带隙基准实验报告
低温漂低功耗的带隙基准源技术设计解析
低温漂低功耗的带隙基准源技术设计摘要：设计一种低温漂低功耗的带隙基准结构，在传统带隙基准核心电路结构上增加一对PNP管，两个双极型晶体管叠加的结构减小了运放的失调电压对输出电压的影响，降低了基准电压的温度失调系数。
电路设计与仿真基于CSMC 0.5 μm CMOS工艺，经流片，测得室温下带隙基准输出电压为1.326 65 V，在-40～+85 ℃范围内的温度系数为2.563 ppm/℃；?在3.3 V电源电压下，整个电路的功耗仅为2.81 μW;在2～4 V之间的电源调整率为206.95 ppm。
关键词：带隙基准；低温漂；低功耗；CMOS便携式电子产品在市场上占有越来越大的份额，对低电压、低功耗的基准电压源的需求量大大增加，也导致带隙基准的设计要求有了较大的提高。
带隙基准广泛应用于数／模转换、模／数转换、存储器以及开关电源等数模混合电路中。
基准源的稳定性对整个系统的内部电源的产生，输出电压的调整等都具有直接且至关重要的影响。
基准电压必须能够克服制造工艺的偏差，系统内部电源电压在工作范围内的变化以及外界温度的影响。
由文献可知传统的一阶补偿通常可以得到10 ppm／℃左右的温度系数，而新发展的比较成熟的补偿技术，包括二阶温度补偿，分段线性补偿，指数温度补偿等其他的补偿方法，文献中所提及的电路的结构均比较复杂，或受到比较多的工艺的限制，或运用BiCMOS工艺，其制造成本比较高。
在此设计一种以共源共栅电流镜为负载的低温漂高电源抑制比CM OS带隙基准电压源，利用新型核心电路和NMOS为输入管的套筒式共源共栅运算放大器使得带隙基准的输出温度系数远小于传统带隙基准的温度系数。
1 曲率补偿的带隙基准1．1 VBE的温度特性由文献可知，双极型晶体管的VBE的温度曲线不是简单地随温度做线性变化的，其温度特性为：其中：VBG0为由零度推导出的PN结外接电压；T0为参考温度，T为绝对温度；VB E0是双极晶体管在温度为T0时的发射结电压；η为与温度无关，但与工艺有关的一个参数；α的值与集电极电流Ic的温度特性有关(I0与温度成正比即PTAT电流时α=1；当I0是与温度无关的电流时，α=0)。
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31M ~M 尺寸相同，那么输出电压为BE V 是负温度系数，对温度求导数，得到公式（Razavi ，Page313）： 其中，23-≈m 。
如果输出电压为零温度系数，那么： 得到： 带入：得到：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： 其中，2BE V 是三极管2Q 的导通电压，pair al differenti input GS V ___是运放差分输入管对的栅源电压，source current of drive over V ____是运放差分输入管对尾电流源的过驱动电压。
对于微安级别的电流，可以认为：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：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：-40° 27° 80° slow -826mV -755mV -699mV typical -730mV -660mV -604mV fast -637mV -567mV -510mV BJT 的BE V -40° 27° 80° slow 830mV 720mV 630mV typical 840mV 730mV 640mV fast860mV750mV660mV可以计算出在不同温度的Corner 角下电源电压的最小值：-40° 27° 80° slow 1.756V 1.575V 1.429V typical 1.67V 1.49V 1.344V 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。
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 KT∂≈+∂。
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。
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。
CMOS_带隙基准源的设计(IC课程设计报告)
1
图 1、带隙基准电压源原理示意图(选自 Analysis and Design of Analog Integrated Circuits)
2
3 设计过程 3.1 电路结构
图 2、带隙基准电路中运算放大器的电路结构
《IC 课程设计》报告
——模拟部分
CMOS 带隙基准源的设计
华中科技大学电子科学与技术系 2004 级学生 张青雅
QQ:408397243 Email:zhangqingya@
2007 年秋大四上学期 IC 课程设计报告
1
目录
1 设计目标........................................................................................................................................1 2 介绍 ...............................................................................................................................................1 3 设计过程........................................................................................................................................3
