bandgap仿真
模拟集成电路设计实习培训内容介绍
模拟集成电路设计实习培训内容介绍培训目的经过本培训，学员将会学到在模拟集成电路设计过程中的绝大部分环节。
1.学会使用数模混合集成电路设计EDA工具进行简单的模拟集成电路设计的流程，包括Cadence的Virtuoso原理图输入、版图设计，Cadence的Spectre电路仿真，及Mentor Graphics 的Calibre版图规则检查（DRC）、电路图版图一致性检查（LVS）。
2.学会使用三大常用的仿真方式（DC，AC，以及Transient）来对电路进行性能的验证与设计参数的调整培训内容本培训首先设计一个运算放大器，在该放大器中采用了一个理想的电流源做偏置。
接着设计一个带隙基准源（Bandgap reference）来提供这个运算放大器中用到的电流源，然后对整个电路进行仿真验证。
整个电路Lab_top电原理图以及仿真激励如下图所示。
最后，参加培训的学员要求对所设计的Bandgap reference进行版图设计以及DRC、LVS检查，时间充裕的学员进一步设计运算放大器的版图及对其进行DRC/LVS的检查。
图1-0 Lab_top 原理图上图中的运算放大器（opam）电路如下图所示，值得注意的是，该运算放大器需要一个current sink做偏置，该current sink由上图中的NM1来提供。
其中的bandgap电路如下图。
Schematic 到layout的Quick start一、Schematic (opam)1. 运行虚拟机vmware；2. 在虚拟机界面中打开并运行CentOS.vmx；3. 用户登陆，登录名：eda，登录密码：123456；4. 界面按鼠标右键->选Open Terminal进入eda根目录下的命令行界面；5. 输入csh并回车；6. 输入icfb&命令后台运行Cadence的工具进入icfb界面。
图1-1 icfb的主界面在icfb中，任何一个电路，不论是已经存在的可以引用的库，还是用户新建立的一个电路，都是一个library. 一个library一般有若干个Cell(单元电路)，每个cell由多个CellView组成，CellView可以是schematic(电路原理)和layout（版图）或symbol（符号），或者其他Cadence工具所调用的hspiceS等。
模拟IC设计进阶课程内容
一、低功耗蓝牙（BLE）Transceiver系统结构
BLE Transceiver LDOs
VGA ADC
3V VDDIO GNDIO
+
LNA
-
0/90
LPF/BPF Filter
VGA
RFp RFn
ADC
4.8GHz VCO
PLL
DCXO
VGA
DAC
PA
0/90 DAC
VGA
一、低功耗蓝牙（BLE）Transceiver系统结构
模拟IC设计进阶 课 程 内 容
主讲人：Chris
目录 Agenda
一 低功耗蓝牙（BLE）Transceiver系统结构介绍
二 CMOS工艺有源及无源器件介绍
三 gm/Id设计方法介绍及曲线仿真 四 Bandgap电路仿真及版图设计 五 LDO电路仿真及版图设计 六 有源低通滤波器（LPF）仿真及版图设计
二、 CMOS工艺有源及无源器件介绍
MOS晶体管、BJT、电阻、电容、电感等
三、 gm/Id设计方法介绍及曲线仿真
、 Bandgap电路仿真及版图设计
五、 LDO电路仿真及版图设计
六、有源低通滤波器（LPF）仿真及版图设计
六、有源低通滤波器（LPF）仿真及版图设计
bandgap环路稳定性
vrefbM2(1) (2)理论探讨：图(1)中环路的反馈系数12(R)va-bvm a m bg R g vcvFc vc-==当12m mg g=时12Rm a m bF g R g=-，其中222R||Rb ds be be aR R R=≈<<所以1m aF g R≈，环路增益为A V F，只要单位环路增益的GBW处能稳定就好了。
介绍两种我曾经放仿真过的方法：法1、如图（2）所示，可以将电感取大一点起到隔交流通直流的作用。
c点添加一个交流信号源，通过环路反馈到d端，仿真的时候看0dB时电路是否稳定，由于C点输入d点输出两者之间不存在电压差，c和d两点的相位相同，所以看0dB处相位为0度或者360度电路均稳定。
图（2）这种仿真结构是有缺陷的，电感将放大器的输出端和c点隔离开来，实际上是忽略了放大器的反馈电路的负载效应。
看电路单位增益带宽时的相位是否达到360°是不够精确地。
如：odB时相位为340°，有可能误认为电路没有稳定，会震荡，但是实际电路的负载效应的影响可能已经稳定了。
方法二可以更好的仿真验证环路稳定性。
