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标题: bandgap测试结果离散性很大，请各位大神支招 [打印本页]

作者: 2008ql 时间: 2017-1-14 22:34
标题: bandgap测试结果离散性很大，请各位大神支招
本帖最后由 2008ql 于 2017-1-15 15:23 编辑

最近流了一款带隙基准，输入10V，输出1.2V电压，P/NMOS采用的是高压MOSFET(没有monte carlo model)。

( , 下载次数: 135 )
后仿在各个corner下，输出在1.2V+-30mV范围内；

但是测试结果很不理想，测试了10颗：有一颗1.0V，3颗1.4V，1颗1.35V，其余在10%以内（测试环境：室温）；

测试结果离散性很大；请各位大神支招。

作者: feel100 时间: 2017-1-14 22:57
1、启动电路是否正常工作，会不会有启动没有脱离的情况。
2、这个结构，PTAT，和CTAT结构的mismatch都会被放大，注定分布不会好。电流镜的匹配需要做得很好，考虑你用的是高压管，为了省面积，你的版图匹配多半是不好。

以上

作者: 2008ql 时间: 2017-1-15 00:03
回复 2# feel100

非常感谢回复。关于1，设计的时候也注意了这点，不过是一个查找的方向；
“PTAT，和CTAT结构的mismatch都会被放大，注定分布不会好”不太明白，能否详细些？
另外关于电流镜除了layout匹配外，在尺寸方面有没有什么建议？
“考虑你用的是高压管，为了省面积，你的版图匹配多半是不好”，什么意思？

作者: feel100 时间: 2017-1-15 08:39
两边的电流镜适配都会被电阻比例放大。
高压管都不能共漏画成finger，匹配会差。可以考虑把PMOS靠近电源的管子都换成低压MOS的话，匹配就好处理很多。

作者: 2008ql 时间: 2017-1-15 16:00
本帖最后由 2008ql 于 2017-1-15 16:07 编辑

回复 4# feel100

谢谢。
1.今天去查了一下，启动电路不存在“没有脱离”的情况；

2.可以考虑换成中压管的可行性。

3.从公式上看，Vref=R3(VBE/R1+VTln8/R2)，参数上R3约等于R1，均约等于10R2，mismatch确实被R比例放大了，但是另外一种结构，Vref=VBE+R3VTln8/R2)，PTAT 的mismatch基本也放大了相同的倍数。感觉这两种结构，mismatch的放大效果上相当。（？？）

4.PTAT中靠近电源的三对高压p管（1#图示,W/L=2*3u/5u），是这样画的， ( , 下载次数: 122 ) ，(CTAT中也是这样画的)
高压管画成finger为什么匹配会差？？？

作者: grfly 时间: 2017-1-15 16:30
Hi, 我是KK;
从你的电路架构来看，左边产生IPTAT电流(Vt*lnN)/R2，右边产生CTAT电流(VBE/R1)，然后两路电流叠加产生Bandgap电压VBG=((Vt*ln8)/R2+(n*VBE/R1))*Rbg, Rbg为Bandgap输出pin下面串联的电阻；
那silicon的bandgap电压输出偏差很大，肯定是上面公式的实际值超出了typical设计值（在假设你电路设计的typical值没有问题的情况下，这个你可以仿真）；
那么，哪些因素会让bandgap偏离实际计算值呢？从公式来一一分解：Vt=kt/q,不取决于你的版图和尺寸；ln8成立的条件为bipolar的画法，如果采用的3*3经典架构，那么肯定是很好的matching，如果你有用share NWELL的方式来画，会造成一定的影响，因为bipolar的beta值会发生变化，但是这个影响不会有这么大，而且这个可能已经在model范围之类了（如果工艺的PDK比较成熟）；那么，R2/Rbg呢，这个很大取决于电阻尺寸的选择以及layout的画法，如果用的电阻尺寸太小，以及layout没有使用matching的画法，这个影响会比较大；
再看第二项，n的成立条件取决于PMOS镜像的准确性，同样，不合适的尺寸和layout都会影响到matching，而且你的设计用的是HV MOS,有的HV MOS的mismatch差，就更会影响到电流镜镜像；对于电流镜该怎么设计，简单一句话：L很重要，W不太重要；这里不详述，可参考基础知识的学习；VBE的准确性不会差太多，尤其是VBE本身的bipolar最重要的参数，如果这个model都差很远，那只能说是一个没有节操的工艺了；最后，R1/Rbg的准确性参考以上关于R2/Rbg的论述；
所以，如feel100提到的: 这个电路的bandgap输出电压精度，一个是电流镜的镜像精度（包括1:1， 1：N），尤其是HV MOS, 有没有mismatch的数据可以参考，电路设计是否合理（尺寸选择，layout）；
二是电阻的比例，同样与尺寸和layout有关；

