带隙基准电压源设计
带隙基准电压源的设计
哈尔滨理工大学软件学院课程设计报告指导老师董长春2013年6月28日.课程设计题目描述和要求二.课程设计报告内容2.1课程设计的计算过程2.2带隙电压基准的基本原理2.3指标的仿真验证结果2.4网表文件三.心得体会四．参考书目课程设计题目描述和要求1.1电路原理图:CDMQ MSMlO Ml IMI2^ ——I 匚13 M 匚11jir Ml Tl ----M4------1M2TC1.2 设计指标放大器：开环增益：大于 70dB相位裕量：大于 60 度 失调电压： 小于 1mV带隙基准电路：温度系数小于 10ppm/ C1.3 要求1＞手工计算出每个晶体管的宽长比。
通过仿真验证设计是否正确， 是否满足 指标的要求，保证每个晶体管的正常工作状态。
2＞使用Hspice 工具得到电路相关参数仿真结果，包括：幅频和相频特性(低 频增益，相位裕度，失调电压)等。
3＞每个学生应该独立完成电路设计， 设计指标比较开放， 如果出现雷同按不 及格处理。
4＞完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件，包括所有仿真电路的网表， 仿真结果。
二. 课程设计报告内容由于原电路中增加了两个BJT 管，所以Vref 需要再加上一个Vbe ，导致最 后结果为M(In n) 8.6，最后Vref 大概为1.2V ，且电路具有较大的电流,可以驱动较大的负载。
2.1 课程设计的计算过程1＞ M8， M9 ， M10， M11， M12 ， M13 宽长比的计算 (W/L)8=(W/L)9=20uA为了满足调零电阻的匹配要求，必须有 Vgs13=Vgs6 -＞因此还必须满足 (W/L)13=(Im8/I6)*(W/L)6 即(W/L)13/(W/L)6=(W/L)9/(W/L)7 取(W/L)13=27取(W/L)10=(W/L)11=(W/L)13=27因为偏置电路存在整反馈，环路增益经计算可得为1/(gm13*Rb)，若使环路5＞相关问题参考教材第六章，仿真问题请查看 HSPICE 手册。
带过温保护功能的高精度带隙基准电压源的设计
带过温保护功能的高精度带隙基准电压源的设计高精度带隙基准电压源是一种常用于模拟电路和测量系统中的关键器件。
它可以提供稳定精确的基准电压，用于校准和校验其他电路的电压精度。
带过温保护功能的设计可以确保电压源在工作过程中不会超过额定温度范围，从而保护电路免受损坏。
以下是一个设计带过温保护功能的高精度带隙基准电压源的步骤：1.确定规格要求：首先，需要根据应用的要求确定基准电压的规格，包括精度、温度系数、稳定性等。
这将决定所采用的设计方案和器件选择。
2.选择参考电压：通常情况下，选择具有较小温度系数和稳定性的参考电压是理想的。
常见的选择包括基于温度补偿二极管（例如LM385）的基准电压源或基于电流源和电阻的参考电压源。
3.设计稳压电路：在基准电压源的设计中，通常会使用稳压电路以确保输出电压的稳定性。
常见的稳压电路包括电流源和电压跟随器等。
4.设计过温保护电路：过温保护功能可以通过使用温度传感器和比较器等元件实现。
温度传感器可以实时监测电压源的温度，并将温度信息传递给比较器。
当温度超过设定阈值时，比较器会触发保护电路，从而断开电源或降低电源输出，以保护电路不受损坏。
5.优化布局和散热设计：设计中需要注意良好的布局和散热设计，以确保稳定性和过温保护功能的可靠性。
通过合理的电路布局和散热元件的选择，可以降低元件之间的热耦合效应，并提高整个电路的稳定性。
此外，必要时还可以考虑使用散热器或风扇来冷却电路。
6.仿真和验证：在进行实际的电路制作之前，进行电路仿真和验证是很重要的。
通过使用专业的电路仿真软件，可以验证所设计的电路在不同工作条件下的性能，并进行必要的调整和优化。
7.实际制作和测试：根据设计完成电路制作，并进行实际测试。
测试应包括基准电压的稳定性、温度系数和过温保护功能等方面的验证。
如果有必要，还可以进行长时间稳定性测试，以确保电路在各种工作条件下的可靠性。
总之，设计带过温保护功能的高精度带隙基准电压源需要充分考虑应用需求、采用合适的器件和电路设计，并进行仿真和测试验证。
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 Voltage)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=∂∂+∂∂TV 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)/(ex p 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 -=+ex p 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 。