法2、在（1）图VCC不加直流电压，加一个阶跃方波信号，看vref的瞬态曲线。
如果曲线如黑色线：代表相位裕度过剩，不利于转换速度提高。
红色曲线：表示相位裕度最差。
有点震荡。
蓝色曲线最理想：一个向上的波峰。
相位裕度最理想。
bandgap设计及仿真介绍
Q1
7.功能的进一步优化
R2
R3
I1 I2
VR1
在这个图中，将上图中 的R2和R3两个普通电阻 分别换成了由两个MOS 管串连，其中一管栅极 接地的结构。此结构称 为cascode结构。
R1
Q2
Q1
8.下面来看开始提出来的实际的电路结构
• 1.为上面一排P管提供栅极偏置电压的电压是 二极管的偏置电压，所以是稳定电压。 • 2.此处相当于原型的R2=R3（比较一下R2所代 表之cascode结构和R3所代表之cascode结构 其各端点电压和几何结构参数完全相同，所以 静态和动态阻抗也完全相同）。由前面VR3上 压降表达式可知，VR3上压降与电源电压无关。 所以运放输出端对地电压=二极管上压降+ VR3上压降，也是一个稳定电压。
R1
Q 2
Q1
KT项其实是两只稳压管的be结电压
R3
R2
之差，这个电压我们是通过负反馈 运放虚短用R1电阻取得的。我们又 通过负反馈的作用使得I1/I2固定于
I1
I2
VR1
R1
R2/R3，从而使得K值独立于温度和
Q 2
VREF
电源电压。最后，通过R1与R3的电 压线性比例关系得到在R3上的温度 补偿电压。
1
V
Q
R E F
2
Q
1
V REF = V BE 2 + V R 3
（VR3即是我们要构造的KT项）
VR 3
R2 = I 2 R3 = I 1 R2 = VR1 ∗ R1
VR1 = VEB 2 − VEB1
kT J 2 kT J 1 k I 2 AE1 = ln J − q ln J = q ln I A ∗ T q S2 1 E2 S1
bandgap电路原理
bandgap电路原理
Bandgap电路原理是一种电子电路技术，可以有效保护电路免受电压变化的影响，同时维持电路的稳定性。
它的原理是利用半导体特性，使电路的电压曲线产生一个斜率变化，从而形成一个“断层”现象，即“bandgap”。
bandgap电路的工作原理是，将两个不同电压源连接到电路中，使电路中的每个部分都具有不同的电压。
当电压发生变化时，电路中的每个部分也会发生变化，从而使整个电路呈现出一个斜率变化，形成一个“断层”现象，即“bandgap”。
在这种现象下，电路的稳定性可以得到有效保护，从而有效地避免了电压变化对电路的影响。
bandgap电路的应用非常广泛，主要用于电压变化的保护，以及电路稳定性的维护。
它可以用于计算机系统中的电源稳定器，以及一些复杂的电路控制系统，这些电路控制系统中可能会受到电压变化的影响。
另外，bandgap电路也可以用于电子产品的设计。
例如，在设计数字电路中，bandgap电路可以用来提供可靠的电压和稳定的电路工作环境，从而使得数字电路更加稳定可靠。
此外，bandgap电路还可用于调节和控制其他电路，如模拟电路、数字电路、接口电路等。
总之，bandgap电路是一种电子电路技术，可以有效地保护电路免
受电压变化的影响，同时维持电路的稳定性。
它的应用非常广泛，可以用于电源稳定器、复杂电路控制系统、数字电路和模拟电路等。
可靠性仿真典型案例(模拟)
一、模拟电路的仿真案例1. 整体电路功能说明过流检测电路用于监视电路工作电流的大小，当电路负载上的电流超过某一数值，电路会给出报警信号。
检测电流可以在流入负载一侧取样，也可以在流出负载一侧取样，这两种检测方法可以分别称为高端和低端电流检测。
它们都是通过取样电阻采样电流然后通过电压放大器放大，都要求放大器有较高的输入阻抗、放大倍数线性度和一定的共模范围。
以下时一个可能的应用场景，0.1欧姆的电阻串接在1.8V电源和负载之间，一个仪表放大器将0.1欧姆电阻上的电压放大100倍（实际略低）后输入给运放的正相输入端，带隙电路产生的基准电压输入给运放的反相输入端，3.3V的电源给仪表放大器、基准和运算放大器供电，其中仪表放大器是由三个运算放大器组成的。
该电路一共由4个运算放大器模块和1个带隙基准模块组成，电路元件总数超过300个。
1.8V电源上的负载电流超过某一个设定值，运算放大器会输出一个高电平的报警信号。
总体电路的电路图如图1-1所示，总电路包括偏置电压模块bandgaptest1、由3个基本运放组成的仪表放大器yifang和输出级运放cmop。
图1-1 过流检测总电路图2.使用自建模型进行可靠性仿真本方案使用reliability.scs可靠性模型文件传递所需的模型参数，建模的所有步骤都是基于Cadence软件的Spectre中的URI接口，接下来分别用自建模型对偏置电压模块、运算放大器、总体电路进行可靠性仿真。