最后，个人对design的建议：不是所有电路跑PVT才是worst case，对于高精度电路来说，mismatch更是要义；在缺乏mentocarlo model的情况下，好的designer应该可以自己根据model的参数手算，不要做spice monkey；如果model本身参数缺少，则考研设计者本身的经验以及debug的能力；

作者: 2008ql 时间: 2017-1-15 17:31
回复 6# grfly

非常谢谢KK详细的解释与建议。用的是55nm工艺，foundry没有montecarlo model，也没找到HVmos mismatch的相关数据作参考，所以一直没有得出直接的数据反映mismatch有多大；
这版电流镜典型尺寸，PMOS W/L=2*3u/5u，NMOS W/L=3u/5u，RES 采用的是2K/方块的电阻，segment L/W =8u/0.5u，感觉电流镜和电阻的尺寸分配的偏小，但是不能得出数据反映尺寸增大到多少才能使mismatch降低到一定范围内，很困惑；
在版图方面，BJT3*3采用的经典画法，电阻是类似下面进行匹配，电流镜没有做匹配（5#），电流镜版图还需要进一步完善。
( , 下载次数: 111 )

作者: grfly 时间: 2017-1-16 09:57
回复 7# 2008ql
从你的回复来看，bipolar和电阻的layout都没有太大问题；当然，55ns选了W=0.5的阻值，应该不会很差；
另外，如果bandgap偏离很多，除了上述的mismatch的原因外，还有可能电路存在某些异常，并且仿真不能验证的，比如NWELL漏电，等等；所以，case by case;
对于这种情况，我建议你选good IC和failure IC 去做probe+FIB对比，可以测测VBE，电流镜出来的电流，然后定位具体是哪个位置出了问题，再进一步分析是matching的原因还是其他类似于漏电，异常的原因；

作者: TianBian365 时间: 2017-1-17 01:09
回复 1# 2008ql

设计上如果考虑期间的mismatch会更好。。。如果有从新设计机会。。。我建议无论 pmos的cascode 还是地下 nmos的都采用 cascode，高压模型的适配是很严重的，（非对称设计）。我建议 cascode 的管子分别采用 HV PMNOS以及NMOS，而电流镜采用 5V 的管子最底下的NMOS 也采用5V NMOS以及HV NMOS cascode保护（别用你一个管子版本，因为10V电压够够的）。这样既解决了高压问题，匹配也不是问题。再者电阻我还是建议采用 W》1u》0.5u 。

作者: 2008ql 时间: 2017-1-17 21:34
回复 9# TianBian365
谢谢建议。
不知道工业上有没有这样用的：cascode电流镜一个用高压器件一个用低压器件，另外在启动等节点电压跳变比较大的一些状态下，5V管会不会有危险，是个考虑的问题。

作者: 2008ql 时间: 2017-1-17 21:42
今天又了测了一些，大概有70颗了，做了下统计分析，平均值到了1.28V，均方差130mV.
应该不会有漏电，测试没有发现奇怪的电流，分析上没有发现PN正偏或击穿的情况，如果有漏电，结果也应该往一个方向偏，不知理解对不对。

