带隙基准电压源(Bandgap)设计范例

宽温度范围高精度基准电压源设计

收稿日期:2021-01-15基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2020JM-583)通信作者:唐威,教授,博士,研究方向为集成电路设计。E-mail:tangwei@电子元件与材料

ElectronicComponentsandMaterials第40卷

Vol.40第4期

No.44月

Apr2021年

2021

宽温度范围高精度基准电压源设计

师洋洋,唐　威,刘　伟

(西安邮电大学电子工程学院,陕西西安　710121)

摘　要:针对传统Brokaw型带隙基准电压源温度系数较高的问题,采用高阶曲率补偿方法,利用PN结反向饱和电

流随温度敏感变化的原理,通过将与基准电压温度系数呈相反趋势的补偿电流注入到基准核心部分,对基准输出电

压进行温度补偿,实现了宽温度范围内基准电压源的高精度输出。电路基于0.18μmBCD工艺设计。仿真结果表

明,在3.3V电源电压下,基准输出电压为1.978V,在-40~+150℃温度范围内,基准电压的温度系数为5.82×10-6/℃,低频时电源抑制比(PSRR)为79.4dB。

关键词:带隙基准;高精度;宽温度范围;曲率补偿

中图分类号:TN432文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2021.1736

引用格式:师洋洋,唐威,刘伟.宽温度范围高精度基准电压源设计[J].电子元件与材料,2021,40(4):387-392.Referenceformat:SHIYangyang,TANGWei,LIUWei.Designofawide-temperature-rangeandhigh-precision

voltagereference[J].ElectronicComponentsandMaterials,2021,40(4):387-392.

Designofawide-temperature-rangeandhigh-precisionvoltagereference

1.5-V高阶曲率补偿CMOS带隙基准源

摘要

此报告中设计了一种新的低电平，低噪声，高阶曲率补偿CMOS带隙基准源。此带隙电路用两个电阻串来减小电源电压。此外，由高阻抗的多晶硅电阻和扩散电阻产生的热敏电阻比来提供高阶补偿。此所设计的带隙基准电压源能在1.5V电源电压下工作（此时0℃时Vth=0.9V），它的温度系数小于15.2ppm/℃，平均电源调整率为5.5mV/V。

1.简介

基准电压源是许多电子元器件的主要组成，例如电源转换器，数字转化器，射频电路。温度对带隙基准电压源的影响毫无疑问会影响它的性能。因此低电平，低功率，低温飘带隙基准电压源在工业生产中越来越重要。事实上，许多现有的技术都能减小基准电压源的温度系数，如Song等人提出的二次温度补偿， Rincon-Mora等人提出的分段线性曲率校正。Audy和Lewis等人分别提出了更简单的基于热敏电阻比来加以实现的二阶和三阶曲率补偿带隙基准源。这个方法被Leung等人进一步发展为高阶曲率补偿用于CMOS带隙基准电压源的设计。

曲率补偿CMOS带隙基准电压源利用一个负温度系数的高阻抗多晶硅电阻和一个正温度系数的扩散电阻来产生一个热敏电阻比，以此能够有效地减少此带隙基准源的温度漂移。以上电阻都能在CMOS工艺中实现。有过报道的最低工作电源电压为2V，这对于将来的应用还远不够低。

为了未来应用中进一步减小所要求的电源电压，这里提出一种基于以上理论的低电压曲率补偿带隙基准源。它利用两个完全相同的电阻串来同时提供曲率补偿和电压电平摆幅。

在文章中，我们所设计的低电压带隙基准电压源将在第2章节中介绍。影响基准电压源精确度的重要设计因素，包括如电流镜匹配，放大器的偏移电压和输出噪声。章节3中的实验结果证实了这一结论。章节4为最后的总结。

2.我们所设计的曲率补偿带隙基准源

此低电压，高阶曲率补偿带隙基准源的电路结构和完整原理图分别如图1.和图2.所示。

一阶和二阶温度补偿低压带隙基准电路设计

好吧，咱们今天聊聊一阶和二阶温度补偿低压带隙基准电路设计。你知道吗？这个话题听起来挺复杂的，但其实也没那么可怕。就像调味料一样，适量就好，弄得太复杂反而没意思。你说这低压带隙基准电路，听名字就觉得高大上，像是个科技高手，其实它的作用就是提供一个稳定的电压。就好比我们喝水的时候，水温太高或太低都不合适，电路也要稳定，才能正常运作。

