参考电压源电路的设计 专 业：电力电子与电力传动 硕 士 生 ： 白 荣 指导教师：刘树林 ( 签名 ） 嶠采 (签名 ） 摘要 基准电压源是一种用来作为电压标准的高稳定度电压源，在数字仪表、智能仪器和 测试系统中得到广泛应用。基准电压源的特点可概括为四个字：稳、准、简、便。可程 控基准电压源不仅要满足传统基准电压源的所有性能指标要求，其输出电压还可通过外 部数字信号来精确设定。 随着集成电路设计水平的不断提高和半导体工艺的不断发
2、展，现代 CPU集成的功 能越来越繁多，内部结构越來越复杂，同时其消耗的功率越来越大，对电源供应以及电 源管理的要求就越来越高。基于 Bicmos技术，设计了一颗应用于双相可编程控制 DC-DC 电源管理芯片的可程控参考电压源电路，该电路根据 VRM9.0标准规定的 VID编码来 确定 CPU所需要的输出电压，其输出电压调节范围为 1.10V-1.85V， 步进量为 25mV， 输出电压误差为 1%。 论文对可程控参考电压源电路各功能模块电路进行了深入分析，根据给定的技术指 标要求设计电路，其中包括内部带隙基准电压源、基准电流源、折叠运算放大器以及开 关电阻网络。利用 Spectre和 Hsp
3、ice仿真工具，对所设计可程控参考电压源电路进行了 仿真，验证了设计方案和理论分析的可行性和正确性，并应用 0.8nm5V Bicmos工艺设 计规则，完成了电路的版图设计，编写了 DRC、 LVS文件并验证了设计版图的正确性。 关键词 ： 参考电压源； DC-DC变换器； Bicmos工艺；集成电路；版图 研究类 型：应用研究 Specialty : Power Electronics & Power Drive Name : Bai Rong (Signature、 Instructor: Liu Shu-lin ABSTRACT As a high stability voltage s
4、tandard, voltage reference has been widely used in digital appliances, intelligent instruments and testing systems. It has advantages such as steady, accurate, simple and convenient. Except for traditional circuit requirements, programmable voltage reference requires that its voltage can be preset a
5、nd regulated accurately through external digital signals. With the development of IC design and semiconductor process, modem CPU integrated with more functions has more and more complex internal structure and consumes more power, thus requires much more on the power management. In this paper, a prog
6、rammable voltage reference is designed for the DC-DC power management IC based on Bicmos technology. The output voltage to the CPU is determined with VID code according the VRM9.0 standard, its voltage adjustment step is 25 mV, voltage range is from 1.10 to 1.85V, and Output voltage error is 1%. Mod
7、ules of the programmable voltage reference circuit, including the band-gap voltage reference, current reference, folded cascode operational amplifier and switch resistor network, are both analyzed in detail. Simulations are made with the Spectre and Hspice, and the results prove the feasibility of t
8、he proposed method. Layouts of the IC are completed with 0.8um 5 V Bicmos process design rules. DRC and LVS documents validate the accuracy of the layouts. Key words： Voltage Reference DC-DC converter Bicmos Process IC Layout Thesis : Application Research 在 立 科 誠 太 孥 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明：所呈交的学位论
