带隙基准源电路与版图设计(1)
带隙基准源
开放性创意
• 1）用NMOS阈值电压的负温度系数，加上 PMOS阈值电压的正温度系数合成低温漂基 准源； • 2）从MOS管源-漏特性复制出与电源电压无 关的电学参数； • 3）两个温度系数的电压去相减；
失败尝试
低温漂CMOS基准源的设计
By 丁力
1 洞察
研究原因 论文结构 基准源基本原理
第一二章
扩散思考
2 实践
带隙电路设计 运放设计 偏置设计 启动电路设计
3 效果
直流特性 温度特性 交流特性 启动瞬态仿真
研究原因
• 基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。它的温 度稳定性以及抗噪声能力影响到整个系统的精度和性能。 • 近年来，芯片系统集成（system on chip）技术已经受到学术 界及工业界广泛关注．随着电路系统结构的进一步复杂化，对 模拟电路基本模块提出了更高精度及速度的要求。 • 笔者个人的学习工作经历。
论文结构
• 1）介绍CMOS带隙基准源的现状、发展趋势 以及本课题研究目的意义； • 2）介绍基准源的分类，详细分析带隙基准源 的基本原理和几种基本框架，并分析其优缺 点； • 3）对高精度的CMOS带隙基准源进行设计分 析和模拟仿真；
基准源基本原理
MOS管型基准源
VGS1 VGS 2 I REF R
1 洞察
研究原因 论文结构 基准源基本原理
第三章
扩散思考
2 实践
带隙电路设计 运放设计 偏置设计 启动电路设计
3 效果
直流特性 温度特性 交流特性 启动瞬态仿真
整体电路的设计
启动电路 偏置电路 运算放大电路 BANBA基准源
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。
带隙基准
Key words: Bandgap Reference; Layout; Power Supply Rejection Ratio; Temperature Coefficient
III
目
第1章 1.1
录
绪论············································································ 1 带隙基准源概述······························································1 1.1.1 1.1.2 带隙基准源的研究现状········································· 1 研究目的及意义···········································设计········································· 17 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 设计指标·························································· 17 带隙基准源架构·················································17 核心电路设计···················································· 20 运放设计·························································· 22 偏置电路设计···················································· 23
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
带隙基准设计实例
带隙基准电路的设计基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。
目前,基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A/ D 和D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。
它产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片,甚至整个控制系统的性能。
因此,设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。
自1971 年Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后,由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压,以及可以与标准CMOS 工艺兼容的特点,所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。
带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术,本设计主要在传统电路的基础上设计一种零温度系数基准电路。
一 设计指标：1、温度系数：ref F V TC V T ∆=∆ 2、电压系数：ref F ddV VC V V ∆=∆ 二 带隙基准电路结构：三 性能指标分析如果将两个具有相反温度系数（TCs ）的量以适合的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。
在零温度系数下，会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。
V REF = a 1V BE + a 2V T ㏑(n)其中, V REF 为基准电压, V BE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, V T 为热电压。
对于a 1和a 2的选择，因为室温下/ 1.5m /BE T V V K ∂∂≈-,然而/0.087m /T V T V K ∂∂≈+,所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得2(ln )(0.087/) 1.5/n mV K mV K α=,也就是2ln 17.2n α≈，表明零温度系数的基准为：17.2 1.25REF BE T V V V V ≈+≈对于带隙基准电路的分析，主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。
1、瞬态分析电源电压Vdd=5v 时，Vref ≈1.2378V ，下图为瞬态分析图。
带隙基准源
带隙基准源基本指标：共模抑制比（高）；开环增益（）；失调电压（低）；压摆率（）；随温度变化率/系数（低）；温漂（低）；功耗（低）；相位裕度，理想相位裕度60°；温度系数TC(temperature coefficient)：指温度变化引起的输出电压的变化，一般用ppm/℃来表示。
温度系数反映基准源在整个工作温度范围内输出电压最大值与最小值相对正常输出时的变化，对于一阶补偿的带隙基准源电路而言，温度系数一般在几十ppm/℃，经过二阶或高阶的非线性补偿的电路，温度系数可以达到几个ppm/℃以下。
目前常用的高阶温度补偿技术包括：二阶曲线补偿技术[10]，指数曲线补偿技术，线形化V BE的技术[11]，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法等。
线性调整率：用来描述直流情况下电源电压波动对基准电压的影响程度。
调整率越小，基准输出电压越稳定。
它是基准电压的直流特性参数，与瞬时状态无关。
电源抑制比：表示电源电压在小信号情况下的变化量与基准的变化量之比。
亦即等于差分放大倍数与由于Vdd变化引起的放大倍数之比，表达式为A V （Vdd=0）/A V dd（Vin=0），它是基准电压的交流特性参数。
噪声：基准输出电压中的噪声通常包括宽带热噪声和窄带l / f 噪声。
宽带噪声可以应用RC滤波器等电路有效的过滤清除。
而l / f 噪声是基准源内在固有的噪声，不能被滤除，一般在0.1到10Hz范围内发挥作用。
对高精度系统，低频的l / f 噪声的影响是一个重要的参数。
