带隙基准源电路和版图设计

论文题目：带隙基准源电路与版图设计

摘要

基准电压源具有相对较高的精度和稳定度，它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个系统的精度和性能。模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或者为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一，而集成电路版图是为了实现集成电路设计的输出。本文的主要目的是用BiCMOS工艺设计出基准源电路的版图并对其进行验证。

本文首先介绍了基准电压源的背景发展趋势及研究意义，然后简单介绍了基准电压源电路的结构及工作原理。接着主要介绍了版图的设计，验证工具及对设计的版图进行验证。

本设计采用40V的0.5u BiCMOS工艺库设计并绘制版图。仿真结果表明，设计的基准电压源温度变化为-40℃~~85℃，输出电压为2.5V及1.25V。最后对用Diva 验证工具对版图进行了DRC和LVS验证，并通过验证，表明本次设计的版图符合要求。

关键字：BiCMOS，基准电压源，温度系数，版图

I

Subject: Research and Layout Design Of Bandgap Reference

Specialty: Microelectronics

Name: Zhong Ting (Signature)＿＿＿＿Instructor: Liu Shulin (Signature)＿＿＿＿

ABSTRACT

The reference voltage source with relatively high precision and stability, temperature stability and noise immunity affect the accuracy and performance of the entire system. Analog circuit using the reference source, or in order to get the bias has nothing to do with power, or in order to be independent of temperature, bias, and its performance directly affects the performance and stability of the circuit shows that the reference source is an integral part of the sub-circuit, excellent reference source is the design of all electronic systems the most basic and critical requirements of one of the IC layout in order to achieve the output of integrated circuit design. The main purpose of this paper is the territory of the reference circuit and BiCMOS process to be verified.

This paper first introduces the background of the trends and significance of the reference voltage source, and then briefly introduced the structure and working principle of the voltage reference circuit. Then introduces the layout design and verification tools to verify the design of the territory.

This design uses a 40V 0.5u BiCMOS process database design and draw the layout.The simulation results show that the design of voltage reference temperature of -40 ° C ~ ~ 85 ° C, the output voltage of 2.5V and 1.25V. Finally, the Diva verification tool on the territory of the DRC and LVS verification, and validated, show that the territory of the design meet the requirements.

Keywords: BiCMOS，band gap , temperature coefficient, layout

II

目录

1 绪论 (1)

1.1 背景介绍及发展趋势 (1)

1.2 研究意义 (3)

1.3 本文主要工作 (4)

2 基准电压源电路设计 (5)

2.1 基准电压源的分类及特点 (5)

2.2 基准电压源的温度特性 (7)

2.2.1 负温度系数项

V (7)

BE

2.2.2 正温度系数电压 (7)

2.3 基本原理 (8)

2.3.1 与温度无关的电路 (8)

2.3.2.与电源无关的偏置电路 (8)

2.4 基准电压源电路设计 (9)

2.4.1 基本原理 (9)

2.4.2 运放的设计 (10)

2.4.3 带隙核心电路设计 (14)

2.5 仿真分析 (15)

3 版图设计 (19)

3．1 版图设计的基础 (19)

3.1.1 集成电路版图设计与掩膜版、制造工艺的关系 (19)

3.1.2 版图设计的设计规则 (20)

3.1.3 版图通用设计步骤 (23)

3.2工艺介绍 (24)

3.2.1 常见工艺简介 (24)

III

3.2.2 BiCMOS工艺 (26)

3.3 带隙基准电路的版图设计 (28)

3.3.1 版图的分层及连接 (28)

3.3.2 版图设计环境介绍 (29)

3.3.3 器件及总体版图 (30)

4 版图验证 (39)

4.1 版图验证概述 (39)

4.2 验证工具介绍 (39)

4.2.1 Cadence概述 (39)

4.2.2 Diva使用介绍 (40)

4.3 版图的DRC验证 (44)

4.4 版图的LVS验证 (44)

5总结 (46)

致谢 (48)

参考文献 (49)