9、文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均 d在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 4 $ 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本
10、学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适本声明。 学位论文作其签名 : it 指导麵签名： 年 y月 v)“ 日 1 绪论 1.1本课题研究背景及意义 在晶体管发明以后，微电子技术对电子系统的发展起到了巨大的推动作用，尤其是 在计算机和信号处理方面的成果更是有目共睹 UP1。 目前，绝大部分电子系统中都大量 使用了集成电路来减小体积、减轻重量、提高可靠性。同样微电子技术对电力电子的影 响也非常明显，这一点可以从各种功率电子
11、器件 3和功率集成电路 4的广泛应用看出， 并且这一趋势将一直继续下去。 电源是电子设备的重要组成部分，其性能的优劣直接影响着电子设备的工作质量。 集成电路的速度和功率特性取决于电源电压，为了电路在满足目标性能规格时可靠地工 作，一个稳定的电源电压是必须的。基准电压源是指被用作电压参考的高精确、高稳定 度的电压源。理想的基准电压源应该不受电源电压和工作温度的影响，在电路中能够提 供稳定的直流输出电压。基准电压源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成 电路和系统集成芯片 (SOC)中，是集成电路中一个重要的单元模块，是 A/D、 D/A转换 器以及通信电路中的基本元件，它的温度稳定性以及电
12、源电压抑制比甚至影响到整个系 统的精度和性能。因此，设计一个好的基准电压源具有十分重要的现实意义。 随着 CPU技术的飞速发展，其工作频率不断提高 ，系统的集成度也越來越大，而 工作电压却在不断降低 5161。为确保系统高效可靠的运行，如何解决 CPU复杂的供电问 题成为巨大的挑战，而整个电脑系统中最棘手的电源问题就是如何驱动微处理器。处理 器的电源要求低压大电流的输出能力，高精度的调整精度以及高速的瞬态响应能力。图 1.1说明了 CPU电源的应用原理。在负载电流和直流输入电源电压变化的情况下，为了 满足使电路合格的性能和功能，电路的直流供电电压必须保持在一个严格的电压包络线 之内。因此，供电
13、电源不仅应该提供电压转换，也应提供电压调节。 图 1.1 CPU电源的应用示意图 CPU工作电压的确定很关键，如果太低，由于固有的传播延时的减慢，处理器就无 法满足最大时钟速度要求，相反如果处理器的工作电压太高，可靠性和工作寿命就会呈 指数下降。对于现在的高集成度的 CPU来说，工作电压己经下降到 IV左右，为了 保持 输出功率不变，输出电流能力要求大于 100A。 如此大的电流如果集中在一个通道输出 将会加大元器件的负荷并缩短其使用寿命，所以提出了 相 数的概念，即其提出的通 道数，电源设计者依据可用的空间和散热等因素确定所需的相数。新一代的 CPU需要 采用 3相或 4相的电压调节器。多相
14、控制芯片的发展也非常迅速，除了 2、 3、 4相，更 多的有 8相 16相不等。但是，相数越多相应的控制环路设计也越复杂，占用的面积也 越大，所以相数的选择并不是越多越好。采用多相设计必须要考虑的是电流 均衡问题， 如果某相电流很大，该相的元器件寿命就会大幅缩短，也就失去了多相的意义，所以多 相电压调节器的设计必须包含能够主动均衡各相电流的电路。 VRM是为适应各种快速微处理器、可携带式通讯设备、服务器、超高速的超大规 模集成电路芯片等供电的需求，而开发出的低输出电压、大电流 DCHDC开关变换器， 因此 VRM被称为 稳压模块或电压调节器模块 。它可以检测到处理器所需要的电压幅 值，然后根据
15、这一情况给处理器提供相应的电压。 VRM是针对 CPU供电系统而提出的 标准，因此随着 CPU的升级而逐渐变化，早期的 Pentiumll需要符合 VRM8.1标准。遵 循这种 VMR标准的主板上 CPU稳压电路能够实现1.3V 3.5V之间的电压输出，调整精 度为 lOOmV。 Celeron使用了 VRM8.2标准。当时 Intel的高端处理器和多处理器系统使 用的则是 VRM8.3标准，电压调整的范围和精度与 VRM8.1类似。 PentiumlH和对应的 Celeron系列的 VRM标准同步提高到 VRM8.4,电压调整的范围和精度仍然没变。采用 0.13pm制造的 Tualatni核
16、心 Pentiumlll和 Celeron的内部结构发生了变化，所以 Intel专 门为其制定了 VRM8.5标准，电压调整范围下降到 1.050V 1.825V， 调整精度则提高到 25mV， 具有更高的稳定性。 Pentium4上市后， VRM标准己经提高到 9.0，能够实现 U0V 1.85V之间的电压输出，精度同样为 25mV。 从全球市场来看，随着经济的快速 发展， VRM版本在不断的提升，而这种控制芯片也在不断的改进。欧美厂商一直是这 个产品的领先者，德国的 Infineon、 美国的 Intersil、 TI等都已经成功的研制出高效的低 压大电流的 DC-DC电源管理芯片。而我国
