带隙基准电压源设计解析
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)/(ex p T BE S C V V I I =，其中q kT V T /=，约为0.026V ，S I 为饱和电流。
根据集电极电流公式，得到：SC T BE I I V V ln= (2.1) 为了简化分析，假设C I 保持不变，这样： TI I V I I T V T V S S T S C T BE ∂∂-∂∂=∂∂ln (2.2) 根据半导体物理知识可知：kT E bT I gm S -=+ex p 4 (2.3)其中b 为比例系数，m ≈−3/2，Eg 为硅的带隙能量，约为1.12eV 。
《带隙基准电压源》课件
4. 优化电路参数
根据仿真结果和实际测试数据，对电路参数进行优化，以提高带隙基 准电压源的性能。
电路设计的优化方法
温度补偿
通过引入温度补偿元件或采用 温度补偿技术，减小温度对带 隙基准电压源输出电压的影响
。
噪声抑制
采用低噪声元件、优化布线方 式和滤波技术等手段，减小带 隙基准电压源输出电压中的噪 声成分。
温漂
02
带隙基准电压源的温漂是指其在一定温度范围内的输出电压变
化量，温漂越小，性能越好。
热稳定性
03
带隙基准电压源在高温下的稳定性，良好的热稳定性可以保证
其在高温环境下正常工作。
04
带隙基准电压源的实现方式
模拟实现方式
01
02
03
运算放大器
使用运算放大器来调整和 稳定带隙基准电压，以实 现高精度和低噪声的输出 。
电阻和电容
通过精密电阻和电容来构 建带隙基准电压源，以实 现温度补偿和稳定性。
差分放大器
使用差分放大器来提高带 隙基准电压的精度和线性 度，以减小温度和电源电 压变化的影响。
数字实现方式
查找表
使用查找表来存储不同温度下的带隙基准 电压值，通过查表方式实现温度补偿。
数字滤波器
使用数字滤波器来处理带隙基准电压的输 出，以提高其稳定性和精度。
数字控制环路
使用数字控制环路来调整带隙基准电压的 输出，以实现高精度和低噪声的性能。
混合实现方式
模拟与数字相结合
将模拟和数字技术相结合，以实现高性能的带隙基准电压源。例如，可以使用 模拟电路来实现温度补偿和稳定性，同时使用数字电路来实现高精度和低噪声 的性能。
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
由于 Q12 由 10 个发射极面积为单位面积的 NPN 组成（N＝10） ，则
∆VBE = VT ln(
J 19 ) = VT ln N J 12
（1.18）
经过分压网路发大后和 VBE11 叠加后产生 VREF： R19 + R 20 + R 21 V REF = VT ln N + VBE11 R21 在室温（25o C）下， ∂V BE VBE − (3 + m)VT − E g / q = ≈ −2 mV / ° K ∂T T
（ 1.19 ）
（ 1.20 ）
∂∆VBE k = ln N ≈ +0.2mV / ° K ∂T q
（1.21）
若要在 25o C 实现温度系数为零，则要求 R19 + R20 + R 21 ≈ 10 R21 即
R19 + R20 = 9R 21
3） I BIAS 2 = VREF − VBEQ3 RR 8
I BIAS = I 1 =
∆VBE VT ln 2 = Rnew1 Rnew1
（1.14） 在室温下，VT ＝0.026V
I BIAS = 0.018 A Rnew1
2) 当考虑沟道长度调制效应
I 1 = K 7 [VG 7 − (VDD − I 1R12 ) − VTH 7 ] 2 [1 + λ (VG 7 − (VDD − I 1 R12 )]
（1.15）
I 2 = K8 [VG 8 − (V DD − I 2 R13 ) − VTH 8 ] 2 [1 + λ (VBEQ25 + I 2 R14 − VDD + I 2 R13 )] （1.16）
带隙电压基准的设计_毕业设计
0
基准电压源(Reference Voltage)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，或者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，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此也可以说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。
