电压基准源的设计与仿真
晶体管基准电压源设计_概述及解释说明
晶体管基准电压源设计概述及解释说明1. 引言1.1 概述晶体管基准电压源在现代电路设计中起着至关重要的作用。
随着微电子技术的快速发展，各种集成电路的性能要求越来越高，特别是对于低功耗、高精度和长期稳定性等方面有更高的要求。
而晶体管基准电压源则可为这些集成电路提供一个无需外部供电、具备稳定、可靠且精确的参考电压信号。
1.2 文章结构本文主要介绍了晶体管基准电压源的设计原理以及关键要素，并提供了一套设计方法论用于指导工程师们进行实际电路设计。
同时，通过实验验证和结果分析，将进一步验证该设计方法论的有效性和可行性。
最后，我们将总结研究结果并展望晶体管基准电压源在未来发展中可能面临的问题和改进方向。
1.3 目的本文旨在全面介绍晶体管基准电压源的设计概述、原理解释以及关键要素，以及针对其设计过程提出一套科学合理的方法论。
通过本文的阐述和实验验证，希望能够为读者提供一个清晰的理解晶体管基准电压源设计的框架，并且为今后的研究与实践工作提供有益的参考和指导。
我们相信通过深入了解晶体管基准电压源的原理和设计方法，将有助于推动该领域的发展并应用于更广泛的电路设计中。
2. 正文：2.1 晶体管基准电压源的重要性晶体管基准电压源在电子工程中具有重要作用。
它是一种能够提供稳定和精确的电压参考的电路。
在很多应用中，如模拟集成电路、精密测量仪器和传感器等领域，稳定的参考电压是至关重要的。
晶体管基准电压源可以通过建立合适的偏置和放大机制来产生一个具有稳定性和温度系数良好性能的参考电压，从而保证整个系统的可靠运行。
2.2 晶体管基准电压源的原理解释晶体管基准电压源利用了晶体管特性和偏置技术来实现稳定可靠的参考电压。
通常使用两个相互串联或并联连接的二极管作为温度补偿元件，这样可以消除温度对参考电压产生的影响。
通过适当选择偏置点，并利用晶体管工作在其线性区域，就可以获得一个与温度变化无关且高稳定性的基准电压。
2.3 设计晶体管基准电压源的关键要素设计晶体管基准电压源需要考虑一些关键要素。
1.8VCascode电流基准源设计与仿真
1.8VCascode电流基准源设计与仿真
康赟鑫;苑芳;徐翎;张晓晓;陈明玉;雷嘉懿;孙成帅;吴庆宇;林忠海
【期刊名称】《电子制作》
【年(卷),期】2022(30)13
【摘要】针对传统基准电流源因沟道长度调制效应导致的支路电流不一致的问题,本文从电路分析原理出发,设计了一个Cascode结构的高阻抗电流基准源,详细分析了基准电路内部存在的反馈方式,Cascode电路以及自启动电路的工作原理,对支路电流进行了定性分析。
基于Cadence Spectre仿真工具,完成了电路的设计与仿真、版图的绘制。
通过仿真,在1.8V的电源电压、TSMC0.18μm CMOS的工艺下,电流基准源在达到正常工作状态后两支路能稳定输出10μA的电流且与电源电压无关,并提高了电路的输出阻抗;在-20℃~120℃下,温漂系数为133ppm/℃;电路功耗仅为58.33μW。
符合设计目标。
【总页数】4页(P75-78)
【作者】康赟鑫;苑芳;徐翎;张晓晓;陈明玉;雷嘉懿;孙成帅;吴庆宇;林忠海
【作者单位】山东工商学院;青软创新科技集团股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN7
【相关文献】
1.0.13 μm CMOS电流模式高精度基准源设计
2.高精度、低功耗带隙基准源及其电流源设计
3.电流镜型二次曲率补偿的带隙基准源设计
4.新型电流微调CMOS带隙基准源的设计
5.一种新型CMOS电流模带隙基准源的设计
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基于Cadence的基准电压源设计与仿真
之 差来实现。由于耗尽型晶体管在电路中一般不用，所以这种方 法 在 大 多 数 CMOS电路中也是不用的。虽然这种方法实现的基准 十 分 稳 定 ，但 由 于 增 强 型 和 耗 尽 型 器 件 的 阈 值 电 压 的 灵 敏 度 ，从 而很难准确地确定基准的实际值。(3)用 一 个 PTAT (与绝对温度 成 比 例 ）电路的正温度相关性抵消一个p n 结的负温度相关性。 这 种 方 法 是 双 极 性 和 双 CMOS技术来说现在最常用的方法。一般 地将这种方法实现的电压基准称为带隙基3; V qi
