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标题: 关于一个基准电压的求助 [打印本页]

作者: whb610    时间: 2013-11-20 11:28
标题: 关于一个基准电压的求助
基准电压的要求:      1.输出电压:1v,误差2%
      2.功耗:最大不能超过10uA,最好在5uA以下
      3.工作电压:2.7V~3.63V
      4.工作温度:-40~125
      5.负载:1pF
      6.上电稳定时间:<100us
      7.器件:NMOS的阈值大概700mv,pmos阈值电压800mv

现在有两个问题不太好解决,请大家帮忙:
      1.基准电压的负载是flash(可能是数字电路,也可能是chargepump),存在比较大的干扰,这个干扰会前馈到我提供的基准电路上,在这个前提下要保证输出电压保持在2%以内,我能想到的办法有两个:一个是加buffer,但是如果需要buffer有足够低的输出电阻也需要最后一级的电流比较大,在整个模块只有5uA的电流的前提下比较难办;还有一个办法就是外加电容,但是在低功耗的前提下外加大电容就会造成上电稳定时间比较难达到要求
      2.电源电压不稳定,这个是目前最难办的,由于电路用于大规模数字电路,同数字电路共用电源,数字电路的动作会造成电源很不干净(大概有300~400mV的纹波,上升和下降时间都是几个nS),并且即使芯片外加滤波电容也无法滤除(瞬间电流变化太大,并且外部也无法加太大电容,毕竟要考虑实现产品的可行性),如何在如此高频、高幅度的电源纹波干扰下实现低功耗的基准电压2%实在有点为难(并且在基准电压输出端加电容的话基准电压还会根据纹波的不同向不同电压方向漂移,到底实际会漂移多大心里没底,这个问题目前先不考虑,放到最后再说)

     请大家帮忙考虑一下这个电路如何实现,提供点思路或者方案,谢谢了
作者: hszgl    时间: 2013-11-20 11:55
本帖最后由 hszgl 于 2013-11-20 12:00 编辑

问题1难办,你恐怕要在版图上下功夫。
问题2,我的处理办法是设计两个支路分别供电。
因为我的电路前级先用齐纳管做了稳压,然后用相对独立的两组npn分别供电。针对数字模块,我又在稳压的电源后加了一个LDO,可以隔离一定的纹波。但是不知道你的电路结构需求如何,所以我的方法未必适用。

仅供参考
作者: semico_ljj    时间: 2013-11-20 13:01
2%,20mV了 也不是太难吧
作者: semico_ljj    时间: 2013-11-20 13:02
对于1,输出需要隔离(也就是跟随)
作者: semico_ljj    时间: 2013-11-20 13:04
对于2 可以先做一个LDO给基准供电,功耗好好考虑也是行的 一条支路分配300nA~600nA,版图面积稍大一些
作者: ericking0    时间: 2013-11-20 13:41
开环的source follower buffer
作者: whb610    时间: 2013-11-20 13:47
回复 2# hszgl


   谢谢
    对于问题1恐怕在版图上不能解决问题,版图上能做的只能是匹配性更好,布局更加合理,从原理和电路仿真上没解决的问题,匹配、布局应该解决不了
    对于问题2的回答,我理解的两个支路是一个支路给数字模块,后面接一个LDO;一个支路给模拟电路,后面接一个齐纳管稳定电压,但是我的供电电压最低只有2.7v,齐纳结恐怕不行;实际上我的供电从芯片上也是分开的,都是从芯片外单独供电,但是没办法,实测结果2.7v供电就是有很大纹波,并且加滤波电容后都会有300~400mv幅度
作者: whb610    时间: 2013-11-20 14:32
回复 5# semico_ljj


