低电压带隙基准电压源设计解析

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低电压带隙基准电压源设计

基准电压是数模混合电路设计中一个不可缺少的参数,而带隙基准电压源又是产生这个电压的最广泛的解决方案。在大量手持设备应用的今天,低功耗的设计已成为现今电路设计的一大趋势。随着CMOS工艺尺寸的下降,数字电路的功耗和面积会显著下降,但电源电压的下降对模拟电路的设计提出新的挑战。传统的带隙基准电压源结构不再适应电源电压的要求,所以,新的低电压设计方案应运而生。本文采用一种低电压带隙基准结构。在TSMC0.13μmCMOS工艺条件下完成,包括核心电路、运算放大器、偏置及启动电路的设计,并用Cadence Spectre 对电路进行了仿真验证。

1 传统带隙基准电压源的工作原理

传统带隙基准电压源的工作原理是利用两个温度系数相抵消来产生一个零温度系数的直流电压。图1所示是传统的带隙基准电压源的核心部分的结构。其中双极型晶体管Q2的面积是Q1的n倍。

假设运算放大器的增益足够高,在忽略电路失调的情况下,其输入端的电平近似相等,则有:

VBE1=VBE2+IR1 (1)

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其中,VBE具有负温度系数,VT具有正温度系数,这样,通过调节n和

R2/R1,就可以使Vref得到一个零温度系数的值。一般在室温下,有:

但在0.13μm的CMOS工艺下,低电压MOS管的供电电压在1.2 V左右,因此,传统的带隙基准电压源结构已不再适用。

2 低电源带隙基准电压源的工作原理

低电源电压下的带隙基准电压源的核心思想与传统结构的带隙基准相同,也是借助工艺参数随温度变化的特性来产生正负两种温度系数的电压,从而达到零温度系数的目的。图2所示是低电压下带隙基准电压源的核心部分电路,包括基准电压产生部分和启动电路部分。

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2.1 带隙基准源电路

由于放大器的输入端电平近似相等,故由电流镜像原理可得到如下等式:

这样,适当选择R2/R1、R2/R3以及n的值,即可得到低电源电压下的基准电平。

基于版图的设计考虑,可选择n为8,这样可以更好地实现三极管的匹配,减小误差。该电流源使用共源共删结构,从而可以提高电流拷贝的精度以及减小电源电压对Vref的影响,并在一定程度上有利于PSRR。

虽然CMOS工艺中的电阻绝对值会有偏差,但这里用到的是电阻的比值,所以要尽可能的做到比值的准确。具体方法是把R1、R2、R3都用单位电阻并联串联来表示。版图设计时,应尽量把这些电阻放在一起,并在周围加上dummy,以最大限度地减小工艺偏差对电阻比值的影响。

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2.2 启动电路

电路开启前,可将Pup置为0,开关M1关断,反相器输入端为高电平,开关M2不开;当信号Pup置为1时,开关M1打开,反相器输入端电压被拉低,使开关M2开启,P点电压被拉低,带隙基准电路部分开始工作,M3随之开启;此后由于M3开始工作,电阻Rstup上流过的电流把反相器输入端电位抬高,超过反相器反向电压时。输出为低电位,开关M2关闭,启动电路结束工作。M3与Rstup 的选取是启动电路值得注意的地方,M3镜像而来的电流与Rstup的阻值乘积得到的电压值必须在P点电压稳定前足以使反相器输出低电压,并使开关M2关断。

3 仿真分析

图3为基准电压幅度随温度变化的曲线,可以看到,从-30~100℃,Vref基本在3 mV以内波动,误差范围在5%以内。

图4所示是本设计的PSRR仿真结果。从图4可以看出,在低频时,其PSRR约为-81 dB。

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图5是本设计的电源电压扫描仿真结果。由图可见,其电源电压在1~1.8 V之间,基准电路都能很稳定的输出约600 mV的电压基准值。

4 结束语

本文给出了一个低电压供电时的带隙基准电压源电路的设计方法。该电路通过对传统带隙基准电路的改进,使输出基准电压在600 mV仍然能满足零温度系数。本设计基于TSMC 0.13 μmC-MOS工艺。通过仿真,结果显示:该电路在-30~100℃范围内的温度系数为12×10-6℃,低频下的PSRR约为-81 dB。在供电为1~1.8 V范围内,电路能够工作正常,输出电压约600 mV。