IV

1 绪论

1.1 背景介绍及发展趋势

基准源是模拟与数字系统中的核心模块之一，它被广泛应用于动态存储（DRAM）、闪存（flash memory）以及其他模拟器件中。其实现方式有电压基准和电流基准。基准电压源是模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、线性稳压器和开关稳压器、温度传感器、充电电池保护芯片和通信电路等电路中不可缺少的部分，基准电流源主要作为高性能运算放大器等器件或电路的偏置，也可用于LVDS驱动器和Viterbi解码器。基准源需要有稳定的工艺、电压和温度系数，并且不需要随着制造工艺的改变而改变。带隙基准参考源通常是模拟和混合信号处理系统中重要的组成模块，它用来提供高稳定的参考电平和参考电压，对系统的性能起着至关重要的作用。

传统的带隙基准电路利用双极型晶体管的基极—发射极电压V m的负温度系数和不同电流密度下两个双极型晶体管基极—发射极电压的差值的正温度系数相互补偿，使输出电压达到很低的温度漂移。但实际设计电路中由于运放的失调电压对V m的影响，V m与温度的非线性关系，使传统的带隙基准电路在温度系数、功耗、PSRR等方面无法达到现今集成电路设计的要求。随着现代如今，带隙基准源在AD/DA、电源芯片、锁相环、高精度的电压表、电流表、欧姆表等领域有着很广泛的应用。

微电子技术和通信技术的发展，集成电路已进入超深亚微米时代，它的发展继续以高速、高集成度、低功耗为目标。在发展的同时，集成电路逐渐与其它学科和技术相结合,形成新的方向,新的学科或专业,不断改变着传统专业分工的格局，使得SOC系统(System on Chip)越来越复杂。这对模拟电路基本模块的电压、功耗、精度和速度等, 提出了更高的要求。传统的带隙基准源电路结构渐渐难以适应设计需求。近几年，国内外学者都对传统带隙基准源进行了改进，主要集中降低温度系数，提高了PSRR以及使其能工作在低电源电压下，展现出低功耗、低噪声、低温漂、高精度等特性。

国内外对CMOS工艺带隙基准电压源做了大量的研究，最新的技术进展主要体现在以下几个方面。

(1)低温度系数

低温度系数的电压基准源对于高分辨率的DAC和ADC尤其重要。对于一阶补偿的带隙基准源，温度系数通常可以做到10．60ppm／。C。为了进一步降低带隙基准的温度系数必须做高阶补偿。目前出现的高阶补偿技术包括利用MOS管亚阈区v～I特性的补偿的带隙基准电路、利用电阻的温度特性的曲率校正方法、指数曲率补偿方法、温度分段补偿方法等。

(2)低电压工作的电压基准源

随着深亚微米集成电路技术的不断发展，集成电路的电源电压越来越低。带隙基准电压在1．2V左右，所以一般的带隙基准源的工作电压至少在1．2V以上。采用特殊电路结构的带隙基准源可以工作在1V左右。采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，并最终受限于MOS管的阈值电压。

(3)高电源纹波抑制比

随着射频集成电路和数字电路的发展以及带基准源在高频电路应用中的推广，电源抑制比成为了基准源在高频及数模混合电路中的一个重要衡量标准。在数模混合集成电路中，数字电路的噪声可能对模拟电路产生不利的影响。因此，在混合电路中电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源电压抑制比性能。

(4)低功耗

低功耗是衡量电路性能好坏的指标之一。作为集成电路的一个基本单元电路，低功耗也一直是基准电压研究发展的一个方向。

集成电路制造工艺主要有双极工艺、CMOS工艺和BiCMOS工艺。用双极型工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精度高的器件，但双极型器件在功耗和集成度方面却无法满足系统集成的要求：而CMOS工艺可以制造出功耗高、集成度高和抗干扰能力强的CMOS器件，但其速度低、驱动能力差，在既要求高集成度又要求高速的领域中也无能为力。BiCMOS工艺是把双极型器件和CMOS器件同时制作在同一芯片上，它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS器件高集成度、

低功耗的优点，使其互相取长补短，发挥各自的优点，它给高速、高集成度、高性能的LSI及VLSI的发展开辟了一条新的道路。20世纪80年代初，基准电压源设计使用BiCMOS工艺，融合了CMOS工艺和双极型工艺的优点，使基准源技术获得了飞速发展并在DC—DC集成稳压器、RF电路、A/D转换器等方面得到广泛应用。1．2 研究意义

基准电压源是指模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个系统的精度和性能。模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或者为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一。

