CMOS模擬集成電路實訓

之電壓基準的設計

東南大學微電子學院IC實驗室CMOS模擬集成電路實訓

之電壓基準的設計

內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理帶隙電壓基準的基本原理帶隙電壓基準的基本原理：基準電壓表達式：帶隙電壓基準的基本原理帶隙電壓基準的基本原理：基準電壓表達式V+,V-的產生原理利用了雙極型晶體管的兩個特性：·基極-發射極電壓（VBE）與絕對溫度成反比·在不同的集電極電流下，兩個雙極型晶體管的基極-發射極電壓的差值（ΔVBE）與絕對溫度成正比雙極型晶體管構成了帶隙電壓基準的核心V+,V-的產生原理利用了雙極型晶體管的兩個特性：負溫度系數電壓·雙極型晶體管，其集電極電流（IC）與基極-發射極電壓（VBE）關系為其中，。利用此公式推導得出VBE電壓的溫度系數為其中，，是硅的帶隙能量。當，時，。·VBE的溫度系數本身就與溫度有關負溫度系數電壓正溫度系數電壓·如果兩個同樣的晶體管（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-發射極電壓差值為

因此，VBE的差值就表現出正溫度系數

·這個溫度系數與溫度本身以及集電極電流無關。正溫度系數電壓實現零溫度系數的基準電壓

利用上面的正，負溫度系數的電壓，可以設計一個零溫度系數的基準電壓，有以下關系： 因為，，因此令，只要滿足上式，便可得到零溫度系數的VREF。即為實現零溫度系數的基準電壓內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構兩種常用結構先產生一個和絕對溫度成正比（PTAT）的電流，再通過電阻將該電流轉變為電壓，并與雙極型晶體管的VBE相加，最終獲得和溫度無關的基準電壓通過運算放大器完成VBE和ΔVBE的加權相加，在運算放大器的輸出端產生和溫度無關的基準電壓常用帶隙電壓基準結構內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理利用PTAT電流產生基準電壓M5，M6，M8構成電流鏡又ΔVBE=VTlnnI1=I2=(VT·lnn)/R1I3=M·(VT·lnn)/R1利用PTAT電流產生基準電壓M5，M6，M8構成電流鏡帶隙電壓基準電路輸出基準電壓T=300K時的零溫度系數條件帶隙電壓基準電路輸出基準電壓T=300K時的零溫度系數條件電路實現電路實現內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理運放輸出端產生基準電壓輸出基準電壓零溫度系數條件運放輸出端產生基準電壓輸出基準電壓零溫度系數條件電路實現電路實現兩種結構的性能比較1.驅動能力PTAT基準不能直接為后續電路提供電流，需要在帶隙電壓基準和后續電路中加入緩沖器才能提供電流。2.面積運放輸出基準需要使用3個電阻，并且在Q1和Q2的比值n較小的時候，需要使用更大阻值的R1和R2。因此消耗更多的芯片面積。兩種結構的性能比較內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理低輸出電壓帶隙基準電路

A＋－VDDM1M2M3Q1Q21NR1R2R2R3VREFI1I1I2I2I1+

I2I1+

I2ACMOSBandgapReferencewithSub-1-VOperation低輸出電壓帶隙基準電路A＋－VDDM1M2M3Q1Q21曲率補償帶隙基準電路

WhenR2/R4=η-1(η3.2)

