9基准电源--西南交大模拟CMOS集成电路课件
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《CMOS集成电路基础》课件
当输入为0时，截止；当输入为1时，导通。
NMOS
当输入为0时，导通；当输入为1时，截止。
输出
输出反相的输入信号。
CMOS电路组成：CMOS传输门
1 输入端
接收多个输入信号。
3 PMOS
通过开关和截止的方式传递输入信号。
2 NMOS
通过开关和导通的方式传递输入信号。
4 输出端
输出根据输入信号进行逻辑运算的结果。
晶圆切割
将完成的硅片切割成晶圆，以便后续封 装和测试。
CMOS电路组成：MOS管
N沟道MOS管（NMOS）
由N型沟道和P型沟道构成，可以实现电流的传输和 放大。
P沟道MOS管（PMOS）
由P型沟道和N型沟道构成，用于控制电流的开关。
CMOS电路组成：CMOS反相器
输入
接收输入信号（0或1）。
PMOS
CMOS电路组成：CMOS与门
1
输入A
接收输入信号A。
输入B
2
接收输入信号B。
3
NMOS
当输入A为1且输入B为1时，导通。
PMOS
4
Байду номын сангаас
当输入A为0且输入B为0时，导通。
CMOS电路组成：CMOS或门
1
输入A
接收输入信号A。
输入B
2
接收输入信号B。
3
NMOS
当输入A为1且输入B为1时，截止。
PMOS
CMOS的基本工艺流程
1
清洗和蚀刻
2
对硅片进行清洗和蚀刻，去除杂质和氧
化物，并形成特定的表面。
3
沉积
4
在硅片上沉积各种材料，如金属、氧化
物和多晶硅等，用于构建电路的不同部
NMOS
当输入为0时，导通；当输入为1时，截止。
输出
输出反相的输入信号。
CMOS电路组成：CMOS传输门
1 输入端
接收多个输入信号。
3 PMOS
通过开关和截止的方式传递输入信号。
2 NMOS
通过开关和导通的方式传递输入信号。
4 输出端
输出根据输入信号进行逻辑运算的结果。
晶圆切割
将完成的硅片切割成晶圆，以便后续封 装和测试。
CMOS电路组成：MOS管
N沟道MOS管（NMOS）
由N型沟道和P型沟道构成，可以实现电流的传输和 放大。
P沟道MOS管（PMOS）
由P型沟道和N型沟道构成，用于控制电流的开关。
CMOS电路组成：CMOS反相器
输入
接收输入信号（0或1）。
PMOS
CMOS电路组成：CMOS与门
1
输入A
接收输入信号A。
输入B
2
接收输入信号B。
3
NMOS
当输入A为1且输入B为1时，导通。
PMOS
4
Байду номын сангаас
当输入A为0且输入B为0时，导通。
CMOS电路组成：CMOS或门
1
输入A
接收输入信号A。
输入B
2
接收输入信号B。
3
NMOS
当输入A为1且输入B为1时，截止。
PMOS
CMOS的基本工艺流程
1
清洗和蚀刻
2
对硅片进行清洗和蚀刻，去除杂质和氧
化物，并形成特定的表面。
3
沉积
4
在硅片上沉积各种材料，如金属、氧化
物和多晶硅等，用于构建电路的不同部
CMOS 模拟集成电路课件完整
反偏电压将使耗尽区变宽，从而降低了有效沟道深度。因此，需 要施加更大的栅极电压以弥补沟道深度的降低，VSB偏压会影响 MOSFET的有效阈值电压VTH。随着VSB反偏电压的增加导致VTH的增 加，这种效应称为“体效应”。这种效应也称为“衬底偏置效应” 或“背栅效应”。
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
模拟集成电路课件 第2章CMOS技术
重要指标
无源元件的温度特性通常用温度比例系数 TCF来表示