作者: fuyibin 时间: 2017-1-18 11:00
不知道具体是什么工艺。看了一下大概有几点问题。
（1）结构问题，PTAT+CTAT认为增加了CTAT branch，增加了一路mismatch，如果不是对CTAT有要求，完全没有必要这么做。
（2）电阻L=0.5um太小了，以tsmc65nm为例，L最小做到0.4um，但是要做match和控制方块电阻的情况下，没人会用最小的L，一般PDK调出来的defualt L=2um是比较常用的，L=1um也能接受，而且L大一点，W也会大，电阻面积大，对控制电阻比例关系有帮助。
（3）PMOS电流镜size不算大，HV的MOS match会差一些，就像IO MOS比 core device 差一样。底下的nmos也要考虑mismatch，VTH的offset直接进了ΔVBE，而这个ΔVBE才54mV
（4）通常来说，高压下的bandgap更容易做，有更大的headroom可以利用。要在1V supply下做，会痛苦一点点。

作者: semico_ljj 时间: 2017-1-18 12:41
看一看先

作者: 2008ql 时间: 2017-1-18 16:44
回复 12# fuyibin

用的是55nm工艺,电阻W最小做到0.4um。

作者: TianBian365 时间: 2017-1-19 03:27
回复 10# 2008ql

你关注的问题没错，正常工作没有问题，要注意上电过程。。比如非常快速上电。。会担心低压pmos管子问题，在实际应用中会有latch保护。但由于一般电源上电不会快的离谱的nS级，所以内部上电一般可用。回到楼主电路，在我看来至少ｎｍｏｓ使用完全没有问题。

作者: huangniuniu 时间: 2017-1-20 16:10
CASCODE 电流镜低压在上面，高压在下，高压是开关，只是VDS高压，设计中注意VGS保护，同时注意瞬态。

作者: JohnHilo 时间: 2017-1-22 12:36
偏差的主要来源：
1：最上面的PMOS，和bjt上面的NMOS，假设这两个合起来产生5mV的偏差，就会在输出产生50mV的偏差，现在有两个支路，偏差会到70mV；
2：电流镜的偏差，假设2.5%，那么在输出也会产生32mV偏差，结合两路就是45mV；
这样加起来就有115mV了，加上其他的，应该和你实测差不多
建议：所有管子WL同比例加大，那么sigma也能成比例减小。

作者: 2008ql 时间: 2017-1-22 16:26
回复 16# huangniuniu

谢谢。这种cascode电流镜的设计理论上应该是可以的。

目前还没有这方面钳位保护的设计经验。

您能不能再推荐一些资料。万分感激。

作者: 2008ql 时间: 2017-1-22 16:41
回复 17# JohnHilo

像这种高压PMOS/NMOS，工艺上限制W>=3um，L<=10um，原来PMOS尺寸取2*3um/5um，vdsat约200mV，尺寸同步增大的话，如2*6um/10um，再大的话，vdsat就100mV+了，总感觉这么高的电源，MOS vdast取的太小不合适。另外尺寸增大到2*6um/10um，离散程度会减小多少，没有失配参数，只能靠粗粗地估计了。

作者: JohnHilo 时间: 2017-1-23 09:08
回复 19# 2008ql

同比例增长宽长比会减小vdsat？

作者: mikeppq 时间: 2017-1-23 09:53
建议高压P管用isolated P管代替，如果有的话。注意isolated P管的耐压。

作者: 2008ql 时间: 2017-1-23 20:20
回复 20# JohnHilo

同比增大当然不会了，意思是2*6/10是同比增大的最大尺寸了；如果再增大尺寸，只有增大W/L了，这样Vdast就减小了。

作者: 2008ql 时间: 2017-1-23 20:22
回复 21# mikeppq

这种管子有什么好处吗

作者: frontier 时间: 2017-1-24 00:22

回复 JohnHilo

像这种高压PMOS/NMOS，工艺上限制W>=3um，L
2008ql 发表于 2017-1-22 16:41

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PTAT的NMOS vdsat or vod是多少呢? 是幾V的device, 電流是多大呢