LambdaN=0.0622 由跨导公式可以算出：
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 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=∂∂+∂∂TV 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 。
带隙基准源设计文献检索报告
毕业论文文献检索报告题目：一种带隙基准源的设计学院：_____________________专业：_____________________学号：_____________________姓名：_____________________指导教师：__________________完成日期：__________________目录【1】检索课题名称【2】课题介绍【3】检索策略【4】检索步骤及检索结果【5】检索结果评价1、检索课题名称（中英文）一种带隙基准源的设计Design of a bandgap voltage reference2、课题介绍作为A/D、D/A转换器以及通信电路中的一个基本组件,基准源始终是集成电路中一个重要的单元模块。
它的温度稳定性以及抗噪声能力是影响到电路精度和性能的关键因素。
由于带隙基准电压、电流源电路的输出电压及电流几乎不受温度和电源电压变化的影响,这就使得片内集成的带隙基准电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。
3、检索策略3.1检索工具1）利用“中国知网”查找有关硕士、博士论文。
2）利用“维普科技期刊数据库”查找相关期刊论文。
3.2检索词带隙基准源的设计4、检索步骤及检索结果4.1检索工具中国知网（中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库）4.1.1检索式题名二带隙基准源的设计4.1.2检索年限2006—20164.1.3检索结果[1]胡滨.低压带隙基准源的设计.西安电子科技大学，2011-1-1.硕士中文摘要：带隙基准源模块广泛的应用于模拟和混合集成电路中，如A/D、D/A转换器等。
随着集成电路特征尺寸的不断减小,电源电压不断降低,当电源电压低于1.5V 时，传统的带隙基准源电路已经无法工作,于是一种可以在低电源电压下正常工作的低压基准源便应运而生。
同时，随着高精度系统、便携式设备和数模混合集成电路的发展,对基准源的温度系数、低功耗设计和电源抑制比(PSRR)都提出了更高的要求。
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
五. 输出输入信号线时序图
VIN 、ENB、 BIAS_EN 、BIAS2_EN 为输入信号，VREF 、 BIAS 、BIAS2 为 输出信号。
图 1.3
BANDGAP 模块输入输出时序关系图
六. 等效架构图原理分析
BANDGAP 模块是一个带隙基准结构。 带隙基准的工作原理是根据硅材料的 带隙电压与电压和温度无关的特性，利用△VBE 的正温度系数与双极型晶体管 VBE 的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压。双极型晶体管提 供发射极偏压 VBE；由两个晶体管之间的△VBE 产生 VT ，通过电阻网络将 VT 放 大 a 倍；最后将两个电压相加，即 VREF=VBE+aVT ，适当选择放大倍数 a ，使两 个电压的温度漂移相互抵消， 从而可以得到在某一温度下为零温度系数的电压基 准。下面详细推导这个原理。 一般二极管上电流和电压的关系为：
Q12 和 Q19 的电流相等；R19、R20、R21 和二极管连接的 Q11 组成分压网络， 将 Q12、Q19 产生的 ? VBE 放大（R19＋R20＋R21）/R21 倍后与 VBE11 相加，产 生基准电压 VREF ；放大管 QX7 、Q18 和负载管 Q10 组成符合放大电路，将 IC19 和 IC12 的差值放大，反馈到分压网路中的 R21，从而调整 Q12、Q19 的工作点， 保证 IC19 等于 IC12 ；电容 C2 和 R23 用来进行频率补偿。 电流偏置 IBias2 产生电路（图 2(c)） ：由 P39、Q3、R8 组成。Q3 的基极连 接 VREF ，其射极电位即 R8 的一端电位 VEQ3＝VREF －VBEQ3，与电源电压无关， 从而流过电阻 R8 的电流与电源无关，即 IBias2 与电源无关。 1．使能原理： ENB 高电平时，使能关断有效。当 ENB 为高电平时，使能管 N15、N18、 N17 工作，则 N19 的漏极电压、P8 的漏极电压、VREF 被拉到低电平，电路关 断。 BIAS_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS2_EN 低电平时，使能管 P13 工作，P7、P1 的栅极即 Bias 为高电平，电流偏置为 0，同时，基准电压 VREF 为零电平。 BIAS2_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS_EN 低电平时，使能管 P34 工作，Bias2 为高电平，电流偏置 IBias2 为 0。 2．启动原理 P14、R15、N19、N16 组成启动电路。启动过程：ENB 为低电平，当未启 动时，P7、P8 两支路的电流为 0，此时 P8 的漏极电压为 0 电位，N19 不通，N19 的漏极为高电位，此时 N16 管导通，形成从电源到地的通路 R12、P7、N16，使 P7 有电流流过，从而打破 0 电流的状态；之后 P8 漏极电位上升， N19 导通， N16 截止，启动过程结束。