带隙基准源由于能工作于低电源电压下，温度漂移、噪声和PSRR 等性能能够满足大部分系统的要求，所以带隙基准源在集成电路设计中得到了广泛的研究与应用。随着现今IC产业的发展，要求带隙基准源电路工作电压更低，尽可能处于低功耗，保持高精度，低温度系数以及高PSRR抑制比，因此改进带隙基准源电、路成为现今一个很重要的课题。

集成电路版图是根据逻辑电路与电路功能和性能要求以及工艺水平要求来设计光刻用的掩膜版图，实现集成电路设计的最终输出。集成电路制造工艺主要有双极工艺、CMOS工艺和BiCMOS工艺。用双极型工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精度高的器件，但双极型器件在功耗和集成度方面却无法满足系统集成的要求：而CMOS工艺可以制造出功耗高、集成度高和抗干扰能力强的CMOS器件，但其速度低、驱动能力差，在既要求高集成度又要求高速的领域中也无能为力。BiCMOS（Bipolar CMOS）工艺是将CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。

因此，选择BiCMOS基准电压源作为研究对象具有重要的理论研究意义和实际应用意义。本设计主要是用BiCMOS工艺完成基准电压源的版图设计，得到在温度在-40℃～85℃之间不随温度变化的1.25V和2.5V的稳定电压。

1.3 本文主要工作

本文主要分为五章。在第一章主要介绍基准电压源的背景发展趋势及版图的研究意义。后边内容主要介绍基准电压源电路及版图设计，在第二章介绍基准电压电路的分类，构架及基本工作原理，介绍本次设计并对设计的电路进行仿真分析。第三章主要介绍版图的一些基本概念和本次设计的版图。第四章主要介绍了本次验证使用的工具Diva，并对设计好的版图进行验证。第五章对本次设计工作进行总结。

2 基准电压源电路设计

基准电压源是模拟集成电路的重要组成部分，主要作用是为串联型稳压电路、A/D和D/A转化器提供基准电压，也可用作传感器的稳压供电电源或激励源。另外还可以作为标准电池、仪器表头的刻度标准和精密电流源。理想电压源具有好的初始精度，并在负载电流、温度和时间变化时电压保持稳定不变。

2.1 基准电压源的分类及特点

根据拓扑结构，基准电压源主要有齐纳基准、隐埋齐纳基准，XFET基准和带s 联式电路或者三端串联式电路。

1、齐纳基准

根据电压求和模式，基准参考电压源最初利用齐纳二极管(Zener Diode)设计，它是通过调节自身电流，并配合限流电阻来抵消电源电压的变化。齐纳二极管基准源的电源电压高于7V，工作电流一般为几毫安，齐纳基准在这里指的是表层齐纳基准。

它成本低，封装小，工作电压范围宽。但是功耗大，初始精度低，温度系数差，输入电压调整率不好，因为齐纳(雪崩)二极管的击穿电压发生在硅表面层(图2.2(a))，由于硅芯片表层与其内部相比有更多的杂质、品格缺陷和机械应力，容易受到表面氧化层中迁移电荷及外界环境的影响，噪声较大、长期稳定性差。使用时需根据供电电压和负载电流串接一个电阻为其提供恒定电流，以便保持输出电压稳定。齐纳基准通常用于要求不高的场合，或用作电压钳位器。

2、隐埋齐纳基准

为了克服表层齐纳二极管的缺点，改进制造工艺的隐埋齐纳二极管结构得到了广泛应用，掩埋型齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊齐纳二极管，这是因为它采用了将击穿区植入硅表面以下的结构，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而得到

明显的改善。

它具有很高的初始精度，好的温度系数和长期漂移稳定性，噪声电压低，总体性能优于其它类型的基准，故常用于12位或更高分辨率的系统中。掩埋齐纳基准通常要求至少5V以上的供电电压，并要消耗几百微安的电流，功耗比较大，并且价格比较昂贵。除了有输入电压范围宽的特点，精度比常规齐纳二极管的基准源提高很多，但是由于表层下面的扩散工艺比表层上而难控制，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。一般选用高精度运算放大器和隐埋齐纳二极管构成基准电路。

3. XFET基准

XFET (eXtra implantation junction Field Effect Transistor)基准是一种新型的电压基准，其核心是利用JFET (Junction Field Effect Transistor)设计的，利用一对具有不同夹断电压JFET，将其差分输出电压放大以产生一个稳定的负温度系数的电压(约为-120 ppm/℃)，然后用一个具有正温度系数的电压进行补偿，得到稳定的基准电压。

