集成电路课程设计-一阶温度补偿带隙基准

一 功能描述 设计一个一阶补偿的带隙基准电路 参数要求如下 1 全温度特性温度漂移系数小于 30ppm 2 输出电压大约为 1 2 0 1V 二 电路设计 1 带隙基准的基本原理 带隙基准的基本原理是将两个拥有温度系数相反的电压以合适的权重相加 最终获得具有 零温度系数的基准电压 双极性晶体管具有以下两种特性 双极性晶体管的基极 发射极电压 电压与绝对 BE V 温度成正比 在不同的集电极电流下 两个双极性晶体管的基极 发射极电压的差值与绝对温 度成正比 因此 双极性晶体管可以构成带隙电压基准的核心 1 负温度系数电压 对于一个双极型晶体管 其集电极电流与基极 发射极电压的关系为 exp csBET IIVV 其中 是双极型晶体管的把螯合电流 k 为玻尔兹曼偿还苏 q 为 s I T VkT q 电子电荷 进一步利用饱和电流的计算公式 可以得到的温度系数为 s I BE V 4 BETg BE Vm VEq V TT 从上式可见 电压的文帝系数与温度本身有关 因此如果正温度系数是一个固定值 BE V 与温度无关 那么在带隙电压基准的温度补偿中就会出现误差 2 正温度系数电压 如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为 与 并且忽略他们的基极电流 0 nI 0 I 那么它们的基极 发射极电压差值为 12 00 12 lnlnln BEBEBE TTT SS VVV nII VVVn II 因此 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 BE V 关 3 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 lnn REFBET VVV AA 通过设置合适的参数可以获得零温度系数电压 2 带隙基准的电路图 1 整体电路的设计 带隙电压基准的基本电路图有两种 一种是利用 PTAT 电流产生电压基准 另外一种是 采用运算放大器输出端产生基准电压 本次设计最终采用拉扎维 cmos 模拟集成电路设计 书上采用的电路图 1 2 放大器电路的设计 带隙基准所需要的放大器需要高增益 但是对频率响应要求不高 所以选择在简单的 差分放大电路后面加一级共源放大电路获得所需要的高增益放大 如图所示 管子的 尺寸做的与差分放大电路基本一样 可以获得相同的放大增益 如图为放大器电路图 2 如图为放大器偏置电压电路图 3 图 3 偏置电路 图 1 整体电路图 图 2 放大器电路图 3 电路参数的计算 1 电路所需参数的获取 通过读取 TMIC0 35um 提供的 spice 仿真库 以老师实际建模的能够正常工作的一级差 分放大电路为模型 测量计算得到以下参数 pmos 3p3 VTH 0 8V30 pox Cu 0 2 nmos 3p3 VTH 0 85V110 nox Cu 0 1 对于本电路最重要的一个参数是 pnp 管的温度漂移系数 对于这个系数通过实际搭建 简单电路进行测量 测量结果如下 在 27 vpnp2 2 尺寸的温漂系数为 1 35mv 2 电路参数的计算 由电路原理得 2 2 1 ln 1 outBET R VVVmn R 为了得到零温度系数输出则 2 1 ln 1 outBET VVVR mn TTTR 由于 所以可以计算得到 1 35 BE VTmv 0 087 T VTmv 取 4 即取 R2 8K R1 2K 则得到 3 1 则 21 1 ln15 5RRmn 21 RRlnmn mn 24 5 取 m 3 n 9 通过放大器的反馈作用 可以将如图 x y 两点的电压钳制为相同值 则 R1 电阻两端 的电压为 ln BET VVmn 计算可以知道 1 40 BE nIVRuA 进一步可以得到 显然 M0 与 M1 管为放大器两边提供电流源 放大器的输14mIuA 出通过两个支路的电流互相反馈钳制在一个固定值 由于电源电压为 3 3V 大约为 BE V 0 75V 所以取放大器的输出钳制在 2V 然后可以得到 M0 管与 M1 管的宽长比 利用公式 2 1 2 DpoxGSth W ICV V L 代入各自的电流 得到 M0 的宽长比为 9 M1 的宽长比为 15 按照这个结果可以求的 1 17 out VV 4 电路的 spice 前仿 1 放大电路的前仿 放大器采用了差分放大电路 共源放大电路的两级运放 最后获得的 放大增益与相频特性如图 如图 4 放大增益可以达到 80dB 2 电路的仿真优化 a PNP 管个数的优化 理论设计 pnp 管的个数为 9 即 n 9 但实际可能存在误差 所以通过仿真可以 具体确定所需 pnp 管的个数 通过仿真发现只有当 pnp 管的个数达到 11 个时才 能够表现出较好的温度特性曲线 所以最终电路图中采用 11 管 pnp b M0 管参数优化 理论计算知道 M0 管宽长比为 10 时温度特性曲线最好 通过实际仿真优化发现理 论与实际完全一致 如图所示 当 M0 管宽长比为 10 时 温度特性曲线最好 c M1 管参数的优化 通过理论计算得到 M1 的宽长比为 15 但实际仿真的结果显示当宽长比为 23 时 温度特性曲线最好 如图 6 图 4 幅频特性与相频特性 图 5 M0 管参数优化 d 电阻 R1 的优化 选取的电阻两个一个为 8K 一个为 2K 通过仿真优化 发现当 R2 7 9K 时电路 特性最好 如图 7 3 负温度系数与正温度系数的测量结果 通过以温度为扫描变量的直流扫描可以得到电路的负温度系数特性与正温度系数特性 曲线分别如图所示 其中图 8 为负温度系数 温度实际为 1 28mv 图 9 为正温度特性曲线 温漂系数为 321uV 图 6 M1 管参数优化图 图 7 电阻 R1 参数优化图 图 8 负温度系数曲线 图 9 正温度特性曲线 4 温度特性曲线 温度特性曲线作为带隙电压基准最重要的参数 其温度漂移系数决定电路的整体性能 因此我们测量了全温度特性曲线 如图 10 即从 40 到 125 的电压变化 测量结果显 示最大偏差为 3 98mv 通过温度漂移系数的计算可以知道 max 66 maxmin min 3 98mv 10 ppm 10 20 2ppm TT 1 197 165 mean VV TX V 5 PSR 特性曲线仿真 电源抑制比是衡量电路对电源线上噪声的抑制能力的参数 对于带隙电压基准定义为 电源电压变化引起的输出增益的倒数 我们在电源电压上叠加一个小的交流信号 然 后进行交流仿真 可以得到如下仿真图 11 图 10 温度特性曲线 图 11 PSR 6 上电特性 对于一般的带隙基准存在 0 偏执点 