(5)
已知
管 （或基极一发射极结）的电压的差异来实现的。
输出电压公式为：
V^ = Vbe + K V t
(1)
V B E 的温度系数约为-2mV/oC，V T 的温度系数约为0. 085mV/
〇C。对 上 式 求 导 得 ：
The Design and Simulation of reference Voltage Source based on Cadence
Qian Xiang
(School of electronics and technology, Wuxi Professional College of Science and Technology,Wuxi Jiangsu, 214028)
〇引言
基 准 电 压 源 是 模 拟 电 路 中 的 重 要 组 成 部 分 ，它要 求 与 电 源 和 温 度 的 关 系 尽 量 小 。在 集 成 电 路 中 实 现 电 压 基 准 基 本 采 用 以 下 三 种 方 法 ：（1)利用稳压二极管在反偏时的击穿来实现。但是稳压 二极管的击穿电压一般大于目前电路中的电源，所以这种方法不 再 经常使用。(2 )利用增强型晶体管和耗尽型晶体管的阈值电压
一种低功耗低温度系数基准电压源的设计
一种低功耗低温度系数基准电压源的设计低功耗低温度系数基准电压源的设计是指在一定温度范围内，能够提供稳定的电压输出并且功耗较低的电路设计。
这种电压源在很多电子系统中都有广泛应用，例如模拟电路精度校准、温度传感器和精密仪器等。
设计低功耗低温度系数基准电压源时，需要考虑多种因素：1.温度系数（TC）：电压源的输出应该在一定范围内尽可能稳定，温度系数越小越好，以降低温度变化对输出的影响。
2.稳定性：电压源的输出应该具有高稳定性，能够在不同负载条件下保持输出电压恒定。
3.电源噪声：输出电压应该尽可能不受电源噪声的影响，以保证高精度的电压输出。
下面介绍一种常见的低功耗低温度系数基准电压源的设计：温度补偿电路。
温度补偿电路的基本原理是利用两个具有不同温度系数的二极管来抵消温度变化对电压输出的影响。
该电路主要有以下几个部分组成：1.稳流源：由电源提供稳定电流给二极管，保持电流恒定。
2.电压参考源：采用稳定的参考源，如精密电阻电压分压法，获取一个稳定的基准电压。
3.温度感应电阻：放置于二极管的外部环境，实时感应环境温度的变化，并通过差动放大器将其电压信息输出。
4.温度补偿电阻：根据温度感应电阻输出的电压变化来产生一个与环境温度变化正相关的电压，作为补偿电流，输入到稳流源。
5.输出端：输出电压通过一个运算放大器，使其增益为1，来保持其随温度变化的稳定性。
上述电路设计中，温度感应电阻和温度补偿电阻的选取是关键。
对于温度感应电阻，常用的有PTC热敏电阻和NTC热敏电阻，其具有不同的温度系数，可以根据具体需求选择相应的电阻。
温度补偿电阻的选择要根据温度感应电阻和温度系数之间的关系来确定。
一般情况下，温度感应电阻的温度系数应该与稳定电流源的温度系数相同，并且温度感应电阻的阻值要尽可能小，以提高系统的响应速度。
此外，在设计过程中还需要考虑输入电源电压的稳定性、放大器的放大系数、截止频率等。
对于功耗问题，可以通过选择低功耗的元件和合理的电压参考源来降低功耗。
基准电压源设计
= 5.269mV）等
音频或视频
10%绝对基准电压误差
= 声级的1dB误差
与分辨率相比较
基准电压源的1ppm误差相当于20位精度 15ppm相当于16位精度 244ppm相当于12位精度(1/4000)
绝对误差一般通过校准消除
因此重要的是基准电压变化
基准电压源和规格问题
广泛的基础设施和产品基础
模拟放大器将传感器输出转换为4-20mA信号 数据转换器通过4-20mA线路传输信号 HART编码算法现可提供更强的功能
典型4-20mA信号传输器件
AD693将低电平传感器输入转换为4-20mA输出，由环路电源驱动
；同时提供传感器驱动信号
典型4-20mA信号传输器件
无商用器件
跟踪基准电压源具有匹配的正负输出
负基准电压源可以利用运算放大器实现 完整的基准电压源封装内置跟踪功能，性能更好
