cadence 帶隙基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)

帶隙基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)王旭113163、設(shè)計(jì)指標(biāo)VDD=3V?6VVref=1.27V PPMv20ppm/°C、電路原理圖mpTnp廠VFEF*gndl"mp"I—Zumz1l:660nmnr^ZuWtLidqvpS.orsaziSpIzaSBri.m:1rhi1.I"2.lim;1--FwmpmpTnp廠VFEF*gndl"mp"I—Zumz1l:660nmnr^ZuWtLidqvpS.orsaziSpIzaSBri.m:1rhi1.I"2.lim;1--Fwmp:w"mpp,.甘昌W：1.他j'q^s■-or?n;Z5pqvp5I沏豊n心口匸I”三、原理分析1、核心思想：利用PTAT電壓和雙極性晶體管發(fā)射結(jié)電壓的不同的溫度特性，獲取一個(gè)與溫度及電源電壓無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。2、詳細(xì)機(jī)理分析帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理：C8Vn8VQ +p -8T ~8T~V+匚＞0、\8T ‘//V-\10J OV=a?V+P-VREF + -V =a?V+0?V基準(zhǔn)電壓表達(dá)式：REFR+V=V +VlnnREFBE3 R1T雙極型晶體管，其集電極電流(IC)與基極-發(fā)射極電壓(VBE)關(guān)系為：I=Iexp(V /V )C S BEfT其中，VT-kTq利用此公式推導(dǎo)得出VBE電壓的溫度系數(shù)為QV V-(4+m)V-E.q BE二BE T g1QT T其中，m沁一1.5E=1.12eV是硅的帶隙能量。當(dāng)V沁750mVgT=300K時(shí)BEQVBE/QTQ—1.5mV/C 這個(gè)溫度系數(shù)本身就與溫度有關(guān)。正溫度系數(shù)的產(chǎn)生機(jī)理：如果兩個(gè)同樣的晶體管(IS1=IS2=IS，IS為雙極型晶體管飽和電流)偏置的集電極電流分別為nI0和IO,并忽略它們的基極電流，那么它們基極-發(fā)射極-VlnT電壓差值久v-VlnT丄=VlnnTs2這個(gè)溫度系數(shù)與溫度本身、集電極電流都無(wú)關(guān)。利用上面的正，負(fù)溫度系數(shù)的電壓，可以設(shè)計(jì)一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，有以下關(guān)系：V=aXV+?x(Vlnn)REF BE T因?yàn)镼VgE/QTQ—1.5mV/oC QV^/QTq0.087mV/。C因此令，=1只要滿(mǎn)足上式，便可得到零溫度系數(shù)的VREF。故有：0x(lnn)(0?087mV/°C)=1.5mV/°C0x(lnn)q17.2結(jié)合以上基本原理，現(xiàn)返回到最初選擇的拓?fù)鋱D，分別采用電流鏡接法，M3、M4使得I1與I2電流相等，而M1與M2的電流鏡接法又使得X與Y點(diǎn)的電位相等。因而有：VR1二VEB1-VEB2二VIn二IRTn2 1

當(dāng)V沁750mVT=300K時(shí)v=0.026VBE T可推得Vref=1.197V3、調(diào)試分析采用管子的寬長(zhǎng)比如下圖mosnInsianceNameModelW/mMuhiplierl-ibrsryNameOLINameViewNameMdmn御即1st02mnsymbolMima20^1stO2mnsymbolMjmn外]stOSmnsymbolManap1.1^550n1st02mpsymbolMimph1卩iiSOn[stO2mpsymbolm3mp1.1M詰On1stO2mpsymbolmp1.1卩/SOn1st02mpsymbolmp1.Ljjf550n1stO2m.psymbolmp1."：50n1si02mpsymbolMimn2叩1mnsymbol暫且設(shè)置電阻R1=26K,R2=230K,晶體管1并聯(lián)為7,晶體管2、3均設(shè)置為1.初次運(yùn)行結(jié)果如下圖