   做一个简单的LDO,限流保护什么的都不要,就是一个误差放大器加上分压加上驱动管,驱动管采用PMOS,LDO的输出端外接电容滤除纹波,以LDO相对干净的电源再做基准电源,这样可以吗   基准电压的做法是想先做1.23v的bandgap,加buffer分压,再加源跟随器buffer,但是这样的话bandgap和最终输出之间隔了两级buffer,这两级buffer产生的总的失配能有多大能给个评估吗,假设两个跟随器的输入MOS都采用10u:2u   m=16,foundry没给关于器件失配的文档
   本来打算做一个直接输出1V的bandgap加一级源跟随器buffer,但是电路搭出来做仿真发现bandgap电路启动风险比较大,不太敢用
   本来是想简单的以一个NMOS做驱动管,NMOS驱动管的栅极接一个电容和电阻组成的低通滤波器(电源和地之间串接一个电阻和一个电容),以NMOS驱动管驱动整个基准电源电路,这样的话本来外接的电源滤波电容就可以做在内部,比较可惜这样做NMOS的压降比较大,留给电压基准的电压最小只能达到1.5~1.6v,这个电压幅度也许也能做简单的带息基准,但是电压抑制能不能达到要求不太确定,毕竟供电电压摆幅比较大,电压抑制也很重要
作者: hszgl    时间: 2013-11-20 14:39
回复 8# whb610


    版图上要注意区域隔离,减少衬底带来的前馈。也就只能做到这一步了。
作者: whb610    时间: 2013-11-20 14:52
回复 6# ericking0


   是这个吗?请教
( , 下载次数: 121 )
作者: ericking0    时间: 2013-11-21 09:11
回复 10# whb610


   也行,不过只要上面的那个N管就可以了   因为你的负载只会拉电流,不会灌电流嘛
作者: whb610    时间: 2013-11-21 09:50
回复 11# ericking0


   这个开环恐怕不行,误差大,再说是电容负载,只要N管驱动更不行了
作者: ericking0    时间: 2013-11-21 10:58
回复 12# whb610


   误差其实是可控的   电容负载和只用NMOS有什么关系,大把LDO也只有一个稳压管,没有current sink能力,一样OK啊
作者: whb610    时间: 2013-11-21 11:09
回复 13# ericking0


   没有PMOS驱动就没有泄放回路,同时NMOS是有一定电流驱动能力的,NMOS的输出端电压会不断升高,直到VDD;另外LDO是有泄放回路的
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 11:51
for the kick back noise of bandgap, u may use RC to reduce (buffer is high current consumed)
for the noisy power ,u need a high psrr bandgap at about 40-50dB@ripple frequency,and  power decouple  cap is necessary。as to layout u need seperated the power line of digital and bandgap。 above solution is enough ,u do not need so many redundancy circit block cause of  not much improvement and current consumption。
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 11:58
and how about your bandgap output resistance vs frequency ?
作者: whb610    时间: 2013-11-21 13:13
回复 16# jiang_shuguo


   由于纹波的频率是数字电路的瞬态动作造成的,因此没有一个固定的频率,只能估计,由于纹波上冲或者下降的频率也就是在几个n秒之间,所以纹波的主要频率成分用过快到GHz了吧,在这个频率下bandgap做到40~50db的电源抑制没有可能,bandgap的单位增益带宽好像也就是在几十K到几百K之间,何况我的bandgap还要求低功耗;bandgap输出电阻是700多K
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 13:28
u first figure out some concept,the giger Hz noise and low fre noise is killed out by decoulpe cap and high psrr of bandgap,only the medium fre is you care about.and the medium fre psrr of bandgap is not only depend on bandwith of bandgap.you first figure out the psrr of bandgap of all the fre.
作者: whb610    时间: 2013-11-21 13:29
回复 16# jiang_shuguo


   请教jiang_shuguo,图片中的源跟随运放在低功耗的条件下输出级有很大相位延迟是怎么回事啊,能给分析一下吗,也就是说图中1节点的相位裕度达到60时,OUT节点的相位裕度只有3度,图片中电流源我设定的是130nA,输出级是1uA,谢谢 ( , 下载次数: 107 )
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 13:29
and the solution is better enough to resolve your issue
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 13:35
is there any strict limit of area ? maybe the area is the cost.
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 13:37
you also need to  check the output resistance of bandgap vs fre ,and how to figure it
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 13:38
you only give the dc output resistance of bandgap ,and it is useless.
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 13:42
if u have  depletion nmos available ,the ripple of power is to be unvisibility by another solution
作者: whb610    时间: 2013-11-21 14:07
回复 22# jiang_shuguo