2.1 带隙基准电压电路可靠性仿真打开已经设计完整的带隙基准电压电路，界面显示如图1-2：图1-2带隙基准电压源电路图图1-3 等效电路结构图(a)图1-4 等效电路结构图(b)错误!未找到引用源。
-2是详细电路图，该电路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△V BE的正温度系数与双极型晶体管V BE的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压。
monte carlo
1. 各位，蒙特卡洛分析很重要，之前论坛上有相关的帖子，但是没搞出有价值的结果出来...1、“蒙特卡洛是非常有用的工具，不做这个分析，你都不知道自己的设计原来不是一般的弱，以为仿真结果还不错呢”2、“实际上蒙特卡洛分析还是相当有用的，其仿真结果比Corner仿真应该更贴近实际应用中的情况”3、“差分放大器的offset只有MC仿真可以得到结果，psrr,cmrr两个强烈依赖于MC仿真”4、“bandgap的初始误差也是要用这个仿真来验证的”5、“Monte Carlo分析是可以初步估计设计的IC在实际工艺中的成品率以及受Mismatch 和温度影响导致的IC性能下降的可能性。
”2.。
不能说mc, corner哪个更重要，不是所有电路都需要做mc,但是基本都得跑corner, 有时间可以做global_corner_localmc,最精确了。
3. 实际上以上的说法都比较局限，很多只是在描述仿真现象，而不是在讨论本质问题。
1 蒙特卡洛分析只是一种分析方法，不用cadence的蒙特卡洛工具也一样可以完成。
更关键的是厂家的失配模型。
很大一部分厂家不提供失配模型。
可能就一些失配曲线而已。
我们需要自己想办法得出失配参数。
2 失配模型和参数是死的，这和版图有很大关系。
在失配模型中没有考虑版图的问题，我们需要自己能估计出来最终流片后的失配结果。
所以在失配的分析中，关键还是在设计师。
3 共模抑制和电源抑制本来就是一体两面的。
失配当然会影响平衡，从而影响这两个参数。
说失配影响哪个参数更多一些，是属于理解问题不够深刻造成的。
简单的说，这和电路结构有关。
4 不考虑失配的模拟工程师不算模拟工程师。
不能准确理解和预测失配的模拟工程师不是合格的模拟工程师。
大家可以从研究报告和大量测试中得到相关的经验。
------------说的不错，只是工具而已，工厂有可能给你提供一些标准尺寸的分布，但是模拟电路多数都不是标准尺寸而且不同的LAYOUT做出来差异很大的。
BandGap设计心得
Bandgap也算模拟电路里的重要角色了，差不多可以说有模拟电路的地方就有Bandgap。
从原理上说，目前用的bandgap都离不开两个东西，一个是deltaVbe，一个是Vbe。
前者产生的是一个kt/q形式电压，后者产生的是一个随温度准线性的电压。
而bandgap的输出就则由这两个电压线性组合决定。
至于为什么有温度系数，从最大的因素上说，就来自于Vbe，VBe只是随温度准线性，而另一个电压则是线性度很好的。
原理上知道了，在实际中怎么设计？Vbe好说，就是给二极管（或者说三极管）一个电流。
deltaVbe则离不开一定形式的反馈。
从大的角度讲，一种是用opa设计的，一种是用镜像电流镜设计的，从反馈的角度看，这两种电路是完全不同的。
用opa设计的是一个负反馈，更严格的说，是有两个反馈支路，一正一负，而一定要负反馈强于正反馈，保证整个系统是负反馈。
另一种上面一个电流镜，下面一个电流镜，只是下面电流镜加了diode做degeneration。
这个从系统的角度讲是正反馈，正反馈如果用在电路里，就一定要保证环路增益小于1才能稳定.由于稳定性的要求，所以这两种电路都不能随便把左右互换。
至于仿真稳定性，对于用opa设计的负反馈电路，我的观点很明确，必须把正负反馈两个支路合起来仿真稳定性，否则仿真结果没有任何意义（如果有人争辩说，不是已经理论分析得出了正反馈弱于负反馈吗？那我就要反问仿真的意义是什么？）。
对于正反馈，我不是很清楚稳定的判据，所以一般都是看看增益是否会超过1.在实际的应用中，我很少碰到有很强调温度系数的设计，这似乎和学校里的要求刚好相反。
这也许是因为我设计的电路中ADC和DAC很多都不是测量用的。
偶尔碰到那么几个，其指标也在10bit左右，看了看别人产品的datasheet，也只要求30-60ppm。
与其强调温度系数，反倒不如强调随工艺变化造成的静态输出变化。
所以对于如何在工程上实现一个很好温度系数的bandgap我很感兴趣。
CMOS模拟集成电路实训-Bandgap
