CMOS模拟集成电路实训之电压基准的设计课件.ppt
CMOS模拟集成电路实训之电压基准的设计,东南大学微电子学院IC实验室,内容,带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训,带隙电压基准的基本原理,带隙电压基准的基本原理：,基准电压表达式：,V+,V-的产生原理,利用了双极型晶体管的两个特性：基极-发射极电压（VBE）与绝对温度成反比在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发射极电压的差值（VBE）与绝对温度成正比双极型晶体管构成了带隙电压基准的核心,负温度系数电压双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）关系为 其中，。利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为其中，是硅的带隙能量。当，时，。VBE的温度系数本身就与温度有关,正温度系数电压如果两个同样的晶体管（IS1=IS2=IS，IS为双极型晶体管饱和电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值为 因此，VBE的差值就表现出正温度系数 这个温度系数与温度本身以及集电极电流无关。,实现零温度系数的基准电压利用上面的正，负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压，有以下关系：因为，因此令，只要满足上式，便可得到零温度系数的VREF。即为,内容,带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训,常用带隙电压基准结构两种常用结构先产生一个和绝对温度成正比（PTAT）的电流，再通过电阻将该电流转变为电压，并与双极型晶体管的VBE相加，最终获得和温度无关的基准电压通过运算放大器完成VBE和VBE的加权相加，在运算放大器的输出端产生和温度无关的基准电压,内容,带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训,利用PTAT电流产生基准电压,M5，M6，M8构成电流镜又VBE=VTlnnI1=I2=(VTlnn)/R1I3=M(VTlnn)/R1,带隙电压基准电路,输出基准电压,T=300K时的零温度系数条件,电路实现,内容,带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训,运放输出端产生基准电压,输出基准电压,零温度系数条件,电路实现,两种结构的性能比较1.驱动能力 PTAT基准不能直接为后续电路提供电流，需要在带隙电压基准和后续电路中加入缓冲器才能提供电流。2.面积 运放输出基准需要使用3个电阻，并且在Q1和Q2的比值n较小的时候，需要使用更大阻值的R1和R2。因此消耗更多的芯片面积。,内容,带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训,低输出电压带隙基准电路,A,VDD,M1,M2,M3,Q1,Q2,1,N,R1,R2,R2,R3,VREF,I1,I1,I2,I2,I1+I2,I1+I2,A CMOS Bandgap Reference with Sub-1-V Operation,曲率补偿带隙基准电路,When R2/R4=-1(3.2)VEB2 nonliner parameter is cancelledA theoretical zero-tempco VREF can be obtained,A,M1,M2,M3,M4,Q1,Q2,Q3,1,1,N,R1,R3,R4,R4,I1,I1,I2,I2,INL,I1+I2+INL,I1+I2+INL,I1+I2+INL,R2A,R2A,R2B,R2B,X,Y,VREF,高PSRR带隙基准电路,无电阻带隙基准,VD=VD2-VD1 VOUT=VD2+AG VD VOUT 1.12 V 9 mV 0 70 oCA=1.5B=4G=6AD1/AD2=8Ref.:Buck,JSSC Jan.2002,81-83,可编程带隙基准,内容,带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训,PTAT带隙电压基准的设计,MOS管初始参数设置N管W/L=20u/2uP管W/L=1.1u/550n,并联数长宽,双极晶体管比例设置,Q1，Q2，Q3的比例设置为 7：1：1,管子并联数,电阻设置,初始设置中M5，M6和M8设为相同的宽长比，因此M=1。零温度系数条件为：,令R1=26k，则R2=230k,阻值,设置仿真环境,基本库，晶体管，电阻，电容,设置仿真温度范围,直流扫描,保存直流工作点,扫描温度,温度范围,开启,仿真结果输出选择“VREF”端口为输出，开始仿真。,视频：带隙电压基准DC温度扫描,仿真结果分析温度特性较差，正温度系数过小，这是由于R2/R1的比值过小所致可通过调节R2/R1的比值来优化温度特性,内容,带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训,优化温度特性采用变量分析“Parametric”方法方案：固定R1值的大小，扫描R2方法：在电路图中设置R2的阻值为变量“res”ADE窗口中，选择“Variables”“Edit”,设置扫描变量ADE窗口中，点击“Tools”“Paremetric Analysis”在Paremetric Analysis窗口中，选择“Set up”“Pick Name For Vareable”“Sweep 1.”在Paremetric Analysis Pick Sweep 1窗口中选择“res”作为变量,设置扫描范围设置“Sweep1”扫描范围为230460k“Total Steps”为“5”,选择窗口中的“Analysis”“Start”，开始变量扫描,变量扫描结果分析,当R2电阻为402k时，温度系数为负当R2电阻为460k时，温度系数为正,缩小扫描范围，再次仿真res扫描范围设置为402460k,再次扫描,当R2=445k时，温度特性最好,视频：扫描电阻，优化温度特性,利用“Calculator”分析温度特性在仿真结果图中点击“Tools”“calculator”,缓存buffer,堆栈stack,温漂系数计算计算公式：,列表显示温度系数,点击制表按钮，在“Display Results”中选择Value，点击“OK”，显示计算结果,当R2=445k时，温漂系数最小，PPM=24.13ppm/,视频：Calculator分析温漂系数,绘图显示温度系数,点击制图按钮，绘图显示温漂系数随R2电阻变化情况，R2=445k时出现最小值,内容,带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训,Lab1：PTAT带隙电压基准指标VDD=3.3V/5V Vref=1.3V PPM20ppm/要求原理分析Spectre直流特性仿真实训一参考,Lab2：三支路基准电流源指标VDD=5V Iref=30nA 要求原理分析Spectre直流特性仿真Spectre交流特性仿真实训二参考,