负基准电压源设计
标准反相运算放大器电路
改进的电路不需要精密 电阻匹配
跟踪基准电压源
高性能跟踪基准电压源AD588利用精密调整电阻实现出色的匹配
跟踪基准电压源
使用四通道运算放大器的多路输出跟踪基准电压源设计 10V、7.5V、5V、2.5V – 其它电压可以设置 需要使用精密电阻
反相运算放大器电路对传感器很有用
电流流向虚拟地，因此传感器上无电压变化 通常比让电流流经电阻更快
用于电源电流检测的高端和低端
光电二极管等效电路
入射 光 光 电流 RSH(T) 100kW 100GW CJ
理想 二极管
注：温度每升高10°C，RSH减半
电流电压转换器（简图）
ISC = 30pA (0.001 fc) R = 1000MW
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）
带隙基准电路设计与仿真
带隙基准电路设计与仿真带隙基准电路是一种用于产生稳定电压参考的电路，它的工作原理是利用带隙参考电压源的稳定性，将其转换为稳定的输出电压。
在电子设备中，带隙基准电路被广泛应用于各种需要稳定参考电压的场合，如模拟电路中的比较器、放大器、ADC、DAC等。
1.确定设计指标和要求：首先需要确定带隙基准电路的设计指标和要求，包括输出电压的精度、波动、温漂等。
这些指标将直接影响到整个电路的设计和性能。
2.选择合适的带隙参考电压源：带隙参考电压源是带隙基准电路的核心部分，选择合适的电压源对于整个电路的性能至关重要。
常见的带隙参考电压源有基准二极管电压源、基准电流源和温度补偿电压源等。
3.设计和优化调整电路：调整电路用于校准输出电压，使其达到所需的精度，也可以用于调整输出电压的温度系数。
调整电路通常由运放、电阻网络和校准电压源等组成，通过合理选择和设计这些元件，可以优化整个电路的性能。
4.进行仿真和优化：在设计结束后，需要进行电路的仿真和优化。
通过仿真可以验证电路的性能，并进行参数调整和优化，以满足设计指标和要求。
5.制作原型并测试：在设计和仿真完成后，可以制作原型并进行测试。
测试结果将反馈给设计人员，并根据需要进行进一步的调整和优化。
设计带隙基准电路需要综合考虑电路的稳定性、精度、功耗和成本等因素。
在选择和设计电路元件时，可以采用一些常用的优化方法，如小信号模型分析、傅里叶级数分析、参数扫描等。
最后，需要注意的是，在设计带隙基准电路时，还应考虑一些特殊因素，如温度变化、噪声干扰、工作电流等影响电路性能的因素，并采取相应的补偿措施。
总之，带隙基准电路的设计与仿真是一个复杂的过程，需要综合考虑各种因素，通过合理的选择和设计来满足设计指标和要求。
一种带隙基准电压源的设计与仿真
Ｅｅ ｔ ｎｃＳ ｉ＆ Ｔ ｃ ． Ｊ １１ ｌｃ ｒ ｉ ｃ ． ｏ ｅ ｈ ／ ｕ ． ５．２ １ ０ １
一
种 带 隙 基 准 电 压 源 的 设 计 与 仿 真
李勇峰 ，黄 娟 ，王 丹 ，王龙业
８０ ０ ５ ００；２ ．西南交通大学 信息科学与技术学院 ，四川 成都 ６０３ ） １０ １
１ ２ ０ ±４ ５ ３ ｍＶ ｔｒｏ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｗｈ ｎ ｔｅ ｐ ｗｅ ｕ ｐ ｙ ｖ ｒｅ ｒ ｍ ｔ ａ ｏ ｍ ｅ ｅａｕ ｅ， ｅ ｈ ｏ ｒｓ ｐ ｌ ａｉ ｓｆｏ ３ Ｖ ｏ５ Ｖ．
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｂ ｎ ｇ ｐｒｆｒｎ ｅ ｅ ｅａｕｅｃ ｅ ｃｅ ｔ ｏ ｐｅ ｎａｙｍｅａ ｘｄ ｅ ｃｎ ｕ ｔｒ（ ＭＯ ） ｙ ｒ ｓ ａｄ ａ ｅｅｅ ｃ ；ｔｍｐ ｒｔｒ ｏｆ ｉｎ ；ｃ ｍ ｌｍｅ ｔｒ ｔ ｏ ｉｅｓｍｉｏ ｄ ｃｏ Ｃ Ｓ ｉ ｌ
Ｌ ｏ ｇｅ ｇ ， ＨＵ ＩＹ ｎ ｆｎ ＡＮＧ Ｊ ａ 。 Ｗ ＡＮ Ｄａ Ｗ ＡＮＧ Ｌ ｎ ｙ ｕ ｎ ， Ｇ ｎ ， ｏ ｇｅ
