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一种高性能CMOS带隙电压基准源设计

本栏目责任编辑：谢媛媛

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１引言

基准电压（Ｖｏｌｔａｇｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）是当代模拟集成电路以及数模混合电路的重要组成部分，它对高新模拟电子技术的应用与发展具有重要作用。在许多集成电路中，如数／模转换器线性稳压器和开

关稳压器等，都需要稳定的电压基准。

在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把集成基准电压源作为系统测量和校准的基准。

由于带隙基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。本文在分析传统的基准电路上，综合一级温度补偿，电流反馈和电阻二次分压的技术，采用Ｐ差分对输入的运算放大器作为基准电路的负反馈运放，同时运放的输出作为电路自身的偏置来提高电源抑制比。仿真结果表明性能良好。

２原理和电路结构

２．１传统的带隙基准电路

图１原理示意图图２原理实际电路

图（１）为带隙基准的原理示意图，双极性晶体管的Ｖｂｅ，具有负温度系数，室温下为－２２ｍｖ／Ｋ。而热电压Ｖｔ具有正的温度系数，室温下为０．０８５ｍＶ／Ｋ。所以Ｖｒｅｆ＝Ｖｂｅ＋ＫＶｔ。选取合适的系数Ｋ理论上可以得到零温度系数的Ｖｒｅｆ。图（２）为带隙基准的原理实际电路，运放的高增益使得电路处于深度负反馈状态，有Ｖａ＝Ｖｂ，所以Ｖｂｅ１＝

Ｖｂｅ２＋Ｉ＊Ｒ１，Ｉ＝Δ

Ｖｂｅ／Ｒ１，而假定Ｍ３和Ｍ２镜像关系，且为ｎ倍关系，忽略沟道调制效应，有ＶＲＥＦ＝Ｖｂｅ３＋ｎ?Ｉ?Ｒ２＝Ｖｂｅ３＋ｎ?ΔＶｂｅ?Ｒ２／Ｒ１，又我们有基极、发射极正偏电压与集电极电流的关系，ＶＢＥ＝ＶＴ?ｌｎ（Ｉ／ＩＳ）ＶＴ＝ｋＴ／

ｑ，Ｉ５饱和电流，ｋ、Ｔ、ｑ都为常数，所以有ΔＶｂｅ＝ＶＴｌｎＪ２Ｊ１＝ＶＴｌｎＡ２Ａ１

＝

ｌｎｍ

?ＶＴ（ｍ为发射极Ｑ１，Ｑ２面积比），综上几式可得ＶＲＢＦ＝Ｖｂｅ３＋ｎ?Ｉ?Ｒ２＝Ｖｂｅ３＋ｎ?Ｒ２Ｒ１

?ｌｎｍ?ＶＴ。２．２运放的选择

本文所用的运放是采用经典的结构，由于双极型晶体管ＥＢ结压降约为０．７Ｖ左右，若使用ＮＭＯＳ管作为输入管则容易造成ＭＯＳ管不能工作在饱和区。因此采用ＰＭＯＳ管作为差分输入管、电流镜作负载的两级运放，采用ＰＭＯＳ管作为输入管在获得良好的直流增益的同时还具有比ＮＭＯＳ管更好的１／ｆ噪声特性，并能

提高电源抑制比ＰＳＲＲ。

运放的输出作为核心电路的偏置。自偏置大大降低了电路的工作电流并节省了元件。

图３运放电路图

运放失调的影响

由于实际的运放存在一定的失调，所以实际的输出为ＶＲＢＦ＝Ｖｂｅ３＋ｎ?Ｒ２Ｒ１

?（ｌｎｍ?ＶＴ－Ｖｏｓ），减小失调可以减小基准电压输出电压误差。通常有３种方法来减小失调对输出电压的影响：

（１）运放采用大尺寸器件仔细选择版图使得失调最小。（２）增大ｍ，ｎ可以使得Ｖｏｓ相对较小。

（３）电路分支采用两个ｐｎ结串连的结构，是ΔＶｂｅ增加一倍。２．３启动电路由于带隙基准源存在两个电路平衡点，即零点和正常工作点。工作在两点状态下Ｘ１，Ｘ２电压为零，基准源没有电流产生。启动电路就是避免基准源工作在不必要的零点。由电容Ｃ、ＮＭＯＳ管Ｍ１，Ｍ２和ＰＭＯＳ管Ｐ１组成启动电路。当基准源工作在零点时，节点Ｘ１、Ｘ２的电压等于零，基准源没有电流产生。启动电路的目的就是为了避免基准源工作在不必要的零点上。本文设计了图２所示的启动电路，电路由Ｍ１、Ｍ２和Ｍ３。构成。当电路工作在零点时，Ｍ１管导通，迅速提高节点Ｘ１、Ｘ２的电压，产生基准电流，节点Ｘ１的电压通过Ｍ２和Ｍ３组成的反相器，使Ｍ１管完全截止，节点