17、在 CPU专 用电源转换器的研发水平与国外相 比还十分落后，且与 CPU设计的发展进度完全不符，这严重限制了我国在集成电路设 计尤其是开发具有自主知识产权的 CPU的发展。为了缩短与国外先进水平之间的差距， 我们急需加强通用 CPU专用电源管理芯片的研究工作。 本文采用 VRM9.0标准规定了 VID编码， VID0 VID4接 CPU对应的 VID0VID4 电压识别输出引脚，CPU输出电压识别信号 VID给电源管理芯片，由电源管理芯片通 过控制两个场效应管导通的频率使输出电压达到 CPU的供电要求。为了能够读取 VID 码而使芯片输出所需电压，该芯片内部包含可程控参考电压源 7。可程控参考
18、电压源是 在普通基准电压源的基础上按照系统设计指标所设计的一种新型的基准电压源电路，它 的特点就是可通过单片机或微处理器的输出数字信号来精确设定或调节基准电压，并且 在基准电压与输入数据 (即设定值 )之间存在着严格的对应关系。本文设计的可程控参考 电压源是基于 CPU专用可程控电源芯片设计的电路，要求基准电压源的步进量小 (25mV)， 电压调节范围宽 (1.10V 1.85V)。 在整个芯片设计中可程控参考电压源的稳定 性对整个系统的稳定性和温度漂移有着直接的影响，关系着整个电路的精度、稳定度， 具体体现在： (1) 可程控电源管理芯片在工作的过程中会产生大量的高频噪声，参考电压源工作 在
19、该环境中就必须对电源抑制比提出较高的要求，特别是在较高频带时，仍能有很好的 电源抑制比，这样才能保证电路工作的正常进行。 (2) VRM标准要求系统具有能够在控制器工作的同时改变 VID输入的功能，这就 可以在电源工作并且给负载提供电流的同时使得输出电压改变。处理器 (CPU)通过从起 始码到终态码多步改变 VID输入来给控制器信号，这种改变既可以是正向的也可以是负 向，通过码的改变参考电压源应产生正确并稳定的电压值。 (3) 可程控参考电压源在产生可调的基准电压外，还产生固定的基准电压值。产生 的电压值为电压保护电路、均流电路、振荡器电路等重要模块提供用于比较的电压，该 电压的精度直接影响到
20、锯齿波振荡器所产生信号的正确性及最终输出电压的精确性，关 系到电路能否正常工作。 (4) 可程控参考电压源不仅给芯片提供参考电压还产生整体芯片中所需的基准电 流，为电源管理芯片提供稳定的偏置电流。 电源管理芯片输出的电压精确度主要由设计的参考电 压源决定，所以在这款 CPU 专用可程控电源管理芯片中可程控参考电压源的设计是关键的第一步。 1.2基准电压源的特点及发展现状 零温度系数的基准电压源，是人们在电子仪器和精密测量系统中长期追求的一种理 想器件 8。传统的基准电压源是基于稳压管或晶体管的原理而制成，其电压温度漂移 (简 称温漂 )为mV/C， 电压温度系数高达 (1(T3 ltrV-C，
21、 无法满足现代电子测量的需要。随 着带隙基准电压源和隐埋式齐纳稳压管的问世，才使上述愿望变为现实。 (1) 传统的基准电压源 传统的基准电压源一般利用稳压管或硅晶体发射结来获取基准电压。其缺点是稳定 性差、温度漂移量大，还称不上真正意义上的基准电压源。 (2) 新型基准电压源的分类 隐埋式齐纳二极管 早期的齐纳二极管基准电压源为减小温度漂移或温度系数 (TC),通常在一只反向齐 纳二极管上再串联一只正向二极管，如图 1.2所示。 图 1.2齐钠二极管基本原理 因为工作在雪崩状态的齐纳二极管的击穿电压在 7V左右，具有正温度系数 (约为 +2+4mV/-C),而正向硅二极管具有负温度系数 (约为
22、 2mV/X： )， 二者可以相互抵消。但 是由于这两个温度系数的绝对值并不相等，而且都随电流而变化，所以很难得到零温度 系数。 这种齐纳 (雪崩 )二极管的击穿电压发生在硅表面层 (见图 1.3a)， 所以称做表层齐纳二 极管。由于硅芯片表层与其内部相比有更多的杂质、晶格缺陷和机械应力，所以表层齐 纳二极管的噪声较大、长期稳定性差，而且容易受到表面氧化层中迁移电荷及外界环境 的影响。为了克服上述缺点，改进制造工艺，采用隐埋齐纳二极管结构 (见图 1.3b)。 使 其击穿发生在表面表层的下面，从而可以避免表层的影响，使其在温度漂移、时间漂移 和噪声特性等方面得到明显的改善。但是由于表层下面的扩
23、散工艺比表层上面难控制， 所以在制造过程中使基准电压源的绝对值和温度系数等参数的分散性比较大，常常超过 允许误差。如果选用高精度运算放大器与隐埋齐纳二极管组成基准电路，可以调整电路 的输出精度。成熟的产品有 ADI公司的 AD588和 AD586,输出电压的温度系数可以达 到 1 2ppm/C。 虽然温度特性可以做得很好，但是这的电源电压必须大于 7V， 工作电 流也 (毫安级 )很大，所以功耗 很大，在一些便携式的或者是电池供电的系统中就不能采 用这种结构的参考电压源。 齐钠 J 扩散区 齐钠 扩散区 击穿区 从 1- 隐埋 iir穿区 (a)表面齐纳二极管 （ b)隐埋齐纳二极管 图 1.
