毕业论文：带隙基准电压源高精度多路参考电压源设计方法

1、毕业论文：带隙基准电压源高精度多路参考电压源设计方法毕业论文：带隙基准电压源高精度多路参考电压源设计方法毕业论文：带隙基准电压源高精度多路参考电压源设计方法:2013-8-5 16:35:29毕业论文：带隙基准电压源高精度多路参考电压源设计方法摘要 本文阐述了一种以带隙基准电压源为核心电路的高精度多路参考电压源的设计方法，首先介绍了它的基本工作原理和电路构成，然后对电路的各项参数进行了设计，最后使用基于tsmc0.35 cmos工艺的candence仿真工具对电路进行了完整模拟仿真并分析了结果，同时绘制成版图。candence 仿真结果表明，该高精度多路参考电压源的稳定工作电压范围为4.88v

2、5.5v并可以自启动，输出端的五个电压参考节点分别为0.6v、1.2v、1.8v、2.4v、3.3v，零温度系数在40c处实现，-40c120c范围内温度系数为17.3ppm/c，适用于温度稳定性和系统集成度较高的模拟集成电路中。关键字：高精度 稳定 多路参考 abstract this paper describes a bandgap reference voltage source circuit, reference voltage source for high-precision multi-channel design method, first introduced its b

3、asic working principle and circuit composition, and then the parameters of the circuit designfinally, using the circuit simulation tool based on tsmc0.35cmos technology candence a complete simulation and analysis of the results at the same time drawn into the territory.candence simulation results sh

4、ow that multiple in the high-precision reference voltage source and stable operating voltage range of4.88v to 5.5v and can be self-starting, five output voltage reference node for 0.6v, 1.2v, 1.8v, 2.4v, 3.3v, zero temperature coefficient at 40 c, the temperature coefficient of -40 c to 120 c range

5、17.3ppm/c , suitable for higher temperature stability, and system integration of analog integrated circuits.keyword: high-precision and stable multi-channel reference目 录摘 要.1abstract.p)基准源。尽管 掩 埋 齐纳基准源和xfet基准源的输出温度稳定性非常好，但是它们的制造流程都不能兼容标准cmos工艺。而且掩埋齐纳基准源的输出一般大于5v。相比之下，带隙基准源同时具有以下优点:与标准cmos工艺完全兼容可以工作于

6、低电源电压下温度漂移、噪声和psrr等性能能够满足大部分系统的要求。正是具备以上优点，以带隙基准电路为核心电路的各种基准电路备受电子设计者的亲睐亲睐。本文通过一个简单的经典带隙基准结构和一个简单的ldo结构的有机组合，设计出了一个简单实用的高精度多路参考电压源。 1绪论 基准源是模拟与数字系统中的核心模块之一，它被广泛应用于动态存储（dram）、闪存（flash memory）以及其他模拟器件中。例如，一个差分对的偏置电流就必须根据基准产生，因为他会影响电路的电压增益和噪声，在像a/d和d/a这样的系统中，也需要基准来确定输入或者输出的范围。可以说在大量的设计中高性能的电压基准源设计是关键技术

7、之一. 。一个好的基准源需要有稳定的工艺、电压和温度系数，并且不需要随着制造工艺的改变而改变，经过许多前人的研究与探索，利用“带隙”方法来实现与温度无关的电压源已经非常成熟，并且可以得到较好的结果。“带隙”即半导体元素的能隙，通常用硅来实现。 1.1国内外研究现状进入21世纪来，国内外电子行业的研究人员对cmos工艺实现的电压基准源作了大量的研究，并且发表了大量的学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。一、低电源电压cmc6带隙基准电压源随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的电压基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压为1.2v左右，所以，对于电源电

