Bandgap(帶隙)Circuit.ppt

1,Analog IC Design,BroadGalaxy Electronics Ltd. July 2009,電壓基準和電流基準的作用； 電壓基準結構選擇； 與溫度無關的電壓基準bandgap； 實際bandgap電路設計； 實際bandgap電路仿真； 電流基準的設計：PTAT電流/與溫度無關電流； 補充內容：閉環(huán)電路的穩(wěn)定性判據(jù)； 課后練習要求。,Outline,bandgap參考電壓源電路設計與仿真,電壓基準和電流基準的作用,模擬電路的設計中須廣泛的應用到電壓基準和電流基準，它們是直流量，為核心電路提供偏置，建立直流工作點； 一般來說，從芯片外部引入的供電電壓都存在著一定的波動，而模擬電路對偏置電壓的穩(wěn)定性要求較高，因此一般會使用一個參考電壓源，它將電源電壓轉化為一個具有良好電壓穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性的電壓，以提供良好的偏置。 同時大部分電路也需要一個參考電流源以提供偏置，常見的有不隨溫度變化的電流和與溫度成正比的電流；,電壓基準和電流基準的作用,常用的基準有： 與溫度無關的基準電壓； 與溫度成正比的電流（PTAT電流）； 與溫度無關的電流.,電壓基準結構選擇,靈敏度S ：靈敏度用于衡量參考電壓源的穩(wěn)壓特性，靈敏度越低參考電壓源的穩(wěn)壓特性越好。 動態(tài)電阻：對于一個二端元件，當其端電壓變化時，端電壓微小增量與端電流微小增量的比值。動態(tài)電阻等于IV曲線上參考點處曲線斜率的倒數(shù)。,介紹兩個概念,r=,電壓基準結構選擇,對一個一般的分壓網(wǎng)絡進行分析，R1、R2為阻性元件。假定電源電壓變化了 ,因為R1和R2串聯(lián)， 會以一定比例分配在這兩個電阻上，并且兩者的電流改變量一致。,電壓基準結構選擇,這說明 在R1、R2上的分配與R1、R2的動態(tài)電阻成正比。如果我們能讓R1的動態(tài)電阻很小，R2的動態(tài)電阻很大，則 大部分落在R2上，一小部分落在R1上， 對電源電壓的靈敏度會大大降低，穩(wěn)壓性能就會得到很大提高。,電壓基準結構選擇,如果選擇R1、R2均為線性電阻，則它們的動態(tài)電阻與靜態(tài)電阻相等。電源電壓變化量 將仍以原來的靜態(tài)電阻的分壓比分配給R1、R2，最后R1、R2 的分壓比與電源電壓變化前相比沒有改變。所以 與電源電壓將等比例變化，S=1，穩(wěn)壓效果不理想。,電壓基準結構選擇,在CMOS電路設計中，最自然的考慮是用非線性電阻元件MOS二極管來替代電阻R1。 MOS二極管具有較小的動態(tài)電阻。在W/L=2,R2=100K情況下，S的典型值為0.283。,電壓基準結構選擇,在CMOS工藝當中，我們還可以利用寄生的縱向pnp三極管來形成二極管，它比MOS二極管具有更小的動態(tài)電阻。典型值S=0.0362。此種結構的穩(wěn)壓性能比較好，現(xiàn)階段我們都采用此種結構。,bandgap電路設計,這種結構的穩(wěn)壓性能雖好，但是它的溫度特性仍然沒有得到改善。 具有負的溫度系數(shù)，在室溫時大約是-2.2mV/。我們可以通過補償?shù)姆椒▉砀纳茀⒖茧妷涸吹臏囟忍匦?。我們期望構造出具有正溫度系?shù)的KT項，其中K為正常數(shù)，T為熱力學溫標,使 當溫度變化時， 與KT具有相反的變化趨勢，則可以使 的溫度特性得到補償。,bandgap電路設計,此結構是在一個負反饋運算放大器的兩個輸入端各接一個穩(wěn)壓電路。兩路穩(wěn)壓電路并聯(lián)。它們并聯(lián)的總電壓作為我們所要的參考電壓，連接到運放的輸出端輸出。電源電壓包含在運放里。下面分析一下它的工作原理。,bandgap電路設計,（VR3即是我們要構造的KT項）,k為波爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷，T為絕對溫度,A為發(fā)射極面積。,bandgap電路設計,將VR1帶入 VR3，得,其中,所以,因為,所以,bandgap電路設計,1.K必須獨立于溫度(用電阻之比) 2.K必須獨立于電源電壓,KT項其實是兩只穩(wěn)壓管的be結電壓之差，這個電壓我們是通過負反饋運放虛短用R1電阻取得的。我們又通過負反饋的作用使得I1/I2固定于R2/R3，從而使得K值獨立于溫度和電源電壓。最后，通過R1與R3的電壓線性比例關系得到在R3上的溫度補償電壓。,bandgap電路設計,bandgap電路設計,bandgap電路設計,bandgap電路設計,bandgap電路設計,bandgap電路仿真,分析目的：直流溫度掃描分析是為了分析參考電壓源的溫度特性，即在掃描溫度范圍內輸出的參考電壓值隨溫度的變化情況。 測試激勵：固定供電電壓源1.8V，掃描溫度參數(shù)。掃描范圍（-40，120）。,直流溫度掃描,bandgap電路仿真,bandgap電路仿真,分析目的：分析在工藝參數(shù)變化的情況下，輸出參考電壓的變化情況。 測試激勵：corner分析，ff,ss,溫度掃描范圍（-40，120）。,工藝角掃描,bandgap電路仿真,分析目的：直流電壓掃描分析是考察在供電電源電壓值線性變化的情況下，輸出參考電壓值的變化情況。 測試激勵：施加直流電壓線性掃描，供電電壓掃描范圍（1.6V，2V）。,直流電壓掃描,bandgap電路仿真,PTAT電流的產生,目的： 產生與溫度和電源都無關的電壓基準； 產生與溫度無關的電流基準；,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,其它結構的電壓基準電路設計 產生與溫度和電源無關的電壓基準； 產生與溫度無關的電流基準；,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,bandgap電路設計進階,補充,閉環(huán)電路的穩(wěn)定性判據(jù),補充,Stability Analysis with Bode Plots,END Q&A,課后練習要求：,Bandgap2_2v調試，電路如下：,課后練習要求,指標要求： VREF直流范圍：0.7V0.9V; IREF直流范圍：10uA50uA VREF溫度系數(shù)：60degree gain margin10dB,課后練習要求：,Bandgap3_3v調試，電路如下：,課后練習要求,指標要求： VREF直流范圍：1.1V1.3V; IREF直流范圍：50uA100uA VREF溫度系數(shù)：60degree gain margin10dB,小結,直流仿真，直流工作點，MOS工作狀態(tài)判定； 電流鏡仿真，復制電流關系； 偏置電路設計； 電壓基準設計：正溫電壓+負溫電壓=溫度無關電壓； 電流基準設計：正溫電流+負溫電流=溫度無關電流； 兩級運放設計； 直流溫度掃描方法； 直流電源電壓掃描方法； 閉環(huán)電路STB仿真方法； 電流鏡MOS管，成比例的BJT管，在版圖上的match.,預習要求,比較器電路基礎； VCO與PLL電路基礎； 射頻電路基礎：史密斯圓圖，阻抗匹配，最大功率傳輸原理，高頻電路中電容與電感如何等效； 參考書目： P.E. Allen, “CMOS Analog Circuit Design”,