说到温度补偿，大家都知道，天气一变，温度一上升，电子元件就像受了刺激，表现也会跟着波动。想象一下，夏天外面热得像蒸笼，电路里也热得不行，那可真是个大麻烦。因此，我们需要一阶和二阶温度补偿来对付这些温度变化，像是在夏天给电路穿上清凉衣，让它舒舒服服的。

一阶补偿呢，简单点说就是用一些简单的技术手段来让电压不受温度影响。就像你喝冰水的时候，嘴里清凉，心里爽快，但过一会儿杯子里的冰就开始融化了，水温也跟着升高。一阶补偿就像加了冰块的水，刚开始清凉，但时间一长效果就慢慢减弱了，到了后面可能还是会受到影响。

再来说说二阶补偿。这可有点意思，二阶补偿可以理解为是一种更高级的玩法。它就像是给电路安装了空调，温度一变，它就能自动调节，保证你始终保持在舒适的状态。二阶补偿使用了一些更复杂的电路设计，能够在更大范围内抵消温度变化带来的影响，让电路的输出电压更加稳定，真是聪明绝顶。

在设计这些电路的时候，工程师们就像厨师调味，要把各种元件和参数搭配得当。电阻、电容、甚至是运算放大器，都要在合适的位置，不然就会出大乱子。比如说，电

阻选得太小，电流就会暴涨，电路就会热得像火炉；选得太大，电流又会流不动，整个电路就像懒虫一样不愿意动弹。

带隙基准电路的设计需要精确的计算，简直是大考验。要保证电压输出在特定的范围内，就必须在设计阶段做好功课。就像考试前的复习一样，越认真越能提高分数。不同的材料也会影响电路的表现，像是在不同的环境里，植物的生长情况大相径庭。

cadence-带隙基准电压的设计

cadence-带隙基准电压的设计(共8页)

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王旭 113163

一、设计指标

VDD=3V~6V Vref = PPM<20ppm/℃

二、电路原理图

三、原理分析

1、核心思想：利用PTAT电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性，获取一个与温度及电源电压无关的基准电压。

2、详细机理分析

带隙电压基准的基本原理：

0TVTV0VVT0VVTREFVVV基准电压表达式：

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：

其中，利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为

其中，是硅的带隙能量。

当时

这个温度系数本身就与温度有关。

正温度系数的产生机理：如果两个同样的晶体管（IS1= IS2= IS，IS为双极型晶体管饱和电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值为

因此，VBE的差值就表现出正温度系数

这个温度系数与温度本身、集电极电流都无关。

利用上面的正，负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压，有以下关系：

因为

因此令，只要满足上式，便可得到零温度系数的VREF。故有：

REFVVVexp()CSBETIIVVTVkTq(4)BETgBEVmVEqVTT1.12gEeV1.5m750BEVmV300TK1.5BEVTmVC12BEBEBEVVV0012lnlnlnTTTssnIIVVVnIIln0BEVknTq(ln)REFBETVVVn1.5/BEVTmVC0.087/TVTmVC1(ln)(0.087/)1.5/nmVCmVC(ln)17.2nnVRRVVTBEREFln123结合以上基本原理，现返回到最初选择的拓扑图，分别采用电流镜接法，M3、M4使得I1与I2电流相等，而M1与M2的电流镜接法又使得X与Y点的电位相等。

毕设正文

中央民族大学本科生毕业论文(设计)

1

前言

过去人们用的是反向击穿齐纳二极管来获得参考的基准电压源，但是对于电源电压在5V以下的电路设计并不合适。1971年，RobertWidlar 提出了一种带隙参考电压源技术。带隙基准源电路由于具有低温度系数，低电源电压以及可以与标准CMOS工艺兼容等优点获得了广泛的研究和应用。随着IC集成电路设计技术的发展，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。基准电源不仅应用于A/D，D/A模块中，而且应用于锁相环，分频器和其它需要基准源的模块。其应用范围非常广泛，基准源的稳定性和精确度直接影响整个锁相环中分频器的设计，即影响输出时钟的准确性和稳定性。