收稿日期：２００７－０９－１０

基金项目：安徽省教育厅自然科学研究重点项目（２００６ｋｊ０１２ａ）

作者简介：黄智（１９８２－），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向为大规模集成电路。

一种高性能ＣＭＯＳ带隙电压基准源设计

黄智，吴秀龙，梅振飞，鲁世斌

（安徽大学电子学院，安徽合肥２３００３９）

摘要：本文在对传统ＣＭＯＳ带隙电压基准电路的分析上，综合一阶温度补偿，电流反馈和电阻二次分压的技术。整个电路采用ＣＨＡＲＴＥＲ０．３５ｕｍＣＭＯＳ工艺实现，采用ＭｅｎｔｏｒＧｒａｐｈｉｃｓ的Ｅｌｄｏ工具进行仿真，结果表明该电路具有低温度系数和高电源抑制比。

关键词：ＣＭＯＳ；Ｂａｎｄｇａｐ；Ｔｅｍｐ－ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ＰＳＲＲ；Ｅｌｄｏ中图分类号：ＴＰ３１１文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００７）２０－４０４７０－０２

ＡＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣＭＯＳＢａｎｄｇａｐＶｏｌｔａｇｅＲｅｆｅｒｅｎｃｅ

ＨＵＡＮＧＺｈｉ，ＷＵＸｉｕ－ｌｏｎｇ，ＭＥＩＺｈｅｎｇ－ｆｅｉ，ＬＵＳｈｉ－ｂｉｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｎｈｕｉｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３００３９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｄｅｓｉｇｎｏｆＣＭＯＳｂａｎｄｇａｐｖｏｌｔａｇｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｕｓｉｎｇｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｓｉｎｇｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＣＭＯＳｂａｎｄｇａｐｃｉｒｃｕｉｔ．ＴｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓｉｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅＣＨＡＲＴＥＲ０．３５ｕｍＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓ．Ｕｓ－ｉｎｇＥｌｄｏｓｉｍｕｃａｔｅｓｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｅｒｃｏｅｆｆｉｅｎｔａｎｄｈｉｇｈＰＳＲＲｉｎｔｈｉｓｃｉｒｃｕｉｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＭＯＳ；Ｂａｎｄｇａｐ；Ｔｅｍｐ－ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ＰＳＲＲ；Ｅｌｄｏ

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（上接第４３０页）

些节点是引擎停止时未及时运行的节点），“调度器”调用“过程模型适配器”获取“Ｒｅａｄｙ”节点实例（即活动对象）后异步调用“节点运行器”的“运行节点”方法运行节点实例。第４步骤是“调度器”异步调用“调度器调度”方法使引擎完全处于运行状态。

图７调度器自举顺序图

４结论

工作流中过程定义的核心是活动。利用ＵＭＬ对工作流引擎用例进行分析，有助于系统地、正确地了解工作流引擎应具备的功能，同时在分析、设计、实现过程中运用迭代的方法，不断地修正、完善系统用例。采用面向对象的分析、设计有助于分解、降低复杂问题，降低各构件之间的耦合度。

参考文献：

［１］范玉顺．工作流管理技术基础．清华大学出版社，２００１．４：２８－３３，５４－５７，１５０－１５３．

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［３］ＷｏｒｋｆｌｏｗＭａｎａｇｅｍｅｎｔＣｏａｌｉｔｉｏｎ．Ｗｏｒｋｆｌｏｗｍａｎａｇｅｍｅｎｔｃｏａｌｉｔｉｏｎｔｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙ＆ｇｌｏｓｓａｒｙ．ＷＦＭＣＴＣ００－１０１１１９９４：１２０－１２７．［４］荷兰．ＷｉｌｖａｎｄｅｒＡａｌｓｔ＆ＫｅｅｓｖａｎＨｅｅ．著．王建民，闻立杰．等．译．工作流管理——

—模型、方法和系统．清华大学出版社，２００４．２：２３－４５．

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Ｘ１、Ｘ２的电压回落在稳定的工作点上，基准源开始正常工作。电容Ｃ有助于电路稳定，降低噪声的影响。

２．４整体电路如下

图４整体电路

３仿真结果与分析

采用Ｃｈａｒｔｅｄ的０．３５ｕｍ标准ＣＭＯＳ工艺，利用ＭｅｎｔｏｒＧｒａｐｈｉｃｓ软件的Ｅｌｄｏ工具对电路进行仿真。

图５温度特性图图６电源抑制比电源电压３．３ｖ，带隙基准输出电压为９４７ｍｖ，温度系数为１０ｐｐｍ／℃，电源抑制比－４４ｄＢ。

该基准电压源的主要误差来源于双极型晶体管几何尺寸的失配，ＭＯＳ管阈值电压、沟道调制效应的失配，电阻在工艺中精度、温度系数及运放的失调电压。在设计中选择合适的工作点和长沟道ＭＯＳ管，仔细的版图将失调减少到最小。在版图设计中，为了提高电路的性能，充分考虑器件的匹配性及版图的布局和布线等问题。