   我在bandgap输出端加5u:5u m=100的nmos电容仿真了一下PSRR,在10Hz以下,60db,35M以上,34db,10Hz~35MHz之间最小20db,中频的电源抑制很不满意啊,高频电源抑制也小了一点;也加纹波仿了一下瞬态,高频时bandgap输出端纹波大概在10mV的幅度,比我预想的要好,但是幅度还是太大大,这个在实测恐怕要超过2%,并且在数字电路的干扰下很难说实际应用中没有中频纹波;   输出电阻不能更小了,原因就在于低功耗,我给你的输出电阻值就是bandgap的输出支路上输出对地的电阻,对电源是pmos的电流源,这个可以认为阻值远大于对地电阻,忽略了;我要降低输出电阻值就只能增加整个bandgap的功耗
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 14:15
you need special care about the pst of medium fre .there also need a R before nmos cap ,but this R will affect you psr worst and trans result better. the output restance of bandgap is the whole of bandgap system not one branch.you leave the bandgap loop behand you head!
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 14:18
So now we ture our mind ,Do  u have depletion nmos? i guess u have(process of soc chip always take depletion nmos available.)
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 14:19
So now we turn our mind ,Do  u have depletion nmos? i guess u have(process of soc chip always take depletion nmos available.)
sorry about some spelling mistake!
作者: whb610    时间: 2013-11-21 14:23
回复 24# jiang_shuguo


   没耗尽型NMOS   你是指用耗尽型NMOS做驱动管,D端接VDD,G端接对VDD进行RC滤波的控制信号,S端作为整个电路供电电源,来达到高电源抑制比的目的,是这意思吗
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 14:26
almost it.
作者: whb610    时间: 2013-11-21 14:40
回复 28# jiang_shuguo


   没有,最起码PDK里面没有,事实上有的话也轻易不能使用,如果因为只有bandgap需要使用这个器件,从而增加一层或者几层工艺的话,这个代价过于高昂了   另外,我在cap之前增加了5M电阻,中频电源抑制达到了37db,比较满意了,但是代价可谓高昂,还有代价小一点的方法没有
作者: whb610    时间: 2013-11-21 14:48
回复 31# whb610


   还有一点就是增加如此大的电阻,上电建立时间很长,500u秒之达到960mv,这个不符合要求了,差很远,我们要求是100us;现在的问题是PSRR最差的点就在16k,这样的话我最差也要加3M电阻才能使得中频电源抑制比降下来,加5M才达到我比较满意的程度;如果要把最差PSRR的点向高频方向推只能增加功耗,也不符合需求,很难办啊
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 14:57
u may focus on  high psrr bandgap architecture,can u show us your bandgap schematic.
作者: whb610    时间: 2013-11-21 14:57
回复 31# whb610


   hi,Jiang_shuguo,还有一个问题,关于源跟随运放的,图片中的源跟随运放在低功耗的条件下输出级有很大相位延迟是怎么回事,能帮忙分析一下吗,也就是说图中1节点的相位裕度达到60时,OUT节点的相位裕度只有3度,哪里有问题我实在分析不出;图片中电流源我设定的是130nA,输出级是1uA

( , 下载次数: 96 )
作者: whb610    时间: 2013-11-21 15:07
回复 33# jiang_shuguo


   喔,最简单的bandgap而已,没什么保密的,但是这个我还要改成输出1.23v的bandgap,也就是说要把pnp并联的旁路电阻去掉,因为我觉得在2.7v,-40度的仿真条件下,这种结构启动风险很大
( , 下载次数: 96 )
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 15:14
the design process is not yours . you are trying  error. have you consider how RC affect the  psr,the trans response,the stbility of bandgap? the critical value of RC for above terms? this is not a easy work, but you  just try little condition to make conlution !
作者: whb610    时间: 2013-11-21 16:09
回复 36# jiang_shuguo