VEB2nonlinerparameteriscancelledAtheoreticalzero-tempcoVREFcanbe

obtainedA＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311NR1R3R4R4I1I1I2I2INLI1+I2+INLI1+I2+INLI1+I2+INLR2AR2AR2BR2BXYVREF曲率補償帶隙基準電路A＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311高PSRR帶隙基準電路高PSRR帶隙基準電路無電阻帶隙基準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ΔVD=VD2-VD1可編程帶隙基準可編程帶隙基準內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理PTAT帶隙電壓基準的設計PTAT帶隙電壓基準的設計MOS管初始參數設置N管W/L=20u/2uP管W/L=1.1u/550n并聯數長寬MOS管初始參數設置并聯數雙極晶體管比例設置Q1，Q2，Q3的比例設置為7：1：1管子并聯數雙極晶體管比例設置Q1，Q2，Q3的比例設置為7：1：1管電阻設置初始設置中M5，M6和M8設為相同的寬長比，因此M=1。零溫度系數條件為：令R1=26kΩ，則R2=230kΩ阻值電阻設置初始設置中M5，M6和M8設為相同的寬長比，因此M=設置仿真環境基本庫，晶體管，電阻，電容設置仿真環境基本庫，晶體管，電阻，電容設置仿真溫度范圍直流掃描保存直流工作點掃描溫度溫度范圍開啟設置仿真溫度范圍直流掃描保存直流工作點掃描溫度溫度范圍開啟仿真結果輸出選擇“VREF”端口為輸出，開始仿真。視頻：帶隙電壓基準DC溫度掃描仿真結果輸出視頻：帶隙電壓基準DC溫度掃描仿真結果分析溫度特性較差，正溫度系數過小，這是由于R2/R1的比值過小所致可通過調節R2/R1的比值來優化溫度特性仿真結果分析內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理優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：在電路圖中設置R2的阻值為變量“res”ADE窗口中，選擇“Variables”→“Edit”優化溫度特性設置掃描變量ADE窗口中，點擊“Tools”→“ParemetricAnalysis”在ParemetricAnalysis窗口中，選擇“Setup”→“PickNameForVareable”→“Sweep1...”在ParemetricAnalysisPickSweep1窗口中選擇“res”作為變量設置掃描變量設置掃描范圍設置“Sweep1”掃描范圍為230~460kΩ“TotalSteps”為“5”選擇窗口中的“Analysis”→“Start”，開始變量掃描設置掃描范圍選擇窗口中的“Analysis”→“Start”變量掃描結果分析當R2電阻為402kΩ時，溫度系數為負當R2電阻為460kΩ時，溫度系數為正變量掃描結果分析當R2電阻為402kΩ時，溫度系數為負縮小掃描范圍，再次仿真res掃描范圍設置為402~460kΩ,再次掃描當R2=445kΩ時，溫度特性最好視頻：掃描電阻，優化溫度特性縮小掃描范圍，再次仿真當R2=445kΩ時，溫度特性最好視頻利用“Calculator”分析溫度特性在仿真結果圖中點擊“Tools”→“calculator”緩存buffer堆棧stack利用“Calculator”分析溫度特性緩存buffer堆棧溫漂系數計算計算公式：溫漂系數計算列表顯示溫度系數點擊制表按鈕，在“DisplayResults”中選擇Value，點擊“OK”，顯示計算結果當R2=445kΩ時，溫漂系數最小，PPM=24.13ppm/℃視頻：Calculator分析溫漂系數列表顯示溫度系數點擊制表按鈕，在“Di繪圖顯示溫度系數點擊制圖按鈕，繪圖顯示溫漂系數隨R2電阻變化情況，R2=445kΩ時出現最小值繪圖顯示溫度系數點擊制圖按鈕，繪圖內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理Lab1：PTAT帶隙電壓基準指標VDD=3.3V/5VVref

=1.3VPPM<20ppm/℃

要求原理分析Spectre直流特性仿真實訓一參考Lab1：PTAT帶隙電壓基準Lab2：三支路基準電流源指標VDD=5VIref

=30nA

要求原理分析Spectre直流特性仿真Spectre交流特性仿真實訓二參考Lab2：三支路基準電流源CMOS模擬集成電路實訓

之電壓基準的設計

東南大學微電子學院IC實驗室CMOS模擬集成電路實訓

之電壓基準的設計

內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理帶隙電壓基準的基本原理帶隙電壓基準的基本原理：基準電壓表達式：帶隙電壓基準的基本原理帶隙電壓基準的基本原理：基準電壓表達式V+,V-的產生原理利用了雙極型晶體管的兩個特性：·基極-發射極電壓（VBE）與絕對溫度成反比·在不同的集電極電流下，兩個雙極型晶體管的基極-發射極電壓的差值（ΔVBE）與絕對溫度成正比雙極型晶體管構成了帶隙電壓基準的核心V+,V-的產生原理利用了雙極型晶體管的兩個特性：負溫度系數電壓·雙極型晶體管，其集電極電流（IC）與基極-發射極電壓（VBE）關系為其中，。利用此公式推導得出VBE電壓的溫度系數為其中，，是硅的帶隙能量。當，時，。·VBE的溫度系數本身就與溫度有關負溫度系數電壓正溫度系數電壓·如果兩個同樣的晶體管（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-發射極電壓差值為

