BiCMOS带隙基准源的设计
微 处 理 机
M I CROPROCESS ORS
B i
C MOS 带隙基准源的设计
范正国,戴庆元,褚洪涛
(上海交通大学微纳米科学技术研究院,上海200030)
摘 要:设计了一款具有高稳定性,低功耗的带隙基准源,采用1.5
μm B i C MOS 工艺制造,在-40℃～100℃它们的平均温度系数为29×10-6
/℃,电源电压抑制比为60d B 。在电源电压为
3.7V 的情况下工作功耗为144μW ,低功耗高精度的特性使它非常适合在混合信号设计的I C 中应用。
关键词:带隙基准源;温度系数;B i C MOS 中图分类号:T N433 文献标识码:A 文章编号:1002-2279(2006)06-0007-02
D e s i gn a B i C MO S B andgap Vo ltage R efe rence
F AN Zheng -guo,DA IQ ing -yuan,CHU Hong -tao
(Research Institute of M icro /nano Science and Technology Shanghai J iaotong U niversity,Shanghai 200030,China )
Abstract:Design a bandgap voltage reference which is high stability and l ow power .They can be
fabricated in 1.5
μm B i C MOS p r ocess,the te mperature coefficient is 29×10-6/℃,and the PSRR is 60d B.W ith the3.7V single supp ly v oltage,the power consu mp ti on is only 144μW 。Due t o the charac 2teristics of the l ow power consump ti on and high p recisi on,they are very suitable for m ixed -signal I Cs .
Key words:Bandgap voltage reference;Te mperature coefficient;B i C MOS
1 引 言
基准电压源是模拟集成电路极为重要的组成部
分。它对模拟电子技术的应用与发展具有重要作用。在许多集成电路中,如数模转换器(DAC )、模数转换器(ADC )、线性稳压器和开关稳压器,电源管理芯片,音效芯片等都需要精密而又稳定的基准电压。因此基准电压电路对于温漂、精度相关指标要求比较高。为了实现高精度,通常都用硅半导体材料本身固有的特征电压作为基准电压,但由于硅半导体材料具有一定的温度系数,所以为解决温漂问题,通常选择一种与基准电压的温度系数极性相反但绝对值相近的器件或电路,使两者结合起来,相互温度补偿,使总体温度系数近似为零。由于带隙基准电压源能够实现高电源抑制比和低温度系数,晶体管的Vbe 具有负温度系数,而不同电流密度的晶体管之间的Vbe 具有正温度系数,将它乘以合适的系数后,在一定范围内就可以抵消Vbe 的温度漂移效应,而得到低温漂的输出电压。基于此,设计了一个具有自启动功能,且有良好的温度特性和电源
抑制比,低功耗的基准电压源电路。
2 电路结构
2.1 核心电路
电路如图1所示,设流过M1的电流为I 1,流过M2的电流为I 2,由于M1的电流和M6的电流相同,M2的电流和M7的电流相同,又M6和M7是镜像
电流关系,所以I 1=I 2,由三极管电流电压关系式I 1=I S 1EX P V B E 1V T
,I 2=I S 2EX P
V B E 2V T
,V B E 1=V T L n
I 1I S 1
,V B E 2
=V T L n
I 2
I S 2
,取M1管的面积为M2面积的8倍,所以I S 1=8I S 2,ΔV B E =V B E 2-V B E 1=V T L n
I 2I S 2-V T L n I 1
I S 1
=V T L n
I 2×8I S 2I S 2×I 1
=V T L n 8(1)
又ΔV B E =I 1R1,所以
I 1=ΔV B E R 1=
V 7L n 8R 1
(2)
忽略M3的基极电流,则
作者简介:范正国(1980-),男,浙江台州人,硕士研究生,主研方向:专用集成电路设计。收稿日期:2005-01-16
第6期2006年12月
No .6
Dec .,2006
微 处 理 机 V B =I 1R1+(R2+R3)(I 1+I 2)+V B E 1
=(R1+2R2+2R3)I 1+V B E 1代入(2)式可得,
V B =(R 1+2R 2+2R 3)×V T L n 8
R 1
+V B E 1
(3)选择合适的参数使得流过M3集电极的电流很小,这样VREF =VB ,因为VREF 端接在M4管的发射极,这样它的带负载能力就比较强。因为V T 为正温度系数,大约为0.085mV /℃,而V B E 1为负温度系数,大约为-1.5mV /℃,所以只要选择合适的电阻比值,就能得到一个与温度无关的基准源。在实际模拟仿真中选用的电阻值为R1=12.5K,R2=2R1,R3=4.25R1,由于流过三极管的电流都只有几个微安,模拟时V B E 1工作的值为0.5V 。通过计算可得
V B =13.5×0.026×Ln8+0.5=1.230V 。在cadence 的s pectreS 下仿真,得到的值为1.122V ,根理论计算相接近,因为计算时忽略了基极电流