建立时间：指电源上电后，基准源输出达到正常值所需的时间。
表4-1电压基准源设计指标设计指标描述最小值典型值最大值单位工作温度-40 27 85 ℃工作电压 4.5 5 5.5 V 输出电压 1.24/2.48 1.25/2.50 1.26/2.52 V 输出电流 2 mA 温度系数30 ppm/℃电源纹波抑制比(2MHz) -20 -30 -50 dB采用自举输入还有以下优点:1)消除了Q1和Q2管的厄尔利效应不对称对K CMR的影响,同时,Q1,2的基极电压和Q5,6的基极电压将随输入共模电压变化,形成共模反馈,所以,K CMR得以大大提高;2)V CB1,2≈0,能有效地消除集-基反向漏电流I CBO对I B的有害干扰;3)由于基极电流很小,所以,该电路有很高的输入阻抗。
基于一阶温度补偿技术的CMOS带隙基准电压源电路-图文
基于一阶温度补偿技术的CMOS带隙基准电压源电路-图文为满足深亚微米级集成电路对低温漂、低功耗电源电压的需求，本文提出了一种在0.25mN阱CMOS工艺下，采用一阶温度补偿技术设计的CMOS带隙基准电压源电路。
电路核心部分由双极晶体管构成，实现了VBE和VT的线性叠加，获得近似零温度系数的输出电压。
T—SPICE软件仿真表明，在 3.3V电源电压下，当温度在-20～70℃之间变化时，该电路输出电压的温度系数为10某10-6／℃，输出电压的标准偏差为1mV，室温时电路的功耗为5.2831mW，属于低温漂、低功耗的基准电压源。
近年来，集成电路的快速发展，基准电压源在模拟集成电路、数模混合电路以及系统集成芯片(SOC)中都有着非常广泛的应用，对高新模拟电子技术的应用和发展也起着至关重要的作用，其精度和稳定性会直接影响整个系统的性能。
因此，设计一个好的基准源具有十分现实的意义。
1带隙基准电路的基本原理带隙基准电压源的目的是产生一个对温度变化保持恒定的量，由于双极型晶体管的基极电压VBE，其温度系数在室温(300K)时大约为-2.2mV／K，而2个具有不同电流密度的双极型晶体管的基极-发射极电压差VT，在室温时的温度系数为+0.086mV／K，由于VT与VBE的电压温度系数相反，将其乘以合适的系数后，再与前者进行加权，从而在一定范围内抵消VBE的温度漂移特性，得到近似零温度漂移的输出电压VREF，这是带隙电压源的基本设计思想。
1．1带隙基准电压源核心电路本文提出的电路核心结构如图1所示，在电路中双极晶体管构成了电路的核心，实现了VBE与VT的线性叠加，获得近似为零温度系数的输出电压。
图1中双极型晶体管Q1和Q2的发射区面积相同，Q3和Q4的发射区面积相同，考虑设计需求，取Q1和Q2的发射区面积为Q3和Q4的发射区面积的8倍。
假设双极晶体管基极电流为零，运放的增益足够大，则a点和b点的电压相等，即：在实际电路中，经过计算可知当取R3／R1=2.3066时，可以得到室温下的近似零温度系数的输出参考电压。
毕设正文
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。
一 带隙基准源的电路设计（一）基本原理这里是本设计根据双极型晶体管的基极-发射极即PN 结二极管的Vbe 的温度系数本身与温度有关的特性，将两个具有相反温度系数的量加以适当加权结果就会显示零温度系数。
带隙基准电路设计与仿真
带隙基准电路设计与仿真带隙基准电路是一种用于产生稳定电压参考的电路，它的工作原理是利用带隙参考电压源的稳定性，将其转换为稳定的输出电压。
在电子设备中，带隙基准电路被广泛应用于各种需要稳定参考电压的场合，如模拟电路中的比较器、放大器、ADC、DAC等。
1.确定设计指标和要求：首先需要确定带隙基准电路的设计指标和要求，包括输出电压的精度、波动、温漂等。
这些指标将直接影响到整个电路的设计和性能。
2.选择合适的带隙参考电压源：带隙参考电压源是带隙基准电路的核心部分，选择合适的电压源对于整个电路的性能至关重要。
常见的带隙参考电压源有基准二极管电压源、基准电流源和温度补偿电压源等。
3.设计和优化调整电路：调整电路用于校准输出电压，使其达到所需的精度，也可以用于调整输出电压的温度系数。
调整电路通常由运放、电阻网络和校准电压源等组成，通过合理选择和设计这些元件，可以优化整个电路的性能。
4.进行仿真和优化：在设计结束后，需要进行电路的仿真和优化。
通过仿真可以验证电路的性能，并进行参数调整和优化，以满足设计指标和要求。
5.制作原型并测试：在设计和仿真完成后，可以制作原型并进行测试。
测试结果将反馈给设计人员，并根据需要进行进一步的调整和优化。
设计带隙基准电路需要综合考虑电路的稳定性、精度、功耗和成本等因素。
在选择和设计电路元件时，可以采用一些常用的优化方法，如小信号模型分析、傅里叶级数分析、参数扫描等。
最后，需要注意的是，在设计带隙基准电路时，还应考虑一些特殊因素，如温度变化、噪声干扰、工作电流等影响电路性能的因素，并采取相应的补偿措施。
总之，带隙基准电路的设计与仿真是一个复杂的过程，需要综合考虑各种因素，通过合理的选择和设计来满足设计指标和要求。
- 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)。
精选文档 可编辑修改 论文题目：带隙基准源电路与版图设计 摘 要
基准电压源具有相对较高的精度和稳定度，它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个系统的精度和性能。模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或者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，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一，而集成电路版图是为了实现集成电路设计的输出。本文的主要目的是用BiCMOS工艺设计出基准源电路的版图并对其进行验证。 本文首先介绍了基准电压源的背景发展趋势及研究意义，然后简单介绍了基准电压源电路的结构及工作原理。接着主要介绍了版图的设计，验证工具及对设计的版图进行验证。 本设计采用40V的0.5u BiCMOS工艺库设计并绘制版图。仿真结果表明，设计的基准电压源温度变化为-40℃~~85℃，输出电压为2.5V及1.25V。最后对用Diva验证工具对版图进行了DRC和LVS验证，并通过验证，表明本次设计的版图符合要求。
关键字 ：BiCMOS，基准电压源，温度系数，版图 精选文档
可编辑修改 Subject: Research and Layout Design Of Bandgap Reference Specialty: Microelectronics Name: Zhong Ting (Signature)＿＿＿＿ Instructor: Liu Shulin (Signature)＿＿＿＿
ABSTRACT The reference voltage source with relatively high precision and stability, temperature stability and noise immunity affect the accuracy and performance of the entire system. Analog circuit using the reference source, or in order to get the bias has nothing to do with power, or in order to be independent of temperature, bias, and its performance directly affects the performance and stability of the circuit shows that the reference source is an integral part of the sub-circuit, excellent reference source is the design of all electronic systems the most basic and critical requirements of one of the IC layout in order