带隙基准电压源的设计

哈尔滨理工大学 软件学院 课程设计报告 课程大三学年设计 题目带隙基准电压源设计 专业集成电路设计与集成系统班级集成10-2 班 学生唐贝贝 学号1014020227 指导老师董长春 2013年6月28日

目录 一.课程设计题目描述和要求………………………………………… 二.课程设计报告内容………………………………………………… 2.1课程设计的计算过程…………………………………………. 2.2带隙电压基准的基本原理……………………………………. 2.3指标的仿真验证结果…………………………………………. 2.4 网表文件……………………………………………………… 三.心得体会……………………………………………………………四.参考书目………………………………………………………….

一.课程设计题目描述和要求1.1电路原理图: (1).带隙基准电路 (2).放大器电路

1.2设计指标 放大器:开环增益:大于70dB 相位裕量:大于60度 失调电压:小于1mV 带隙基准电路:温度系数小于10ppm/C ? 1.3要求 1>手工计算出每个晶体管的宽长比。通过仿真验证设计是否正确,是否满足指标的要求,保证每个晶体管的正常工作状态。 2>使用Hspice 工具得到电路相关参数仿真结果,包括:幅频和相频特性(低频增益,相位裕度,失调电压)等。 3>每个学生应该独立完成电路设计,设计指标比较开放,如果出现雷同按不及格处理。 4>完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件,包括所有仿真电路的网表,仿真结果。 5>相关问题参考教材第六章,仿真问题请查看HSPICE 手册。 二. 课程设计报告内容 由于原电路中增加了两个BJT 管,所以Vref 需要再加上一个Vbe ,导致最后结果为(ln )8.6M n β??≈,最后Vref 大概为1.2V ,且电路具有较大的电流,可以驱动较大的负载。 2.1课程设计的计算过程 1> M8,M9,M10,M11,M12,M13宽长比的计算 设Im8=Im9=20uA (W/L)8=(W/L)9=20uA 为了满足调零电阻的匹配要求,必须有Vgs13=Vgs6 ->因此还必须满足(W/L)13=(Im8/I6)*(W/L)6 即(W/L)13/(W/L)6=(W/L)9/(W/L)7 取(W/L)13=27 取(W/L)10=(W/L)11=(W/L)13=27 因为偏置电路存在整反馈,环路增益经计算可得为1/(gm13*Rb),若使环路

带隙基准电压源设计解析

0 引言 基准电压是集成电路设计中的一个重要部分,特别是在高精度电压比较器、数据采集系统以及A/D和 D/A转换器等中,基准电压随温度和电源电压波动而产生的变化将直接影响到整个系统的性能。因此,在高精度的应用场合,拥有一个具有低温度系数、高电源电压抑制的基准电压是整个系统设计的前提。传统带隙基准由于仅对晶体管基一射极电压进行一阶的温度补偿,忽略了曲率系数的影响,产生的基准电压和温度仍然有较大的相干性,所以输出电压温度特性一般在20 ppm/℃以上,无法满足高精度的需要。 基于以上的要求,在此设计一种适合高精度应用场合的基准电压源。在传统带隙基准的基础上利用工作在亚阈值区MOS管电流的指数特性,提出一种新型二阶曲率补偿方法。同时,为了尽可能减少电源电压波动对基准电压的影响,在设计中除了对带隙电路的镜相电流源采用cascode结构外还增加了高增益反馈回路。在此,对电路原理进行了详细的阐述,并针对版图设计中应该的注意问题进行了说明,最后给出了后仿真结果。 l 电路设计 1.1 传统带隙基准分析 通常带隙基准电压是通过PTAT电压和CTAT电压相加来获得的。由于双极型晶体管的基一射极电压Vbe呈负温度系数,而偏置在相同电流下不同面积的双极型晶体管的基一射极电压之差呈正温度系数,在两者温度系数相同的情况下将二者相加就得到一个与温度无关的基准电压。 传统带隙电路结构如图1所示,其中Q2的发射极面积为Q1和Q3的m倍,流过Q1~Q3的电流相等,运算放大器工作在反馈状态,以A,B两点为输入,驱动Q1和Q2的电流源,使A,B两点稳定在近似相等的电压上。