R3
ln n
R2
VDD
Y
A1
R3
n
Q2
VREF
电路实现
VDD M2
R1
R2
M1
M0
R3
M3
M4
Q1
n Q2
M6
M7
VREF
IBIAS M5
两种结构的性能比较
1.驱动能力 PTAT基准不能直接为后续电路提供电流，需要在带隙电压基准和后
续电路中加入缓冲器才能提供电流。 2.面积
运放输出基准需要使用3个电阻，并且在Q1和Q2的比值n较小的时候， 需要使用更大阻值的R1和R2。因此消耗更多的芯片面积。
M R2 17.2 R1 ln n
VDD
M5
M6
M
M8
I1
A 1
I2
I3
X
Y
VREF
R1
R2
n
Q2
Q3
Q1
电路实现
VDD M5
M3
M4
M0
M1
R1
M2 Q1
M6
M7
M8
VREF R2
M9
Q2
Q3
内容
• 带隙电压基准的基本原理 • 常用带隙电压基准结构
– PTAT带隙电压基准 – 运放输出电压基准
射极电压的差值（ΔVBE）与绝对温度成正比 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
IC IS exp(VBE VT )
其中，VT kT q 。利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为
VBE VBE (4 m)VT Eg q
bandgap设计流程
bandgap设计流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1
gM1 rO2 // rO456
rO1 // rO456 / IZ
gM3 / gM2
1 gM2 RS gM3 / gM2
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29/32
Iout VS Vdd
Current / nA Current / nA
40
35
30
25
20
15
10
Conventional
Cascode
5
Triple-Branch
gM2 rZ
PSR dIZ / IZ dIZ / IZ VZ
dVdd
dVZ Vdd
1
RS
g -1 M1
//
rO1
/ IZ
r g r Z M4,5,6
-1 O4,5,6
1 gM4,5,6rX
1 gM1gM4,5,6rX rY gM1gM2 gM4,5,6rX rY rZ
PSR
gM4,5,6
dVZ
VZ Vdd
dVdd
VZ VX
dVX
VZ Vdd
VZ VX VX Vdd
VZ VX VY VX VY Vdd
VX VY VZ VY VX Vdd
dVdd
VX VY
VY VX
VY VZ
VZ VX
dVZ
VZ Vdd
VZ VX
VX Vdd
dVdd
VBE
T
VG
T
T Tr
VG
Tr
T Tr
VBE
Tr
kT q
ln
T Tr
IC VT ln N / R
参考文献：朱颖等，一种新型的高 性能带隙基准电压源，江南大学学 报。
18/32
PSRR仿真结果
改进后的PSRR 增加了10dB
2007-4-27
19/32
本组已设计电路6
25.0
24.8
24.6
24.4
24.2 -20 0
20 40 60 80 100 120
Temperature / oC
利用不同温度特性的电阻配比来补偿迁移率的负温度系数
2007-4-27
31/32
2007-4-27
32/32
VX VY VZ VBE1
2007-4-27
I VBE1 R1
10/32
本组已设计电路3（BG）
A
R0
I0
R2
Q1
Q2
Q3
IPTAT
X
I1
I3
Q4
M1
Current reference
Y R3 I2
VB VA I0R2 VBE3
R6
VREF R5
VT ln R0
N
R2
VBE3
VREF
0
0
1
2
3
4
5
V /V dd
25.8 25.6 25.4 25.2 25.0 24.8
1
Conventional Cascode Triple-Branch
2
3
4
5
6
V /V dd
2007-4-27
30/32
三支路bias电路的温度特性
25.4
Triple-Branch
25.2
Current / nA
21/32
Vout VS Vdd
2007-4-27
22/32
目前性能较好的几种电路
2007-4-27
23/32
高阶温度补偿的带隙基准电路1
I NL
VBE1 VBE2 R3
VT R3
ln
IC1 A2 A1I C 2
VT R3
ln
NI PTAT I NL ICons tant
PSR
1 rO3,4
1 rY,N
/
IX
1