to achieve the output of integrated circuit design. The main purpose of this paper is the territory of the reference circuit and BiCMOS process to be verified. This paper first introduces the background of the trends and significance of the reference voltage source, and then briefly introduced the structure and working principle of the voltage reference circuit. Then introduces the layout design and verification tools to verify the design of the territory. This design uses a 40V 0.5u BiCMOS process database design and draw the layout.The simulation results show that the design of voltage reference temperature of -40 ° C ~ ~ 85 ° C, the output voltage of 2.5V and 1.25V. Finally, the Diva verification tool on the territory of the DRC and LVS verification, and validated, show that the territory of the design meet the 精选文档 可编辑修改 requirements.精选文档
可编辑修改 Keywords: BiCMOS，band gap , temperature coefficient, layout 目 录 1 绪论 .................................................................................................................................................... 1 1.1 背景介绍及发展趋势 ................................................................................................................ 1 1.2 研究意义 .................................................................................................................................... 3 1.3 本文主要工作 ............................................................................................................................ 4 2 基准电压源电路设计 ........................................................................................................................ 5 2.1 基准电压源的分类及特点 ........................................................................................................ 5 2.2 基准电压源的温度特性 ............................................................................................................ 7 2.2.1 负温度系数项BEV ............................................................................................................... 7 2.2.2 正温度系数电压 .................................................................................................................. 7 2.3 基本原理 .................................................................................................................................... 8 2.3.1 与温度无关的电路 .............................................................................................................. 8 2.3.2.与电源无关的偏置电路 ....................................................................................................... 8 2.4 基准电压源电路设计 ................................................................................................................ 9 2.4.1 基本原理 .............................................................................................................................. 9 2.4.2 运放的设计 ........................................................................................................................ 10 2.4.3 带隙核心电路设计 ............................................................................................................ 14 2.5 仿真分析 .................................................................................................................................. 15 3 版图设计 .......................................................................................................................................... 19 3．1 版图设计的基础 ................................................................................................................... 19 3.1.1 集成电路版图设计与掩膜版、制造工艺的关系 ............................................................ 19