带隙基准电路.ppt
第8章 带隙基准
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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。
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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：
无运放带隙基准电路设计
无运放带隙基准电路设计
运放带隙基准电路（opamp bandgap reference circuit）是一种基于运放的电路，用于提供稳定的参考电压。
它的设计基于运放的放大特性和电压反馈机制，通过差分放大和反馈调整，产生一个相对稳定的参考电压。
下面是一种常见的运放带隙基准电路的设计：
1. 选择一个适当的运放芯片，具有低噪声、高增益和低温漂移等特性。
2. 将运放芯片的非反相输入端与反相输入端相连，形成一个差分输入。
3. 将一个稳定的参考电压Vref1与非反相输入端相连。
4. 将运放芯片的反相输入端与一个电阻R1相连，然后将R1与一个稳流二极管D1的阴极相连。
5. 通过调整R1的值，使得二极管D1的电流可以产生一个正向电压降，并且与稳定的参考电压Vref1相等。
6. 将运放芯片的输出端与R1与D1的连接处相连，形成一个反馈回路。
7. 调整运放芯片的反馈电阻R2的值，使得输出电压与稳定的参考电压Vref2相等。
通过以上设计，运放正向反馈的放大特性和电压反馈机制可以保证输出电压与参考电压的稳定性。
同时，稳定的参考电压Vref1的产生通过差分放大和反馈调整的方式可以减少温度、电源等参数的影响。
需要注意的是，具体的设计参数需要根据具体的应用要求来确定，比如参考电压的稳定性要求、输出电压的范围等。
同时，在实际设计过程中，还需要考虑电源稳定性、电路布局和滤波等因素，以确保设计的稳定性和可靠性。
带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析PPT课件
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BandGap电路原理图
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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。
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感谢您的观看！
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T q
VBE
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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
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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
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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）
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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
Bandgap带隙CircuitPPT课件
• 测试激励：固定供电电压源1.8V，扫描温度参数。扫描范围（-40℃，120℃）。
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bandgap电路仿真
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bandgap电路仿真
工艺角扫描 • 分析目的：分析在工艺参数变化的情况下 ，输出参考电压的变化情况。
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课后练习要求：
• Bandgap3_3v调试，电路如下：
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课后练习要求
• 指标要求：
• VREF直流范围：1.1V~1.3V;
• IREF直流范围：50uA~100uA
• VREF温度系数：<14VpRpEFm,1-m4V0DEG~120DEG;
•
V
R
E
F
电
源
电
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bandgap电路设计进阶
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bandgap电路设计进阶
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bandgap电路设计进阶
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bandgap电路设计进阶
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bandgap电路设计进阶
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补充 • 闭环电路的稳定性判据
AV
s
1
As As
s
Outline
bandgap参考电压源电路设计与仿真
1. 电压基准和电流基准的作用； 2. 电压基准结构选择； 3. 与温度无关的电压基准——bandgap； 4. 实际bandgap电路设计； 5. 实际bandgap电路仿真； 6. 电流基准的设计：PTAT电流/与温度无关电流； 7. 补充内容：闭环电路的稳定性判据； 8. 课后练习要求。
带隙基准启动电路工作原理
带隙基准启动电路工作原理“哎呀，这玩意儿到底是咋工作的呢？”我看着书上的带隙基准启动电路，脑袋里满是问号。
咱先说说这带隙基准启动电路是啥吧。
它就像一个超级厉害的小助手，在很多电子设备里都发挥着大作用呢！这带隙基准启动电路有好多关键部件。
就比如说那个像小卫士一样的电阻，它能控制电流的大小，可重要啦！还有那个像小精灵一样的晶体管，能开关电流，就像我们家里的电灯开关一样。
这些关键部件都有自己独特的功能，它们一起合作，才能让带隙基准启动电路正常工作。
那这带隙基准启动电路到底是咋工作的呢？嘿，这就像一场奇妙的冒险。
电流就像一群调皮的小猴子，在电路里跑来跑去。
电阻呢，就像一个严格的老师，把这些小猴子管得服服帖帖的，让它们不能乱跑。
晶体管呢，就像一个聪明的指挥官，什么时候让电流通过，什么时候不让电流通过，它都安排得明明白白。
有一天，我和小伙伴们一起玩游戏。
我的小手表突然不显示时间了。
“这可咋办呀？”我着急地说。
小伙伴们也都围了过来。
“是不是没电了？”一个小伙伴问。
“不对呀，我刚换的电池。
”我说。
这时候，我突然想到了带隙基准启动电路。
我想，说不定小手表里的带隙基准启动电路出问题了。
我赶紧跑回家，拿出我的小工具箱，开始研究小手表。
我打开小手表的后盖，看到了里面那些小小的零件。
“哇，这么小的东西，怎么这么复杂呢？”我自言自语道。
我仔细地观察着每一个零件，想找到问题出在哪里。
这时候，爸爸走了过来。
“你在干什么呢？”爸爸问。
“我的小手表坏了，我想看看是不是带隙基准启动电路出问题了。
”我说。
爸爸笑了笑，说：“你还知道带隙基准启动电路呢？不简单呀！”我得意地说：“那当然，我在书上看到过。
”爸爸拿起小手表，看了看，说：“可能是这里的一个小零件坏了。
”我赶紧问：“是哪个小零件呀？”爸爸指了指一个小小的晶体管，说：“这个晶体管可能坏了。
”我好奇地问：“这个晶体管是干什么用的呀？”爸爸说：“这个晶体管就像一个开关，控制着电流的通过。
《带隙基准电压源》课件
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。
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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。
当VBE ? 750mV,T ? 300K时，?VBE ?T ? -1.5mV/ K
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
图
2.3
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
核心电路
第三章 仿真结果
1.输出电压
图 3.1 输 出 电 压 仿 真 图
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 。
SS 输出电压 1.25V
TT 1.23V
FF 1.22V
2.电源抑制比（PSRR ）
图 3.2 电 源 抑 制 比 仿 真 图
PSRR
SS 73dB
TT 72dB
FF 93dB
3.温度系数（TC ）
图 3.3 温 度 系 数 仿 真 图
13ppm/ ℃
VBE
?
VT
ln
IC IS
,VT
?
KT q
VBE2 ? VT lnn(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 lnn? R45
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
FF 0.74ppm/ ℃
4.功耗
图 3.4 功 耗 仿 真 图
功耗
SS
TT
FF
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 ）
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