假设流过Q1的电流为J,有: 由于式(5)中的第一项具有负温度系数,第二项具有正温度系数,通过调整m值使两项具有大小相同而方向相反的温度系数,从而得到一个与温度无关的电压。理想情况下,输出电压与电源无关。 然而,标准工艺下晶体管基一射极电压Vbe随温度的变化并非是纯线性的,而且由于器件的非理想性,输出电压也会受到电源电压波动的影响。其中,曲线随温度的变化主要取决于Vbe自身特性、集电极电流和电路中运放的失调电压,Vbe

带隙基准电路设计要点

帯隙基准电路设计 (东南大学集成电路学院) 一.基准电压源概述 基准电压源(Reference V oltage)是指在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,它是模拟和数字电路中的核心模块之一,在DC/DC ,ADC ,DAC 以及DRAM 等集成电路设计中有广泛的应用。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。模拟电路使用基准源,是为了得到与电源无关的偏置,或是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。在CMOS 技术中基准产生的设计,着重于公认的“帯隙”技术,它可以实现高电源抑制比和低温度系数,因此成为目前各种基准电压源电路中性能最佳、应用最广泛的电路。 基于CMOS 的帯隙基准电路的设计可以有多种电路结构实现。常用的包括Banba 和Leung 结构带薪基准电压源电路。在综合考虑各方面性能需求后,本文采用的是Banba 结构进行设计,该结构具有功耗低、温度系数小、PSRR 高的特点,最后使用Candence 软件进行仿真调试。 二.帯隙基准电路原理与结构 1.工作原理 带隙基准电压源的设计原理是根据硅材料的带隙电压与电源电压和温度无关的特性,通过将两个具有相反温度系数的电压进行线性组合来得到零温度系数的电压。用数学方法表示可以为:2211V V V REF αα+=,且02211 =??+??T V T V αα。 1).负温度系数的实现 根据双极性晶体管的器件特性可知,双极型晶体管的基极-发射极电压BE V 具有负温度系数。推导如下: 对于一个双极性器件,其集电极电流)/(exp T BE S C V V I I =,其中q kT V T /=,

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

带隙基准设计实例

带隙基准设计实例-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

带隙基准电路的设计 基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。目前,基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A/ D 和D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。它产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片,甚至整个控制系统的性能。因此,设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。自1971 年Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后,由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压,以及可以与标准CMOS 工艺兼容的特点,所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。 带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术,本设计主要在传统电路的基础上设计一种零温度系数基准电路。 一 设计指标: 1、 温度系数:ref F V TC V T ?=? 2、 电压系数:ref F dd V VC V V ?=? 二 带隙基准电路结构:

三 性能指标分析 如果将两个具有相反温度系数(TCs )的量以适合的权重相加,那么结果就会显示出零温度系数。在零温度系数下,会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。 V REF = a 1V BE + a 2V T ㏑(n) 其中, V REF 为基准电压, V BE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, V T 为热电压。对于a 1和a 2的选择,因为室温下/ 1.5m /BE T V V K ??≈-,然而/0.087m /T V T V K ??≈+,所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得2(ln )(0.087/) 1.5/n mV K mV K α=,也就是2ln 17.2n α≈,表明零温度系数的基准为: 17.2 1.25REF BE T V V V V ≈+≈ 对于带隙基准电路的分析,主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。 1、瞬态分析 电源电压Vdd=5v 时,Vref ≈,下图为瞬态分析图。 2.电压系数的计算: 下图为基准电压Vref 随电源电压Vdd 变化dc 分析扫描。 扫描电压范围为:3到6v ,基准电压Vref 为,保持基本不变。

