1、CMOS模拟集成电路实训模拟集成电路实训之电压基准的设计之电压基准的设计东南大学微电子学院东南大学微电子学院IC实验室实验室内容内容 带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准带隙电压基准运放输出电压基准运放输出电压基准 基准电路的发展方向基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计 优化温度特性优化温度特性 实训实训带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理：带隙电压基准的基本原理：REFVVV 基准电压表达式基准电压表达式 ：0TVTVV+,V-的产生原理的产生原理利用了双极型晶体管
2、的两个特性：利用了双极型晶体管的两个特性：基极基极-发射极电压（发射极电压（VBE）与绝对温度成反比）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在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发发射极电压的差值（射极电压的差值（VBE）与绝对温度成正比）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负温度系数电压双极型晶体管，其集电极电流（双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极）与基极-发射极电压（发射极电压（VBE）关系为）关系为 其中，其中， 。利用此公式推导得出。利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为电压的温度系
3、数为其中，其中， ， 是硅的带隙能量。当是硅的带隙能量。当 ， 时，时， 。 VBE的温度系数本身就与温度有关的温度系数本身就与温度有关exp()CSBETIIV V(4)BETgBEVm VEqVTT1.5m 1.12gEeV750BEVmV300TK1.5BEVTmVC TVkT q正温度系数电压正温度系数电压如果两个同样的晶体管（如果两个同样的晶体管（IS1= IS2= IS，IS为双极型晶体管饱和为双极型晶体管饱和电流）偏置的集电极电流分别为电流）偏置的集电极电流分别为nI0和和I0，并忽略它们的基极电流，并忽略它们的基极电流，那么它们基极那么它们基极-发射极电压差值为发射极电压差值为
4、 因此，因此，VBE的差值就表现出正温度系数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。这个温度系数与温度本身以及集电极电流无关。12BEBEBEVVV0012lnlnlnTTTssnIIVVVnIIln0BEVknTq实现零温度系数的基准电压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：以下关系：因为因为 ， ，因此令，因此令 ，只，只要满足上式要满足上式 ，便可得到零温度系数的，便可得到零温度系数的VREF。 即为即为(ln )REFBETVV
5、Vn1.5/BEVTmVC 0.087/TVTmVC1(ln )(0.087/)1.5/nmVCmVC(ln )17.2n内容内容 带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准带隙电压基准运放输出电压基准运放输出电压基准 基准电路的发展方向基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计 优化温度特性优化温度特性 实训实训常用带隙电压基准结构常用带隙电压基准结构两种常用结构两种常用结构 先产生一个和绝对温度成正比（先产生一个和绝对温度成正比（PTAT）的电流，再通过电）的电流，再通过电阻将该电流转变为电压，并与双极型
6、晶体管的阻将该电流转变为电压，并与双极型晶体管的VBE相加，最相加，最终获得和温度无关的基准电压终获得和温度无关的基准电压 通过运算放大器完成通过运算放大器完成VBE和和VBE的加权相加，在运算放大器的加权相加，在运算放大器的输出端产生和温度无关的基准电压的输出端产生和温度无关的基准电压内容内容 带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准带隙电压基准运放输出电压基准运放输出电压基准 基准电路的发展方向基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计 优化温度特性优化温度特性 实训实训利用利用PTAT电流产生基准电压
7、电流产生基准电压M5，M6，M8构成电流镜构成电流镜又又VBE=VTlnnI1=I2=(VTlnn)/R1I3=M(VTlnn)/R1带隙电压基准电路带隙电压基准电路32,1lnREFBE QTRVVMVnR输出基准电压输出基准电压T=300K时的零温度系数条件时的零温度系数条件2117.2lnRMRn电路实现电路实现内容内容 带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准带隙电压基准运放输出电压基准运放输出电压基准 基准电路的发展方向基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计 优化温度特性优化温度特性 实训实训
8、运放输出端产生基准电压运放输出端产生基准电压2 , 1,2,1,RVVIIYXREFQCQCnVREFlnVRRRVT3322QBE，输出基准电压输出基准电压零温度系数条件零温度系数条件nRRRln2 .17332电路实现电路实现两种结构的性能比较两种结构的性能比较1.驱动能力驱动能力 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。续电路中加入缓冲器才能提供电流。2.面积面积 运放输出基准需要使用运放输出基准需要使用3个电阻，并且在个电阻，并且在Q1和和Q2的比值的比值n较小的时候，较小的时候
9、，需要使用更大阻值的需要使用更大阻值的R1和和R2。因此消耗更多的芯片面积。因此消耗更多的芯片面积。内容内容 带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准带隙电压基准运放输出电压基准运放输出电压基准 基准电路的发展方向基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计 优化温度特性优化温度特性 实训实训低输出电压带隙基准电路低输出电压带隙基准电路 11222ln/TEBIVNRIVRA VDDM1M2M3Q1Q21NR1R2R2R3VREFI1I1I2I2I1+ I2I1+ I2123REFVIIR 32221lnEB