所以有时候需要启动电路 考虑到时间问题 采 用了不外加启动电路的放大 同样仿真出了上电特性 上电特性是通过将电源改成脉 冲波的形式进行仿真 结果如图 可见 改电路大约需要 1us 时间才能够稳定下来 正常工作 三 版图设计 1 版图设计思路 本次课程设计采用 0 35um 工艺 考虑到不用实际流片 所以在电路参数设计时采用较大的 沟道长度 提高器件的可靠性 为了减少设计周期 采用台积电提供的 PDK 库来完成器件的设 计 整体只需要考虑器件的布局与连线 为了减少错误率 先将放大器与偏置电路局部版图 然后连接到一起整体布局 2 整体版图 如图 13 版图面积为 79 95um 图 12 上电特性 四 版图验证 1 DRC 检查 DRC 检查是检查版图是否符合版图设计规则 通过不断差错 最终无 DRC 检查错误 检查结 果如下 图 14 DRC 检查结果 2 LVS 检查 LVS 检查是检查版图是否与电路图一致 最终检查结果显示只有一个与电阻相关的错误 经 过检查发现是软件在自己提取电阻的网表时忽略掉了衬底电极导致 检查结果如图 15 图 13 版图 图 15 LVS 检查结果 3 PEX 参数提取结果 通过对电学参数的提取 可以进行相应的版图后仿 PEX 提取部分结果如图 16 图 16 版图电学参数提取结果 五 结果分析及性能评估 1 网表数据 auCdl Netlist Library Name bandgap Top Cell Name bandgap View Name schematic Netlisted on Sep 20 10 54 30 2014 EQUATION SCALE METER MEGA GLOBAL gnd vdd PIN gnd vdd Library Name bandgap Cell Name comp amp View Name schematic SUBCKT comp amp in ip vcn vout PININFO in I ip I vcn I vout O MNM0 vout vcn gnd gnd nmos 3p3 W 30u L 1u M 1 MM4 net50 vcn gnd gnd nmos 3p3 W 30u L 1u M 1 MM3 net060 ip net50 gnd nmos 3p3 W 40u L 1u M 1 MM0 net033 in net50 gnd nmos 3p3 W 40u L 1u M 1 MPM0 vout net033 vdd vdd pmos 3p3 W 20u L 1u M 1 MM2 net060 net060 vdd vdd pmos 3p3 W 20u L 1 5u M 1 MM1 net033 net060 vdd vdd pmos 3p3 W 20u L 1 5u M 1 ENDS Library Name bandgap Cell Name Ibias View Name schematic SUBCKT Ibias vn PININFO vn O RR0 net20 gnd 1 99887K nplus u MNM3 vn vn gnd gnd nmos 3p3 W 10u L 1u M 1 MNM1 vdd net020 vn gnd nmos 3p3 W 8u L 500n M 1 MNM0 net020 net020 gnd gnd nmos 3p3 W 100u L 350n M 1 MNM2 net038 vn net20 gnd nmos 3p3 W 10u L 1u M 1 MPM0 net020 net020 vdd vdd pmos 3p3 W 100u L 350n M 1 MPM2 vn net038 vdd vdd pmos 3p3 W 10u L 1u M 1 MPM1 net038 net038 vdd vdd pmos 3p3 W 10u L 1u M 1 ENDS Library Name bandgap Cell Name amp Idias View Name schematic SUBCKT amp Idias in ip vout PININFO in I ip I vout O XI1 in ip net8 vout comp amp XI0 net8 Ibias ENDS Library Name bandgap Cell Name bandgap View Name schematic SUBCKT bandgap Vout PININFO Vout O RR1 net15 net6 1 99887K nplus u RR0 Vout net15 7 9008K nwell QQ2 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ3 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ4 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ5 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ6 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ7 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ8 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ9 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ10 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ11 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ1 gnd gnd net6 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 QQ0 gnd gnd net11 vpnp 2x2 M 1 EA 4e 12 MPM1 Vout net9 vdd vdd pmos 3p3 W 46u L 1u M 1 MPM0 net11 net9 vdd vdd pmos 3p3 W 40u L 1u M 1 XI0 net11 net15 net9 amp Idias ENDS 2 仿真结果性能评估 仿真结果显示 在温度从 40 到 125 变化的过程中 输出电压最大值与最小值的差值为 3 98mv