因此，VBE的差值就表現出正溫度系數

·這個溫度系數與溫度本身以及集電極電流無關。正溫度系數電壓實現零溫度系數的基準電壓

利用上面的正，負溫度系數的電壓，可以設計一個零溫度系數的基準電壓，有以下關系： 因為，，因此令，只要滿足上式，便可得到零溫度系數的VREF。即為實現零溫度系數的基準電壓內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構兩種常用結構先產生一個和絕對溫度成正比（PTAT）的電流，再通過電阻將該電流轉變為電壓，并與雙極型晶體管的VBE相加，最終獲得和溫度無關的基準電壓通過運算放大器完成VBE和ΔVBE的加權相加，在運算放大器的輸出端產生和溫度無關的基準電壓常用帶隙電壓基準結構內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理利用PTAT電流產生基準電壓M5，M6，M8構成電流鏡又ΔVBE=VTlnnI1=I2=(VT·lnn)/R1I3=M·(VT·lnn)/R1利用PTAT電流產生基準電壓M5，M6，M8構成電流鏡帶隙電壓基準電路輸出基準電壓T=300K時的零溫度系數條件帶隙電壓基準電路輸出基準電壓T=300K時的零溫度系數條件電路實現電路實現內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理運放輸出端產生基準電壓輸出基準電壓零溫度系數條件運放輸出端產生基準電壓輸出基準電壓零溫度系數條件電路實現電路實現兩種結構的性能比較1.驅動能力PTAT基準不能直接為后續電路提供電流，需要在帶隙電壓基準和后續電路中加入緩沖器才能提供電流。2.面積運放輸出基準需要使用3個電阻，并且在Q1和Q2的比值n較小的時候，需要使用更大阻值的R1和R2。因此消耗更多的芯片面積。兩種結構的性能比較內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理低輸出電壓帶隙基準電路

A＋－VDDM1M2M3Q1Q21NR1R2R2R3VREFI1I1I2I2I1+

I2I1+

I2ACMOSBandgapReferencewithSub-1-VOperation低輸出電壓帶隙基準電路A＋－VDDM1M2M3Q1Q21曲率補償帶隙基準電路

WhenR2/R4=η-1(η3.2)

VEB2nonlinerparameteriscancelledAtheoreticalzero-tempcoVREFcanbe

obtainedA＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311NR1R3R4R4I1I1I2I2INLI1+I2+INLI1+I2+INLI1+I2+INLR2AR2AR2BR2BXYVREF曲率補償帶隙基準電路A＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311高PSRR帶隙基準電路高PSRR帶隙基準電路無電阻帶隙基準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ΔVD=VD2-VD1可編程帶隙基準可編程帶隙基準內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理PTAT帶隙電壓基準的設計PTAT帶隙電壓基準的設計MOS管初始參數設置N管W/L=20u/2uP管W/L=1.1u/550n并聯數長寬MOS管初始參數設置并聯數雙極晶體管比例設置Q1，Q2，Q3的比例設置為7：1：1管子并聯數雙極晶體管比例設置Q1，Q2，Q3的比例設置為7：1：1管電阻設置初始設置中M5，M6和M8設為相同的寬長比，因此M=1。零溫度系數條件為：令R1=26kΩ，則R2=230kΩ阻值電阻設置初始設置中M5，M6和M8設為相同的寬長比，因此M=設置仿真環境基本庫，晶體管，電阻，電容設置仿真環境基本庫，晶體管，電阻，電容設置仿真溫度范圍直流掃描保存直流工作點掃描溫度溫度范圍開啟設置仿真溫度范圍直流掃描保存直流工作點掃描溫度溫度范圍開啟仿真結果輸出選擇“VREF”端口為輸出，開始仿真。視頻：帶隙電壓基準DC溫度掃描仿真結果輸出視頻：帶隙電壓基準DC溫度掃描仿真結果分析溫度特性較差，正溫度系數過小，這是由于R2/R1的比值過小所致可通過調節R2/R1的比值來優化溫度特性仿真結果分析內容帶隙電壓基準的基本原理常用帶隙電壓基準結構PTAT帶隙電壓基準運放輸出電壓基準基準電路的發展方向PTAT帶隙電壓基準的設計優化溫度特性實訓內容帶隙電壓基準的基本原理優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：在電路圖中設置R2的阻值為變量“res”ADE窗口中，選擇“Variables”→“Edit”優化溫度特性設置掃描變量ADE窗口中，點擊“Tools”→“ParemetricAnalysis”在ParemetricAnalysis窗口中，選擇“Setup”→“PickNameForVareable”→“Sweep1...”在ParemetricAnalysisPickSweep1窗口中選擇“res”作為變量設置掃描變量設置掃描范圍設置“Sweep1”掃描范圍為230~460kΩ