带隙基准电路ppt
合集下载
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)/(exp 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 -=+exp 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 。
第8章 带隙基准
264
第8章 带隙电压基准
电压基准是模拟电路设计中不可或缺的一个单元模块。它为系统提供直流参考电压， 对电路性能，例如运算放大器的电压增益和噪声都有着显著的影响。在本章中，主要讨论 在 CMOS 技术中电压基准的产生，着重于通用的“带隙”技术。首先，将研究带隙电压基准 的基本原理，并介绍常用的带隙电压基准电路结构，以及衡量带隙电压基准性能的方法， 接着将针对其中的一种结构介绍带隙电压基准的设计流程，随后将分析带隙电压基准输出 噪声和仿真方法，最后将介绍一种低温漂带隙电压基准的结构和设计流程。
266
8.2.2
正温度系数电压
IS 为双极晶体管饱和电流)偏置的集电极电流分别为 如果两个同样的晶体管(IS1=IS2=IS， 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 ΔVBE 为：
ΔVBE = VBE1 − VBE2 = VT ln nI 0 I − VT ln 0 I S1 I S2
α⋅
∂V+ ∂V +β⋅ − =0 ∂T ∂T
(8-3)
这样就得到具有零温度系数的基准电压，其原理如图 8- 1 所示。式（8-4）为基准电压的基 本表达式。
VREF = α ⋅ V+ + β ⋅ V−
(8-4)
图 8- 1 带隙电压基准的一般原理
由于双极型晶体管 （BJT） 有以下两个特性： 1)双极型晶体管的基极-发射极电压 （VBE） 电压与绝对温度成反比；2)在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发射级电压 的差值（ΔVBE）与绝对温度成正比。因此，双极晶体管可构成带隙电压基准的核心。 8.2.1 负温度系数电压 对于一个双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）的关系为：
带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析PPT课件
第5页/共21页
BandGap电路原理图
第6页/共21页
与电源无关的偏置电路
BandGap偏置电路主要通过改变电阻R1的 值使得电流稳定在18uA左右，NM12采用二极 管的连接方式得到一个对电源Vdd不敏感的偏 置电流Iref，通过NM13的尺寸比例将Iref自举到 Iout，使得Iref和Iout满足一定的比例关系并与 Vdd的变化无关。
第20页/共21页
感谢您的观看！
第21页/共21页
T q
VBE
第4页/共21页
零温度系数的基准电压
• 利用双极晶体管的正，负温度系数电压，可设计出一个零温度系数的基准。
• 令 =1，
=-1.5
VREF V对BE上式两(边VT分l别n n对)温度T求导，得到零温度系数的基准：
VBE T
mV 。K VT T 0.087
ln n 17.2 VREF VBE 17.2VT 1.25V
第14页/共21页
不同电压的温度扫描
图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，ff的工艺模型下 的DC仿真。可以看出，输 出电压为1.255V到1.275V 之间，温漂系数为
第15页/共21页
不同电压的温度扫描
图示为电源电压为 3.3Vrestypical， captypical，diotypical， biotypical，（tt，ss，ff， sf，fs）的工艺模型下的 DC仿真。可以看出，输 出电压为1.235V到 1.265V之间。温漂系数均 小于20ppm，（ss情况下 为26ppm）
第19页/共21页
图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，ss的工艺模型 下的DC仿真。可以看出， 输出电压为1.225V到 1.25V之间，温漂系数为
带隙基准电压源PPT课件
∑
VREF a1VBE a2VT
VREF T
a1
VBE T
a2
VT T
0
利用上面的正、负温度系数电压，我们可以设计出一个令人满 意的零温度系数带隙基准电压源：
因此令 a1 1
VREF VBE a2 (VT ln n)
原理
室温附近：
VBE / T 1.5mV / K VBE k ln n 0.087 ln n(mV / K )
而目前产业界用得最多的电压基准源就是带隙基准电压源，几乎在 绝大多数的芯片都能看到带隙基准电压源的身影！在模拟集成电路设计 的三大教材中也专门对此进行了讲解说明：
原理
半导体工艺中具有正温度系数和负温度系数的两种电压： • 负温度系数的PN结电压VBE • 正温系数的热电压VT
为了产生零温度系数电压基准信号可将负温度系数的PN结电压 VBE和正温度系数的热电压VT进行组合即可实现，这样就会得到零 温度系数（ZTC：Zero Temperature Coefficient）带隙电压基准源。
17.2 -17.1455
100 % 0.32%
误差很小，说明实验效果很好。 17.2
谢谢观看
廖方云 4031431807
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/26