8、压低于1.2v的基准设计必须采用特殊的电路结构，许多文献都提出了输出基准电压低于1.2v的电路结构。常见的有三种种结构：一种叫做输出端接分流电阻的带隙基准电压源，即leung结构，具体做法在输出端接一个分流电阻，这样既可以保证输出基准的温度稳定性，又可以降低输出基准的大小，从而降低电源电压；另一种是由hiornir babna等人提出一种新的电路结构，叫做电流模结构带隙基准源，俗称babna结构，具体做法是在运算放大器的两输人端加人阻值相等的分流电阻，输出基准电压由两个电流的和电流经过电阻获得；第三种结构由yu em ing jiang和edwardk.f lee提出用跨阻放大器代替运算放大器

9、的带隙基准源。 二、低功耗的带隙基准电压源低功耗设计许多依靠电池工作的小型电子产品具有很重要的意义，目前比较常见的低功耗带隙基准电压源主要有两种，一种是利用工作在亚阈区来实现的基准电压源；另一种叫做开关电容型带隙基准电压源。这两种结构的电路功耗都可以达160uw左右的水平。三、低温度系数带隙基准电压源在许多对电压精度要求比较高的模拟、数字或者模数混合电路中对电压源的精度要求比较高对于普通的一阶温度补偿的带隙结构的温度系数一般在20ppm/50ppm/无法满足设计要求，因此，设计低温度系数的基准电压源一般必须进行高阶温度补偿。目前出现的高阶补偿技术包括 环路曲率补偿法，非线性曲率补偿法，基于电阻

10、比值的温度系数的曲线补偿方法等。通过二阶甚至多阶温度补偿，可以使温度系数达到几ppm/甚至是零点几个ppm/的水平。四、高电源抑制比（psrr）带隙基准电压源在 so c 系统中，数字模块的噪声可以通过电源、地藕合到模拟模块，模拟模块的psrr好坏直接影响模拟模块的工作性能。s. mehrma nesh等人提出一种新的带隙基准源电路结构:带隙基准核心电路并不是直接由电源供电，而是由一个电压源供电。为了减小其对电源的依赖性，电压源由带隙基准核心电路提供的反馈信号控制。该电路的psrr在直流时为一110db，在imh:下为一70db。提高psrr的另一种简单方法就是采用cascode电流镜。利用亚

11、阑值mos的栅源电压的带隙基准源，也可以达到非常高的psrr。 1.2 课题研究的目的和意义 在集成电路设计中由于集成度高和节约成本要求很多时候在单片集成电路中可能需要多种电压值的参考电压。本课题便是旨在解决这一设计中常见问题而做出的相关设计和研究。这种电路实际设计方法一般由带隙基准电压源电路产生基准电压，然后再由该基准电压产生相应的各个不同值的参考电压。本课题的目的就是要求学生在理解带隙基准电压源电路以及ldo电路的工作原理后，基于cadence ic设计平台，tsmc 0.35um工艺，使用spectre仿真软件，设计计出带隙基准电压源0.6v, 1.2v, 1.8v, 2.4v. 3.3

12、v等节点的参考电压电路及版图。同时通过本课题，让学生对以带隙基准电压源为核心的多路参考电压源工作原理以及专用ic的设计流程有较深入的理解。 1.3本文的主要内容 为了设计得到一个符合课题要求的高精度多路参考电压源，本人阅读了大量的相关文献资料，并且从种了解到这种电路一般由带隙基准电压源电路产生基准电压，然后再由该基准电压产生相应的各个不同值的参考电压。于是本文主要从带隙基准源和ldo电路的基本原理入手，再将两者进行有机结合构成一个完整的以带隙基准电路为核心工作电电源电压范围在4.85.5伏内的五节点高精度多路惨考电压源，设计出了完整的电路图，然后通过candence相关工具对电路进行仿真分析以