1.1
1
N型MOS（NMOS）器件制作在p型衬底上（衬底也称作bulk或者body），两个重掺杂n区形成源端和漏端，重掺杂的（导电的）多晶硅区（通常简称poly）作为栅，一层二氧化硅使栅与衬底隔离。器件的有效作用就发生在栅氧下的衬底区。注意，这种结构中的源和漏是对称的。
源漏方向的栅的尺寸叫栅长L，与之垂直方向的栅的尺寸叫做栅宽W。由于在制造过程中，源/漏结的横向扩散，源漏之间实际的距离略小于L。定义 ，式中 称为有效沟道长度， 是沟道总长度，而 是横向扩散的长度。 与氧化层厚度 对MOS电路的性能起着非常重要的作用。因此，MOS技术发展中的主要推动力就是不是器件的其他器件参数退化而一代一代的减少这两个尺寸。从简单的角度来看，PMOS器件可通过将所有掺杂类型取反来实现，在实际中，NMOS和PMOS器件必须在同一晶片上，也就是说做在相同的衬底上。NMOS和PMOS晶体管的区别在于每个PFETs可以出于各自独立的n阱中，而所有NFETs则共享同一衬底。
（1.2）
其中 为过驱动电压，称W/L为宽长比,以上两等式是CMOS模拟电路设计的基础，它描述了 与工艺常数 ，器件的尺寸W和L以及栅和漏相对于源的电位之间的关系。
带隙基准电路设计
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)/(ex p T BE S C V V I I =，其中q kT V T /=，约为0.026V ，S I 为饱和电流。
根据集电极电流公式，得到：SC T BE I I V V ln= (2.1) 为了简化分析，假设C I 保持不变，这样： TI I V I I T V T V S S T S C T BE ∂∂-∂∂=∂∂ln (2.2) 根据半导体物理知识可知：kT E bT I gm S -=+ex p 4 (2.3)其中b 为比例系数，m ≈−3/2，Eg 为硅的带隙能量，约为1.12eV 。
一种带隙基准电路电压源设计
一种带隙基准电路电压源设计摘要：针对传统带隙基准源仅采用一阶温度补偿技术导致温度系数较差的问题就需要采用高阶曲率补偿电路。
曲率补偿的方法是通过在基准源输出电压上叠加一个温度的指数函数，从而实现高阶补偿的目的。
电路基于tsmc0.18um工艺，Candence行仿真。
测试结果表明，温度由-40℃变化到125℃时,使用高阶温度补偿后带隙基准电压的温度漂移系数为6.60ppm/℃电源抑制比62.81dB。
关键词：带隙基准电路、曲率补偿引言基准源是模拟电路或者数模混合信号集成电路的重要组成部分，基准源的建立要求是与电源、工艺和温度无关的电压源或者电流源，基准源在整个电路或者系统中通过对基准电压比来处理输入信号，此时基准的性能会直接影响电路或者系统的性能。
所以基准源应该具有的抗干扰能力，此时就要降低基准源的温度系数，同时保证有较大的抑制比。
一般的带隙基准电路只采用一阶温度补偿的策略来实现基准源的设计，但是要降低温度系数，就要采用高阶温度补偿策略。
把一阶线性电流引人三极管的集电极，利用三级管基极-发射极电压的叠加得到产生一个具有高阶温度系数补偿电流，然后将高阶温度系数补偿电流产生的电压与一阶温度补偿电流产生的电压叠加实现多阶温度补偿，此外可以调整电阻的阻值来控制正带隙电压的温度特性，利用电路中的运放与负反馈来提高电路的电源电压抑制比。
1.电路设计已知带隙基准是由正温度系数电压（PTAT）与负温度系数电压（CTAT）按照一定比例组合产生与温度无关的基准电压（Vref）。
传统基准源设计由pnp三极管Q1与Q2的VBE之差产生了PTAT电压，再通过R1将PTAT电压转化为电流输出，然后利用运放出入端V+、V-相同输出电压为0V，运放将R1产生的PTAT电流通过Q5、Q6的电流镜拷贝输出，R2作为负载和Q3一起将PTAT电流转化为电压输出，电路所有的三极管都为二极管连接方式。
1-1传统带隙基准源1.1研究方案带隙基准电压源的基本原理就是用具有正温度系数的PTAT电压与具有负温度系数的VBE 电压相叠加，从而形成低温度系数的输出电压。
高性能带隙基准电压源的研究与设计共3篇
高性能带隙基准电压源的研究与设计共3篇高性能带隙基准电压源的研究与设计1随着电子技术的不断发展，高性能带隙基准电压源的需求也越来越高，它在微电子领域和精密测量领域起到了举足轻重的作用。
因此，研究和设计高性能带隙基准电压源成为了当前热门的研究方向。