作者: mikeppq 时间: 2017-1-24 08:33
回复 23# 2008ql

相对于常见的高压管，它的match比较好

作者: JohnHilo 时间: 2017-1-24 13:15
回复 22# 2008ql

Vdsat减小些没关系，WL增大，失配能大大减小，要看主要矛盾

作者: 黄礼茉 时间: 2017-1-24 14:14
回复 21# mikeppq

isolated NMOS 是不是有五个端？然后让那个多出的端（nwell）悬空来用在高压下吗？最近正在研究这种管子，不知道怎样使用，麻烦介绍一下啊

作者: frontier 时间: 2017-1-25 00:02
回复 22# 2008ql

弄錯方向了, 問題在Q3/Q4 上方的NMOS

作者: mikeppq 时间: 2017-2-3 16:08
回复 27# 黄礼茉

通常是高压nwell做ring，和n型埋层一起接高电位构成隔离。建议看它的cross-section。

作者: kidd_han 时间: 2017-2-4 10:40
fab提供蒙特卡洛的模型的话，就跑跑看，是否和实际生产的数据匹配。
如果数据匹配，那就说明mismatch没设计好。
不匹配的话再分析，应该是其他原因造成的。

作者: kidd_han 时间: 2017-2-4 10:45
sorry，没注意到高压没有蒙特卡洛模型。。
高压器件的匹配是不太好的。bandgap离散大有可能是这样造成的。
可以考虑用高压做一个粗糙的低压电源，在这个电源上用低压器件做bandgap。

作者: peterlin2010 时间: 2017-2-4 11:08

最近流了一款带隙基准，输入10V，输出1.2V电压，P/NMOS采用的是高压MOSFET(没有monte carlo model)。

...
2008ql 发表于 2017-1-14 22:34

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55nm 的高压MOS 耐多高压?
还是这是BCD ?

你电路
bandgap

是TRIM 后还分布很大吗??

1.
一般offset 多来自mos match , vth offset ..高压mos
耐 40v 光 offset 就几百mv

高压PMOS 串低压 pmos ,. 一般如果
如 40v vgs
厚oxide 1000A , offset 很大都须要使用 5V Pmos 改善,

但是 5v pmos well要隔好

2.
Nmos部分先看是否有
isubmodel , vds高到某些地方
有 substrate current , 还有一般
cascade使用q5 q4 都跟NMOS同一个你怎会 Q5一组Q4一组?
你有10V 电压没要求低电压动下, 串 2 nmos 拉高 psrr 还可以

3.
Start up 你应该简化吧?
一般都会确定VBG 起来后才真的关掉 start up 如果单靠 RC 不是很靠普的 .

4.
Mos L 得大才会 match 好一般
都 L > 8~10um

作者: xiaowanzi88 时间: 2017-2-4 15:49
请问55nm工艺如何可以玩高压输入阿?好好奇

作者: peterlin2010 时间: 2017-2-4 21:54

请问55nm工艺如何可以玩高压输入阿?好好奇
xiaowanzi88 发表于 2017-2-4 15:49

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google find
UMC 55nm 1.2V 6V ±16V

HLMC's 55nm high voltage process

作者: 2008ql 时间: 2017-4-11 16:42
多谢各位的解答，目前bg改成中压方案，mc好多了。

作者: peterlin2010 时间: 2024-5-4 21:07
for BCD design

rail-rail LDMOS OPA design

p-input pair : 5v pmos  + cascode ldpmos .
ldpmos gate =36-5v =31v

n-input pair : ldnmos + 5v nmos ,  ldnmos gate use 5v clamp

bcd design , ldpmos usually zener diode clamp .
some use zener + ldnmos for simple clamp voltage  (not capless LDO ..)

作者: spare01 时间: 2024-5-5 18:28

grfly 发表于 2017-1-15 16:30
Hi, 我是KK;
从你的电路架构来看，左边产生IPTAT电流(Vt*lnN)/R2，右边产生CTAT电流(VBE/R1)，然后两路电流 ...

请问为什么"share NWELL的方式来画，bipolar的beta值会发生变化?"，另外想请教一下beta值变化的影响是不是导致VBE不准？

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