ａ）在绘制面积比为８∶１的Ｑ３和Ｑ２ＰＮＰ晶体管时，采用３×３阵列，Ｑ

２

放置在阵列的中央，同时，８个等面积的并联ＰＮＰ管环绕

着Ｑ

２

组成Ｑ

３

，Ｑ１Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４发射级面积分别相等，以增强匹配性，减小失调。

ｂ）运放失调是影响电路性能的主要因素之一，而输入差分对的匹配度在很大程度上决定失调的大小，所以，在版图中将差分对管进行交叉耦合，减少失调。

ｃ）为了保证Ｎ阱电压和衬底电压在各自的区域范围内尽可能一致，阱内和衬底上都尽可能多打连接孔，并分别连接电源电压和地。

ｄ）在制造中，电阻也是一个重要的误差。对电阻采用等比例复制方法，并呈对称排列，相邻两个电阻条使用Ｐｏｌｙ互连结构，避免使用弯角，也就避免了转角误差。

４结论

本文在对传统ＣＭＯＳ带隙电压基准电路的分析上，综合一级温度补偿，电流反馈和电阻二次分压的技术，采用ＣＨＡＲＴＥＲ０．３５ｕｍＣＭＯＳ工艺实现，采用ＭｅｎｔｏｒＧｒａｐｈｉｃｓ的Ｅｌｄｏ工具对改进的电压基准电路仿真，电源电压在３．３ｖ时，基准输出电压９４７ｍｖ±０．５ｍｖ，温度系数可低至１０ｐｐｍ／℃，电源抑制比－４４ｄＢ，结果表明了设计的正确性。

参考文献：

［１］ＨＯＬＭＡＮＷＴ．Ａｎｅｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｂａｎｄｇａｐｖｏｌｔａｇｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ［Ｊ］．ＣｉｒｃｕｉｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ，１９９６；５（１）：３８５２３８８．

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带隙基准电压源的设计

哈尔滨理工大学软件学院课程设计报告课程大三学年设计题目带隙基准电压源设计专业集成电路设计与集成系统班级集成10-2 班学生唐贝贝学号1014020227 指导老师董长春 2013年6月28日

目录一.课程设计题目描述和要求………………………………………… 二.课程设计报告内容………………………………………………… 2.1课程设计的计算过程…………………………………………. 2.2带隙电压基准的基本原理……………………………………. 2.3指标的仿真验证结果…………………………………………. 2.4 网表文件……………………………………………………… 三.心得体会……………………………………………………………四．参考书目………………………………………………………….

一．课程设计题目描述和要求1.1电路原理图： (1).带隙基准电路 (2).放大器电路

1.2设计指标放大器：开环增益：大于70dB 相位裕量：大于60度失调电压：小于1mV 带隙基准电路：温度系数小于10ppm/C ? 1.3要求 1>手工计算出每个晶体管的宽长比。通过仿真验证设计是否正确，是否满足指标的要求，保证每个晶体管的正常工作状态。 2>使用Hspice 工具得到电路相关参数仿真结果，包括：幅频和相频特性（低频增益，相位裕度，失调电压）等。 3>每个学生应该独立完成电路设计，设计指标比较开放，如果出现雷同按不及格处理。 4>完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件，包括所有仿真电路的网表，仿真结果。 5>相关问题参考教材第六章，仿真问题请查看HSPICE 手册。二. 课程设计报告内容由于原电路中增加了两个BJT 管，所以Vref 需要再加上一个Vbe ，导致最后结果为(ln )8.6M n β??≈，最后Vref 大概为1.2V ，且电路具有较大的电流，可以驱动较大的负载。 2.1课程设计的计算过程 1> M8，M9，M10，M11，M12，M13宽长比的计算设Im8=Im9=20uA (W/L)8=(W/L)9=20uA 为了满足调零电阻的匹配要求，必须有Vgs13=Vgs6 ->因此还必须满足(W/L)13=(Im8/I6)*(W/L)6 即(W/L)13/(W/L)6=(W/L)9/(W/L)7 取(W/L)13=27 取(W/L)10=(W/L)11=(W/L)13=27 因为偏置电路存在整反馈，环路增益经计算可得为1/(gm13*Rb)，若使环路