带隙基准源电路与版图设计

带隙基准源电路与版图设计

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

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. I

带隙基准源

带隙基准源 基本指标:共模抑制比(高);开环增益();失调电压(低);压摆率();随温度变化率/系数(低);温漂(低);功耗(低);相位裕度,理想相位裕度60°; 温度系数TC(temperature coefficient):指温度变化引起的输出电压的变化,一般用ppm/℃来表示。温度系数反映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时的变化,对于一阶补偿的带隙基准源电路而言,温度系数一般在几十ppm/℃,经过二阶或高阶的非线性补偿的电路,温度系数可以达到几个ppm/℃以下。目前常用的高阶温度补偿技术包括:二阶曲线补偿技术[10],指数曲线补偿技术,线形化V BE的技术[11],基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法等。 线性调整率:用来描述直流情况下电源电压波动对基准电压的影响程度。调整率越小,基准输出电压越稳定。它是基准电压的直流特性参数,与瞬时状态无关。 电源抑制比:表示电源电压在小信号情况下的变化量与基准的变化量之比。亦即等于差分放大倍数与由于Vdd变化引起的放大倍数之比,表达式为A V (Vdd=0)/A V dd(Vin=0),它是基准电压的交流特性参数。 噪声:基准输出电压中的噪声通常包括宽带热噪声和窄带l / f 噪声。宽带噪声可以应用RC滤波器等电路有效的过滤清除。而l / f 噪声是基准源内在固有的噪声,不能被滤除,一般在0.1到10Hz范围内发挥作用。对高精度系统,低频的l / f 噪声的影响是一个重要的参数。 建立时间:指电源上电后,基准源输出达到正常值所需的时间。

表4-1电压基准源设计指标 设计指标描述最小值典型值最大值单位工作温度-40 27 85 ℃工作电压 4.5 5 5.5 V 输出电压 1.24/2.48 1.25/2.50 1.26/2.52 V 输出电流 2 mA 温度系数30 ppm/℃电源纹波抑制比(2MHz) -20 -30 -50 dB 采用自举输入还有以下优点:1)消除了Q1和Q2管的厄尔利效应不对称对K CMR的影响,同时,Q1,2的基极电压和Q5,6的基极电压将随输入共模电压变化,形成共模反馈,所以,K CMR得以大大提高;2)V CB1,2≈0,能有效地消除集-基反向漏电流I CBO对I B的有害干扰;3)由于基极电流很小,所以,该电路有很高的输入阻抗。

带隙基准学习笔记

带隙基准设计 A.指标设定 该带隙基准将用于给LDO提供基准电压,LDO的电源电压 变化范围为1.4V到3.3V,所以带隙基准的电源电压变化范围与 LDO的相同。LDO的PSR要受到带隙基准PSR的影响,故设计 的带隙基准要有高的PSR。由于LDO是用于给数字电路提供电源,所以对噪声要求不是很高。下表该带隙基准的指标。 电源电压1.4V~3.3V 输出电压0.4V 温度系数35ppm/℃ PSR@DC,@1MHz-80dB,-20dB 积分噪声电压(1Hz~100kHz)<1mV 功耗<25uA 线性调整率<0.01%

B.拓扑结构的选择 上图是传统结构的带隙基准,假设M 1~M尺寸相同,那么输 3 出电压为 R 2 V REF VlnNV BE T3 R 1 V是负温度系数,对温度求导数,得到公式(Razavi, BE Page313): V BE3BE3(4)Tg/ VmVE TT q 其中, 3 m。如果输出电压为零温度系数,那么: 2 V REF V BE 3 TT k q lnN R 2 R 1 得到: kV BE(4m)V T E g/ R 3 2 lnN qRT 1 q 带入: R