（ ． ｃ ｏｌｏ ｎ ｉｅｒ ｇ ｉｅ ｎｖｒｉ ，Ｌ ａａ８ ０ ０ １ Ｓ ｈ ｏ ｆ ｇｎ ｅｉ ，Ｔｂ ｔ ｉｅｓｔ Ｅ ｎ Ｕ ｙ ｈ ｓ ５ ０ ０，Ｃ ｉａ ｈｎ ； ２ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｆｒ ｔ ｎＳ ｉｎ ｅ＆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｓ ｕｈ ｅｔ ｉｏｏ ｇＵ ｉｅｓ ｙ ｈ ｎ ｄ １ ０ １ ｈｎ ） ． ｃｏ ｌ ｆＩ ｏｍａｉ ｃｅ ｃ ｎ ｏ ｅｈ ｏｏ ｙ ｏ ｔｗ ｓ Ｊａｔｎ ｎｖｒｉ ，Ｃ ｅ ｇ ｕ６ ０ ３ ，Ｃ ｉａ ｔ
ｃｒ ｕｔｉ ｅ ｉｎ ｄ． Ｔ ｅ ｃｒｕｉ ｉ ｉ ｌｔｄ ｂ ｐｃ ． Ｗ ｈ ｎｏ ｅａｉ ｇａ ｐ ｗｅ ｕ ｌ ｔ ｈｅｔｍｐ ｒｔ ｒ ｉｃ ｉ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｈ ｉｃ ｔ ｓｓｍｕ ａｅ ｙＨｓ ｉ ｅ ｅ ｐ ｒｔｎ ｔａ５ Ｖ ｏ ｒｓ ｐｐｙｗｉｈ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅ
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浅析电压基准源的设计与仿真
[摘要]基准电压源广泛应用于电源调节器、a／d和d／a转换器、数据采集系统，以及各种测量设备中。
近年来，随着微电子技术的迅速发展，低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。
比如，在一些使用电池的系统中，要求电源电压在3 v以下。
因此，作为电源调节器、a／d和d／a转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源，必然要求在低电源电压下工作。
[关键词]基准电压源 a／d 转换器
基准电压源广泛应用于电源调节器、a／d和d／a转换器、数据采集系统，以及各种测量设备中。
近年来，随着微电子技术的迅速发展，低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。
比如，在一些使用电池的系统中，要求电源电压在3 v以下。
因此，作为电源调节器、a／d和d／a转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源，必然要求在低电源电压下工作。
用于高速高精度adc的片内电压基准源不仅要满足adc精度和采样速率的要求，并应具有较低的温度系数和较高的电源抑制比，此外，随着低功耗和便携的要求，adc也在朝着低压方向发展，相应的基准源也要满足低电源电压的要求。
一、电压基准源影响的建模分析
在pipelined adc系统中，基准源的主要作用是为子adc提供比较电平，同时为mdac提供残差电压。
差分基准电压源发生偏移会导致子adc比较电平和mdac残差电压发生变化。
而通过引入冗余
位矫正技术可大大减小差分基准电压源所引起的比较电平变化对
系统指标造成的影响，但是，mdac残差电压变化的影响却无法消除，系统的转移特性曲线仍将会发生变化，从而造成系统指标下降。
其中基准电压源的偏移主要来源于温度和电源电压的影响。
下面分析基准电压源温度漂移特性对dnl的影响。
一般情况下，实际相邻输出与理想相邻输出之间的偏差可以表示为：对于首级精度为3.5位的12位adc，在-40℃～85℃的温度范围内，对温度要求最严格的比较器一般要求基准电压源的最大温漂不超过(7／
8)vdiff。
根据下列两式可以得到dnl对基准电压源温度系数的要求，即温度系数tc≤6.84 ppm／℃。
式中，vt0为室温25℃时的基准电压值。
二、分析电路设计及原理
1.传统带隙基准的分析。
传统的带隙电压基准结构中，通过具有正温度系数的vt和一个具有负温度系数电压vbe的线性组合，在输出端得到一个对温度恒定的稳定输出vref。
但是在实际应用中，补偿vref中得不到补偿的高阶电压分量是设计的关键。
高阶温度系数主要来自于双极晶体管的温度特性。
经过整理得到：
根据上式可知在大部分工艺下，通过调节电路，一阶系数项可以很容易消除。
但是由于工艺参数r的值和由电阻引入的系数δ不能很好的抵消，使得高阶电压分量仍然存在。
即c2项不可能消除，导致温度系数不能达到足够低。
2.改进的高阶补偿带隙基准源。