10、TRRVVNRR2minEBDSDDVVVA CMOS Bandgap Reference with Sub-1-V Operation曲率补偿带隙基准电路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 obtained2344/ln/NLEBEBTrIVVRVT TR 123231243222214lnlnln()lnREFNLTTrEBEBTTrVIIIRTVVNTVRRRRRRRTVVNVRRRTEB2GOBErTrrTTV=
11、VVT-1 V lnTTGOVA M1M2M3M4Q1Q2Q311NR1R3R4R4I1I1I2I2INLI1+I2+INLI1+I2+INLI1+I2+INLR2AR2AR2BR2BXYVREF高高PSRR带隙基准电路带隙基准电路 无电阻带隙基准无电阻带隙基准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可编程带隙基准可编程带隙基准内容内容 带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准
12、结构常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准带隙电压基准运放输出电压基准运放输出电压基准 基准电路的发展方向基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计 优化温度特性优化温度特性 实训实训PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计MOS管初始参数设置管初始参数设置N管管W/L=20u/2uP管管W/L=1.1u/550n并联数并联数长长宽宽双极晶体管比例设置双极晶体管比例设置Q1，Q2，Q3的比例设置为的比例设置为 7：1：1管子并联数管子并联数电阻设置电阻设置初始设置中初始设置中M5，M6和和M8设为相同的宽长比，因此设为相同的宽长比，因此M=1。零温度系数条件为：零温
13、度系数条件为：83. 87ln2 .17RR12令令R1=26k，则，则R2=230k阻值阻值设置仿真环境设置仿真环境基本库，基本库，晶体管晶体管，电阻，电容，电阻，电容设置仿真温度范围设置仿真温度范围直流扫描直流扫描保存直流工作点保存直流工作点扫描温度扫描温度温度范围温度范围开启开启仿真结果输出仿真结果输出选择选择“VREF”端口为输出，开始仿真。端口为输出，开始仿真。视频：视频：带隙电压基准带隙电压基准DC温度扫描温度扫描仿真结果分析仿真结果分析温度特性较差，正温度系数过小，这是由于温度特性较差，正温度系数过小，这是由于R2/R1的比值过小所致的比值过小所致可通过调节可通过调节R2/R1的
14、比值来优化温度特性的比值来优化温度特性内容内容 带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准带隙电压基准运放输出电压基准运放输出电压基准 基准电路的发展方向基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计 优化温度特性优化温度特性 实训实训优化温度特性优化温度特性采用变量分析采用变量分析“Parametric”方法方法方案：固定方案：固定R1值的大小，扫描值的大小，扫描R2方法：在电路图中设置方法：在电路图中设置R2的阻值为变量的阻值为变量“res” ADE窗口中，选择窗口中，选择“Variables”“Edit”设
15、置扫描变量设置扫描变量ADE窗口中，点击窗口中，点击“Tools”“Paremetric Analysis”在在Paremetric Analysis窗口中，选择窗口中，选择“Set up”“Pick Name For Vareable”“Sweep 1.”在在Paremetric Analysis Pick Sweep 1窗口中选择窗口中选择“res”作为变量作为变量设置扫描范围设置扫描范围设置设置“Sweep1”扫描范围为扫描范围为230460k“Total Steps”为为“5”选择窗口中的选择窗口中的“Analysis”“Start”，开始变量扫描，开始变量扫描变量扫描结果分变量扫描结
16、果分析析当当R2电阻为电阻为402k时，温度系数为负时，温度系数为负当当R2电阻为电阻为460k时，温度系数为正时，温度系数为正缩小扫描范围，再次仿真缩小扫描范围，再次仿真res扫描范围设置为扫描范围设置为402460k,再次扫描再次扫描当当R2=445k时，温度特性最好时，温度特性最好视频：视频：扫描电阻，优化温度特性扫描电阻，优化温度特性利用利用“Calculator”分析温度特性分析温度特性在仿真结果图中点击在仿真结果图中点击“Tools”“calculator”缓存缓存buffer堆栈堆栈stack函数函数功能功能y*xstackbuffer+stack+buffer-stack-bu
17、ffer*stack*buffer/stack/buffer)(ppm/10)T(TVVVPPM6minmax averageminmax温漂系数计算温漂系数计算计算公式：计算公式：）（/ppm10V125VV6averageminmax列表显示温度系数列表显示温度系数点击制表按钮点击制表按钮 ，在，在“Display Results”中选择中选择Value，点击，点击“OK”，显示计算结果，显示计算结果当当R2=445k时，温漂系数最小，时，温漂系数最小，PPM=24.13ppm/视频视频 ：Calculator分析温漂系数分析温漂系数绘图显示温度系数绘图显示温度系数点击制图按钮点击制图按钮
18、 ，绘图显示温漂系数随，绘图显示温漂系数随R2电阻变化情况，电阻变化情况，R2=445k时出现最小值时出现最小值内容内容 带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准带隙电压基准运放输出电压基准运放输出电压基准 基准电路的发展方向基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计带隙电压基准的设计 优化温度特性优化温度特性 实训实训Lab1：PTAT带隙电压基准带隙电压基准 指标指标 VDD=3.3V/5V Vref =1.3V PPM20ppm/ 要求要求 原理分析原理分析 Spectre直流特性仿真直流特性仿真 实训一参考实训一参考Lab2：三支路基准电流源三支路基准电流源 指标指标 VDD=5V Iref =30nA 要求要求 原理分析原理分析 Spectre直流特性仿真直流特性仿真 Spectre交流特性仿真交流特性仿真 实训二参考实训二参考