2 V REF VlnNV BE T3 R 1 得到:

E g V REF(4m)V T q 在27°温度下,输出电压等于1.185V,小于电源电压1.4V,可这个电路并不能工作在1.4V电源电压下,因为对于带隙基准 里的运放来说,共模输入范围会受到电源电压限制,电源电压的最小值为: VDD min V BE VV 2GS_input_differential_pairover _drive_of_current_source 其中,V是三极管Q2的导通电压,V GS_input_differential_pair是运放差 BE2 分输入管对的栅源电压,V____是运放差分输入管对尾 overdriveofcurrentsource 电流源的过驱动电压。 对于微安级别的电流,可以认为: V GS V TH 这里将差分输入对的体和源级短接以减小失配,同时阈值电 压不会受到体效应的影响。假设差分对尾电流源的过驱动电压为 100mV,那么,电源电压的最小值为: VDD min V BE2V TH_input_differential_pair100mV 下表列出了smic.13工艺P33晶体管阈值电压和三极管的导通电压随Corner角和温度变化的情况: V-40°27°80° TH slow-826mV-755mV-699mV typical-730mV-660mV-604mV fast-637mV-567mV-510mV BJT的V-40°27°80° BE slow830mV720mV630mV typical840mV730mV640mV fast860mV750mV660mV 可以计算出在不同温度的Corner角下电源电压的最小值: VDD-40°27°80° min slow1.756V1.575V1.429V typical1.67V1.49V1.344V fast1.597V1.417V1.27V 可以看出,对于大部分情况,1.4V电源电压无法保证带隙基 准中运放的正常工作,所以必须改进电路结构,使其可以工作在 1.4V电源电压下。

带隙基准设计实例

带隙基准电路的设计 基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。目前,基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A/ D 和D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。它产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片,甚至整个控制系统的性能。因此,设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。自1971 年Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后,由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压,以及可以与标准CMOS 工艺兼容的特点,所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。 带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术,本设计主要在传统电路的基础上设计一种零温度系数基准电路。 一 设计指标: 1、温度系数:ref F V TC V T ?=? 2、电压系数:ref F dd V VC V V ?= ? 二 带隙基准电路结构:

三 性能指标分析 如果将两个具有相反温度系数(TCs )的量以适合的权重相加,那么结果就会显示出零温度系数。在零温度系数下,会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。 V REF = a 1V BE + a 2V T ㏑(n) 其中, V REF 为基准电压, V BE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, V T 为热电压。对于a 1和a 2的选择,因为室温下/ 1.5m /BE T V V K ??≈-,然而/0.087m /T V T V K ??≈+,所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得2(ln )(0.087/) 1.5/n mV K mV K α=,也就是 2ln 17.2n α≈,表明零温度系数的基准为: 17.2 1.25REF BE T V V V V ≈+≈ 对于带隙基准电路的分析,主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。 1、瞬态分析 电源电压Vdd=5v 时,Vref ≈,下图为瞬态分析图。 2.电压系数的计算: 下图为基准电压Vref 随电源电压Vdd 变化dc 分析扫描。 扫描电压范围为:3到6v ,基准电压Vref 为,保持基本不变。

低电压带隙基准电压源设计

低电压带隙基准电压源设计 基准电压是数模混合电路设计中一个不可缺少的参数,而带隙基准电压源又是产生这个电压的最广泛的解决方案。在大量手持设备应用的今天,低功耗的设计已成为现今电路设计的一大趋势。随着CMOS 工艺尺寸的下降,数字电路的功耗和面积会显著下降,但电源电压的下降对模拟电路的设计提出新的挑战。传统的带隙基准电压源结构不再适应电源电压的要求,所以,新的低电压设计方案应运而生。本文采用一种低电压带隙基准结构。在TSMC0.13μmCMOS工艺条件下完成,包括核心电路、运算放大器、偏置及启动电路的设计,并用Cadence Spectre对电路进行了仿真验证。 1 传统带隙基准电压源的工作原理 传统带隙基准电压源的工作原理是利用两个温度系数相抵消来产生一个零温度系数的直流电压。图1所示是传统的带隙基准电压源的核心部分的结构。其中双极型晶体管Q2的面积是Q1的n倍。 假设运算放大器的增益足够高,在忽略电路失调的情况下,其输入端的电平近似相等,则有: VBE1=VBE2+IR1 (1)

其中,VBE具有负温度系数,VT具有正温度系数,这样,通过调节n和R2/R1,就可以使Vref得到一个零温度系数的值。一般在室温下,有: 但在0.13μm的CMOS工艺下,低电压MOS管的供电电压在1.2 V左右,因此,传统的带隙基准电压源结构已不再适用。 2 低电源带隙基准电压源的工作原理 低电源电压下的带隙基准电压源的核心思想与传统结构的带隙基准相同,也是借助工艺参数随温度变化的特性来产生正负两种温度系数的电压,从而达到零温度系数的目的。图2所示是低电压下带隙基准电压源的核心部分电路,包括基准电压产生部分和启动电路部分。