带隙基准电压源设计解析

0 引言基准电压是集成电路设计中的一个重要部分，特别是在高精度电压比较器、数据采集系统以及A／D和 D／A转换器等中，基准电压随温度和电源电压波动而产生的变化将直接影响到整个系统的性能。因此，在高精度的应用场合，拥有一个具有低温度系数、高电源电压抑制的基准电压是整个系统设计的前提。传统带隙基准由于仅对晶体管基一射极电压进行一阶的温度补偿，忽略了曲率系数的影响，产生的基准电压和温度仍然有较大的相干性，所以输出电压温度特性一般在20 ppm／℃以上，无法满足高精度的需要。基于以上的要求，在此设计一种适合高精度应用场合的基准电压源。在传统带隙基准的基础上利用工作在亚阈值区MOS管电流的指数特性，提出一种新型二阶曲率补偿方法。同时，为了尽可能减少电源电压波动对基准电压的影响，在设计中除了对带隙电路的镜相电流源采用cascode结构外还增加了高增益反馈回路。在此，对电路原理进行了详细的阐述，并针对版图设计中应该的注意问题进行了说明，最后给出了后仿真结果。 l 电路设计 1．1 传统带隙基准分析通常带隙基准电压是通过PTAT电压和CTAT电压相加来获得的。由于双极型晶体管的基一射极电压Vbe呈负温度系数，而偏置在相同电流下不同面积的双极型晶体管的基一射极电压之差呈正温度系数，在两者温度系数相同的情况下将二者相加就得到一个与温度无关的基准电压。传统带隙电路结构如图1所示，其中Q2的发射极面积为Q1和Q3的m倍，流过Q1～Q3的电流相等，运算放大器工作在反馈状态，以A，B两点为输入，驱动Q1和Q2的电流源，使A，B两点稳定在近似相等的电压上。

假设流过Q1的电流为J，有：由于式(5)中的第一项具有负温度系数，第二项具有正温度系数，通过调整m值使两项具有大小相同而方向相反的温度系数，从而得到一个与温度无关的电压。理想情况下，输出电压与电源无关。然而，标准工艺下晶体管基一射极电压Vbe随温度的变化并非是纯线性的，而且由于器件的非理想性，输出电压也会受到电源电压波动的影响。其中，曲线随温度的变化主要取决于Vbe自身特性、集电极电流和电路中运放的失调电压，Vbe

带隙基准设计实例

带隙基准设计实例-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

带隙基准电路的设计基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。目前,基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A/ D 和D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。它产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片,甚至整个控制系统的性能。因此,设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。自1971 年Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后,由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压,以及可以与标准CMOS 工艺兼容的特点,所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术,本设计主要在传统电路的基础上设计一种零温度系数基准电路。一设计指标： 1、温度系数：ref F V TC V T ?=? 2、电压系数：ref F dd V VC V V ?=? 二带隙基准电路结构：

三性能指标分析如果将两个具有相反温度系数（TCs ）的量以适合的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。在零温度系数下，会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。 V REF = a 1V BE + a 2V T ㏑(n) 其中, V REF 为基准电压, V BE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, V T 为热电压。对于a 1和a 2的选择，因为室温下/ 1.5m /BE T V V K ??≈-,然而/0.087m /T V T V K ??≈+,所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得2(ln )(0.087/) 1.5/n mV K mV K α=,也就是2ln 17.2n α≈，表明零温度系数的基准为： 17.2 1.25REF BE T V V V V ≈+≈ 对于带隙基准电路的分析，主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。 1、瞬态分析电源电压Vdd=5v 时，Vref ≈，下图为瞬态分析图。 2.电压系数的计算：下图为基准电压Vref 随电源电压Vdd 变化dc 分析扫描。扫描电压范围为：3到6v ，基准电压Vref 为，保持基本不变。

带隙基准源电路与版图设计

论文题目：带隙基准源电路与版图设计摘要基准电压源具有相对较高的精度和稳定度，它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个系统的精度和性能。模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或者为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一，而集成电路版图是为了实现集成电路设计的输出。本文的主要目的是用BiCMOS工艺设计出基准源电路的版图并对其进行验证。本文首先介绍了基准电压源的背景发展趋势及研究意义，然后简单介绍了基准电压源电路的结构及工作原理。接着主要介绍了版图的设计，验证工具及对设计的版图进行验证。本设计采用40V的0.5u BiCMOS工艺库设计并绘制版图。仿真结果表明，设计的基准电压源温度变化为-40℃~~85℃，输出电压为2.5V及1.25V。最后对用Diva 验证工具对版图进行了DRC和LVS验证，并通过验证，表明本次设计的版图符合要求。关键字：BiCMOS，基准电压源，温度系数，版图