0.18 μm CMOS带隙基准电压源的设计
0.18 μm CMOS 带隙基准电压源的设计本文提出了一种基于0.18 μm 标准CMOS 工艺的高性能带隙基准电压源的设计方法，输出基准电压0.6 V，输入电压范围为1.5 V～3 V，温度系数仅为5 ppm/℃，功耗为80 ?滋W.1 带隙基准技术基本原理基准电压源已成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路模块。
基准电压源可广泛应用于高精度比较器、A/D 和D/A 转换器、随机动态存储器、闪存以及系统集成芯片中。
带隙基准电压源受电源电压变化的影响很小，它具备了高稳定度、低温漂、低噪声的主要优点。
其中，VT 具有正温度系数，VBE1 具有负温度系数，则输出VRef 的温度系数可以调整到接近零。
2 带隙基准源设计电路为了得到较低的输出电压，在两个晶体管支路上分别并联一个电阻，根据此原理，设计电路图[3]如图2 所示。
三个PMOS 管为同样宽长的MOS 管，均处于饱和工作状态，根据镜像原理有：由式(7)可以看出，调节R2/R1 与R2/R0 的值，就可以得到零温度系数的电压输出值。
虽然电阻本身也具有温度系数，但在此电路中，输出电压只与电阻之间的比值有关，所以电阻的温度系数对输出的影响很小。
3 运算放大器的设计以上推理仅适用于运算放大器工作在理想状态的情况，图2 电路的最主要部分就是运算放大器，运算效果的优劣决定着此基准电压源的效果。
根据电路的需求，设计的运放有较高的放大倍数、较低的功耗、较低的噪声，所以选用普通的两级运放即可，电路图如图3 所示。
图3 中PM0 和PM1 作为镜像电流源，将偏置电流4 μA 镜像给放大器使用，PM3 与PM4 作为运放的输入端，比使用NMOS 差分对得到更大的输入。
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
五. 输出输入信号线时序图
VIN 、ENB、 BIAS_EN 、BIAS2_EN 为输入信号，VREF 、 BIAS 、BIAS2 为 输出信号。
图 1.3
BANDGAP 模块输入输出时序关系图
六. 等效架构图原理分析
BANDGAP 模块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△VBE 的正温度系数与双极型晶体管 VBE 的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压。双极型晶体管提 供发射极偏压 VBE；由两个晶体管之间的△VBE 产生 VT ，通过电阻网络将 VT 放 大 a 倍；最后将两个电压相加，即 VREF=VBE+aVT ，适当选择放大倍数 a ，使两 个电压的温度漂移相互抵消， 从而可以得到在某一温度下为零温度系数的电压基 准。下面详细推导这个原理。 一般二极管上电流和电压的关系为：
Q12 和 Q19 的电流相等；R19、R20、R21 和二极管连接的 Q11 组成分压网络， 将 Q12、Q19 产生的 ? VBE 放大（R19＋R20＋R21）/R21 倍后与 VBE11 相加，产 生基准电压 VREF ；放大管 QX7 、Q18 和负载管 Q10 组成符合放大电路，将 IC19 和 IC12 的差值放大，反馈到分压网路中的 R21，从而调整 Q12、Q19 的工作点， 保证 IC19 等于 IC12 ；电容 C2 和 R23 用来进行频率补偿。 电流偏置 IBias2 产生电路（图 2(c)） ：由 P39、Q3、R8 组成。Q3 的基极连 接 VREF ，其射极电位即 R8 的一端电位 VEQ3＝VREF －VBEQ3，与电源电压无关， 从而流过电阻 R8 的电流与电源无关，即 IBias2 与电源无关。 1．使能原理： ENB 高电平时，使能关断有效。当 ENB 为高电平时，使能管 N15、N18、 N17 工作，则 N19 的漏极电压、P8 的漏极电压、VREF 被拉到低电平，电路关 断。 BIAS_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS2_EN 低电平时，使能管 P13 工作，P7、P1 的栅极即 Bias 为高电平，电流偏置为 0，同时，基准电压 VREF 为零电平。 BIAS2_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS_EN 低电平时，使能管 P34 工作，Bias2 为高电平，电流偏置 IBias2 为 0。 2．启动原理 P14、R15、N19、N16 组成启动电路。启动过程：ENB 为低电平，当未启 动时，P7、P8 两支路的电流为 0，此时 P8 的漏极电压为 0 电位，N19 不通，N19 的漏极为高电位，此时 N16 管导通，形成从电源到地的通路 R12、P7、N16，使 P7 有电流流过，从而打破 0 电流的状态；之后 P8 漏极电位上升， N19 导通， N16 截止，启动过程结束。