X是无源元件的电阻或电容 通常温度比例系数乘106，用每度百万分之几（即ppm/℃）为单 位 MOS器件的特性与温度之间的关系由公式可以看出，
vGS vT 0 0 vDS vGS VT 0 vGS VT vDS
Bi-CMOS工艺
Bi-CMOS同时包括双极和MOS晶体管的集成电路，它结 合了双极器件的高跨导、强驱动能力和CMOS器件的高 集成度、低功耗的优点，使它们互相取长补短、发挥 各自优点，制造高速、高集成度、性能好的 VLSI。
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
特点:寄生参量小，精度高。
金属-氧化物-多晶硅
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
4.CMOS技术的其他考虑
CMOS电路的闩锁（Latch-up）效应 MOS器件的温度特性 噪声
背栅效应 沟道长度调制效应 亚阈值特性 短沟效应
MOS管的阈值电压
VT是MOS晶体管的一个极其重要的参数
VT可在制造过程中加以控制
阈值电压大小取决于： 栅极材料 栅极绝缘材料 栅极绝缘层厚度
沟道掺杂浓度 源极与衬底之间电压 环境温度：随温度升高而降低 调节阈值电压大小方法： 用离子注入法改变沟道掺杂浓度 采用不同栅极绝缘材料
源/漏离子注入电阻
薄层电阻Rs在500—2000Ω／口 绝对误差精度土15％ 相对误差2％（5μm）0.15％（ 50 μm ） 温度系数400ppm/℃ 电压系数800ppm/V
无源元件的温度特性通常用温度比例系数 TCF来表示
X是无源元件的电阻或电容 通常温度比例系数乘106，用每度百万分之几（即ppm/℃）为单 位 MOS器件的特性与温度之间的关系由公式可以看出，
vGS vT 0 0 vDS vGS VT 0 vGS VT vDS
Bi-CMOS工艺
Bi-CMOS同时包括双极和MOS晶体管的集成电路，它结 合了双极器件的高跨导、强驱动能力和CMOS器件的高 集成度、低功耗的优点，使它们互相取长补短、发挥 各自优点，制造高速、高集成度、性能好的 VLSI。
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
特点:寄生参量小，精度高。
金属-氧化物-多晶硅
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
4.CMOS技术的其他考虑
CMOS电路的闩锁（Latch-up）效应 MOS器件的温度特性 噪声
背栅效应 沟道长度调制效应 亚阈值特性 短沟效应
MOS管的阈值电压
VT是MOS晶体管的一个极其重要的参数
VT可在制造过程中加以控制
阈值电压大小取决于： 栅极材料 栅极绝缘材料 栅极绝缘层厚度
沟道掺杂浓度 源极与衬底之间电压 环境温度：随温度升高而降低 调节阈值电压大小方法： 用离子注入法改变沟道掺杂浓度 采用不同栅极绝缘材料
源/漏离子注入电阻
薄层电阻Rs在500—2000Ω／口 绝对误差精度土15％ 相对误差2％（5μm）0.15％（ 50 μm ） 温度系数400ppm/℃ 电压系数800ppm/V
CMOS模拟集成电路分析与设计 ppt课件
如果栅电压为负，则耗尽层变薄，栅 与衬底间电容增大。
对于大的负偏置，则电容接近于CGC。
PPT课件
24
1.2 MOS管的极间电容(1)
G
S
C1
C2 C4
C3
Cbs
反型层 耗尽层
d
L
d
p型衬底
D
Cbd
PPT课件
25
1.2 MOS管的极间电容(2)
栅与沟道之间的栅氧电容：
C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容εox/tox；