1 gM2RS gM2RS gM2
/
gM1
2007-4-27
28/32
三支路bias电流源－提高PSRR
M4 X
M1
Vin=Vdd
M5
M6
Y
Z
g r M4,5,6
-1 O4,5,6
g r M4,5,6
-1 O4,5,6
g r M4,5,6
-1 O4,5,6
Bandgap
2007-4-27
1/32
主要内容
bandgap 基本原理 本组已设计的几种电路 目前性能较好的几种电路 三支路bias基准电流源
2007-4-27
2/32
Bandgap 基本原理
2007-4-27
3/32
Basic principle of Bandgap
R1
R2
X
+
A
Y
-
AV
dVX dVdd
VX Vdd
VX VY
VY Vdd
1
VX VY
VY VX
PSR dIX / IX dIX / IX dVX
dVdd
dVX dVdd
gM1
1 rO1
/
IX
gM3,4
1 rO3,4
1 gM3,4rY
rX 1 gM2 RS 1 gM2 RS gM2 gM3,4rXrY
本组已设计电路1（LDO）
VREF Start up
I
R3
R1
R2
X
+A
Y
-
I1
I2 R0
Q1
Q2
VREF IR3 I2 R2 R0 VBE2
2R3
R2
R0
VT ln R0
n
VBE
2
工艺：CSMC 0.6um
2007-4-27
6/32
TC 仿真结果－－Vdd＝5V
TC仿真结果 （PPM/K) ff：6.77572 fs：4.56154 sf：4.3748 ss：4.54807 tt：4.50542
A Q1
nA Q2
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VREF
VBE 2
(R2
R3
)
VBE1
VBE R3
2
VBE 2
(1
R2 R3
)( kT q
) ln
N
工艺：TSMC 0.25um 最终结果： ＜10PPM/K
16/32
本组已设计电路5
Vbias1
M1
M2
MN1
MN2
M3
M4
I1 I2 VT ln N R1
M3
VREF
R1
R2
-
+ A1
R3
-
+
Q1
Q2
Core circuit
VBE
T
VG
T
T Tr
VBE
Tr
VG
Tr
M2
M1
I1
I2
kT q
ln
T Tr
+ A2
-
X
VBG
VG
T
T
Tr
VBE
Tr
VG
Tr
1
1
R1 R3
(k) q
ln
N
R1 R3
gm2 gm1
工艺：Bipolar
Reference: G.M.Meijer et. Al., “A New CurvatureCorrected Bandgap Reference,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.17, NO.6, PP. 1139-1143, DEC,1982.
26/32
Bias 三支路基准电流源
2007-4-27
27/32
三支路bias电流源－提高PSRR
Vin=Vdd
M3
M4 V1
gM3,4
r -1
O3,4
gM3,4
r -1
O3,4
V2
gM3,4
Vout=VX
VY
M1
M2
gM2
Rs
1 gM2RS
rX
rY
经典bias电路： 存在V1－V2－V1正反馈支路
VX VY
VY VX
VX VY
VY VZ
VZ VX
dVZ
M2
M3
VX
gM4,5,6
VY
Vout=VZ
AV
VZ Vdd
VZ VX
VX Vdd
1
VX VY
VY VX
VX VYBiblioteka VY VZVZ VX
CC
Rs
gM1
rX
rY
Bias
三支路bias电路： 存在VX－VZ－VY－VX负反馈支路
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7/32
本组已设计电路2（LDO2）
IR0 VT ln 2N / R0
VREF VBE3 VBE4 VR2
VBE3
VBE 4
3VT
ln 2N R0
R2
工艺：CSMC 0.5um
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8/32
TC仿真结果
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9/32
该电路特点－－产生了负温度系数电流
I1
I2
R3
A Q1
nA Q2
I2 R3 VBE1 VBE 2
kT ln n q
VREF
VREF I2 R2 R3 VBE2
kT ln n
q R3
R2 R3 VBE2
1
R2 R3
kT q