一种低功耗多输出带隙电压基准源电路的设计
一种低功耗多输出带隙电压基准源电路的设计一种低功耗多输出带隙电压基准源电路的设计是一种实现高精度电压基准源的方法。
在本文中，我们将分步骤阐述这种电路的设计过程及其主要特点。
步骤1：选择具有合适特性的带隙参考电压源为了实现高精度电压基准源，我们需要选择具有合适特性的带隙参考电压源。
这种电压源需要具有以下特点：1. 稳定性高：带隙参考电压源相对于温度和电源电压的变化非常稳定，可以在多种应用场景下提供稳定的参考电压。
2. 精度高：带隙参考电压源可以提供高精度的电压输出，能够满足对于电压精度要求较高的应用场景。
3. 低噪声：带隙参考电压源的噪声非常低，可以提供纯净的电压参考信号。
为了实现这种特性，我们可以选择亚微米CMOS工艺下的具有特殊结构的带隙参考电压源。
步骤2：设计低功耗的多输出电路在选择好合适的带隙参考电压源后，我们需要将其集成在一个低功耗多输出的电路中。
这种电路需要具有以下特点：1. 低功耗：这种电路需要设计为低功耗的，以便在便携式电子设备等需要长时间工作的场合中使用。
2. 多输出：这种电路需要提供多个电压输出，以满足不同应用需求。
3. 精度高：这种电路需要具有高精度的输出，以提供稳定可靠的参考电压信号。
为了实现这种特性，我们可以采用基于CMOS运算放大器的电路结构。
通过适当的电路调整和优化，可以实现低功耗、多输出、高精度的目标。
步骤3：验证电路性能并进行参数调整在设计完低功耗多输出带隙电压基准源电路后，需要进行实验验证并进行参数调整，以优化电路性能。
具体来说，需要进行以下工作：1. 电路性能测试：对电路进行性能测试，包括输出电压精度、温度稳定性、输入电压范围等方面的测试。
通过测试结果来调整电路设计参数，优化电路性能。
2. 参数调整：通过对电路设计参数的调整，对电路性能进行进一步优化。
调整的参数包括电路增益、偏置电压、输入电压范围等。
在完成以上工作后，即可实现设计一个低功耗多输出带隙电压基准源电路。
一款新颖的带隙基准电压源设计
一款新颖的带隙基准电压源设计电压基准是芯片设计中一个至关重要的组成单元，它直接影响着整个电子产品的性能。
高精度是当今集成电路发展的特点之一，随着集成电路以摩尔定律的发展，人们对电路指标的要求也日趋提高。
因此，高精度、高性能的基准源对于集成电路芯片是必不可少的。
本文设计了一款高性能的基准电路，具有较小的温度系数，同时在2．3～6．5V的电源电压范围内具有较低的功耗和较高的电源电压抑制特性，适用于各类对精度要求较高且功耗低的集成电路芯片。
1 基准工作的基本原理图1为典型的与温度无关的带隙基准电路架构图。
它的原理就是利用三极管基极-发射极电压△VBE的负温度系数和两个三极管基极-发射极电压差值△VBE的正温度系数相抵消来产生零温度系数的基准电压。
如图1所示，图中Mp1、Mp2为LDMOS管，VDD的大部分压降均落在Mp1、Mp2上，因此该电路可以承受较高的电源电压。
若忽略三极管的基极电流，则有由式(1)～式(6)式可以得到其中，N=IS1／IS2为QN1和QN2的发射极面积之比。
VBE2的温度系数为-1．5 mV／℃，VT的温度系数为+0．086 mV／℃，所以选择适当的N值和R2／R1的比值，就可以得到零温度系数的输出电压。
另外，调节R4和R5的比值，可以得到期望的基准电压，且不会改变已调整好的零温度系数特性。
2 新颖的带隙基准电路如图2即为所提出的基准电压电路。
该电路由偏置、运算放大器、基准核心和基准启动4个部分构成。
核心电路的原理如前文所述，下面对运放、启动作具体阐述。
该电路的运放如图2所示，运放的主要作用是保证△VBE的精准性。
然而运放的失调是一个主要的误差源。
假设输入端的失调电压为VOS，经过计算可以得到这里的关键问题是失调电压被放大了(1+R2／R3)倍，在VREF中引入了误差。
更重要的是VOS本身随温度变化，更增大了输出电压的温度系数。
因此要尽量减少失调电压。
而引起失调的因素有很多，如电阻间的不匹配，晶体管的不匹配，运放输入级晶体管阈值电压的不匹配，以及运放的有限增益等。
带隙电压基准源的设计与分析
带隙电压基准源的设计与分析摘要介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。
设计了一种基于Banba结构的基准源电路，重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析，得到并分析了输出电压与温度的关系。
文中对带隙电压基准源的设计与分析，可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。
可以为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。