XFET基准静态电流很低，可用于3V电压系统，并且仍能保持良好的性能。它有三项显著的特点:其一是在相同的工作电流条件下，它的峰一峰值噪声电压通常比带隙基准低数倍;其二是XFET基准静态电流很低，但可以为负载提供的输出电流不是很低，并且输出端不需要加去藕电容;其三是XFET基准具有极好的长期漂移稳定性。XFET基准的性能水平界于带隙和齐纳基准之间，其缺点是需要特殊工艺来实现，成本较高。

4、带隙基准

带隙基准电压源分为双极型带隙基准源和CMOS带隙基准源，工艺条件宽。带隙基准输出电压受温度和电源电压影响小，并且其精度高。基准的初始精度、温度系数、长期漂移、噪声电压等性能指标从低到高覆盖面较宽，适用于多种不同精度要求的系统中，该类基准应用范围很宽。

()()()T q E V m V m V kT E T V m I I T V t cons I if T

I I V I I T V T V g T be T g T S C T C S S T S C T be /42/34ln tan ln 2-+-≈-≈-+-???

? ??==??-???? ????=??2.2 基准电压源的温度特性

2.2.1 负温度系数项BE V

由于Pn 结二极管的正向电压具有负温度系数，因此双极晶体管的基极--发射

极电压具有负温度系数。对一个双极型器件有)/V exp I I BE S T C V （=，其中q kT V T /=，

饱和电流S I 正比于2i kTn μ，其中μ为少数载流子的迁移率，i n 为硅的本征载流子浓

度。这些参数与温度的关系可以表示为μ∝m T 0μ，其中m ≈-3/2，并且2i n ∝

]/exp[3kT E T g -,其中g E ≈1.12 eV ，为硅的带隙能量。所以

(2-1) (2-2)

(2-3) (2-4) (2-5)

2.2.2 正温度系数电压

在1964年人们认识到，如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那

么它们的基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比。例如，如图2.1所示，如果

两个同样的晶体管(21S S I I =)偏置的集电极电流分别为0nI 和0I 并忽略它们的基极

电流，那么

K mV T V be /5.1-=???K T mV V be 300750==???? ??=S C T be I I V V ln ???

? ??-=+kT E bT I g m S exp 4

图2.1 PTAT 电压产生电路[1]

(2-6)

(2-7) （2-8） 具有正温度系数 2.3 基本原理

2.3.1 与温度无关的电路

利用上而得到的正、负温度系数的电压，我们现在可以设计出一个令人满意的

零温度系数的基准。我们有

，这里n V T ln 是两个工作在不同电流密度下的双极晶体管的基极—发射极电压的差值。因为在室温下，

(2-9)

所以我们可以令1α=1，选择n ln 2α使得（n ln 2α）（0.087mV/K ）=1.5mV/K ，也就

是n ln 2α≈17.2，表明零温度系数的基准为

(2-10)

n

V q kT V I I V I nI V V V V T T s o T s o T be be be ln ln ln 2121==???? ??-???? ??=-=?n q

k T V be ln =??n V V V T be ref ln 21αα+=K mV T

V K mV T V T BE /087.0,/5.1+=??-≈??V

V V n V V V T be T be ref 25.12.17ln 21≈+=+=αα

2.3.2.与电源无关的偏置电路

如图2.2(a)所示，若电流REF I 不随电源电压DD V 变化，而且将2M 和3M 的沟道长度效应忽略不计，电流D 2I 和D3I 的大小就保持与电源电压无关。

图2.2 电流镜偏置使用[1]

（a) 理想电流源 （b ）电阻

将电阻作为近似电流源接在电源电压DD V 和1M 栅极之间，如图2.3(b)所示，该电路输出电流与电源电压关系如为：

（2-11) 想要得到对DD V 不敏感的电路，该电路必须由自己偏置。图2.4所示电路中，3M 和4M 复制了OUT I ，由此确定了REF I .选择一定尺寸的MOS 管尺寸，忽略沟道调制效应时，有REF I =OUT I . 由于每个二极管方式连接的器件都是被一个电流源驱动的，因此REF I 和OUT I 都与DD V 无关。

2.4 基准电压源电路设计

2.4.1 基本原理

产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电

压或电流。与温度关系很小的基准电压或基准电流在许多模拟电路中被证实是必不可少的。值得注意的是，因为大多数工艺参数是随着温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。如何产生一个对温度变化保持恒定的量呢?如果将两个具有相反温度系数的量以适当的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。带隙基准源的原理就是使负温度系数和正温度系数相互抵消来达到温度补偿的目的。其基本原理如图1所示：其中BE V 具有负温度系

1211DD OUT )/()/(/1R V I L W L W g m +?=?