24、3表层和隐埋齐钠二极管结构 带隙基准电压源 20世纪 70年代初， Widlar首先提出能带间隙基准电压源概念，简称带隙 (bandgap) 电压。所谓能带间隙是指硅半导体材料在 0C温度下的带隙电压，其数值约为 1.205V， 带隙基准电压源其典型电压值为 1.25V， 非常接近硅带隙电压 1.205V而得名 91。后来， Brokaw等人在 Widlar带隙结构的基础上进一步研究和改进，提出了 Brokaw结构等多 种带隙基准结构，使基准电压的精度进一步提高。带隙基准电压源不仅可以将输出电压 的低温度系数做的很低，同时还可以工作在低电压 (甚至可以低到 IV)下。是目前应用最 广泛的一种技
25、术。 带隙基准电压源的基本原理是利用双极型晶体管基区 -发射区电压 Fbe具有的负温 度系数，而不同电流密度偏置下的两个基区 -发射区的电压差 AFbe具有正的温度系数的 特性，将这两个电压线性叠加从 而获得低温度系数的基准电压源。带隙基准电流源的温 度系数也比较小，同时受电源和工艺的影响也比简单基准电流源、 MOSWidlar电流源、 阚值电压相关电流源要小很多。 反映基准精度的主要指标有温度系数、电源电压调整率、电源抑制比等。温度系数 表示由于环境温度变化引起的输出电压的漂移量，反映了基准源在整个工作温度范围内 输出电压最大值与最小值相对正常输出值的变化，是衡量基准电压源的关键性技术。精
26、度要求不高的电路一般只要一阶温度补偿就够了，精度要求高的电路就需要采用二阶补 偿甚至是高阶补偿来获得更好的温度特性 1Gm12。理论研究上最好的输出电压的温度 系数可以达到 0.2ppm/C， 实际流片出来的最好效果可以达到 0.5ppm/C。 纵向 PNP管 的工艺可以与 CMOS工艺兼容，所以这种技术可以应用在 CMOS集成电路中，这也是 带隙技术应用最广泛的原因之一。对于 一 个高性能的基准电压源来说，低温度系数是必 须的。电源电压调整率是指基准输出电压自身的相对变化与规定范围内输入电源电压相 对变化的比值，反映了电源电压对基准电压源输出的影响，其值越小，表示基准受电源 电压变化的影响就
27、越小，性能越稳定。电源抑制比是指电 源电压存在的纹波电压 (即噪 声 )频率从低到高变化时，基准输出电压变化相对于电源电压变化小信号增益的导数， 反映了电源噪声对基准输出的影响。特别是在高频范围内，由于器件本身的制约，往往 使得电路的电源电压抑制比大大降低，基准性能变坏。 现在，许多学者从降低温度系数、降低电源电压调整率和提高电源电压抑制比这几 个主要方向入手，研究出许多改进的方法。温度系数主要表现为 rrer (基准电压值 -温 度 )曲线的曲率。在带隙基准源中， KerT曲线的曲率是有限的，即带隙电压的温度系数 在某一温度下为零，在其它温度下为正值或负值。这曲率主要是由于基极 -发射极电压
28、、 集电极电流和失调电压 (如果电路中含有运放 )随温度改变而引起的。另外，在普通的 CMOS工艺下，由于采用标准 CMOS工艺的晶体管具有一些特殊性质，或 CMOS运放 具有高失调和高温漂，以及带隙电路含有固有曲率等问题，都使得传统的带隙基准电路 的温度性能变差。针对这一问题，目前有许多曲率校正的方法可以抑制 rref的变化：如 二阶温度补偿，指数温度补偿，心线性化方法，以及利用不同材料电阻的相异温 度特 性进行曲率校正的方法等 1314。针对降低电源电压调整率和提高电源抑制比 1516117的 问题，可归结为降低电源对基准影响的大问题，常见的措施有：在电路结构中使用可以 降低电源电压对基准