由此可見(jiàn)隨著溫度的升高，參考電壓在減小，說(shuō)明正溫度系數(shù)過(guò)小，應(yīng)該正大電阻R2、R1的比值，進(jìn)一步調(diào)試，將R2的值設(shè)為變量，掃描從230K到460K的最佳圖形，運(yùn)行得到下圖：由上圖可知在R2=460K的時(shí)候參考電壓變化較小，進(jìn)一步縮小R2掃描范圍，從400K到460K仿真得到下圖：經(jīng)過(guò)PPM計(jì)算得到如下圖的結(jié)果res(unknown)/■■ 4.0E5153.3I 4.15E5105.2■■ 4.3E560.82| 4?巧E525.124.600E532.14PPM值已接近指標(biāo)要求，但是輸出電壓高于指標(biāo)要求，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，為減小輸出電壓,應(yīng)減小M8管的寬長(zhǎng)比，提高其過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，為此經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，最終確定M8管的W=l.lum,L=625nm,進(jìn)一步調(diào)整R2掃描范圍從520K到540K,仿真結(jié)果如下：.re5=,,52QK"/VREFare5=,,5a5^7yREfflre5=,,53GiK,；/VRErare5="53^h；/VREFnres="54^kH7VR^F經(jīng)過(guò)計(jì)算PPM值得到如下結(jié)果:-as-(unknown)/max(VS心七(他maxQ巧購(gòu)max(VS“..納max?ys「f..r?(ymax(ys<7-4.0E5153.3307.44.L^ES105.2.^55.94.3E560.82.206.44.4^E525.1215S.34.600E532.14112.Q艮0匚558.'08X2匚518.6436.8526.^65.2花12.1^.27.7826.9718.28"E5112.036.9218.31?24：蔦；畑衛(wèi)46.as24.1532.8053.2022M42.615.WE5106.57.SE5156.'0由圖可見(jiàn)PPM值在R2=525K時(shí)PPM值最小為18.28,為進(jìn)一步得到最佳結(jié)果，采用優(yōu)化處理，優(yōu)化處理后仿真得到如下結(jié)果：-■■ L a-■■ L a E3wangxuHangdap宓h^nvirir:May6：27?OI2tr- n■ ZFileEditGraphAxisTraceMarkerZoomTonisHelp輸出噪聲仿真結(jié)果如下圖:[77]L.abQiHIVirtuoso?AnalogCircuitOptimizer(1):wangxubangdapscherhaiIHlHIBIEtatJ岀Read芋 Simulation#4inIteration#444SessionGoalsVariablesOptimizerResults HelpGoals卅 ITdjne EzLEect-iorL1已匚q_etIrntia1Prev CurrentEnahLed1 ppm m.i.rLiiaize 10 IS.笏 18.。2 IS.52 yes2' ppm ULininLise 10 IQ.28 1502 1002 yesKYZ/J8Variables#ITaone Min Max InitialPnevCurren.tEnabled|/\yLx￡1 res- E20K 540K 525K E24.SKE24.EJKyes由上圖可知在R2=524.8K時(shí)，得到最佳PPM值為18.02，基本符合指標(biāo)要求。NoiseResponseOVN204.^222-4.?224-RIQ1nr\.ILSh102freqIO4IO5OVN204.^222-4.?224-RIQ1nr\.ILSh102freqIO4IO5DeviceParamJToiseCarLtributiarL復(fù)OfTotal0.0003354470.00033844426.66'.26.^0.000298829'.20.660.0003354470.00033844426.66'.26.^0.000298829'.20.66G.0002987620.658.77908e-0517ST.7.92936&-051.456.2198e-050.304.4B255e-05a.464.^3153b-050.432.Se649e-050.192.64099&-050.161.5E791e-050.061.52107&-05El.as5.^S863e-06o.ai3.87897&-06o.ao3.79603e-06ci.au3.61383e-06o.ao2.83379&-06o.ao2.70288e-06o.ao260787B-06o.aoIn-dJM-JM-R

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