Subject: Research and Layout Design Of Bandgap Reference Specialty: Microelectronics Name: Zhong Ting (Signature)＿＿＿＿Instructor: Liu Shulin (Signature)＿＿＿＿ ABSTRACT The reference voltage source with relatively high precision and stability, temperature stability and noise immunity affect the accuracy and performance of the entire system. Analog circuit using the reference source, or in order to get the bias has nothing to do with power, or in order to be independent of temperature, bias, and its performance directly affects the performance and stability of the circuit shows that the reference source is an integral part of the sub-circuit, excellent reference source is the design of all electronic systems the most basic and critical requirements of one of the IC layout in order to achieve the output of integrated circuit design. The main purpose of this paper is the territory of the reference circuit and BiCMOS process to be verified. This paper first introduces the background of the trends and significance of the reference voltage source, and then briefly introduced the structure and working principle of the voltage reference circuit. Then introduces the layout design and verification tools to verify the design of the territory. This design uses a 40V 0.5u BiCMOS process database design and draw the layout.The simulation results show that the design of voltage reference temperature of -40 °C ~ ~ 85 °C, the output voltage of 2.5V and 1.25V. Finally, the Diva verification tool on the territory of the DRC and LVS verification, and validated, show that the territory of the design meet the requirements. I

CMOS带隙基准源

2.3 带隙基准源的温度补偿方法由上一章可知，带隙基准电压源的一阶补偿技术主要是通过一个与热电压成比例的正温度系数电压VT 来抵消二极管基极-发射极电压VBE 的负温度系数。但是 VT 是温度T 的线性函数，VBE 是包含温度T 的高次项的复杂函数。文献[6]中对VBE 的温度特性进行了深入的分析，总结出VBE 的温度表达式为其中G V 是硅的带隙电压，η是硅迁移率的温度常数，r T 是参考温度。由于集电极电流I C 是与温度成正比的，因此一阶补偿的带隙基准电压V REF 可表示为：调整参数K 可使V REF 的温度系数达到最小。而式中G V 的温度特性由文献[7]中的最精确模型给出：其中a,b,c为根据经验在不同温度条件下给出的不同参数。由式（2-12）式（2-13）可知，V BE 是包含温度T 的高次项的复杂函数。因此，即使在一阶补偿下，基准电压仍会存在温度漂移现象，这是一阶补偿的固有现象，故在一定温度范围内采用一阶补偿不能达到所要求的温度系数范围，要获得高性能的带隙基准电压源，就必须使用各种曲率校正的方法来抑制V REF 的变化。近年来，为了在一阶补偿的基础上增加基准源的温度稳定性，产生了一些曲率校正的方法，例如文献[8]中提出了二阶温度补偿的方法、文献[9]中提出了V BE 线性化方法、文献[10]利用不同材料电阻的相异温度特性进行曲率校正、文献[11]中提出的指数温度补偿的方法等。下面将分别介绍这几种曲率校正的方法。 2.3.1 二阶曲率补偿基准没有经过二阶曲率补偿是由于忽略了V BE的高阶项，实际上V BE跟温度的关系式如式（2-14）所示：其中，V G0是半导体材料在绝对零度时的带隙基准电压;q 是一个电子电荷;n 是工艺常数;k 是波尔兹曼常数;T 是绝对温度; I C 是集电极电流;V BE0是温度在T0 时基极-发射极电压。由此看见V BE 的高阶项并不为零，因此一阶补偿的基准并不能真正使得基准的输出电压与温度T 无关，而是一条近似的抛物线，温度对输出的影响一般在20 ~ 30×10?6 /℃右，幅度大约为3~5mV。这在对基准温度特性要求不高的应用中能够满足要求，但对于高精度要求的场合，就需要对该曲线进

带隙基准源的设计

《模拟CMOS集成电路设计》---与电源无关的电流源课程设计院系：电子与信息工程学院专业：电子09-2 姓名：王艳强学号：0906040221 指导教师：李书艳

摘要模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。而与温度关系很小的电压基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的。值得注意的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。采用Hspice软件进行仿真，仿真结果证明了基准源具有低温度系数和高电源抑制比。关键词：CMOS集成电路；带隙基准；偏置；温度系数；仿真；工艺综述我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流，如果忽略一些管子的沟道长度调制效应时电流就可以保持与电源电压无关。电压基准源是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也意味着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。另外，电压基准源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源。微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS和BiCMOS四大类型。其中，双极型工艺是集成电路中最早成熟的工艺，CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，已经逐渐发展成为当代VLSI（超大规模集成电路）工艺的主流工艺技术。双极型集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低。BiCMOS技术增强了在CMOS技术提供的双极型晶体管的性能，这使其在模拟电路设计中具有潜力。由于CMOS工艺中“按比例缩小理论”的不断发展，器件尺寸按比例缩小使得CMOS电路的工作速度得到不断地提高，在模拟集成电路的设计中CMOS技术逐渐可以与双极型技术抗衡。近年来，模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术以其得到飞速的发展，片上系统已经受到学术界及工业界广泛关注。由于SOC要求很高的集成度，而CMOS工艺的特点正好符合了这种需求，因此，用CMOS技术来设计电路越来越成为集成电路的发展趋势。设计过程 1 电路结构设计 1.1 启动电路设计为了避免基准源工作在不必要的零点上，我们设计了启动电路