   这个电路不合适是吗,问题在哪里还请指导一下    我使用这种结构的初衷就是希望在规定的功耗前提下尽量让电流集中在三个支路上,让模块的面积尽量减小,同时响应速度也能快一点,如果采用opa反馈的方式,就要给opa提供不小的额外电流,并且还要提供偏置电路的电流,这样的话三个支路上的电流会减少很多,需要使用更大的电阻,消耗更大的面积;同时这种结构也不需要考虑稳定性的问题
   关于psr的问题我确实考虑的不太周到,只是认为高频的部分不管采用哪种结构都会在需要额外处理,对中频基本上没理(其实对高频也没太重视,总是认为我可以单独接出芯片供电,会有一个很干净的供电),这个问题很大;我只考虑到了是否稳定、输出电压的误差的因素(直流的PSR、温度系数、器件失配)、稳定时间、是否能安全启动的问题
作者: semico_ljj    时间: 2013-11-21 16:18
seeing
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 16:40
回复 37# whb610


    suggest u change architecture of bandgap. using kuijk  cell. do your company have some reference circuit for you ? the 3sigma of this structure of bandgap is so big . it will out of your control ! and what about your triming method ?
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 16:46
here is 0.5uA below for ibias,2uA for op ,2uA or more for bjt branch.
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 16:51
for u  area is the last consideration,cause you must perform the basic function and fill the spec.and then try to  reduce area in case not severely affact function and performence.
作者: whb610    时间: 2013-11-21 16:53
回复 38# semico_ljj


   关于你说的试错确实是这样的,目前我只能做到电路设计伊始认为某种电路可以达到要求,在这种结构证实在电路实现上不可行之后,根据问题考虑另外电路结构,一个痛苦但无奈的选择
   呵呵,说正事儿
   从目前看来这种结构要达到电路要求的所有指标比较困难,我们只能选择LDO(PMOS驱动)+外接滤波电容+bandgap的方式或者NMOS(G端接简单滤波电路)驱动+内置滤波电容+bandgap,前一种方式应该说肯定可以实现,缺点就是电路复杂(稳定性和启动电路难搞点),需要外接电容并且功耗基本肯定要超过预定值(LDO+bandgap+buffer+分压+输出驱动buffer);后一种方式是我比较期望实现的,最大的好处就是电路依然简单,但是由于需要NMOS驱动,NMOS由于体效应的原因电压降会很大,预计在2.7v供电前提下bandgap可能只有1.5v最小供电电压,这个电压下前提下bandgap只能说勉强可做,问题是直流的PSR怎么办呢,bandgap的输出驱动只能用单级,不可能采用折叠式的了,并且后一种也可能会超过预定功耗并且对稳定性调试心里没底,毕竟NMOS驱动的话电源内阻就会变得很大,幅频特性曲线可能会变得很怪异


  还有什么办法吗,并请指点我到底该采用哪种方式才更靠谱点

  对您的热心肠我只能说由衷的感谢
作者: whb610    时间: 2013-11-21 17:03
回复 39# jiang_shuguo


   很不好意思的告诉您我没见过你说的kuijk cell,能提供资料吗,就算不能用也能学习一下啊   再次不好意思的告诉您,我们没有trimming手段,这个bandgap是给flash用的,trimming数据只能储存在flash中(加OTP或者激光修复我都不敢想,一巴掌就给扇回来),这就成了鸡生蛋蛋生鸡的问题了
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 17:21
if trimming not available ,u must use kuijk cell(op+pnp)
作者: whb610    时间: 2013-11-21 17:39


   
if trimming not available ,u must use kuijk cell(op+pnp)
jiang_shuguo 发表于 2013-11-21 17:21