基准源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。
在模／数转换器(ADC)、数／模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中，低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。
在集成电路工艺发展早期，基准源主要采用齐纳基准源实现，如图1(a)所示。
它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。
由于半导体表面的沾污等封装原因，齐纳二极管噪声严重且不稳定。
之后人们把齐纳结移动到表面以下，支撑掩埋型齐纳基准源，噪声和稳定性有较大改观，如图1(b)所示。
其缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6～8 V，不能应用于低电压电路；并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。
1971年，Widlar首次提出带隙基准结构。
它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。
相比齐纳基准源，Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。
接下来的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。
新的结构中将运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。
以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。
文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构，设计了一种基于Banba结构的带隙基准源，相对于Banba结构，增加了自启动电路模块及放大电路模块，使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。
1 带隙基准源工作原理由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。
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基于BiCMOS工艺的带隙基准电压源设计
叶鹏1，2，文光俊1,2，蔡竟业1, 王永平2
(1.电子科技大学 通信与信息工程学院，四川 成都 610054)
(2.广州润芯信息技术有限公司，广东 广州 510663 )
摘要：电压基准是模拟集成电路的重要单元模块，本文在0.35um BiCMOS工艺下设计了一个带隙基准电压源。
仿真结果表明，该基准源电路在典型情况下输出电压为1.16302V，在-45℃～105℃范围内，其温度系数为3.6ppm/℃，在在电源电压为3V～3.6V范围内，参考电压从.16295V～1.16308V，变化了130uV，电源电压调整率为0.0186%/V。
关键字：带隙基准电压源；温度系数；电源电压调整率；BiCMOS
中图分类号 TN782 文献标识码 A
A Veference Voltage Circuit Design on BiCMOS
Technology
YE Peng1,2,WEN Guang-jun1,2,CAI Jing-ye1,WANG Yong-ping2
(1 School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science
and Technology of China, Chengdu Sichuan 610054)
(2 Guangzhou Runxin Information Technology Co. LTD, Guangzhou Guangdong 510663)
Abstract：voltage reference is a critical module in analog integrated circuit.this paper design a bandgap voltage reference,the simulation result demonstrate that the output voltage is 1.16302V in typical,the temperature coefficience is 3.6ppm/℃when temperature from -45℃ to 105℃,the reference voltage is from 1.16295V to 1.16308V when power voltage 3V～3.6V,the vary Is 130uV,