CMOS模拟集成电路分析与设计
主讲教师：吴建辉 Tel：83795677
E-mail：wjh@
PPT课件
1
教材及参考书
教材：
吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设 计”(第二版)，电子工业出版社。
参考书：
Razavi B: Design of analog CMOS integrated circuits
11
1、有源器件
主要内容：
1.1 几何结构与工作原理 1.2 极间电容 1.3 电学特性与主要的二次效应 1.4 低频及高频小信号等效模型 1.5 有源电阻
PPT课件
12
1.1 MOS管几何结构与工作原理(1)
B p+
G
tox
S
D
G D
n+
n+
p+
n阱 p型衬底
(a)
S
B
p+
n+
W
多晶
d p+接触孔
PPT课件
3
模拟电路与模拟集成电路
分立元件音频放大电路
晶体管数 匹配性 电阻值 电容值 寄生效应影响
《CMOS集成电路基础》课件
智能传感器和可 穿戴设备的普及
随着智能传感器和可穿戴设 备的普及，CMOS集成电路 将在这些领域发挥重要作用 ，实现更高效、更低功耗的 数据采集和处理。
神经网络和类脑 计算的发展
CMOS集成电路将在神经网 络和类脑计算领域发挥重要 作用，推动人工智能技术的 进一步发展。
系统级芯片的广 泛应用
随着系统级芯片的广泛应用 ，CMOS集成电路将与不同 芯片和模块进行集成，实现 更高效、更低功耗的系
晶圆制备
将高纯度硅材料加工成晶圆， 作为集成电路的基底。
薄膜沉积
在晶圆表面沉积所需厚度的薄 膜，形成各种有源和无源器件
。
光刻与刻蚀
通过光刻技术将设计好的电路 版图转移到晶圆表面，然后进
行刻蚀，形成电路图形。
掺杂与退火
通过掺杂工艺在晶圆中引入不 同元素，形成PN结和导电通
道，并进行退火处理。
03
每个逻辑门电路由NMOS和PMOS晶体管组成，形成反相器或与门、或门等基 本逻辑门。
工作原理
01
CMOS集成电路的工作原理基于 NMOS和PMOS晶体管的开关特 性。当输入信号发生变化时， NMOS和PMOS晶体管会交替导
02 通和截止，从而实现逻辑功能。
CMOS电路的电压摆幅较小，因 此功耗较低。此外，CMOS电路 还具有噪声容限高、抗干扰能力 强等优点。
我们应该如何学习和掌握CMOS集成电路技术
理论与实践结合
在学习过程中，应注重理论与实践相结合 ，通过实验和项目实践加深对理论知识的
理解。
持续学习与更新知识
随着技术的不断进步，应保持持续学习的 态度，关注新技术、新工艺的发展，不断 更新自己的知识储备。
培养问题解决能力
CMOS-模拟集成电路课件-电流源与电流镜
+ VTHN+2VOD
W/(4L)
VB
-
M4
VDD
W/L
M0
W/L
M1
IREF
Z +
VOUT IOUT=IREF
W/L +
VOD -
M3
VOD -
+
W/L
+
VOD -
M2
VOD -
例4：自偏置 增加R使得 IREFR = VOD，
VGS1 = VTHN + VOD 这样,
VB= VTHN + 2VOD
IOUT
(W (W
/ L)2 / L)1
I REF
IOUT与IREF的比值由器件尺寸的比率决定，不受工艺 和温度的影响。设计者可以通过器件的尺寸比来调整 输出电流的大小。
在λ=0的情况下 ！
2024/10/19
8
• 例子:
– 在电流镜电路的实际设计中，通常采 用叉指MOS管，每个“叉指”的沟道 长度相等，复制倍数由叉指数决定， 减小由于漏源区边缘扩散所产生的误 差，以减小器件的失配造成的电流失 配。.