    请问为什么没有修复手段必须用op+pnp的方式,基本结构的偏差会比较大吗,为什么

    另外请问所有的op+pnp结构的bandgap都叫kuijk cell吗,我所采用的这种基本cell叫什么,谢谢
作者: whb610    时间: 2013-11-21 17:51


   
if trimming not available ,u must use kuijk cell(op+pnp)
jiang_shuguo 发表于 2013-11-21 17:21




   请问为什么没修复的话必须op+pnp的结构,我现在用的结构实际偏差会比较大吗,为什么会偏差比较大
   请问是所有的op+pnp结构的bandgap都叫kuijk cell吗,谢谢
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-21 19:30
it just a name, your structure is banba cell. cause banba cell have no loop gain to supress offset。
作者: hszgl    时间: 2013-11-21 19:32
本帖最后由 hszgl 于 2013-11-21 19:36 编辑

回复 46# whb610


    我同意jiang_shuguo 说的。你现在的这种结构PSRR太弱,在kickback noise严重的情况下确实不耐操,用op+pnp结构会好的多。整个bandgap可能也就5uA就够了,当然代价是损失不少面积。
作者: semico_ljj    时间: 2013-11-21 22:40
回复 35# whb610

这种结构可能是由于是自偏置,结构相对简单,Gain不是很大 所以PSRR一般也不高
版主说的OP+pnp的结构可以试一下 估计整体10uA能做下来 也不是很费面积
作者: semico_ljj    时间: 2013-11-21 22:42
回复 35# whb610

还有 pic太大 2.7M,转换成jpg,gif一般100k~200K足够了
作者: whb610    时间: 2013-11-22 09:43
哪位可以帮着分析一下34楼的问题,为什么输出级的源跟随器会产生这么大的相位延迟,好像我把源跟随的电流增加到11uA相位延迟就会极大减小了,但是我不可能真的把电流加到这么大
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-22 11:09
回复 51# whb610


    你多了一级,多出来个极点。
作者: whb610    时间: 2013-11-22 14:59
回复 52# jiang_shuguo


   是指两个电流源的支路吗,源跟随而已,这个是输出级必须的吧,没这两个支路的话驱动输出的MOS管不会导通,并且源跟随的极点应该会很大,不应该对相位产生这么大的影响
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-22 15:55
回复 53# whb610


    你实际看以下就知道了。源级跟随器的极点导致相位裕度变差。你实际看下。
作者: whb610    时间: 2013-11-22 16:24
回复 54# jiang_shuguo


   两个电流源的电流:124nA;输出驱动管电流:1.2uA
    相位裕度:
       1.  图示1点相位裕度:53.9
       2.两个电流源支路节点相位裕度:75.9/68.6
       3.驱动输出OUT相位裕度:7.6

    从结果上看就是两个驱动管造成的相位延迟,问题是我没搞明白这两个器件为什么会造成这么大的延迟,看起来跟它前级一样也是源跟随啊
作者: xi8meng    时间: 2013-11-22 23:47
回复 54# jiang_shuguo


   版主恢复用中文后,我倍感亲切呀!!哈哈....
问下,有可以满足他所有spec的方案吗? 以下难点,望帮忙指点,先谢了!
1. 一个要给数字电路供电的基准,功耗能够可以做到小于10uA吗?
2. 功耗做到了,基准的输出精度还可以满足2%吗?
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-23 10:15


   
回复  jiang_shuguo


   版主恢复用中文后,我倍感亲切呀!!哈哈....
问下,有可以满足他所有spec的 ...
xi8meng 发表于 2013-11-22 23:47


不trimming的基准不可能做到2%精度(量产),基准不是给数字供电的。
作者: semico_ljj    时间: 2013-11-23 16:25
回复 57# jiang_shuguo

以现在国内的常见工艺 不trimming,基准可以做到+-1%以内吗?
我觉得勉强可以行啊
作者: semico_ljj    时间: 2013-11-23 16:25
回复 57# jiang_shuguo

