射频识别标签芯片中基准电压源的设计

摘要:该文设计了一种适用于射频识别(RFID)标签芯片的带隙基准电压源。该电压源采用了电流反馈工作模式,并附加了自启动电路。该电路采用0.35μm标准CMOS工艺,在27C时,可获得1.157V的基准电压,其温度系数为0.03mV/K。在输入电压从2.25V至2.75V变化,温度从0℃至85℃变化时,该电路均可以正常工作。

关键词:带隙基准;启动电路;电流反馈

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)33-9318-02

The Design of A Bandgap Reference Applied in the RFID Chip

DU Hai-tao

(Wuxi Vocational Technical Institute of Commerce, Wuxi 214063, China)

Abstract:This paper describes the design of a bandgap reference applied in the RFID chip. This circuit works in a current feedback mode, startup circuit is required for successful operation of the system. The circuit implemented in 0.25μm CMOS technology, generates a reference voltage of 1.157V and has a temperature coefficient of 0.03 mV/K at 27C. It can operate with supply voltages between 2.25V and 2.75V and between 0℃ and 85℃.

Key words: bandgap reference; startup circuit; current feedback

1 概述

在设计模拟电路时,广泛地包含电压基准。这种基准是直流量,它与电源和工艺参数的关系很小,但与温度系数的关系是确定的。产生电压基准的目的是建立一个与电源和工艺无关的直流电压。由于大多数工艺参数会随着温度变化,所以在设计基准电压源时,还要考虑使其与温度关系很小。这时,采用带隙基准可以实现具有零温度系数的电压基准源。

带隙基准电压源是利用正温度系数电压和负温度系数电压,而设计的零温度系数的基准。

当三极管工作时,发射极与基极之间的电压VEB。满足下面这个式子:

也即VEB随温度的变化为常数,只与硅的能带(禁带)有关,VEB就是负温度系数电压。

若两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下,那么他们的基极―发射极电压的差值就与温度成正比。如图1所示,如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为nI0和I0,忽略它们的基极电流,那么:

这样,VEB的差值就表现出正温度系数:

假设选取α1和α2使得,这样就可得到了具有零温度系数的电压基准,VREF=α1VEB+α2ΔVEB。

2 带隙基准电路的结构原理

根据上述的理论设计了一个带隙基准电压电路,其设计原理图如图2所示。该电路分成四部分:启动电路、补偿电路、带隙基准电路和运算放大器。MOS管子TP1、TP2、TP3的VGS相同,流过的电流全部相等,从而构成电流源了。该电路的输出端在补偿电路中的电阻R2的上端点。

在带隙基准电路这一部分电路中,三极管T1的发射极与运算放大器一输入端相连,运算放大器另一输入端与三极管T2的发射极上的电阻R1相连,R1两端的电压为ΔVEB。

ΔVEB=VEB1-VEB2 =ν・lnm=kT/q・lnm

流过电阻R1的电流为:

ISS=ΔVEB/R1

在补偿电路中,流过电阻R2的电流也为ISS,电阻R2两端的电压为VR2=ISS・R2。所以输出端的电压为:

VEFR=VEB+R2ΔVEB/ R1

可通过调节R1和R2的大小,使 为零。

各个管子的参数如表1所示。

3 模拟结果

该设计采用Charted公司的0.35um的工艺,工作电源参数选取为3.3V,对该电路的版图进行后仿真验证,可得到基准电压VREF随电源电压VDD和温度的变化曲线如图3,可见该电路随温度的变化波动的幅度不超过0.01V,其输出电压可稳定在1.15V左右。

4 结束语

该电路采用0.35μm标准CMOS工艺,在27℃时,可获得1.157V的基准电压,其温度系数为0.03mV/K。在输入电压从2.25V至2.75V变化,温度从0C至85C变化时,该电路均可以正常。

参考文献:

[1] Razavi B.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M].New york:McGraw-Hill Education-Europe2009,2001.

[2] Lasanen K,Koorkala V.Design of A 1-V Low Power CMOS Bandgap Reference Based on Resistive Subdivision[C].IEEE 2002.

[3] Lasanen K.Design of a 1-V low power bandgap reference based on Resistive Subdivision[C].Tulsa,Oklahoma,USA:Proceedings of the 45th IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems,2002.

[4] Robert A.The Design of Band-Gap Reference Circuits:Trials and Tribulations[C].Minneapolis, Minnesota:IEEE Proc.of the 1990 Bipolar Circuits and Technology Meeting,1990.

[5] Hilbiber D.A New Semicondictor Voltage Standard[J].IEEE J.of Solid-State Circuits,1973,8:222-226.