现今模拟市场CMOS占主要地位的动力是尺寸的不断缩小提高了MOSFET器件的速度。CMOS技术不断向先进工艺发展，从微米到深亚微米，目前已发展到纳米工艺技术阶段。晶成电路上集成的晶体管数量每18个月将增加一倍，性能将提高一倍，而价格却不相应的增加，这就是所谓的摩尔定律。据权威机构预测到2016年，器件的最小特征尺寸应在13nm[1]。纳米工艺所造芯片上管子密度大大增加，极大改善了芯片性能，但成本的提高使得一次性流片成功成为设计者的基本要求。在0.18um及以上的工艺中，电路设计规则简单，但是先进工艺，电路的设计规则便得复杂，在65nm和28nm工艺节点下情形便得更加复杂。随着尺寸的缩小，晶体管表现出与微米尺度工艺下不同的电学特性。纳米工艺的探索还处在基础研究阶段。本设计采用的是全定制设计。全定制设计的特点是针对每个元件进行电路参数和版图参数的优化，它采用自由的版图设计规则进行设计，以使每个元件及内连接安排的紧凑，合适[2]。本文所设计的28nm工艺的带隙基准源还是处在仿真的阶段，如果有流片后的测试结果,该文章将更加具有参考价值和研究价值。

中央民族大学本科生毕业论文(设计)

基于bandgap版图设计毕业论文

.

word版摘要

近年来随着IC设计要求的不断开展，集成电路幅员设计是实现集成电路制造所必不可少的设计环节，它不仅关系到集成电路的功能是否正确，而且也会极大程度地影响集成电路的性能、本钱。而集成电路中的bandgap可以在温度和电压不稳定的环境中保持稳定的参考电压，被广泛运用于比拟器、A/D转换器等模拟电路及数模混合信号集成电路中，其性能直接影响整个系统的精度和性能。因此，bandgap幅员设计的研究非常有意义。

本文基于Cadence 幅员设计软件平台，采用XFAB0.6µm CMOS 工艺设计。设计的幅员元件包括PMOS、NMOS、PNP三极管、电阻、电容。其中对差分放大器、电流镜、电阻等重要元件采用了匹配和对称的设计方法，考虑电气特性的幅员设计技术；为防止闩锁效应，本设计还运用了保护环保护整个电路，提高了bandgap电路的可靠性。

本设计对最终设计出的幅员使用calibre验证工具进展LVS和DRC验证，并顺利通过验证。

关键字：幅员；带隙基准电压源；Cadence；匹配；验证 .

word版 ABSTRACT

In recent years, along with IC design request of continuously development, IC

layout are essential to achieve the design of integrated circuit manufacturing sectors, it

is not only related to the IC's functions are correct, but also great extent affect IC

performance and cost.But bandgap reference voltage of integrated circuit can keep

stability in the unsteady environment of the temperature and the electric voltage of

一种高电源抑制比的CMOS带隙基准电压源设计

【摘要】提出了一种用于温度传感器的高电源抑制比（PSRR）、低温度系数、低功耗的CMOS带隙基准电压源。在传统CMOS带隙基准电压电路的基础上，增加了优化的电源抑制比增强电路，在带隙基准反馈环路中引入电源噪声，使上面电流镜的栅源电压保持恒定值，从而提高电源抑制比。采用自偏置共源共栅电流镜，来实现匹配更好的与绝对温度成正比（PTAT）电流镜像。采用华虹宏力0.13um FS13QPR CMOS工艺实现，使用HSPICE仿真。仿真结果表明电路输出基准电压为1.2V，电源抑制比在1K Hz时达到90dB，在-40～100℃的温度范围内温度系数是10ppm/℃，在1.8～3.6V工作电压范围内的线调整率为0.5mV/V，工作电流43uA。

【关键词】带隙基准电压;电源抑制比;自偏置共源共栅电流镜;温度传感器

引言

带隙基准电压源（Bandgap Voltage Reference）具有与温度、电源电压和工艺变化几乎无关的突出优点，能够提供稳定的参考电压或参考电流，被广泛应用与集成温度传感器、比较器、A/D和D/A转换器、存储器以及其他模数混合系统集成芯片中，并且高性能基准电压源直接影响着电路的性能。研究用CMOS工艺实现的可集成于片上系统（SOC）的高精度带隙基准源显得尤为重要[1]。对于高精度的温度传感器，从电源注入到带隙基准输出的噪声是各种噪声中最重要的噪声，会严重影响参考电压和温度传感器的与绝对温度成正比（PTAT）电压。因此，设计高电源抑制比（PSRR）的带隙基准源满足其要求显得十分必要[2]。