数，而T V 具有正温度系数，将BE V 和T V 按一定比例系数求和，即可得到零温度系

数的基准输出REF V 。

图2.3 带隙基准的基本原理图

2.4.2 运放的设计

本文引入一种采用带隙（Bandgap ）结构的电压基准，即利用带隙基准源电路产生一个可调负温度系数的电压，它和一负温度系数的电阻比值可获得零温度系数的电流。其原理框图如图2.4所示，为V-I 变换电路框图，其原理简单，可求出通过电阻R 的电流为:I = V/R = V ref/R 。即获得基准电流。从而在此基础上添加电阻，稍微修改可获得可调输出基准电压。由于Vref 为带隙基准电路产生的基准电压，故具有良好的电源抑制能力。相对于典型电流基准中热电压VT 固定的温度系数，Vref 具有可调的负温度系数。只要Vref 的负温度系数设置得当，充分抵消工艺中给定的电阻负温度系数，即可得到性能良好的电流基准，从而得到需要的基准电压。

图2.4 电压基准设计框图 运算放大器根据其中级联放大单元的数目，可以分成单级、两级和多级运放三

类。单级运放结构相对简单，但增益较低;两级运放能实现较高的性能，稳定性较好，得到了广泛应用，但是速度、频率特性方面一般比一级运放要差一些;三级以上的运放称为多级运放，它们能实现更高的增益，但需要复杂的补偿电路来保证运放的稳定性。全差分运放是指输入和输出都是差分信号的运放，它同普通的单端输出运放相比有以下几个优点:更低的噪声;较大的输出电压摆幅;共模噪声得到较好抑制;较好地抑制谐波失真的偶数阶项等。所以高性能的运放多采用全差分形式。

图2.5中列出了三种常用的全差分运放：直接套筒式共源共栅运放、折叠共源共栅运放和简单两级全差分运放。

直接套筒式共源共栅结构单极运放的增益高，输出电阻高，功耗低，而且由于是单极结构，其频率特性较好。它的缺点是输出电压摆幅小。为了减小直接套筒式共源共栅结构对运放输出摆幅的限制，可以采用折叠共源共栅结构。折叠结构与直接套筒式结构相比，功耗要略大一些，增益也有所降低，但是它的输出电压摆幅远大于前者，缓解了增益、电源电压与输出摆幅之间的矛盾。因此折叠共源共栅是一种广泛应用的运放结构。两级运放在增益和输出电压摆幅方面都可以达到较高值，但由于有两级电路，所以频率特性不如单极运放(带宽小、速度受限)，且功耗相对大些。本设计中采用简单两级全差分运放。

A直接套筒式共源共栅运放

B折叠共源共栅运放

C简单两级全差分运放

图2.5 几种常见的全差分运放

本设计采用以电流镜为偏置的简单差分放大器，如图2.6所示：

图2.6 差分放大器

2.4.3 带隙核心电路设计

带隙的核心电路主要为电路提供符合要求的稳定电压。本设计中带隙的核心电路如图2.7所示：

图2.7 带隙核心电路

由如图所示电路可知，输出基准电压为

（2-12）

（2-13）

如果运放电路的增益足够高时，输出电压独立于电源电压。但当X V 和Y V 等于零时，运放输入差动对会关断，因此电路会需要启动机制，要在电路中增加启动电路。运放、带隙核心电路和运放电路合成的总体电路如下图所示：

6

56543212Q Q Q Q REF )()(V V 2143R R R R R R R R R V V V be be be be +++??????++-++=6563212Q Q Q Q 125)()(V V 2143R R R R R R R V V V be be be be +??????++-++=

图2.8 带隙基准总图

2.5 仿真分析

由于本设计偏重于版图，对于电路只进行了简单参数的仿真，仿真时使用Cadence中的Spectre工具。下图为电源电压为5V时不同温度下，输出电压随时间

的变化：

图2.9 ―40℃时输出电压

图2.10 25℃时输出电压