。
图1 B i C MOS 基准源核心电路
2.2 启动电路
不难发现,电流镜除正常工作外,在电流为零的
情况下也可以处于平衡状态。为避免这种情况的发生在电路中要加入启动电路。
若电路没有启动则由图2知,G22低电平,M18关断,M14与M16管开通,同时对电容充电使M19的栅极为高电平,这样M19管就导通使得S 端有一个比较高的电位让整个电路处在电流不为0的另一个平衡点上,当电路正常工作时,由图2知,G22为一个高电位,使得M18导通,这样使得M19的栅为低电位,从而关断M19,即启动电路关闭,这样就实现了一个启动电路的功能。R7电阻可以由几个电阻串联而得,选择合适的串接电阻进行分压,各个端点得到不同的基准电平可以作其它电路的基准电平。2.3 电阻及电容的选择
电阻的选择根据低功耗的要求以及上述公式来确定。
电源电压的波动会使图1中M12的基极产生微小的振荡,致使V ref 端也随之作小幅振荡。所以要在M12端加一个滤波电容C1以滤掉栅极电压中的扰动,取C1=5pF
。
图2 启动电路
2.4 各个MOS 管的参数选择
各个MOS 管的参数选择如表1所示。
表1 各个MOS 管的参数
W /μm L /μm W /μm L /μm M9
93M151.579.5M1093M168.51.5M1193M178.51.5M13153M19153M14
4261.5
M20
1.51.5
3 仿真及数据分析
在cadence 的s pectreS 下仿真,仿真结果见图3,对温度在-40℃～100℃下进行扫描可得基准电压的变化为1.133-1.129=0.004,温度系数为29
×10-6
/℃。对电压进行扫描可得在3V ～8V 的范围内电压的变化为1.131-1.126=0.005,电源电
压抑制比为0.005/5=0.001=60d B 。功率消耗为144μW 。
图3 特性曲线图
4 结束语
所设计的电压基准源具有结构简单同时电源电
压和温度的抑制能力强,提高了输出电压的稳定度。
这种带隙基准源具有功耗低、
(下转第11页)?8?2006年
谭延军:集成电路正向设计综述
减少不需要的工具,或是使用某个设计工具新的功能或者不使用某个功能,就可以根据自己的需要定制一套属于自己的设计流程。图1为通用的正向设计流程图
。
图1 通用的正向设计流程图
根据用户系统的要求,对用户系统进行分析,
将系统要求转换为系统规格定义(Specificati on )。系统规格定义描述系统的所有细节,是整个项目设计和验证的依据。根据系统规格定义来选取可以实现系统功能的系统架构(A rchitecture ),如微处理器的型号、总线的类型、存储器类型及容量、寄存器的宽度及功能定义、软硬件的划分等,然后再对选定的系统架构进行系统分析,并作系统级仿真来确认所选择的系统架构是否合理。如果合理,则可以进行寄存器传输级或门级设计,否则必须根据分析的结果再对系统规格定义进行修改,然后再进行系统架构选取,再进行系统分析,如此反复几次,直至达到系统架构合理为止。确定系统架构之后,根据系统中的功能定义对系统架构进行模块划分。模块划分时需要做的工作有功能定义、端口引脚的功能定义和时序定义、选取实现既定功能的逻辑结构或I P 模块等,然后就可以开始硬件描述语言按照寄存器传输级(Register Transfer Level )或门级(Gate Level )编码风格的要求进行电路的逻辑设计。同时,还要开发出用于逻辑综合(Logic Synthesis )的时序约束文件和用于电路逻辑验证的测试平台(Testbench )及测试文件。待电路的逻辑设计完成后,需要对逻辑设计的结果进行逻辑综合来检查逻辑设计可实现性,即是否可以转换为对应的硬件表述。如果不能进行逻辑综合,则要修改寄存器传输级或门级设计;若能做综合,就可以输出门级网表(Gate -Level Netlist )去做验证来检查电路逻辑功能的正确性,做自动测试向量生成(Aut omatic Test Pattern Genera 2ti on )来检查电路的可测性,同时进行设计规划来确定电路的引脚排列顺序、时钟分配方案等一些工作。然后将通过验证的门级网表和设计规划的要求结合在一起进行物理设计和分析。物理设计的目的是将门级网表通过布局布线(Place &Route )工具转换为可以给工艺线加工的版图数据。在这个过程中,需要做很多工作,如版图的布局规划(Fl oor p lan ):压焊点(Pad )的顺序、硬宏单元(Macr o )摆放的位置、创建电源环等,基于时序驱动的标准单元的放置(Place ment )、时钟树综合(Cl ock Tree Synthesis )、基于时序驱动的布线(Route )、物理验证(DRC 、ERC 和LVS )、寄生参数提取(Parasitic Extracti on )等一系列工作。然后再进行静态时序分析(Static Ti m ing Analysis )、形式验证(For mal Verificati on )以及功能验证。经过以上所有步骤之后,确认设计结果是正确的,就可以出数据带给工艺线进行加工了。这样就完成了整个设计过程。
5 结束语
对集成电路正向设计方法进行了概括的叙述。在实际的集成电路正向设计中,还需要进一步补充和完善设计流程中的一些步骤,来满足实际项目设计的要求。
参考文献:
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(上接第8页)
面积小、稳定度高的优点,特别适合于作为片上电压基准源集成于各类混合信号I C 中。
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?