本文先介绍了带隙基准源的基本原理，再基于等效小信号模型，对带隙基准源的电源抑制比做了详细的分析，进而提出了一个具有高电源抑制比、低温度系数、低功耗可用于温度传感器的带隙基准电压源。

1.带隙基准源电源抑制比分析

利用与CMOS兼容工艺的纵向PNP晶体管和采用放大器负反馈实现的传统CMOS带隙基准电压如图1所示。

带2阶温度补偿的多输出带隙基准电压源

贾鹏;丁召;杨发顺

【摘要】Based on the principle of traditional bandgap reference,a multi-output bandgap reference voltage source was de-signed by optimizing the

circuit structure and eliminating the nonlinear term in base-emitter voltage

of the bipolar transistor. The circuit was simulated with CSMC 0.5μm

CMOS process model. The simulation results show that the temperature

coefficient of bandgap reference voltage source is 3.1 ppm/℃ in the

temperature range of -55℃~125℃,and the output reference voltage is

1.2994 V at 5 V supply voltage;PSRR of the bandgap reference voltage

source is 84.5 dB at low frequency,and several refer-ence voltages between

0~5V can be output simultaneously at 5 V supply voltage.%基于传统带隙基准的原理，通过优化电路结构，消除双极晶体管基极-发射极电压中的非线性项，设计了一种带2阶补偿的多输出带隙基准电压源。整个电路采用CSMC 0.5μm

CMOS工艺模型进行仿真。Spectre仿真结果表明，在-55～125℃的温度范围内，带隙基准电压源的温度系数为3.1 ppm/℃，在5 V电源电压下，输出基准电压为1.2994 V；带隙基准电压源的电源抑制比在低频时为84.5 dB；在5 V电源电压下，可以同时输出0～5 V多个基准电压。

带隙基准电路设计

嘿，朋友们！今天咱来聊聊带隙基准电路设计。这玩意儿啊，就像是电路世界里的定海神针！

你想想看，在那复杂纷繁的电路海洋中，要是没有一个可靠的基准，那不就像船在大海上没了指南针，瞎转悠嘛！带隙基准电路就是那个能给其他电路指明方向、提供稳定参照的宝贝。

它就好比是一场比赛中的裁判，公正公平地给出标准，让其他电路元件能按部就班地工作。要是没有它，那电路里还不得乱套呀！各种信号乱跑，功能都没法正常实现了。

设计带隙基准电路可不容易哦！得像个细心的工匠，一点一点地雕琢。从选择合适的元件开始，这就跟挑食材做饭一样，得挑新鲜的、好的食材，才能做出美味的菜肴。元件选不好，那后面可就难办咯！

然后呢，还得精心设计电路的布局，这可不是随便摆摆就行的。就好像搭积木，得考虑怎么搭才最稳固、最合理。每个元件的位置都有讲究，牵一发而动全身呐！

在调试的过程中，那可得有耐心。有时候就像解谜一样，一点点地找问题，解决问题。要是没耐心，那肯定不行呀！难道遇到点困难就打退堂鼓啦？那可不行！

而且啊，这带隙基准电路还得适应各种环境呢！就像人一样，得能经得住各种考验。热了不行，冷了也不行，得始终保持稳定可靠。你说它容易吗？

咱再想想，要是没有带隙基准电路，那些电子设备还能这么好用吗？手机说不定一会儿信号好，一会儿信号差；电脑可能会时不时地出故障。哎呀，那可太糟糕了！

所以说呀，带隙基准电路设计真的太重要啦！咱可得重视起来，好好研究，把它设计得稳稳当当的。让我们的电子世界因为它而更加精彩，更加可靠！这就是我对带隙基准电路设计的看法，你们觉得呢？

带隙基准电路设计 2

- 1 - 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：2211VVVREF，且02211TVTV。

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BEV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)/(expTBESCVVII，其中qkTVT/， - 2 - 约为0.026V，SI为饱和电流。根据集电极电流公式，得到：

SCTBEIIVVln (2.1)

为了简化分析，假设CI保持不变，这样：

TIIVIITVTVSSTSCTBEln (2.2)