我也是指量产以后,条件是国内常见工艺
作者: whb610    时间: 2013-11-25 09:36
回复 57# jiang_shuguo


   偏差是+/- 2%,我没说清楚,抱歉,另外这个基准就是给flash供电的,grace的flash
作者: math123    时间: 2013-11-25 09:58
本帖最后由 math123 于 2013-11-25 12:30 编辑


   
回复  jiang_shuguo


   偏差是+/- 2%,我没说清楚,抱歉,另外这个基准就是给flash供电的,grace的fl ...
whb610 发表于 2013-11-25 09:36



要求是相对电压2%,还是固定电压2%啊?
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-25 11:07
回复 60# whb610


    你确定这个基准是供电而不是提供基准电压的?你确定分清了基准和电源?
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-25 11:13
若确定用基准供电,那么你现在的基准必然不行。一般都用LDO代替该该基准供电(最保险),你也可以尝试kuijk cell去给flash 供电,但风险你可要承担的。若采用你现在这个基准,100%失败。
作者: whb610    时间: 2013-11-25 12:36
回复 63# jiang_shuguo


   是提供电压基准的,不是供电,但是因为是flash,其内部有chargepump等很多干扰很大的电路,所以担心这些电路前馈对我提供的电压基准产生影响,所以希望基准电压输出端带有源跟随器,减小输出电阻,从而减小flash对基准电压的影响
作者: whb610    时间: 2013-11-25 12:39


   
回复  jiang_shuguo


   偏差是+/- 2%,我没说清楚,抱歉,另外这个基准就是给flash供电的,grace的fl ...
whb610 发表于 2013-11-25 09:36




   我明白为什么大家会误会这个电压基准给flash供电了,我这里说的不准确,应该说“这个基准是提供给flash的”而不是“这个基准是给flash供电的”;表达不准确,抱歉
作者: dscd1900    时间: 2013-11-27 09:43
为什么不能 trimming ?这个需要确认;
作者: whb610    时间: 2013-11-27 09:54
回复 66# dscd1900


   因为所有的trimming都需要增加成本,这是公司不能接受的
作者: dscd1900    时间: 2013-11-27 09:59
回复 67# whb610


这个flash的vref精度要求很高,没有trimming很难保证要求的精度,即使你能够解决功耗,线性调整率与负载调整率的问题
作者: dscd1900    时间: 2013-11-27 10:01
回复 67# whb610


   如果确实不能trimming,可否可虑多加一个管脚,bgr的电阻外置?
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-27 10:05
回复 67# whb610


    请问你基准的精度决定了flash的那些指标参数?我不太懂flash
作者: whb610    时间: 2013-11-27 10:41
回复 70# jiang_shuguo


   我也不懂,这个是foundry 的IP,需求就是这样;另外基准的要求不太高吧,正负2%,不算很高;其实datasheet要求是正负4%,这个就更低了,但是我不能真的按照4%来做,器件失配、电源噪声、后级电路的前馈等等很多问题都会造成基准电压的偏差,如果按照正负4%来做电路是简单了,实际生产出来能用的可能性不大,按照我的理解是基本死定了;

另外回复dscd1900
   bgr外接电阻当然可以,这个增加成本不多,应该可以接受,问题是外接电阻怎样校调基准电压才比较简单可靠呢;直接做负载恐怕不行,现在市面上最精密的电阻也有2%的误差,并且芯片内部的绝对电阻值和电流都误差很大的;用可调电阻也不行,实验可以用可调电阻,但真正大批量下来就没有实现的可行性了,不仅有可调电阻的体积问题,还有人工问题,批量一上来就要上生产线,不太可能一个一个去调整

  另外请教:线性调整率和负载调整率是什么概念,以前没听说过这个概念,只能从字面意义上理解
作者: jiang_shuguo    时间: 2013-11-27 11:13
回复 71# whb610


    按你之前的bgr结构做,仿真2%,做出来10%都可能。
作者: whb610    时间: 2013-11-27 11:32
回复 72# jiang_shuguo


   一直不太明白之前结构为什么结果上会很差,能说一下吗




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