2024/10/19
VDD IREF
+ VOD R
-
VB = 2VOD +VTHN VOUT
IOUT=IREF
+
M0 X
VOD
M3
Y+
VGS = +
VOD
M1 VOD +VTHN M2
-
16
-
小结
• 工作在饱和区的MOS晶体管可以充当电流源 • 基本电流镜—基于电流复制 • 共源共栅电流镜—提高复制精度 • 大输出摆幅共源共栅电流源—使得输出的下限等
模拟CMOS集成电路设计课件
医学图像处理、音频处理
PPT学习交流
6
5
2、集成电路工艺
速度高， 功耗大， 集成度低
最早MOS工 艺，速度低
超高速、高频 IC
光电集成器件
主流工艺，集 成度高、功耗 低、速度快、 抗干扰性强
PPT学习交流
7
6
CMOS工艺
B
S
G
D
B
S
G
D
n+
n+
p+
p+
p 型衬底
n 型阱
n 阱CMOS工艺
B
S
G
D
20
沿沟道x点处的电荷密度为： 沟道x点的电势，以源级为参考点
电流为：
载流子为电子，电荷为负，电荷运动方向与电流 方向相反
其中： 得到：
v＝μE μ为载流子的迁移率，E为电场 E＝－dV(x）/dx
PPT学习交流
22
21
在整个沟道长度内积分得：
由于ID沿沟道方向是常数，因此：
电流随VGS的 增大而增加
漏极的反型层消失，出现由耗尽层
构成的夹断区。
➢电子沿沟道从源极向漏极运动，达
到夹断区边缘时，受夹断区强电场
的作用，很快漂移到漏极。 B
➢VDS的变化主要体现在夹断区上，
p+
对沟道长度和沟道内的场强影响不
大，因此可以近似认为沟道电流保
p-
持恒定。
VDS
-+
-+
VGS
G
S
D
n+
n+
夹断区
PPT学习交流
20
19
2、NMOS 管IV特性推导与分析
PPT学习交流
6
5
2、集成电路工艺
速度高， 功耗大， 集成度低
最早MOS工 艺，速度低
超高速、高频 IC
光电集成器件
主流工艺，集 成度高、功耗 低、速度快、 抗干扰性强
PPT学习交流
7
6
CMOS工艺
B
S
G
D
B
S
G
D
n+
n+
p+
p+
p 型衬底
n 型阱
n 阱CMOS工艺
B
S
G
D
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沿沟道x点处的电荷密度为： 沟道x点的电势，以源级为参考点
电流为：
载流子为电子，电荷为负，电荷运动方向与电流 方向相反
其中： 得到：
v＝μE μ为载流子的迁移率，E为电场 E＝－dV(x）/dx
PPT学习交流
22
21
在整个沟道长度内积分得：
由于ID沿沟道方向是常数，因此：
电流随VGS的 增大而增加
漏极的反型层消失，出现由耗尽层
构成的夹断区。
➢电子沿沟道从源极向漏极运动，达
到夹断区边缘时，受夹断区强电场
的作用，很快漂移到漏极。 B
➢VDS的变化主要体现在夹断区上，
p+
对沟道长度和沟道内的场强影响不
大，因此可以近似认为沟道电流保
p-
持恒定。
VDS
-+
-+
VGS
G
S
D
n+
n+
夹断区
PPT学习交流
20
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2、NMOS 管IV特性推导与分析
《CMOS集成电路》PPT课件 (2)
采用电流源负载的共源级
ID 1
0 . 5 μnCO X
W L
( 1
Vi n
VTH1)2( 1λ
Vo u t)
I1
Ij
Cj
由上式可知:若I1为理想恒流,Vin↑,则 Vout↓
也可以这样理解: 静态时, I1=ID1,V0为一确定的 静态电压,Ij= 0。Vin↑,ID1↑,Ij=I1ID1<0,Cj(可以理解成是负载电容,也可以理解成 是寄生电容)放电,V0↓,反之, Vin↓,ID1↓, I =I - j 1 单级放大器 ID1>0,Cj充电,V0 ↑
≈
RD
+1
、
IX 1+(gm + gmb)r0 (gm + gmb)r0 gm + gmb
单级放大器 Ch. 3 # 12
MOS二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r0
2
NMOS负载时
Rin=(1/gm2)//r
02
PMOS负载时
单级放大器 Ch. 3 # 13
MOS二极管连接负载的共源极（ λ＝0 ）
易见，M1的输入电压范围也很窄!