为了得到温度系数足够低的带隙基准源，高阶温度系数需要进一步补偿，在传统的电路基础上，加入补偿电路结构：由于运放a3的增益很大，运放强制q2和r4的端电压相等，则i4=vbe，q2／r4，电流镜使流过晶体管q3的电流：从而在q2，q3的vbe之间产生一个差值tln t项。
这个差值项通过运放gm1，gm2被引入到ir1中来修正vbe,q1中的高阶项。
输入端连接v1，v2和v2，v3的四输入运放，其输出端连接在一起，因此他们具有相同增益a1，各参数完全相同，即输出阻抗也相同：对于管子q1，q2，他们完全相同，所以他们的端电压只和他们集电极流过电流相关。
令(常数b1，b2由电阻阻值，温度系数和管子vbe 电压控制；gm1，gm2是运放a1的输入端跨导，由输入对管子的宽长比和静态工作点决定)在实际设计中，通过调节gm1，gm2来调节降低高阶项，调节r4来消除一阶项。
最后进行反复优化可以获得很好的温度系数。
3.整体电路分析。
这里提出的电路结构，系统由四个模块组成：省功耗和偏置电路、运放、基准电压输出模块和高阶曲率补偿。
基准核心结构和高阶曲率补偿电路部分的工作原理在前面分析的改
进带隙基准中有重点讲过。
上图左边所示的功耗控制开关vc1，当vc1为低电平(0)时，m6导通，m4关闭，则m7栅极点电位为高，m7关闭，则m7支路电流为0，电流镜m10，m11镜像m7支路电流，导致差分放大器的尾电流为0，差分放大器没有工作，整个电路都没有工作，处于省功耗状态；当vcl为高电平(3.3 v)时，m6关闭，
m4导通，则m1到m6组成的偏置电路为m7栅极提供合适的偏置电压。
cascode结构(m8，m9，m10，m11)的偏置是由电压自偏置来实现的。
同时m10，m11复制m7支路电流，m12，m13电压自偏置，为尾电流源提供偏置电压。
该偏置电路提供一级折叠式共源共栅运放电路中所用的所有偏置电压。
在实际电路中，为了满足匹配，偏置电路中管子的长度应该与运放中相应的管子长度相等。
运算放大器是带隙电压基准源电路中的关键部分之一，其环路增益和电路的失调决定了基准源输出的精度和稳定性。
为了增加电路的稳定性和降低电路的复杂度，在此尽量采用具有高增益的单级运放，而不采纳二级补偿运放。
高增益的单级运放包括套筒式和折叠式运放两种，由于运放连接反馈回路，套筒式运放因输出摆幅太小而不使用，在此使用折叠式运放。
三、仿真结果
1.温度特性的仿真。
采用0.5cmos工艺对电路的温度特性、启动特性和电压抑制比进行了仿真分析。
根据温度特性仿真曲线，仿真扫描温度范围为-40℃—125℃。
其温度变化幅度约为0.42mv，温度系数约为11ppm／℃。
由于μn与μp的温度系数略有不同，使得最后的基准电压还是与温度有关。
相比，实现了温度的二阶补偿。
可以看到电压近似为负温度系数。
因此利用它的这一性质在中实现了一阶温度补偿，可以用于产生线形特性的电压vbe。
2.启动电路的仿真。
随着电源电压的身高，基准电压的输出在大约200us后达到稳定值。
启动电路能正常上作。
3.电源抑制比的仿真。
仿真激励为在室温下，在直流电源上叠加一个1v的交流信号。
测量基准源输出的变化，可以看到在100hz 和10mhz时，电源抑制比分别为-58.6db和-40db。
对比数据，得到了改善。
原因是当电源电压波动时，管的衬底电位会跟随变化。
该特性满足开关电源和ldo应用要求。
与其他许多高阶曲率补偿带隙电路相比，本文提出的这种带隙基准电压源，具有低电压低功耗和低温漂的优点，且与标准cmos工艺兼容，结构新颖，综合性能优异，完全符合设计要求。
可以很好地应用于高精度比较器、a／d和d／a转换器等模拟集成电路中，该电压源采用0.35μm cmos工艺，spectre仿真表明，在-40～100℃时，其温度系数为2 ppm。
这种带隙基准可用于14位pipeline adc 中，应用前景广泛。
参考文献：
[1]10位40msps模数转换器片内基准电压源设计.电子信息设计网，2008.4
[2]14位pipeline adc设计的带隙电压基准源技术.
[3]电压基准源的设计与仿真.电子工程世界.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以pdf格式阅读原文。