11? 6期
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。
最新mx带隙基准源电路与版图设计
m x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 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢47
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 目录 1 绪论 0 1.1 背景介绍及发展趋势 0 1．2 研究意义 (2) 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢47
带隙基准源的设计
《模拟CMOS集成电路设计》---与电源无关的电流源课程设计 院系：电子与信息工程学院 专业：电子09-2 姓名：王艳强 学号：0906040221 指导教师：李书艳
摘要 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。而与温度关系很小的电压基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的。值得注意的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，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。采用Hspice软件进行仿真，仿真结果证明了基准源具有低温度系数和高电源抑制比。 关键词：CMOS集成电路；带隙基准；偏置；温度系数；仿真；工艺 综述 我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流，如果忽略一些管子的沟道长度调制效应时电流就可以保持与电源电压无关。电压基准源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的参考电压源。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。 随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也意味着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。另外，电压基准源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源。 微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS和BiCMOS四大类型。其中，双极型工艺是集成电路中最早成熟的工艺，CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，已经逐渐发展成为当代VLSI（超大规模集成电路）工艺的主流工艺技术。双极型集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低。BiCMOS技术增强了在CMOS技术提供的双极型晶体管的性能，这使其在模拟电路设计中具有潜力。由于CMOS工艺中“按比例缩小理论”的不断发展，器件尺寸按比例缩小使得CMOS电路的工作速度得到不断地提高，在模拟集成电路的设计中CMOS技术逐渐可以与双极型技术抗衡。近年来，模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术以其得到飞速的发展，片上系统已经受到学术界及工业界广泛关注。由于SOC要求很高的集成度，而CMOS工艺的特点正好符合了这种需求，因此，用CMOS技术来设计电路越来越成为集成电路的发展趋势。 设计过程 1 电路结构设计 1.1 启动电路设计 为了避免基准源工作在不必要的零点上，我们设计了启动电路
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。
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。
带隙基准电压源设计
基于BiCMOS工艺的带隙基准电压源设计 叶鹏1，2，文光俊1,2，蔡竟业1, 王永平2 (1.电子科技大学 通信与信息工程学院，四川 成都 610054) (2.广州润芯信息技术有限公司，广东 广州 510663 ) 摘要：电压基准是模拟集成电路的重要单元模块，本文在0.35um BiCMOS工艺下设计了一个带隙基准电压源。仿真结果表明，该基准源电路在典型情况下输出电压为1.16302V，在-45℃～105℃范围内，其温度系数为3.6ppm/℃，在在电源电压为3V～3.6V范围内，参考电压从.16295V～1.16308V，变化了130uV，电源电压调整率为0.0186%/V。 关键字：带隙基准电压源；温度系数；电源电压调整率；BiCMOS 中图分类号 TN782 文献标识码 A A Veference Voltage Circuit Design on BiCMOS Technology YE Peng1,2,WEN Guang-jun1,2,CAI Jing-ye1,WANG Yong-ping2 (1 School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu Sichuan 610054) (2 Guangzhou Runxin Information Technology Co. LTD, Guangzhou Guangdong 510663) Abstract：voltage reference is a critical module in analog integrated circuit.this paper design a bandgap voltage reference,the simulation result demonstrate that the output voltage is 1.16302V in typical,the temperature coefficience is 3.6ppm/℃when temperature from -45℃ to 105℃,the reference voltage is from 1.16295V to 1.16308V when power voltage 3V～3.6V,the vary Is 130uV, Keywords: bandgap voltage source;temperature coefficience;Line Sensitivity;BiCMOS 1引言 设计基准电路的目的就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。基准源在模拟和混合集成电路中应用非常广泛，比如数据转换电路和稳压电路中。[1]在通常情况下，理想的基准电路是与温度、工艺参数以及电源电压无关的，但是实际中各种因素的影响不可避免，那么就要尽量减少各种不确定因素的影响。在设计时除了考虑温度、电源和工艺的不确定性以外，基准电路的其他一些参数也是十分关键的，如输出阻抗、输出噪声、功耗和版图面积。本文在分析了带隙基准电路原理的基础上，设计了一个低温度系数、低电源电压调整率的基准电压源。 2带隙基准电压源的原理
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 T C V T ?= ? 2、电压系数：ref F d d V V C 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 /B E 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 m V K m V K α=,也就是 2ln 17.2n α≈，表明零温度系数的基准为： 17.2 1.25R E F B E 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 ≈1.2378V ，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1.238v ，保持基本不变。
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：