带隙基准设计实例

三性能指标分析如果将两个具有相反温度系数（TCs ）的量以适合的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。在零温度系数下，会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。 V REF = a 1V BE + a 2V T ㏑(n) 其中, V REF 为基准电压, V BE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, V T 为热电压。对于a 1和a 2的选择，因为室温下/ 1.5m /BE T V V K ??≈-,然而/0.087m /T V T V K ??≈+,所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得2(ln )(0.087/) 1.5/n mV K mV K α=,也就是 2ln 17.2n α≈，表明零温度系数的基准为： 17.2 1.25REF BE T V V V V ≈+≈ 对于带隙基准电路的分析，主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。 1、瞬态分析电源电压Vdd=5v 时，Vref ≈，下图为瞬态分析图。 2.电压系数的计算：下图为基准电压Vref 随电源电压Vdd 变化dc 分析扫描。扫描电压范围为：3到6v ，基准电压Vref 为，保持基本不变。

低电压带隙基准电压源设计

低电压带隙基准电压源设计基准电压是数模混合电路设计中一个不可缺少的参数，而带隙基准电压源又是产生这个电压的最广泛的解决方案。在大量手持设备应用的今天，低功耗的设计已成为现今电路设计的一大趋势。随着CMOS 工艺尺寸的下降，数字电路的功耗和面积会显著下降，但电源电压的下降对模拟电路的设计提出新的挑战。传统的带隙基准电压源结构不再适应电源电压的要求，所以，新的低电压设计方案应运而生。本文采用一种低电压带隙基准结构。在TSMC0．13μmCMOS工艺条件下完成，包括核心电路、运算放大器、偏置及启动电路的设计，并用Cadence Spectre对电路进行了仿真验证。 1 传统带隙基准电压源的工作原理传统带隙基准电压源的工作原理是利用两个温度系数相抵消来产生一个零温度系数的直流电压。图1所示是传统的带隙基准电压源的核心部分的结构。其中双极型晶体管Q2的面积是Q1的n倍。假设运算放大器的增益足够高，在忽略电路失调的情况下，其输入端的电平近似相等，则有： VBE1=VBE2+IR1 (1)

其中，VBE具有负温度系数，VT具有正温度系数，这样，通过调节n和R2/R1，就可以使Vref得到一个零温度系数的值。一般在室温下，有：但在0．13μm的CMOS工艺下，低电压MOS管的供电电压在1．2 V左右，因此，传统的带隙基准电压源结构已不再适用。 2 低电源带隙基准电压源的工作原理低电源电压下的带隙基准电压源的核心思想与传统结构的带隙基准相同，也是借助工艺参数随温度变化的特性来产生正负两种温度系数的电压，从而达到零温度系数的目的。图2所示是低电压下带隙基准电压源的核心部分电路，包括基准电压产生部分和启动电路部分。

带隙基准学习笔记

带隙基准设计 A.指标设定该带隙基准将用于给LDO提供基准电压，LDO的电源电压变化范围为1.4V到3.3V，所以带隙基准的电源电压变化范围与 LDO的相同。LDO的PSR要受到带隙基准PSR的影响，故设计的带隙基准要有高的PSR。由于LDO是用于给数字电路提供电源，所以对噪声要求不是很高。下表该带隙基准的指标。电源电压1.4V~3.3V 输出电压0.4V 温度系数35ppm/℃ PSR@DC，@1MHz-80dB，-20dB 积分噪声电压（1Hz~100kHz）<1mV 功耗<25uA 线性调整率<0.01%

B.拓扑结构的选择上图是传统结构的带隙基准，假设M 1~M尺寸相同，那么输 3 出电压为 R 2 V REF VlnNV BE T3 R 1 V是负温度系数，对温度求导数，得到公式（Razavi， BE Page313）： V BE3BE3(4)Tg/ VmVE TT q 其中， 3 m。如果输出电压为零温度系数，那么： 2 V REF V BE 3 TT k q lnN R 2 R 1 得到： kV BE(4m)V T E g/ R 3 2 lnN qRT 1 q 带入： R

2 V REF VlnNV BE T3 R 1 得到：

E g V REF(4m)V T q 在27°温度下，输出电压等于1.185V，小于电源电压1.4V，可这个电路并不能工作在1.4V电源电压下，因为对于带隙基准里的运放来说，共模输入范围会受到电源电压限制，电源电压的最小值为： VDD min V BE VV 2GS_input_differential_pairover _drive_of_current_source 其中，V是三极管Q2的导通电压，V GS_input_differential_pair是运放差 BE2 分输入管对的栅源电压，V____是运放差分输入管对尾 overdriveofcurrentsource 电流源的过驱动电压。对于微安级别的电流，可以认为： V GS V TH 这里将差分输入对的体和源级短接以减小失配，同时阈值电压不会受到体效应的影响。假设差分对尾电流源的过驱动电压为 100mV，那么，电源电压的最小值为： VDD min V BE2V TH_input_differential_pair100mV 下表列出了smic.13工艺P33晶体管阈值电压和三极管的导通电压随Corner角和温度变化的情况： V-40°27°80° TH slow-826mV-755mV-699mV typical-730mV-660mV-604mV fast-637mV-567mV-510mV BJT的V-40°27°80° BE slow830mV720mV630mV typical840mV730mV640mV fast860mV750mV660mV 可以计算出在不同温度的Corner角下电源电压的最小值： VDD-40°27°80° min slow1.756V1.575V1.429V typical1.67V1.49V1.344V fast1.597V1.417V1.27V 可以看出，对于大部分情况，1.4V电源电压无法保证带隙基准中运放的正常工作，所以必须改进电路结构，使其可以工作在 1.4V电源电压下。