带隙基准实验报告

基本带隙基准电压源设计 一、实验要求 1、设计出基本的带隙基准 2、设计出低压带隙基准 二、实验目的 1、掌握PSPICE的仿真 2、熟悉带隙基准电压设计的原理 三、实验原理 模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量,它与电源和工艺参数的关系很小,但与温度的关系是确定的。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。要实现基准电压源所需解决的主要问题是如何提高其温度抑制与电源抑制,即如何实现与温度有确定关系且与电源基本无关的结构。由于在现实中半导体几乎没有与温度无关的参数,因此只有找到一些具有正温度系数和负温度系数的参数,通过合适的组合,可以得到与温度无关的量,且这些参数与电源无关。 负温度系数电压:双极性晶体管的基极-发射极电压,或者更一般的说,p-n 结二极管的正向电压,具有负的温度系数。 正温度系数电压: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-发射极电压的差值与绝对温度成正比,且正温度系数与温度或集电极电流的特性无关。 利用上面得到的正、负温度系数的电压,通过合适的组合,我们就可以设计出一个零温度系数的基准。由于这个基准电压与硅的带隙电压差不多,因而称为带隙基准。 1、基本带隙基准 1.1基本的原理图如图1所示:

图1 基本带隙基准原理图 其中,MOS 管M1-M3的宽长比相同,Q1由n 个与Q2相同的晶体管并联而成。运放起嵌位作用,使得X 点和Y 点稳定在近似相等的电压。 1.2带隙电压公式推导: 对于一个双极性晶体管,我们可以写出其集电极电流公式为:BE T V V C S I I e =,其中 T kT V q = ,S I 为饱和电流,则可以推导出: ln C EB T S I V V I =。 假设运算放大器的增益足够高,在忽略电路失调的情况下有: 21 122 EB EB R R V V I I R -== 2 ln ln C C T T S S I I V V I nI R -= 2 ln T V n R = 则带隙基准电压为: (1) (2)

带隙电压基准源的设计与分析

带隙电压基准源的设计与分析 摘要介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。设计了一种基于Banba结构的基准源电路,重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析,得到并分析了输出电压与温度的关系。文中对带隙电压基准源的设计与分析,可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。可以为串联型稳压电路、A/D和D/A转化器提供基准电压,也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。 基准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中,其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。在模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中,低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。 在集成电路工艺发展早期,基准源主要采用齐纳基准源实现,如图1(a)所示。它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。由于半导体表面的沾污等封装原因,齐纳二极管噪声严重且不稳定。之后人们把齐纳结移动到表面以下,支撑掩埋型齐纳基准源,噪声和稳定性有较大改观,如图1(b)所示。其缺点:首先齐纳二极管正常工作电压在6~8 V,不能应用于低电压电路;并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。 1971年,Widlar首次提出带隙基准结构。它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性,两者相加可得零温度系数。相比齐纳基准源,Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压,更小的噪声,更好的稳定性。接下来的1973年和1974年,Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。新的结构中将运算放大器用于电压钳位,提高了基准输出电压的精度。 以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构,设计了一种基于Banba结构的带隙基准源,相对于Banba结构,增加了自启动电路模块及放大电路模块,使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。 1 带隙基准源工作原理 由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数,是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。 为得到与温度无关的电压源,其基本思路是将具有负温度系数的双极晶体管的基极-发射极电压VBE与具有正温度系数的双极晶体管VBE的差值△VBE以不同权重相加,使△VBE 的温度系数刚好抵消VBE的温度系数,得到一个与温度无关的基准电压。图2为一个基本的CMOS带隙基准源结构电路。