单级放大器 Ch. 3 # 18
具有阶跃偏置电流的二极管连接器件
在数字电路中,NMOS、PMOS 的栅极在开关导通时分别接“1”、 “0”电平,截止时刚好相反,两种开 关并联即构成CMOS传输门。
• 若 I1 越来越小, VGS 越来越接近 VTH • I1越来越接近 0时, 忽略漏电流的影响, 我们有：
g m ro 1
2 μnCo xID
W L
1
1
λ1ID
W •L ID
模拟集成电路课件 第3章CMOS器件模型
为了更逼近耗尽电容的模型，把底面与周边分开
表3．2．1给出了当氧化层厚度为140A、Cox=24.7x10-4F/m2MOS器 件的CJ、CJSW、MJ和MJSW的值。 显然，在没有确定器件的几何尺寸之前，不知道源、漏和周边的 面积就无法准确模拟耗尽结电容。
但是为了进行设计，这些值可以假设。例如，可以考虑典型的源、 漏区为1．8μm乘5 um，于是对于VBX=0来说，n沟道和P沟道管 的CBX值分别为12.1 F和9.8F。
C1和C3是交叠电容
第三个重要的交叠电容是体和栅极的交叠而引起的。 这是在沟道边缘栅极和体间产生的电容，是沟道有 效长度Leff的函数。
器件工作在饱和区，那么沟道将几乎伸到漏极，如果MOS器件 工作在非饱和区则完全扩展到漏极。C2是栅极一沟道电容， 表示如下：
C4是沟道一体电容，像CBS和CBD一样，它是一个随着电压变 化的耗尽型电容。
• 而降低电流ID的同时，也降低了跨导gm，因而对单独一个 MOS 管来说无法同时增大gm和ro。
前面提到把MOS管栅极作为输入端，漏极作为输 出端。这时MOS可以看成一个用来放大信号的器 件，如图所示。
栅极输入电压信号vin通过跨导电流源产生漏极电流 i d：
id g mvin
id流过输出电阻ro产生漏极输出电压vout：
vout id ro
放大器的电压增益为Aint
vout id ro Aint g m ro vin vin
公式中的负号表示输入和输出电压反相。 Aint称为MOS管的固有 增益，它取决于工作在饱和区的MOS管的跨导和输出电阻的乘积。 这一电压增益可以达到100 倍（40dB）。该如何增大MOS管的固 有增益呢？我们已经知道无法同时增大gm和ro的值，结合公式
CMOS模拟集成电路设计ch绪论实用PPT课件
• 模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者经验和7直觉 第7页/共16页
模 拟 集 成 电 路 的 设 计 开 发 流 程
8
第8页/共16页
电路 设计
版图 设计
封装 测试
电路设计
9
第9页/共16页
版图设计
10
第10页/共16页
Why CMOS？
与双极工艺(BJT)相比 • 优点
• 输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于按比例缩小，易于实现数模混合电 路（是SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直 流偏量，双极只依赖于直流偏量）
15
第15页/共16页
感谢您的欣赏！
16
第16页/共16页
— 模拟电路的重要性和应用领域
自然界信号 （模拟量）
信号太小 时需要先 放大
4
滤除信号频带外的干扰
第4页/共16页
高速度、 高精度、 低功耗的 模数转换器
模拟集成电路的应用
5
第5页/共16页
结论
• 模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分 • 数字电路无法完全取代模拟电路 • 电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师
6
第6页/共16页
模拟电路设计的难点
• 设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源 电压等；数字电路主要是速度、功耗
• 高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很 高；数字电路在这方面要求低很多
• 器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化 的敏感度比数字电路高很多
• 设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设 计自动化程度高
• 缺点 • 低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）
11
模 拟 集 成 电 路 的 设 计 开 发 流 程
8
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电路 设计
版图 设计
封装 测试
电路设计
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版图设计
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Why CMOS？
与双极工艺(BJT)相比 • 优点
• 输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于按比例缩小，易于实现数模混合电 路（是SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直 流偏量，双极只依赖于直流偏量）
