Bandgap(帶隙)Circuit.ppt

1、1,Analog IC Design,BroadGalaxy Electronics Ltd. July 2009,電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)的作用； 電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)選擇； 與溫度無(wú)關(guān)的電壓基準(zhǔn)bandgap； 實(shí)際bandgap電路設(shè)計(jì)； 實(shí)際bandgap電路仿真； 電流基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)：PTAT電流/與溫度無(wú)關(guān)電流； 補(bǔ)充內(nèi)容：閉環(huán)電路的穩(wěn)定性判據(jù)； 課后練習(xí)要求。,Outline,bandgap參考電壓源電路設(shè)計(jì)與仿真,電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)的作用,模擬電路的設(shè)計(jì)中須廣泛的應(yīng)用到電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)，它們是直流量，為核心電路提供偏置，建立直流工作點(diǎn)； 一般來(lái)說(shuō)，從芯片外部引入的供電電壓都存在著一定的波動(dòng)，而

2、模擬電路對(duì)偏置電壓的穩(wěn)定性要求較高，因此一般會(huì)使用一個(gè)參考電壓源，它將電源電壓轉(zhuǎn)化為一個(gè)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(shí)大部分電路也需要一個(gè)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(zhǔn)和電流基準(zhǔn)的作用,常用的基準(zhǔn)有： 與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓； 與溫度成正比的電流（PTAT電流）； 與溫度無(wú)關(guān)的電流.,電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)電阻：對(duì)于一個(gè)二端元件，當(dāng)其端電壓變化時(shí)，端電壓微小增量與端電流微小增量的比值。動(dòng)態(tài)電阻等于IV曲線上參考點(diǎn)處曲線斜率的倒數(shù)。

3、,介紹兩個(gè)概念,r=,電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)選擇,對(duì)一個(gè)一般的分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，R1、R2為阻性元件。假定電源電壓變化了 ,因?yàn)镽1和R2串聯(lián)， 會(huì)以一定比例分配在這兩個(gè)電阻上，并且兩者的電流改變量一致。,電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)選擇,這說(shuō)明 在R1、R2上的分配與R1、R2的動(dòng)態(tài)電阻成正比。如果我們能讓R1的動(dòng)態(tài)電阻很小，R2的動(dòng)態(tài)電阻很大，則 大部分落在R2上，一小部分落在R1上， 對(duì)電源電壓的靈敏度會(huì)大大降低，穩(wěn)壓性能就會(huì)得到很大提高。,電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)選擇,如果選擇R1、R2均為線性電阻，則它們的動(dòng)態(tài)電阻與靜態(tài)電阻相等。電源電壓變化量 將仍以原來(lái)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

4、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(zhǔn)結(jié)構(gòu)選擇,在CMOS電路設(shè)計(jì)中，最自然的考慮是用非線性電阻元件MOS二極管來(lái)替代電阻R1。 MOS二極管具有較小的動(dòng)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(zhǔn)結(jié)構(gòu)選擇,在CMOS工藝當(dāng)中，我們還可以利用寄生的縱向pnp三極管來(lái)形成二極管，它比MOS二極管具有更小的動(dòng)態(tài)電阻。典型值S=0.0362。此種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓性能比較好，現(xiàn)階段我們都采用此種結(jié)構(gòu)。,bandgap電路設(shè)計(jì),這種結(jié)構(gòu)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(fù)的溫度系數(shù)，在室溫時(shí)大約是-2.2

5、mV/。我們可以通過補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改善參考電壓源的溫度特性。我們期望構(gòu)造出具有正溫度系數(shù)的KT項(xiàng)，其中K為正常數(shù)，T為熱力學(xué)溫標(biāo),使 當(dāng)溫度變化時(shí)， 與KT具有相反的變化趨勢(shì)，則可以使 的溫度特性得到補(bǔ)償。,bandgap電路設(shè)計(jì),此結(jié)構(gòu)是在一個(gè)負(fù)反饋運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端各接一個(gè)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(yùn)放的輸出端輸出。電源電壓包含在運(yùn)放里。下面分析一下它的工作原理。,bandgap電路設(shè)計(jì),（VR3即是我們要構(gòu)造的KT項(xiàng)）,k為波爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷，T為絕對(duì)溫度,A為發(fā)射極面積。,bandgap電路設(shè)計(jì),將VR1帶入 VR3，得,其中,

6、所以,因?yàn)?所以,bandgap電路設(shè)計(jì),1.K必須獨(dú)立于溫度(用電阻之比) 2.K必須獨(dú)立于電源電壓,KT項(xiàng)其實(shí)是兩只穩(wěn)壓管的be結(jié)電壓之差，這個(gè)電壓我們是通過負(fù)反饋運(yùn)放虛短用R1電阻取得的。我們又通過負(fù)反饋的作用使得I1/I2固定于R2/R3，從而使得K值獨(dú)立于溫度和電源電壓。最后，通過R1與R3的電壓線性比例關(guān)系得到在R3上的溫度補(bǔ)償電壓。,bandgap電路設(shè)計(jì),bandgap電路設(shè)計(jì),bandgap電路設(shè)計(jì),bandgap電路設(shè)計(jì),bandgap電路設(shè)計(jì),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(nèi)輸出的參考電壓值隨溫度的變化情

7、況。 測(cè)試激勵(lì)：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(cè)試激勵(lì)：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(cè)試激勵(lì)：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(chǎn)生,目的： 產(chǎn)生與溫度和電源都無(wú)關(guān)的電壓基準(zhǔn)； 產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)

8、的電流基準(zhǔn)；,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,其它結(jié)構(gòu)的電壓基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì) 產(chǎn)生與溫度和電源無(wú)關(guān)的電壓基準(zhǔn)； 產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的電流基準(zhǔn)；,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,bandgap電路設(shè)計(jì)進(jìn)階,補(bǔ)充,閉環(huán)電路的穩(wěn)定性判據(jù),補(bǔ)充,Stability Analysis with Bode Plots,

9、END Q IREF直流范圍：10uA50uA VREF溫度系數(shù)：60degree gain margin10dB,課后練習(xí)要求：,Bandgap3_3v調(diào)試，電路如下：,課后練習(xí)要求,指標(biāo)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(jié),直流仿真，直流工作點(diǎn)，MOS工作狀態(tài)判定； 電流鏡仿真，復(fù)制電流關(guān)系； 偏置電路設(shè)計(jì)； 電壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)：正溫電壓+負(fù)溫電壓=溫度無(wú)關(guān)電壓； 電流基準(zhǔn)設(shè)計(jì)：正溫電流+負(fù)溫電流=溫度無(wú)關(guān)電流； 兩級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)； 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(yù)習(xí)要求,比較器電路基礎(chǔ)； VCO與PLL電路基礎(chǔ)； 射頻電路基礎(chǔ)：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”, Se