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**********
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
增益小于1，知(W/L)12/(W/L)13 > 4 故取(W/L)12=4*(W/L)13=107
2>取CL=2pf
3>为了满足60DB 的相位裕度的要求：
Cc > 0.22CL=0.44pf 由于设计需求取Cc=4pf
4>为了版图中的对称性去I5=53uA ，I6=107uA
5>单位增益带宽11MHz
UGB=gm1/Cc=11MHz*2π
又gm6/CL=2.2*UGB=24MHz*2π
计算得gm1=44us gm6=48us 取gm1=69us gm6=55us
6>为了消去零点，即将零点移至无穷远处，则调零电阻满足以下公式：
gm6*R2=1 得 R2 = 1.44k
7>M1与M6宽长比的计算
由gm1=[2Kp(W/L)1*I1]^0.5 取(W/L)2=(W/L)1=20
由gm6=[2Kn(W/L)6*I6] ^0.5 取(W/L)6=107
8>M3，M4，M5，M7宽长比的计算
假设过驱动电压V ov=0.2v
I3=I4=0.5Kn （W/L ）V ov*V ov 取(W/L)3=(W/L)4=27
由偏置电流源与电流的比例关系得：(W/L)5=53 (W/L)7=107
9>由Vgs13=Vgs12+Im8*Rs Vgs=错误!未找到引用源。

得Rs=3.2k
2.2带隙电压基准的基本原理
带隙电压基准的基本原理： 0V V T T
αβ+-∂∂⋅+=∂∂
基准电压表达式 ： V+,V-的产生原理：
（1）利用了双极型晶体管的两个特性：
基极-发射极电压（VBE ）电压与绝对温度成反比
在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发射极电压的差值（ΔVBE ）与绝对温度成正比
（2）双极型晶体管构成了带隙电压基准的核心
负温度系数电压：
双极型晶体管，其集电极电流（IC ）与基极-发射极电压（VBE ）关系为 其中， 。

利用此公式推导得出VBE 电压的温度系数为
其中， 是硅的带隙能量。

当 REF V V V αβ+-
=⋅+⋅exp()
C S BE T I I V V =T V kT q =(4)BE T g BE V m V E q V T T
-+-∂=∂1.5m ≈- 1.12g
E eV =750BE V mV
≈300T K =
可得： （3）实现零温度系数的基准电压
利用上面的正，负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压。

有以下关系：
(ln )8.6M n β⨯⨯≈
（4）带隙基准电路参数的设计
假设n=8，M=1。

M 为M5与M1234电流大小之比。

并设M1234宽长比为80/3。

则21
R R =4.13,假设R1=4K,R2=18.4K 。

经过调试得知不同大小的R2与R1会影响带隙基准的温度系数以及电路整体的电流大小，影响后续驱动负载能力，调试过程中会存在一定误差，例如18.4/4=4.6与计算结果有一定差距，但是仿真出的结果较好所以我们使用上述参数。

2.3指标的仿真验证结果
（1）放大器增益带和相位裕度的仿真
放大器的增益是104.54DB;单位增益带宽是5.9474M;相位裕度是62.141度
1.5BE V T mV C
∂∂≈-︒(ln )REF BE T
V V V n αβ=⨯+⨯
（2）失调电压
失调电压为V os=0V (3)带隙基准准度
温度系数TCf 是
*REF
V T V ∆∆=800u[(100*(1.2109+1.2105)/2)]=6.6ppm/C ︒ 2.4 网表文件
* source bandgap M1 g v- c vdd mp33 L=3u W=60u
M2 h v+ c vdd
mp33 L=3u W=60u M3 g g 0 0
mn33 L=3u W=80u M4 h g 0 0
mn33 L=3u W=80u M5 c d vdd vdd mp33 L=3u W=160u
M6 VOUT h 0 0 mn33 L=3u W=320u
M7 VOUT d vdd vdd mp33 L=3u w=320u
M8 d d vdd vdd mp33 L=3u W=80u
M9 a d vdd vdd mp33 L=3u W=80u
M10 d a f 0 m n33 L=3u W=80u
M11 a a b 0 m n33 L=3u W=80u
M12 f b k 0 m n33 L=3u w=320u
M13 b b 0 0
mn33 L=3u W=80u
R_R2 h m 1.44k
Cc VOUT m 4p
CL m VOUT 2p
Rs 0 k 3.2k
*///////////////Bandgap/////////////////
mp1 Q2ae vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u
mp2 v- vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u
mp3 Q1ae vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u
mp4 v+ vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u
mp5 vref vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u
Q2a 0 0 Q2ae qvp10
Q2b 0 Q2ae v- qvp10
Q1a 0 0 Q1ae qvp10 m=8
Q1b 0 Q1ae Q1be qvp10 m=8
Q3 0 0 q3e qvp10
R1 v+ Q1be 4k
R2 Vref q3e 18.4k
*/////////////////////////////////////
vdd vdd 0 3.3v
.lib 'c:/lib/hm3524m020025v132.lib' tt
.lib 'c:/lib/hm3524m020025v132.lib' biptypical
.plot v(Vref)
.op
.dc temp -20 80 1 *sweep x 18.2k 18.6k 0.01k
.end
三．心得体会
通过学年设计发现跟多自己的不足，该设计更多是在老师和组员的帮助下完成，在模拟设计方面还有很多的路要走，还有很多的只是要学，很多的不足仍需改进。

大学的课程虽然临近结束，可是在接下来的一年的学习不会停止，而且跟多的是靠自己。

四．参考书目
<1>.CMOS模拟集成电路设计（第二版）Phillip E.Allen Douglas R.Holberg著冯军李智群译王志功审校。