13、及版图绘制。简单来说，就是做了以下课题要求的相关研究：设计要求及大概指标：带隙指标最低要求：功能能实现，满足指标温漂：-40120温度范围内，温漂小于5mv工作电压范围：2.5v5.5v，电压稳定（偏差小于5mv），带隙整体消耗电流小于100ua.零温漂点位置：可设置在室温下，即3040电源抑制比: 抑制能力大于-60db能正常启动：电源上电，带隙能正常启动较高要求：性能指标，满足最低指标后还需满足指标工艺角分析：分析各个工艺角下的温漂特性电压范围：分析各个工作电压范围下零温漂点位置噪声分析：分析噪声特性失调分析：（mos尺寸失调：特征尺寸的20%）输入对管尺寸失调下，带隙输出电压变化：误差放

14、大器要求增益：50db功耗：放大器消耗电流小于50uapsrr:-60db共模输入范围：（带隙输出电压为1.2v左右，注意共模范围满足该要求）共模抑制比：系统设计要求：系统稳定相位裕度及频率补偿瞬态下无振荡电源电压发生变化，系统稳定电源抑制比 2带隙基准电压源的基本原理和电路结构带隙基准电压源其基本思路是将具有负温度系数的电压与具有正温度系数的电压以合适的权重相加，它们的结果就能够去除温度的影响，实现接近零温度系数的工作电压（zerotc）。例如设电压v1具有正温度系数，v2具有负温度系数，a1和a2分别为适合的权重，则用数学方法表示可以为： ，并且： 。(1)负温度系数的实现：我们知道，双极

15、型晶体管的基极-发射极电压与绝对温度成反比具有负温度系数。所以要得到负温度系数的电压可以用双极型晶体管来实现，具体分析如下：集电极电流为： 其中is 为饱和电流， 。⇒ (2.1)根据半导体物理知识可知： 其中b 为比例系数， m 𕒷/ 2 ，eg 为硅的带隙能量 1.12ev 。⇒ (2.2)又因为: (2.3) (2.4)将式(2.2), (2.3), ( 2.4) 代入 (2.1)，化简可得： (2.5)vbe 通常小于 ，所以vbe 与t 负相关，从上式中也可以知道，vbe 随温度变化关系与自身有关。(2)正温度系数的实现：若两个双极晶体管工作在不相等的

16、电流密度下，那么它们的基极-发射极电压差值就与绝对温度成正比。如图2.8 所示： 图2.1 正温度系数的产生电路 (2.6)因此， vbe 可实现正温度系数： (2.7)当t=300k 时， n 可以由许多三极管并联来实现。(3)通过正温度系数和负温度系数的叠加可以消除整个电路的温度系数，具体方法见2.1 中的基本结构。2.1 带隙基准源的几种结构利用放大器两个输入端的电压相近就可以很方便得将正负温度系数特性结合起来，如图2.9： 图2.9 基本带隙电压源产生电路由放大器输入端“虚断”可得： （此处放大器开环增益足够大） 由式(2.6，2.7)可得： (2.8) (2.9) 可由式(2.5)计

17、算，若适当地选择n 与r2 、r3 的值，可以使 ，此时可近似认为输出电压与温度无关。事实上，由于 本身与温度有一定关系，所以实际得到的电压仅在预设温度邻近区域内才能看作与温度无关，其他温度下仍有一定影响（已经远小于没有温度系数抵消时的情况）。另一种常用连接方式： 图2.10 基本带隙电压源产生电路 (2.10) (2.11)与上一个结构的结果类似，也能通过n 与电阻的选择来抵消温度系数，实现与温度相关性较小的输出参考电压。 3 ldo的基本原理和电路基本结构3.1、ldo的基本结构 低压差线性稳压器(ldo)的基本电路如图1所示，该电路由串联调整管vt、取样电阻r1和r2、比较放大器a组成。

18、 图3.1 ldo的基本结构图 3.2 ldo的工作原理 取样电压加在比较器a的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压uref相比较，两者的差值经放大器a放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。 实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，而且串联调整管也可以采用mosfet。本文采用的便是mosfet作调整管的类型。4 高精度多路参考电压源电路设计与仿真随着电子技术的日新月异的发展，芯片设计工艺尺寸的不断减小集成度规模的不断