带隙基准电压的产生依靠于半导体的特性，其原理是利用半导体能带隙在两个不同的浓度的 pn 结中产生的不同的内建电压，将其采样并放大得到一个固定值的电压。
而带隙基准电压源作为一种重要的基础电路，可用于各种高精度的测量和仪器设备，例如温度计、电阻计、信号发生器等。
在高性能带隙基准电压源的研究中，首先需要考虑的是选择合适的半导体材料和器件。
当前，广泛应用的基准电压源大多采用硅和锗作为半导体材料，其次是氮化物和碳化物半导体。
而器件方面，常见的有温度补偿电阻、放大器、限流器等。
其次，在电路设计中，需要考虑到稳定性、精度和温度漂移等因素。
为了达到高可靠性和高精度的电路设计，通常采用多级放大、温度补偿和特殊的电路结构等技术手段。
例如，采用超微型技术可以有效提高器件的可靠性和精度，而微电子加工技术则可以制作出高度集成化的基准电压源，提高整个系统的稳定性和精度。
此外，高性能带隙基准电压源的应用范围广泛，除了在离线检测和测量设备中起到的作用，也广泛应用于无线通信和医疗设备中。
在医疗领域，基准电压源作为精密测量的基础，能够有效提高诊断和治疗的准确性和安全性。
综上所述，高性能带隙基准电压源的研究与设计是一项重要的课题，其应用领域广泛，发展前景广阔。
在未来的研究中，需要更加注重器件制造技术、电路设计和应用场景等方面的综合发展，为各种高精度仪器和设备的发展提供更加可靠和精确的基础支持。
高性能带隙基准电压源的研究与设计2随着微电子技术的发展，在电子系统中，高性能带隙基准电压源已经成为不可或缺的一部分。
它被广泛应用于模拟/数字转换器、电压控制振荡器、敏感分析仪器等高精度电路中。
高性能带隙基准电压源的设计涉及多个方面，例如带隙参考源、增益调节电路、降噪电路等。
cadence-带隙基准电压的设计
带隙基准电压的设计王旭 113163一、设计指标VDD=3V~6V Vref = PPM<20ppm/℃二、电路原理图 （三、原理分析1、核心思想：利用PTAT 电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性，获取一个与温度及电源电压无关的基准电压。
2、详细机理分析带隙电压基准的基本原理： -~=∂+∂⋅-+V V βα0V V T ++∂⎛⎫> ⎪∂⎝⎭0V V T --∂⎛⎫< ⎪∂⎝⎭αβ∑REF V V αβ+-=⋅+⋅基准电压表达式 ：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 时 —这个温度系数本身就与温度有关。
正温度系数的产生机理：如果两个同样的晶体管（IS1= IS2= IS ，IS 为双极型晶体管饱和电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值为[因此，VBE 的差值就表现出正温度系数这个温度系数与温度本身、集电极电流都无关。
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： `因为因此令， 只要满足上式 ，便可得到零温度系数的VREF 。
故有：REF VV Vαβ+-=⋅+⋅exp()C S BE T I I V V =T V kT q =(4)BE T g BEV m V E q V T T -+-∂=∂ 1.12g E eV =1.5m ≈-750BE V mV≈300T K =1.5BE V T mV C ∂∂≈-︒12BE BE BE V V V ∆=-0012ln ln ln T T T s s nI I V V V nI I =-=ln 0BE V kn T q ∂∆=>∂(ln )REF BE T VV V n αβ=⨯+⨯1.5/BE V T mV C ∂∂≈-︒0.087/T V T mV C∂∂≈︒1α=(ln )(0.087/) 1.5/n mV C mV Cβ⨯︒=︒(ln )17.2n β⨯≈nV R R V V T BE REF ln 123+=!结合以上基本原理，现返回到最初选择的拓扑图，分别采用电流镜接法，M3、M4使得I1与I2电流相等，而M1与M2的电流镜接法又使得X 与Y 点的电位相等。
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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
自身特性对曲率的影响最为严重，所以要获得高性能的带隙基准电压，就必须对曲线的曲率进行校正。