Keywords: bandgap voltage source;temperature coefficience;Line Sensitivity;BiCMOS
1引言
设计基准电路的目的就是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。
基准源在模拟和混合集成电路中应用非常广泛，比如数据转换电路和稳压电路中。
[1]在通常情况下，理想的基准电路是与温度、工艺参数以及电源电压无关的，但是实际中各种因素的影响不可避免，那么就要尽量减少各种不确定因素的影响。
在设计时除了考虑温度、电源和工艺的不确定性以外，基准电路的其他一些参数也是十分关键的，如输出阻抗、输出噪声、功耗和版图面积。
本文在分析了带隙基准电路原理的基础上，设计了一个低温度系数、低电源电压调整率的基准电压源。
2带隙基准电压源的原理
设计精密基准电压源的主要难点在于如何降低基准电压值的偏差和温度系数。
在不采用修正技术的情况下，[2]这两项指标一般在4%和100ppm/℃左右。
我们可以利用电流镜原理实现与电源无关的偏置，利用PN 结的温度特性实现温度补偿，得到与温度无关的电压。
现在就利用这些简单的电路实现一个基准电压源。
图1 带隙基准PTAT 电流产生原理图 图2 带隙基准电压源原理图 利用与电源无关的偏置电路作为正温度系数电压的偏置电路，就可以得到一个简单的与绝对温度成正比的电流源。
其电路结构如图1所示。
电路中M1~M2和M3~M4均为相同的对管，Q2和Q1的发射区面积比值为n 。
[3]要使两条支路的电流相等，也就是流过M1和M2的电流相等，应该有M1和M2的源端电压相等，即
121/)ln (R n V I I T == （1） 因为VT 与绝对温度成正比，这样，I1和I2就与绝对温度成正比。
M3和M5构成电流镜，I5镜像电流I2，于是I5也具有了同样的特性，我们就得到了与绝对温度成正比的电流(PTAT 电流)。
如果把这个电流加在一个固定的电阻上，就得到了一个与绝对温度成正比的电压。
我们还知道，[4]正向导通的PN 结的电压是与绝对温度成反比的。
因此可以利用具有正、
负温度系数的电路的组合，构成带隙基准电路。
把这个与绝对温度成正比的电压加在一个正向的PN 结上，只要给出适当的系数，就能得到期望中的电路结构。
[5]基于这个想法，得到的电路结构如图3-2所示。
电路中流过M5的电流就是上面提到的与绝对温度成正比的电流(PTAT 电流)，把它加在电阻R2上就得到了与绝对温度成正比的电压，其大小为。
把这个电压加在一个正向导通的PN 结上，得到的输出电压为
n R R V V R I V V T VE BE out ln 1
23253+=+= （2） 把式公式（2）对温度求导，得到其温度系数为：
T V n R R T
V T V T BE out ∂∂+∂∂=∂∂)(ln 123 （3） 多项式（3）的第一项与绝对温度成反比，第二项与绝对温度成正比。
只要确定一个合适的电阻比值，使表达式（3）的值为零，则V out 就是要得到的与温度和电压无关的基准电压。
3本文设计的基准源
本文提出的带隙基准电压源电路如图所示：其工作原理在第二部分已经介绍过了，区别是:一、电流镜全部采用自偏置共源共栅电流镜，优点是能够提高电流的精确度，由此可以改善电路性能；二、BJT使用的是NPN型的管子。
其原理图如图3所示：其中左边部分为启动电路，中间部分产生PTAT电流，采用的电流镜为自偏置共源共栅电流镜，右边电路将PTAT电流镜像到一电阻上得到PTAT电压，使之与VBE的温度系数抵消，以得到不随温度变化的基准电压。
图3 本文所提出的低温度系数的带隙基准电压源原理图
4仿真结果
利用CADENCE环境下的Spectre仿真工具对电路进行仿真，得到输出参考电压随温度和电源电压变化的曲线，如图4和5所示：由此可以得到温度系数为3.6ppm/℃：电源电压调整率为0.0186%/V。
图4 基准电压随温度的变化曲线图5基准电压随电源电压的变化曲线
5总结
本文在分析了带隙基准电压源基本原理的基础上，提出了一种高精度的基准电压源结构，仿真结果表明，该结构的基准电压温度系数为 3.6ppm/℃，电源电压调整率为0.0186%/V ，表现出良好的温度特性。
参考文献
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版）.V ol.32 .Apr.2005
本文作者创新观点：采用共源共栅结构，将温度系数降到尽可能低，表现出良好特性。
作者简介：叶鹏（1984-），男，电子科技大学硕士研究生，主要研究方向为数模混合集成电路设计.
Biography:Yepeng(1984-),male,MA of UESTC,major in analog and digital mixed integrated circuit design。