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感谢您的欣赏！
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— 模拟电路的重要性和应用领域
自然界信号 （模拟量）
信号太小 时需要先 放大
4
滤除信号频带外的干扰
第4页/共16页
高速度、 高精度、 低功耗的 模数转换器
模拟集成电路的应用
5
第5页/共16页
结论
• 模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分 • 数字电路无法完全取代模拟电路 • 电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师
6
第6页/共16页
模拟电路设计的难点
• 设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源 电压等；数字电路主要是速度、功耗
• 高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很 高；数字电路在这方面要求低很多
• 器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化 的敏感度比数字电路高很多
• 设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设 计自动化程度高
• 缺点 • 低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）
11
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VREF VBE VT ln n T T T VBE VBE 4 m VT E g q T T
– 令 VREF 0
T
– 得到
VREF
Eg q
4 m VT Eg q ，即硅的带隙电压值
带隙基 准电源
当T 0时，VREF
基准电源
• PTAT（Proportional to absolute temperature）电流源
• 正温度系数产生模块（VT） • 负温度系数产生模块（VBE）
• 求和
• 在一定条件下，正负温度系数 可以被抵消
基准电源
• 与温度无关的基准——带隙基准
– 平衡时有VX=VY
– 且 VBE 1 VBE 2 VT ln n – 可以求出
Vout VBE 2
负温度 系数
VT ln n R3 R2 R3
基准电源
• 基准电压和基准电流
– 给运放提供直流偏置
– 电源管理芯片的参考电压 – A/D、D/A的参考电压
• 基准电源的要求
– 精度高 – 稳定性好 – 不随电源电压变化 – 不随温度变化
基准电源
• 与电源无关的基准
– 理想电流源的输出电流应当和电源无关
– 但实际的电流源的电流值往往和电源电 压密切相关
2 I out VTH 1 nCox W / L N 2 I out VTH 2 I out RS nCox K W / L N
基准电源
• 与电源无关的基准
2 I out VTH 1 nCox W / L N 2 I out VTH 2 I out RS nCox K W / L N
当VBE 750 mV，T 300 K时 VBE 1.5 mV K T
• 可见，VBE是一个负温度系数的电压
基准电源
• 与温度无关的基准
– 对于图中电路
VBE VBE 1 VBE 2 VT ln nI0 I VT ln 0 I S1 IS2
VT ln n
– 正比于绝对温度
基准电源
• 与电源无关的基准
– 一个与电源电压无关的电流源电路
I out I REF 1 W nCox VGS VTH 2 W 2 L 2 L2 W 1 W nCox VGS VTH 2 L1 2 L 1
或
I out
2 I out 1 1 I out RS nCox W / L N K I out 2 1 1 1 2 nCox W / L N R电源无关
基准电源
• 与电源无关的基准
– 由于M2源极电位不为0，所以实际上还
存在体效应 – 为了消除体效应，可以将电路稍加改动
– M3源极和衬底相联，消除了体效应
– 该电路满足 VTH 3 VTH 4 ，消除了误差 – 电路所有三极管都工作在饱和状态，所
以，三极管的沟道调制效应仍旧存在。
输出电流仍旧会随电源电压发生一定的 变化
基准电源
• 与温度无关的基准
– 对于双极型三极管：
I C I S eVBE
• 其中
VT
VT kT q
I S k Tni2
• 两个参数都和温度相关 • 根据推导可以得到
VBE VBE 4 m VT E g q T T
基准电源
• 与温度无关的基准
– 对于双极型三极管：
VBE VBE 4 m VT E g q T T
– 则
VBE k ln n T q
– 这个式子具有正温度特性，即：两个VBE的差值
具有正的温度系数
基准电源
• 与温度无关的基准——带隙基准
– 带隙基准（Bandgap voltage reference）是所有基准电压中最
受欢迎的一种，具有与电源电压、工艺、温度变化几乎无关 的突出优点