在本设计中，针对Vbe的高阶温度特性进行了补偿，并通过引用共源共栅和反馈电路来优化带隙电路的电源电压抑制特性。
1．2 高性能带隙基准电路
该设计的完整电路如图2所示，M6～M16电容C和电阻R4构成运算放大器；M1～M5为放大器提供所需要的偏置电流；基本带隙部分由M13～M18， Q1～Q3以及R1和R2组成；M19，M20，R3构成二次曲率补偿电路，M21～M28构成反馈放大反馈电路抑制电源波动，M29～M31完成电路的启动功能；最后由pwr实现电路的开关状态。
由文献[2]可知，二次曲率的校正可以通过不同温度系数的电阻来实现，即：
由于R1和R3具有不同的温度系数，对二者比值用泰勒公式展开，有：
式中：K1为R1的温度系数，为正值；K3为R3的温度系数，为负值。
二者的温度系数正负差异越大，曲率补偿的效果就越好。
当MOS管的栅一源电压接近于开启电压时，该MOS管就工作在亚阈值区。
此时，流过管子的电流与栅一源电压呈指数关系，其电流公式如下：
式中：n为亚阈值斜率因子(1<n<3)；ID0是一个与工艺有关的参数。
由图2可知，由于流过M19的电流与M15，M17的电流相等，则有：
由式(4)、式(6)～式(8)整理得：
由于m1/n>1，所以R3和R2的温度系数差异得到了指数关系的放大，从而对Vbe3的二阶温度系数有了更好的补偿效果，而且该特性只需要1个N型MOS管实现，相对于文献[3]来说，节省了电阻的占用面积，很适合在工程上使用。
1．3 提高电源抑制电路与启动电路分析
原则上来说，传统的带隙电路本身具有较好的电源抑制特性，其输出电压几乎与电源电压无关，但是目前工程上使用的MOS管大部分为亚微米器件，因而不可避免地产生二级效应(主要是沟道长度调制效应和体效应)，对流过MOS管的电流I产生影响。
所以要得到一个精准的基准电压，必须引入额外电路，提高电路的电源电压抑制能力。
在该设计中，除了采用cascode结构外，额外增加了M21～M28来实现对电源波动的抑制，如图2所示。
带隙的核心电路电压由V1提供，当电源电压 VDD升高时，V1电平也将升高，同时由M21～M24感应运放两个输入节点电位差并将其进一步放大，提升了M25的栅极电位，同时通过M26镜相电流的增大，使流过M25的电流增大，降低了M25的等效输出电阻，最终使V1电平降低。
显然放大器的增益越高，对电源波动的抑制越好。
由于电路存在两个偏置点，为了保证电路的正常工作，加入了M29～M31的启动电路。
当电源电压接通时，可能出现各支路电流为零的情况，电路处于非正常工作状态，此时输出电压也为0。
由于M30和M31组成的反相器使M29的栅极电位变为高，故M29将导通并向电路注入电流，使电路启动恢复正常工作状态，此时电路输出电压为高，M29栅极电位变为0，M29关断，所以对电路正常工作不会产生影响。
电路中pwr主要控制电路的开关状态，当pwr接高／低电平时，电路处于关／开状态。
2 版图设计
最终版图设计如图3所示，在该设计中版图设计需要注意的主要问题是保证器件之间的匹配和对称，匹配的器件布局要紧凑，并尽可能保证周围环境的一致性，例如，运放的输入差分对M8和M9、同材料电阻R1和R2等。
因为运放的失调对电路的性能影响较大。
而电阻的失配也会对输出电压的温度特性产生影响。
另外，构成电流镜的MOS管之间保持对称性在该设计中也是至关重要的。
为了抑制沟道长度调制效应，在该设计中， MOS管的沟道长度取工艺允许的最小长度的两倍。
最后，在面积和性能之间取一个折衷关系，将Q1与Q2的面积之比定为8：1。
3 后仿真模拟结果
该电路设计主要采用TSMC CMOS 0．18／μm工艺，使用Cadence Spectre进行仿真，并用calibre完成版图的参数提取。
后仿真输出电压随温度的变化如图4所示。
从图中可以看到，在温度-40～+120℃范围内，电压仅变化O．39 mV，温度系数约为3．3 ppm／℃。
基准电压随电源电压的变化如图5所示。
电源电压从2．7～3．3 V变化范围内，输出的基准电压变化在18μV左右。
4 结语
采用0．18μm标准CMOS工艺设计了一个应用于高精度要求场合的基准电压源，采用一种新的二阶补偿方法对传统带隙进行了改进，并加入反馈电路来提高电路的电源电压抑制特性。
结果表明，输出电压的温度系数仅为3．3 ppm／℃，在电源电压2．7～3．3 V波动范围内，输出电压波动为18μV，而且电路的二阶补偿部分仅用了3个器件，节省了设计面积，很适合实际工程的使用，具有很大的实用价值。