那么我们首先来回顾一下上面提到的两种随温度变化的电压：
• PN结结电压 • 热电压
原理
将与绝对温度呈正比例变化的电压VT 和与绝对温度呈反比例变化 的电压VBE进行线性组合从而产生带隙电压基准源。
与绝对温度呈反比电压
VBE VCTAT
a1
与绝对温度呈正比电压
VT VPTAT
《带隙基准电压源》课件
带隙基准电压源 的发展趋势与展 望
技术创新方向探讨
提高精度和稳定 性：通过改进电 路设计和材料选 择，提高基准电 压源的精度和稳 定性。
降低功耗：通过 优化电路设计和 采用低功耗器件， 降低基准电压源 的功耗。
集成化：将基准 电压源与其他电 路模块集成，提 高系统的集成度 和可靠性。
智能化：通过引 入智能控制算法， 提高基准电压源 的自适应能力和 抗干扰能力。
测试设备：包括电压源、电 流源、示波器、万用表等
测试步骤：按照测试标准进行， 包括设置参数、测量数据、分 析结果等
评估标准及流程详解
评估标准： 精度、稳 定性、温 度特性、 电源抑制 比等
评估流程： 测试准备、 测试实施、 数据分析、 结果评估 等
测试准备： 选择合适 的测试设 备、设置 测试条件 等
感谢您的观看
汇报人：PPT
案例一：用于ADC/DAC转换器的基准电压源设计
应用背景：ADC/DAC转换器需要稳定的基准电压源 设计要求：高精度、低噪声、低功耗 带隙基准电压源的优势：温度稳定性好、精度高、功耗低 设计方法：选择合适的带隙基准电压源芯片，进行电路设计和调试 应用效果：提高了ADC/DAC转换器的性能和稳定性
案例二：用于PLL锁相环的基准电压源设计
设计过程中需要注意电压源的稳定性和精度 优化建议：采用高精度的电阻和电容，提高电压源的稳定性 注意电源噪声对电压源的影响，采用滤波器进行抑制 优化建议：采用低噪声的电源，提高电压源的精度 注意温度对电压源的影响，采用温度补偿技术进行校正 优化建议：采用高精度的温度传感器，提高温度补偿的精度
带隙基准电压源 的应用案例分析
功耗：带隙基准电压源的功耗较低， 适合在低功耗系统中使用
《带隙基准电压源》课件
设计带隙基准电压源的反馈环路，以实现输出电压的稳定和调节。
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。
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。
带隙基准电压源课件
成本控制
通过改进工艺、提高设备利用率、降 低原材料消耗等方式降低成本。开发 新型材料和工艺，提高产品性能和降 低成本。
优化工艺参数和设备性能，提高工艺 稳定性和良品率。加强过程监控和数 据分析，及时发现并解决问题。
带隙基准电压源测试与评估
测试方法介绍
测试原理
基于带隙基准电压源的工作原理， 采用合适的测试方法对其性能进 行评估。
发展历程及现状
发展历程
自20世纪70年代起，随着半导体工艺和集成电路技术的发展，带隙基准电压源 逐渐得到了广泛应用。近年来，随着物联网、汽车电子等新兴领域的快速发展， 对带隙基准电压源的需求不断增加，推动了其技术的不断创新和进步。
现状
目前，带隙基准电压源已经形成了较为完善的理论体系和技术体系，各种高性能、 低功耗、小尺寸的带隙基准电压源产品不断涌现，满足了不同领域的应用需求。
带隙基准电压源在工作过程中可能会受到电源噪声、温度变化等因素的
影响，导致输出电压的不稳定，甚至产生较大的误差。因此，如何降低
噪声干扰、提高稳定性是亟待解决的问题。
02
精度与功耗的矛盾
高精度带隙基准电压源通常需要消耗较大的功耗，而低功耗设计又可能
导致精度的下降。因此，如何在保证精度的前提下降低功耗是一个重要
运算放大器选择
选用低噪声、高增益、低 失调电压的运算放大器， 以提高电路的性能指标。
电源电压选择
根据电路的工作电压范围， 选择合适的电源电压，以 保证电路的正常工作。
版图设计与实现
元器件布局
合理的元器件布局可以减 小电路中的寄生效应和噪 声干扰，提高电路的性能 指标。
电源线、地线设计
电源线、地线的设计要考 虑电流的大小和方向，以 避免电源噪声对电路的影响。
11 第十一章 带隙基准(1)
=1.5 mV/0K，也就是说，α2lnn≈17.2时，显示了零温度系数：
VREF ≈ VBE + 17.2VT ≈ 1.25V
现在设计一个电路使VBE增加至17.2VT。考虑图中的 电路，其中的基极电流被忽略，晶体管Q2由几个并联 的单元组成，Q1是一个单元的晶体管。设想我们以某 种方式使V01和V02相等。于是，VBE=RI+VBE2且
¾在忽略沟道长度调制效应时图（a）和（b）电路几乎不受电源的 影响。正因如此，该电路中所有的晶体管均采用等长的沟道长度。
Strictly Confidential - Do Not Distribute – Copyright 2010
10
启动问题
¾独立于电源偏置的一个重要问题：存在“退化”偏置点。
第十一章 带隙基准
金湘亮 博士 xiangliangjin@
Strictly Confidential - Do Not Distribute – Copyright 2010
1、概述 2、与电源无关的偏置 3、与温度无关的基准 4、PTAT 电流的产生
Strictly Confidential - Do Not Distribute – Copyright 2010
1
独立于电源的偏置（1）
如图(a)所示，如果IREF不 随VDD而变化，并且忽略 M2和M3的沟道长度调制效 应，那么ID2 和ID3就保持
与电源电压无关。问题就在 于：我们如何产生IREF?