毕业设计最终版 高精度CMOS带隙基准源的设计

摘要 基准电压源是模拟电路设计中广泛采用的一个关键的基本模块。所谓基准电压源就是能提供高稳定度基准量的电源,这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小,但是它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。本文的目的便是设计一种高精度的CMOS带隙基准电压源。 本文首先介绍了基准电压源的国内外发展现状及趋势。然后详细介绍了带隙基准电压源的基本结构及基本原理,并对不同的带隙基准源结构进行了比较。接着对如何提高带隙基准的电源抑制比以及带隙基准电压源的温度补偿原理进行了分析,还总结了目前提高带隙基准电压源温度特性的各种方法。在此基础上运用曲率校正、内部负反馈电路、RC滤波器、快速启动电路,设计出了具有良好的温度特性和高电源抑制比的带隙基准电压源电路。最后应用HSPICE仿真工具对本文中设计的带隙基准电压源电路进行了完整模拟仿真并分析了结果。 模拟和仿真结果表明,电路实现了良好的温度特性和高电源抑制比,0℃~100℃温度范围内,基准电压温度系数大约为11.2ppm/℃,在1Hz到10MHz频率范围内平均电源抑制比(PSRR)可达到-80dB,启动时间为700s 。 关键词: 带隙基准电压源;温度系数;电源抑制比;

Abstract V oltage reference is the vital basic module which is widely adopted in analog circuits. It can supply a voltage with high stability. The power supply, technics parameter rand temperature has lesser effete to this voltage. Its temperature stability and antinoise capability influence the precision and performance of the whole system. The purpose of this article is to design a high precision CMOS bandgap voltage reference. In this article, the present situation and developmental trend of voltage reference studies both at home and abroad are presented. The structure and principle of voltage reference are analyzed in detail, and then the different structures of bandgap voltage reference are compared. By analyzing the power supply rejection ratio (PSRR) and the principle of temperature compensation, the method of improving the temperature characteristic is summarized. The design of a bandgap voltage reference circuit with high power supply rejection ratio and good temperature characteristic is completed by applying curvature emendation, inside negative feedback technology, RC filter and fast start-up circuit. At last, the circuits have been simulated with HSPICE simulation tools. The simulation results show that,the circuit with good temperature characteristic and high power supply rejection ratio, and at the temperature range of 0℃to 100℃, the temperature coefficient(TC) is about 11.2ppm/℃. In the frequency range of 1Hz to 10MHz, the average power supply rejection ratio is more than -80dB and it has a turn-on time less than 700s . Key W ords: bandgap voltage reference; temperature coefficient; power supply rejection ratio;

带隙基准

带隙基准电压源实验报告 一、实验名称:带隙基准电压源 二、实验目的: 1.熟悉掌握Orcad captureCIS的使用方法以及常见的仿真方法和参数设置。 2.利用Orcad captureCIS设计带隙基准电压源,并完成要求功能。 3.掌握带隙基准电压源的设计原理及计算方法。 三、实验步骤: (一)参数设置: 1.电源电压VCC= 2.7V,室温下(T=300K)时,IEQ=10uA。 2.确定电路结构后,预选两三极管的发射结面积之比为8,则有公式IEQ=VT*ln(8)/R1,计算可得R1=5.4K。 3.且由Vref=Vbe+αVT,当α=17.2时,使得Vref对温度T的偏导数为0,构成一个带隙基准电压源。而α=(1+R2/R1)ln(8),由R1=5.4K计算得R2=39.3K。 5.再由各级电流确定各放大MOS管以及启动电路MOS管的宽长比。 6.进行仿真验证。 (二)步骤及结果: 1、画出电路结构,按照以上计算的参数设置,电路如图所示: 如上图所示,R1取值为5.4K时,进行温度扫描,所得结果,如下图所示:

由图形曲线可以看出,温度偏移了我预想设置的温度,说明计算存在偏差,我通过改变R1的值来调节,使Vref在室温下是一个定值,且达到最大。如下为参数扫描的曲线,确定R1: 由图形可以看出,在不同的温度下,Vref的变化,以及其随R1的变化。当R1=5.6K时,所有曲线相交于一点,说明当R1=5.6K时,Vref在室温时能达到最大值,更改R1的值后,所得扫描曲线Vref 随温度的变化为: 由图所示,当温度在22~35度之间,Vref为一定值,所得基准电压比较稳定,结果比较满意。 2、仿真验证正温度系数电压,结果如图所示:

一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析(最终版)