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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）
131132
ln ref EB R EB T R V V I R V V n R =+=+
其中，E B V 具有负温度系数，T V 具有正温度系数，这样，通过调节n 和12
R R ，就
可以使ref V 得到一个零温度系数的值。
一般在室温下，有：
/ 1.5//0.087/EB T V T m V K V T m V K
∂∂≈-∂∂≈
为了使
112
2
/ln / 1.50.087
ln 0ref EB T R R V V T n V T n R R ∂=∂∂+
∂∂≈-+=
则
12
ln 17.2R n R =，
317.2ref BE T V V V =+
1.2、低压带隙基准
低压带隙基准原理图如图2所示：
图2 低压带隙基准原理图
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
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。
34R R =。
21
212
3
(
)EB EB EB ref V V V V R R R -=+
3123
2
(ln )EB T R R V V n R R =
+
同基本带隙基准电压相同，若要得到一个零温度系数的基准电压，则：
32
ln 17.2R n R =
四、实验步骤 1、基本带隙基准 1.1实验原理图
基本带隙基准电路图如图3
所示：
图3 实验原理图
根据公式（7），可以得到该电路的输出电压为：
152
ln REF BE T R V V V n R =+
1.25V =
通过给定的偏置电流值设置好各个MOS 管和晶体管的参数，然后对整个电路进行直流扫描分析（DC Sweep ），以温度为变量，得到一条仿真曲线，如图3
（8）
（9）
所示：
TEMP
-60
-50-40-30-20-100102030405060708090100110120
130
V(VREF)
1.1600V
1.1604V
1.1608V
1.1612V
1.1616V
1.1620V
1.1624V
1.1628V
(-55.000,1.1604)
(31.000,1.1627)
图3 输出电压-温度仿真曲线图
通过曲线图，我们可以看到，在-55-125℃的温度范围内，输出电压稳定在
1.1604-1.1627V 之间，初始精度在7%之内。
温度漂移系数为：
1.1627 1.160410.2/1.25(12555)
ppm -=⨯+℃
1.2运放的环路增益及相位余度
在运放的输出端加一个正弦信号源激励和电感，仿真电路图如图4所示。
图4 运放的环路增益及相位余度仿真电路图
然后最整个电路进行交流分析（AC Sweep ）.仿真波形图如图5所示：
Frequency
1.0Hz 3.0Hz 10Hz
30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz
300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz 100MHz 300MHz 1.0GHz
VDDB(MP6)VP(MN1:d)
-200
-100
100
200
300
400
(441.925K,354.382)
(441.925K,122.911m)
图5 仿真波形图
此时的相位余度为360°-354.4°=5..6°。
为了提高系统的稳定性，同时得
到比较快的时间响应，相位余度最好能达到60°。
因此应对运放进行频率补偿。
补偿电路如图6所示：
图6 补偿电路图
在运放的输出端接一个电容到地，实现运放的频率补偿。
通过进行交流分析（AC Sweep ），调整电容值，得到仿真波形图如图7所示：
Frequency
1.0Hz 3.0Hz 10Hz
30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz
1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz 100MHz 300MHz 1.0GHz
VDDB(MP6)VP(MN1:d)
-200
-100
100
200
300
(391.763K,308.626)
(391.763K,92.122m)
图7 经过补偿后的仿真波形图
此时电容值为0.2pF ，相位余度为360°-308.6°=51.4°。
2、低压带隙基准
仿真电路图如图8所示：
图8 低压带隙基准仿真电路图
根据公式（8），可以得到该电路的输出电压为：
通过给定的偏置电流值设置好各个MOS 管和晶体管的参数，然后对整个电路进行直流扫描分析（DC Sweep ），以温度为变量，得到一条仿真曲线，如图9所示：
TEMP
-60
-50-40-30-20-100102030405060708090100110120130
V(VREF)
929.6mV
929.8mV
930.0mV
930.2mV
930.4mV
930.6mV
(125.000,929.760m)
(33.000,930.689m)
图9 低压带隙基准仿真波形图
通过曲线图，我们可以看到，在-55-125℃的温度范围内，输出电压稳定在
929.78-930.69mV 之间，初始精度在7%之内。
温度漂移系数为：0.930690.92978 5.06/1(12555)
ppm -=⨯+℃
五、心得体会。