CMOS模擬集成電路實(shí)訓(xùn)之電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)課件

CMOS模擬集成電路實(shí)訓(xùn)

之電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

東南大學(xué)微電子學(xué)院IC實(shí)驗(yàn)室CMOS模擬集成電路實(shí)訓(xùn)

之電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)運(yùn)放輸出電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化溫度特性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理：基準(zhǔn)電壓表達(dá)式：帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理：基準(zhǔn)電壓表達(dá)式V+,V-的產(chǎn)生原理利用了雙極型晶體管的兩個(gè)特性：·基極-發(fā)射極電壓（VBE）與絕對溫度成反比·在不同的集電極電流下，兩個(gè)雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓的差值（ΔVBE）與絕對溫度成正比雙極型晶體管構(gòu)成了帶隙電壓基準(zhǔn)的核心V+,V-的產(chǎn)生原理利用了雙極型晶體管的兩個(gè)特性：負(fù)溫度系數(shù)電壓·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)系為其中，。利用此公式推導(dǎo)得出VBE電壓的溫度系數(shù)為其中，，是硅的帶隙能量。當(dāng)，時(shí)，?！BE的溫度系數(shù)本身就與溫度有關(guān)負(fù)溫度系數(shù)電壓正溫度系數(shù)電壓·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I0，并忽略它們的基極電流，那么它們基極-發(fā)射極電壓差值為

因此，VBE的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)

·這個(gè)溫度系數(shù)與溫度本身以及集電極電流無關(guān)。正溫度系數(shù)電壓實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓

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： 因?yàn)?，，因此令，只要滿足上式，便可得到零溫度系數(shù)的VREF。即為實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)運(yùn)放輸出電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化溫度特性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)兩種常用結(jié)構(gòu)先產(chǎn)生一個(gè)和絕對溫度成正比（PTAT）的電流，再通過電阻將該電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，并與雙極型晶體管的VBE相加，最終獲得和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓通過運(yùn)算放大器完成VBE和ΔVBE的加權(quán)相加，在運(yùn)算放大器的輸出端產(chǎn)生和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)運(yùn)放輸出電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化溫度特性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理利用PTAT電流產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓M5，M6，M8構(gòu)成電流鏡又ΔVBE=VTlnnI1=I2=(VT·lnn)/R1I3=M·(VT·lnn)/R1利用PTAT電流產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓M5，M6，M8構(gòu)成電流鏡帶隙電壓基準(zhǔn)電路輸出基準(zhǔn)電壓T=300K時(shí)的零溫度系數(shù)條件帶隙電壓基準(zhǔn)電路輸出基準(zhǔn)電壓T=300K時(shí)的零溫度系數(shù)條件電路實(shí)現(xiàn)電路實(shí)現(xiàn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)運(yùn)放輸出電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化溫度特性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理運(yùn)放輸出端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓輸出基準(zhǔn)電壓零溫度系數(shù)條件運(yùn)放輸出端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓輸出基準(zhǔn)電壓零溫度系數(shù)條件電路實(shí)現(xiàn)電路實(shí)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的性能比較1.驅(qū)動能力PTAT基準(zhǔn)不能直接為后續(xù)電路提供電流，需要在帶隙電壓基準(zhǔn)和后續(xù)電路中加入緩沖器才能提供電流。2.面積運(yùn)放輸出基準(zhǔn)需要使用3個(gè)電阻，并且在Q1和Q2的比值n較小的時(shí)候，需要使用更大阻值的R1和R2。因此消耗更多的芯片面積。兩種結(jié)構(gòu)的性能比較內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)運(yùn)放輸出電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化溫度特性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理低輸出電壓帶隙基準(zhǔn)電路

A＋－VDDM1M2M3Q1Q21NR1R2R2R3VREFI1I1I2I2I1+

I2I1+

I2ACMOSBandgapReferencewithSub-1-VOperation低輸出電壓帶隙基準(zhǔn)電路A＋－VDDM1M2M3Q1Q21曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路

WhenR2/R4=η-1(η3.2)