带隙电压基准源的设计与分析

带隙电压基准源的设计与分析摘要介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。设计了一种基于Banba结构的基准源电路，重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析，得到并分析了输出电压与温度的关系。文中对带隙电压基准源的设计与分析，可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。可以为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。基准源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。在模／数转换器(ADC)、数／模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中，低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。在集成电路工艺发展早期，基准源主要采用齐纳基准源实现，如图1(a)所示。它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。由于半导体表面的沾污等封装原因，齐纳二极管噪声严重且不稳定。之后人们把齐纳结移动到表面以下，支撑掩埋型齐纳基准源，噪声和稳定性有较大改观，如图1(b)所示。其缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6～8 V，不能应用于低电压电路；并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。 1971年，Widlar首次提出带隙基准结构。它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。相比齐纳基准源，Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。接下来的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。新的结构中将运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构，设计了一种基于Banba结构的带隙基准源，相对于Banba结构，增加了自启动电路模块及放大电路模块，使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。 1 带隙基准源工作原理由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。为得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的双极晶体管的基极-发射极电压VBE与具有正温度系数的双极晶体管VBE的差值△VBE以不同权重相加，使△VBE 的温度系数刚好抵消VBE的温度系数，得到一个与温度无关的基准电压。图2为一个基本的CMOS带隙基准源结构电路。

带隙基准源电路与版图设计.

Subject: Research and Layout Design Of Bandgap Reference Specialty: Microelectronics Name: Zhong Ting (Signature)＿＿＿＿Instructor: Liu Shulin (Signature)＿＿＿＿ ABSTRACT The reference voltage source with relatively high precision and stability, temperature stability and noise immunity affect the accuracy and performance of the entire system. Analog circuit using the reference source, or in order to get the bias has nothing to do with power, or in order to be independent of temperature, bias, and its performance directly affects the performance and stability of the circuit shows that the reference source is an integral part of the sub-circuit, excellent reference source is the design of all electronic systems the most basic and critical requirements of one of the IC layout in order to achieve the output of integrated circuit design. The main purpose of this paper is the territory of the reference circuit and BiCMOS process to be verified. This paper first introduces the background of the trends and significance of the reference voltage source, and then briefly introduced the structure and working principle of the voltage reference circuit. Then introduces the layout design and verification tools to verify the design of the territory. This design uses a 40V 0.5u BiCMOS process database design and draw the layout.The simulation results show that the design of voltage reference temperature of -40 ° C ~ ~ 85 ° C, the output voltage of 2.5V and 1.25V. Finally, the Diva verification tool on the territory of the DRC and LVS verification, and validated, show that the territory of the design meet the requirements. Keywords: BiCMOS，band gap , temperature coefficient, layout II

带隙基准电压源设计

基于BiCMOS工艺的带隙基准电压源设计叶鹏1，2，文光俊1,2，蔡竟业1, 王永平2 (1.电子科技大学通信与信息工程学院，四川成都 610054) (2.广州润芯信息技术有限公司，广东广州 510663 ) 摘要：电压基准是模拟集成电路的重要单元模块，本文在0.35um BiCMOS工艺下设计了一个带隙基准电压源。仿真结果表明，该基准源电路在典型情况下输出电压为1.16302V，在-45℃～105℃范围内，其温度系数为3.6ppm/℃，在在电源电压为3V～3.6V范围内，参考电压从.16295V～1.16308V，变化了130uV，电源电压调整率为0.0186%/V。关键字：带隙基准电压源；温度系数；电源电压调整率；BiCMOS 中图分类号 TN782 文献标识码 A A Veference Voltage Circuit Design on BiCMOS Technology YE Peng1,2,WEN Guang-jun1,2,CAI Jing-ye1,WANG Yong-ping2 (1 School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu Sichuan 610054) (2 Guangzhou Runxin Information Technology Co. LTD, Guangzhou Guangdong 510663) Abstract：voltage reference is a critical module in analog integrated circuit.this paper design a bandgap voltage reference,the simulation result demonstrate that the output voltage is 1.16302V in typical,the temperature coefficience is 3.6ppm/℃when temperature from -45℃ to 105℃,the reference voltage is from 1.16295V to 1.16308V when power voltage 3V～3.6V,the vary Is 130uV, Keywords: bandgap voltage source;temperature coefficience;Line Sensitivity;BiCMOS 1引言设计基准电路的目的就是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。基准源在模拟和混合集成电路中应用非常广泛，比如数据转换电路和稳压电路中。[1]在通常情况下，理想的基准电路是与温度、工艺参数以及电源电压无关的，但是实际中各种因素的影响不可避免，那么就要尽量减少各种不确定因素的影响。在设计时除了考虑温度、电源和工艺的不确定性以外，基准电路的其他一些参数也是十分关键的，如输出阻抗、输出噪声、功耗和版图面积。本文在分析了带隙基准电路原理的基础上，设计了一个低温度系数、低电源电压调整率的基准电压源。 2带隙基准电压源的原理