(a)使用一个理想电流源作为偏置的电流镜， (b)使用一个电阻作为偏置的电流镜
图(b)：作为电流源的近似，我们在VDD到M1的栅极之间接
¾ 除了电源、工艺和温度变化外，还有若干参数对于参 考源也很关键，包括输出阻抗、输出噪声和功耗。
VREF ≈ VBE + 17.2VT ≈ 1.25V
现在设计一个电路使VBE增加至17.2VT。考虑图中的 电路，其中的基极电流被忽略，晶体管Q2由几个并联 的单元组成，Q1是一个单元的晶体管。设想我们以某 种方式使V01和V02相等。于是，VBE=RI+VBE2且
¾在忽略沟道长度调制效应时图（a）和（b）电路几乎不受电源的 影响。正因如此，该电路中所有的晶体管均采用等长的沟道长度。
Strictly Confidential - Do Not Distribute – Copyright 2010
10
启动问题
¾独立于电源偏置的一个重要问题：存在“退化”偏置点。
第十一章 带隙基准
金湘亮 博士 xiangliangjin@
Strictly Confidential - Do Not Distribute – Copyright 2010
1、概述 2、与电源无关的偏置 3、与温度无关的基准 4、PTAT 电流的产生
Strictly Confidential - Do Not Distribute – Copyright 2010
1
独立于电源的偏置（1）
如图(a)所示，如果IREF不 随VDD而变化，并且忽略 M2和M3的沟道长度调制效 应，那么ID2 和ID3就保持
与电源电压无关。问题就在 于：我们如何产生IREF?
(a)使用一个理想电流源作为偏置的电流镜， (b)使用一个电阻作为偏置的电流镜
图(b)：作为电流源的近似，我们在VDD到M1的栅极之间接
¾ 除了电源、工艺和温度变化外，还有若干参数对于参 考源也很关键，包括输出阻抗、输出噪声和功耗。
- 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)。
SS
TT
FF
-
温度系数
5.79ppm/℃ 1.13ppm/℃ 0.74ppm/℃
4.功耗
3.4
图
功 耗 仿 真 图
SS
TT
FF
-
功耗
0.99mW 1.35mW 2.05mW
5.蒙特卡罗分析
输出电压
温度系数
-
电源抑制比 功耗
蒙特卡罗分析结果
输出电压（V） 电源抑制比（dB） 温度系数（ppm/℃） 功耗（uA）
基于0.35微米CMOS工艺的 带隙基准源设计
Based on 0.35um BCD Process BandGap reference design
-
第一章 概述
1.BCD工艺简介 BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）功率集成电路器件， 通过MOS管的最高电压可达40V，最低为5V。
2.带隙基准源简介及其应用 模拟集成电路广泛地包含带隙基准电压源，由于带隙基准 电压源的输出电压与电源电压、工艺参数和温度的关系很 小，所以带隙基准电压源一直是集成电路中的一个重要的 基本模块，例如可应用于LDO或者电荷泵等。
核心电路
第三章 仿真结果
1.输出电压
3.1
图
输 出 电 压 仿 真 图
SS
TT
FF
-
输出电压 1.25V 1.23V 1.22V
2.电源抑制比（PSRR）
3.2
图
电 源 抑 制 比 仿 真 图
SS
TT
FF
-
PSRR
73dB 72dB 93dB
3.温度系数Leabharlann TC）3.3图温 度 系 数 仿 真 图
-
SS 1.356-1.041 98.54-51.226 105.78-1.337
218-182
TT 1.342-1.023 106.58-51.55 89.205-0.566
321-274
FF 1.332-1.013 95.71-48.64 78.72-2.183
441-383
-
参考文献： 1.高电源抑制比的CMOS带隙基准电压源_吴志明 2.模拟CMOS集成电路设计_毕查德拉扎维
当VBE 750mV ,T 300K时，VBE T -1.5mV / K
VBE
VT
ln
IC IS
,VT
KT
q
VBE2 VT ln n (R2 R3) R3 VREF
-
图1.2 基本的带隙基准源
第二章 BandGap电路设计
1.核心电路（含启动电路）
VREF
2VT ln R45
n
R43
VBEQ32
12
3
启动电路
-
图2.1 核心电路（含启动电路）
2.运放电路
三级运放 通过运放，使整个核心电路 的偏置电压独立于电源电压， 从而提高电源抑制比。
-
图2.2 运放电路
3.启动电路
2.3
图
保证运放正常工作，并提供偏置
启
动
电
路
-
启动电路
-
三级运放
此电路共计49个MOS管，5个三极管，8个电阻和1个电容 图2.4 整体电路