VEB2nonlinerparameteriscancelledAtheoreticalzero-tempcoVREFcanbe

obtainedA＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311NR1R3R4R4I1I1I2I2INLI1+I2+INLI1+I2+INLI1+I2+INLR2AR2AR2BR2BXYVREF曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路A＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311高PSRR帶隙基準(zhǔn)電路高PSRR帶隙基準(zhǔn)電路無電阻帶隙基準(zhǔn)ΔVD=VD2-VD1VOUT=VD2+AGΔVDVOUT≈1.12V9mV0…70oCA=1.5B=4G=6AD1/AD2=8Ref.:Buck,JSSCJan.2002,81-83無電阻帶隙基準(zhǔn)ΔVD=VD2-VD1可編程帶隙基準(zhǔn)可編程帶隙基準(zhǔn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)運(yùn)放輸出電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化溫度特性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)MOS管初始參數(shù)設(shè)置N管W/L=20u/2uP管W/L=1.1u/550n并聯(lián)數(shù)長寬MOS管初始參數(shù)設(shè)置并聯(lián)數(shù)雙極晶體管比例設(shè)置Q1，Q2，Q3的比例設(shè)置為7：1：1管子并聯(lián)數(shù)雙極晶體管比例設(shè)置Q1，Q2，Q3的比例設(shè)置為7：1：1管電阻設(shè)置初始設(shè)置中M5，M6和M8設(shè)為相同的寬長比，因此M=1。零溫度系數(shù)條件為：令R1=26kΩ，則R2=230kΩ阻值電阻設(shè)置初始設(shè)置中M5，M6和M8設(shè)為相同的寬長比，因此M=設(shè)置仿真環(huán)境基本庫，晶體管，電阻，電容設(shè)置仿真環(huán)境基本庫，晶體管，電阻，電容設(shè)置仿真溫度范圍直流掃描保存直流工作點(diǎn)掃描溫度溫度范圍開啟設(shè)置仿真溫度范圍直流掃描保存直流工作點(diǎn)掃描溫度溫度范圍開啟仿真結(jié)果輸出選擇“VREF”端口為輸出，開始仿真。視頻：帶隙電壓基準(zhǔn)DC溫度掃描仿真結(jié)果輸出視頻：帶隙電壓基準(zhǔn)DC溫度掃描仿真結(jié)果分析溫度特性較差，正溫度系數(shù)過小，這是由于R2/R1的比值過小所致可通過調(diào)節(jié)R2/R1的比值來優(yōu)化溫度特性仿真結(jié)果分析內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)運(yùn)放輸出電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化溫度特性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理優(yōu)化溫度特性采用變量分析“Parametric”方法方案：固定R1值的大小，掃描R2方法：在電路圖中設(shè)置R2的阻值為變量“res”ADE窗口中，選擇“Variables”→“Edit”優(yōu)化溫度特性設(shè)置掃描變量ADE窗口中，點(diǎn)擊“Tools”→“ParemetricAnalysis”在ParemetricAnalysis窗口中，選擇“Setup”→“PickNameForVareable”→“Sweep1...”在ParemetricAnalysisPickSweep1窗口中選擇“res”作為變量設(shè)置掃描變量設(shè)置掃描范圍設(shè)置“Sweep1”掃描范圍為230~460kΩ“TotalSteps”為“5”選擇窗口中的“Analysis”→“Start”，開始變量掃描設(shè)置掃描范圍選擇窗口中的“Analysis”→“Start”變量掃描結(jié)果分析當(dāng)R2電阻為402kΩ時(shí)，溫度系數(shù)為負(fù)當(dāng)R2電阻為460kΩ時(shí)，溫度系數(shù)為正變量掃描結(jié)果分析當(dāng)R2電阻為402kΩ時(shí)，溫度系數(shù)為負(fù)縮小掃描范圍，再次仿真res掃描范圍設(shè)置為402~460kΩ,再次掃描當(dāng)R2=445kΩ時(shí)，溫度特性最好視頻：掃描電阻，優(yōu)化溫度特性縮小掃描范圍，再次仿真當(dāng)R2=445kΩ時(shí)，溫度特性最好視頻利用“Calculator”分析溫度特性在仿真結(jié)果圖中點(diǎn)擊“Tools”→“calculator”緩存buffer堆棧stack利用“Calculator”分析溫度特性緩存buffer堆棧溫漂系數(shù)計(jì)算計(jì)算公式：溫漂系數(shù)計(jì)算列表顯示溫度系數(shù)點(diǎn)擊制表按鈕，在“DisplayResults”中選擇Value，點(diǎn)擊“OK”，顯示計(jì)算結(jié)果當(dāng)R2=445kΩ時(shí)，溫漂系數(shù)最小，PPM=24.13ppm/℃視頻：Calculator分析溫漂系數(shù)列表顯示溫度系數(shù)點(diǎn)擊制表按鈕，在“Di繪圖顯示溫度系數(shù)點(diǎn)擊制圖按鈕，繪圖顯示溫漂系數(shù)隨R2電阻變化情況，R2=445kΩ時(shí)出現(xiàn)最小值繪圖顯示溫度系數(shù)點(diǎn)擊制圖按鈕，繪圖內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)運(yùn)放輸出電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化溫度特性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容帶隙電壓基準(zhǔn)