– 一个带隙基准的组成
R3
基准电源
• 与温度无关的基准——带隙基准
– 在CMOS工艺中可以方便地在n阱和
衬底间生成pnp晶体管 – 用pnp管可以做成原理上和前述电
路相同的带隙基准电源
基准电源
• 与温度无关的基准——带隙基准
– 电路的输出电压即为基准电压
Vout VREF VBE VT ln n
W L I W L
2 1
REF
KI REF
输出电流和初始的环路电流IREF0相关
基准电源
• 与电源无关的基准
– 一个实用的电流源应当有唯一确定的电
流值 – 在电路中M2源极加上源极电阻RS，
PMOS管采用相同的尺寸
– 显然有 I out I REF – 此时 VGS 1 VGS 2 I D 2 RS
R VBE 2 VT ln n1 2 R 3 – 当 ln n1 R2 17 .2 时，Vout的温度系数约为0。 R 3
正温度 系数
– 此时 Vout VBE 2 VT ln n1 R2 VBE 2 17 .2VT 1.25V
– 令 VREF 0
T
– 得到
VREF
Eg q
4 m VT Eg q ，即硅的带隙电压值
带隙基 准电源
当T 0时，VREF
基准电源
• PTAT（Proportional to absolute temperature）电流源
• 正温度系数产生模块（VT） • 负温度系数产生模块（VBE）
• 求和
• 在一定条件下，正负温度系数 可以被抵消
基准电源
• 与温度无关的基准——带隙基准
– 平衡时有VX=VY
– 且 VBE 1 VBE 2 VT ln n – 可以求出
Vout VBE 2
负温度 系数
VT ln n R3 R2 R3
基准电源
• 基准电压和基准电流
– 给运放提供直流偏置
– 电源管理芯片的参考电压 – A/D、D/A的参考电压
• 基准电源的要求
– 精度高 – 稳定性好 – 不随电源电压变化 – 不随温度变化
基准电源
• 与电源无关的基准
– 理想电流源的输出电流应当和电源无关
– 但实际的电流源的电流值往往和电源电 压密切相关
2 I out VTH 1 nCox W / L N 2 I out VTH 2 I out RS nCox K W / L N
基准电源
• 与电源无关的基准
2 I out VTH 1 nCox W / L N 2 I out VTH 2 I out RS nCox K W / L N
当VBE 750 mV，T 300 K时 VBE 1.5 mV K T
• 可见，VBE是一个负温度系数的电压
基准电源
• 与温度无关的基准
– 对于图中电路
VBE VBE 1 VBE 2 VT ln nI0 I VT ln 0 I S1 IS2
VT ln n
– 正比于绝对温度
基准电源
• 与电源无关的基准
– 一个与电源电压无关的电流源电路
I out I REF 1 W nCox VGS VTH 2 W 2 L 2 L2 W 1 W nCox VGS VTH 2 L1 2 L 1
或
I out
2 I out 1 1 I out RS nCox W / L N K I out 2 1 1 1 2 nCox W / L N R电源无关
基准电源
• 与电源无关的基准
– 由于M2源极电位不为0，所以实际上还
存在体效应 – 为了消除体效应，可以将电路稍加改动
– M3源极和衬底相联，消除了体效应
– 该电路满足 VTH 3 VTH 4 ，消除了误差 – 电路所有三极管都工作在饱和状态，所
以，三极管的沟道调制效应仍旧存在。
输出电流仍旧会随电源电压发生一定的 变化
基准电源
• 与温度无关的基准
– 对于双极型三极管：
I C I S eVBE
• 其中
VT
VT kT q
I S k Tni2
• 两个参数都和温度相关 • 根据推导可以得到
VBE VBE 4 m VT E g q T T
基准电源
• 与温度无关的基准
– 对于双极型三极管：
VBE VBE 4 m VT E g q T T
– 则
VBE k ln n T q
– 这个式子具有正温度特性，即：两个VBE的差值
具有正的温度系数
基准电源
• 与温度无关的基准——带隙基准
– 带隙基准（Bandgap voltage reference）是所有基准电压中最
受欢迎的一种，具有与电源电压、工艺、温度变化几乎无关 的突出优点
– 一个带隙基准的组成
R3
基准电源
• 与温度无关的基准——带隙基准
– 在CMOS工艺中可以方便地在n阱和
衬底间生成pnp晶体管 – 用pnp管可以做成原理上和前述电
路相同的带隙基准电源
基准电源
• 与温度无关的基准——带隙基准
– 电路的输出电压即为基准电压
Vout VREF VBE VT ln n
W L I W L
2 1
REF
KI REF
输出电流和初始的环路电流IREF0相关
基准电源
• 与电源无关的基准
– 一个实用的电流源应当有唯一确定的电
流值 – 在电路中M2源极加上源极电阻RS，
PMOS管采用相同的尺寸
– 显然有 I out I REF – 此时 VGS 1 VGS 2 I D 2 RS
R VBE 2 VT ln n1 2 R 3 – 当 ln n1 R2 17 .2 时，Vout的温度系数约为0。 R 3
正温度 系数
– 此时 Vout VBE 2 VT ln n1 R2 VBE 2 17 .2VT 1.25V