带隙基准源

带隙基准源基本指标：共模抑制比（高）；开环增益（）；失调电压（低）；压摆率（）；随温度变化率/系数（低）；温漂（低）；功耗（低）；相位裕度，理想相位裕度60°；温度系数TC(temperature coefficient)：指温度变化引起的输出电压的变化，一般用ppm/℃来表示。温度系数反映基准源在整个工作温度范围内输出电压最大值与最小值相对正常输出时的变化，对于一阶补偿的带隙基准源电路而言，温度系数一般在几十ppm/℃，经过二阶或高阶的非线性补偿的电路，温度系数可以达到几个ppm/℃以下。目前常用的高阶温度补偿技术包括：二阶曲线补偿技术[10]，指数曲线补偿技术，线形化V BE的技术[11]，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法等。线性调整率：用来描述直流情况下电源电压波动对基准电压的影响程度。调整率越小，基准输出电压越稳定。它是基准电压的直流特性参数，与瞬时状态无关。电源抑制比：表示电源电压在小信号情况下的变化量与基准的变化量之比。亦即等于差分放大倍数与由于Vdd变化引起的放大倍数之比，表达式为A V （Vdd=0）/A V dd（Vin=0），它是基准电压的交流特性参数。噪声：基准输出电压中的噪声通常包括宽带热噪声和窄带l / f 噪声。宽带噪声可以应用RC滤波器等电路有效的过滤清除。而l / f 噪声是基准源内在固有的噪声，不能被滤除，一般在0.1到10Hz范围内发挥作用。对高精度系统，低频的l / f 噪声的影响是一个重要的参数。建立时间：指电源上电后，基准源输出达到正常值所需的时间。

表4-1电压基准源设计指标设计指标描述最小值典型值最大值单位工作温度-40 27 85 ℃工作电压 4.5 5 5.5 V 输出电压 1.24/2.48 1.25/2.50 1.26/2.52 V 输出电流 2 mA 温度系数30 ppm/℃电源纹波抑制比(2MHz) -20 -30 -50 dB 采用自举输入还有以下优点:1)消除了Q1和Q2管的厄尔利效应不对称对K CMR的影响,同时,Q1,2的基极电压和Q5,6的基极电压将随输入共模电压变化,形成共模反馈,所以,K CMR得以大大提高;2)V CB1,2≈0,能有效地消除集-基反向漏电流I CBO对I B的有害干扰;3)由于基极电流很小,所以,该电路有很高的输入阻抗。

带隙基准设计实例

~ 带隙基准电路的设计基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。目前,基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A/ D 和D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。它产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片,甚至整个控制系统的性能。因此,设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。自1971 年Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后,由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压,以及可以与标准CMOS 工艺兼容的特点,所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术,本设计主要在传统电路的基础上设计一种零温度系数基准电路。一设计指标： 1、温度系数：ref F V TC V T ?=? 2、电压系数：ref F dd V VC V V ?= ? 二带隙基准电路结构：

{ 三性能指标分析如果将两个具有相反温度系数（TCs ）的量以适合的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。在零温度系数下，会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。 V REF = a 1V BE + a 2V T ㏑(n) 其中, V REF 为基准电压, V BE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, V T 为热电压。对于a 1和a 2的选择，因为室温下/ 1.5m /BE T V V K ??≈-,然而/0.087m /T V T V K ??≈+,所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得2(ln )(0.087/) 1.5/n mV K mV K α=,也就是 2ln 17.2n α≈，表明零温度系数的基准为： 17.2 1.25REF BE T V V V V ≈+≈ 对于带隙基准电路的分析，主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。 1、瞬态分析电源电压Vdd=5v 时，Vref ≈，下图为瞬态分析图。 !

一种高性能CMOS带隙电压基准源设计

带隙基准电压源的设计

带隙基准电压源设计解析

带隙基准设计实例

带隙基准源电路与版图设计

CMOS带隙基准源

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带隙电压基准源的设计与分析

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带隙基准源电路与版图设计.

带隙基准电压源设计

带隙基准源

带隙基准设计实例