一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与 分析 摘要:本文根据基准产生的基本原理、特性,并对传统的基准源电路结构进行分析和 总结的基础上,综合了温度补偿及电阻分压技术,省去了差动放大器的设计方式,设 计出了一款能应用于开关电源控制芯片的高性能带隙基准源。本电路基于6μm标准BJT工艺实现,仿真结果表明当电源电压为15V时,在T A=25°C时,V ref输出为5V; 当12V≤V CC≤25V时,线性调整率为0.16mV;当1mA≤I0≤20mA时,负载调整率为1.61mV 左右;温度稳定性良好,大约为0.05mV/°C。 关键词:基准源;开关电源控制芯片;线性调整率;温度稳定性

0.引言 随着集成电路技术的高速发展,对A/D (模/数转换器)、D/A (数/模转换器)、PLL (锁相环)、 DRAM (动态存储器)[1] 、开关电源控制器等电路模块提出了更高的精度和速度的要求,为了能高性能地实现以上功能模块,高稳定度、低压基准源的设计是十分关键的。 为了获得一款能够广泛应用于开关电源的基准源,本文设计省去了使传统电路处于深度负反馈的差动放大器,简化了设计,并结合先前的一阶温度补偿技术及相关的外围辅助电路给出了一款输出值宽范围可调的带隙基准源。 1.基本带隙基准源的原理分析 假设将两个具有相反温度系数的电压量以适 当的权重相加,就能设计出令人满意的零温度系数的输出电压。带隙基准源就是利用以上基本原理而得到。由于双极晶体管的基极-发射极电压V BE 具有负温度系数。对于双极器件,我们有 exp BE C S T V I I V =?? ??? ,其中T kT V q =,I S 为饱和电流[2] ,ln C BE T S I V V I =?? ??? 。通过对V BE 的温度特性做了 详细的研究[3] ,在常温下 1.5/BE V mV K T ??≈,然而 0.087/T V mV K T ?≈+?。1964年Hilbiber 认识到[4] , 如果两个双极性晶体管工作在不相等电流密度下, 他们的基极—发射极电压差值就与绝对温度成正比(21ln BE BE BE T V V V V n ?=-=),这样,ΔV BE 就表现出正温度系数特性。即: REF BE T V V KV =+ (1) V REF Q 2 R 2 R 1 OP -+ V DD IN Q 1 图1 带隙基准源原理图 Fig.1 The schematic of band-gap reference 如图1,即为带隙基准源的基本原理图[5] 。图中由于电流镜的作用,使得两支路上的电流值相等(12C C I I =),放大器OP 处于深度负反馈的情况下,使得V V +=-,晶体管Q 1的发射极面积是Q 2的n 倍。因此,在电路平衡时,以及运算放大器输入端电压“虚短”,我们可以得到: 2111BE BE BE C V V V I R ?=-= (2) 由已知公式可得: 111ln C BE T S I V V I =?? ???;122ln C BE T S I V V I =?? ??? , (3) 由等式(2)、(3),可得: 121 121 1 2ln S BE BE T C C S I V V V I I R R I -== =?? ??? , (4) 已知晶体管Q 1的发射极面积是晶体管Q 2的n 倍,得到流过右边支路的电流为1 ln T n V R ,因此输出电 压为: 1121 ln ()T REF BE V n V V R R R =+ +, (5) 211l n 1T BE R V V n R =++?? ???, (6) 为了得到零温度系数(即 0REF V T ?=?),必须 使得211+ln 1.72 R n R ?? ≈ ??? 。例如,我们可以选择31n =, 21 4R R =。 然而,由于一定的失调电压V os 存在于实际电 路中[6],且对基准源精度产生影响,即 ()211ln 1REF BE T OS R V V V n V R =+-+ ? ? ??? , (7) 可见运放的失调电压大小会导致相当大的基准输出电压误差。一般情况下可以采用两级运放作为反馈用以降低失调电压误差。因此,为了进一步降低失调电压误差,就必须对基准源结构进行改进和提高。 2.输出可调的高精度带隙基准电 压源[7]-[9] 由于该基准电压源是为了应用在一个电源电压为15V 的开关电源电路中。基准源的一个最重要的指标就是温度系数,为了能实现高性能的指标设计,要求所设计的基准电压源的温度系数应尽可能低。为了配合其他电路模块的设计条件需求,即要实现参考电压输出的可配置性。

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