29、影响的共源共栅电路，采用高性能的运算放大器结构，引入多种反 馈环路等 _9。此外，还有为降低噪声的影响而采取的优化电路结构、斩波技术等。为 降低启动时间而采用的快速启动电路结构等。这些方法的应用均为带隙基准电路今天的 高性能、高稳定性做出了极大的贡献。 带隙基准电压源由于在电源电压、功耗、稳定性等方面的优点，得到了广泛的应用。 在带隙基准电压源电路的发展历程中，传统的双极型工艺具有高速、电流驱动能力强和 模拟精度高的优点，使得这种工艺的电路最为成熟，在精度和稳定性方面具有很好的性 能，因此在双极型集成电路中带隙基准电压源的技术被广泛应用。随着集成电路工艺的 迅速发展，又出现了 CMOS工艺，它
30、具有低功耗、高噪声容限、高集成度、高抗干扰 能力的优点，但 CMOS器件的基本参数和工艺参数都对温度有着强烈的依赖关系，这 给电路设计带来了一定的困难。 20世纪 80年代 初，出现了由 CMOS工艺和双极型工艺 混合的 Bicmos工艺。该工艺融合了这两种工艺的优点，带隙基准电压源技术也获得了 飞速发展。尽管这种工艺存在着工艺复杂和成本偏高的缺点，但由此换来的高性能确是 前两种工艺无法替代的，这使其在模拟电路设计上具有很大的潜力。因此，本课题全部 采用 Bicmos工艺技术进行设计，本文采用该工艺和带隙基准技术来设计高性能的基准 源。 可程控基准电压源在传统基准电压源电路的设计基础上，成为研
31、究和设计的新发展 方向，在满足基准电压源电路基本要求之外还要具有通过外部数字信号來精确设定或 调 节基准电压。这就要求可编程基准电压源不仅要满足传统基准电压源的所有设计要求和 性能指标，还能将数字信号按照一定的标准转换为对应的模拟信号。可程控基准电压源 主要发展趋势是低输出误差、高转换速率、低功耗、低电压。可程控基准电压源的主要 功能单元电路一运算放大器、内部基准电压源、电阻网络、模拟电子开关和逻辑控制电 路等。要实现低输出误差、高转换速率、低功耗、低电压的可程控基准电压源，就需要 对电路中的每一部分模块根据设计指标进行优化设计。 1.3本论文的主要工作与章节安排 本课题的主要工作是在传统基准
32、电压源 的基础上设计可程控参考电压源电路，使它 可通过单片机或微处理器发出的数字信号来精确设定或调节基准电压。本文为一颗双相 可编程控制 DC-DC电源管理芯片设计了可程控参考电压源电路 ,芯片要求根据 VRM9.0 标准通过 VID编码确定CUP所需要的输出电压，要求参考电压源的步进量为 25mV， 电压调节范围为 1.10V1.85V。 论文的主要工作如下： (1) 分析了开关电源的调制方式和控制模式，根据电流模式 PWM控制方式设计了 一款可程控电源管理芯片，该芯片的主要组成部分有可程控参考电压源、误差放大器、 锯齿波振荡器、高速比较器、均流电路、电流检测电路、逻辑驱动电路以及其它一些保 护电路等。 (2) 对可程控参考电压源电路各功能模块电路进行了深入分析，根据给定的技术指