rb带隙基准源电路与版图设计

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。rb带隙基准源电路与版图设计信息中心论文题目：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

2、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-4085，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 ReferenceSpecialty: Microelectro

3、nicsName: Zhong Ting (Signature)Instructor: Liu Shulin (Signature)ABSTRACTThe 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 ord

4、er 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 a

5、ll 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

6、 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 da

7、tabase 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 territo

8、ry of the design meet the requirements.Keywords: BiCMOS，band gap , temperature coefficient, layout目 录1 绪论01.1 背景介绍及发展趋势012 研究意义21.3 本文主要工作32 基准电压源电路设计42.1 基准电压源的分类及特点42.2 基准电压源的温度特性62.2.1 负温度系数项62.2.2 正温度系数电压62.3 基本原理72.3.1 与温度无关的电路72.3.2.与电源无关的偏置电路82.4 基准电压源电路设计82.4.1 基本原理82.4.2 运放的设计92.4.3 带隙核心电路设

9、计132.5 仿真分析143 版图设计1831 版图设计的基础183.1.1 集成电路版图设计与掩膜版、制造工艺的关系183.1.2 版图设计的设计规则193.1.3 版图通用设计步骤223.2工艺介绍233.2.1 常见工艺简介233.2.2BiCMOS工艺253.3 带隙基准电路的版图设计273.3.1版图的分层及连接273.3.2 版图设计环境介绍273.3.3 器件及总体版图294 版 图 验 证374.1 版图验证概述374.2 验证工具介绍384.2.1 Cadence概述384.2.2 Diva使用介绍394.3 版图的DRC验证434.4 版图的LVS验证435总结45致 谢4

10、6参考文献46Vshall assign a person in custody; Acceptance can be carried out operations, acceptance or unqualified acceptance not made the next processes work; 10, the construction site . Construction construction construction organization name project name 4-2-7 content security technology to give the l

11、ow-down the content to the hopper cars, against a measure, not too much force and withdrawal, on the feet may not be in the hopper, rises below shall not stand. When cleaning the hopper of concrete stone, two bucket chain must be fastened; When running in a blender, tools may not be inserted into th

12、e drum; Derrick transport, car steering wheel shall not be extended outside the cage, wheel wedge before and after; Water frame beams and concrete, to observe the formwork, formwork systems, unusual in reporting in a timely manner, no operations directly on the template or support; Irrigation struct

13、ures when the edge of the concrete columns, beams, external platforms necessary security measures; Water in deep Foundation pit base during construction before, you should check whether the pit slope soil collapse collapse danger, if found, should be reported immediately and to take measures; Should

14、 wear protective equipment when using vibration, with leakage protection switch move switch box; Acceptance before for work, not to unqualified acceptance or acceptance not made the next processes work; Pumping concrete should be independent and reliable support; 10, site specific security cards; 11

15、, the other. Disclosure signatures to accept cards deliver the signature time Japan form in duplicate, teams from the deposit of an instrument, and filed a report. Assembly and disassembly of tower crane safety technology gives the low-down (reference tables) construction construction construction o

16、rganization name project name 4-2-8 content security technology to give the low-down the content strictly according to the tower crane, remove programme implementation operations, operating personnel must have professional training and with valid ID to work; Special command, coordination, and ensure

17、 safety in production; Working at height strictly comply with the safety specifications; The erection and removal of prohibited people who stay within the operating area; Carefully check the lifting wire and clasps, strictly according to the updated standards update; Carefully check all bolts, lock

18、shaft damage, fatigue, cracking to update in a timely manner; Solid hydraulic jacking system of ministries in charge of the joint; Removal affect the safe operation of wires, check the insulation of cables and wires are good, motor connection is correct, the switch movement is sensitive and reliable

19、; Must have a good grounding facilities, grounding resistance value shall not be more than 4 ohm; 10, to ensure that effective safety devices, such as lifting the limiters, torque limiters, height restrictions, stroke and hooks insurance, reel safety devices; 11, acceptance may belu, kdy se setk

20、5;vají osoby v nouzi by mla dodrovat zásady záchranu "il ped smrtí, zrann ped mení zranní, snadné obtíné". 7, sluba pro nouzovou správu nouzové záchranné orgány shromaovány archiv informací. 36 a nouzové z

21、áchranné plány pezkoumat systém zmny, cílem specifikace bezpenostní havárie havarijní plány managementu, perfektní havarijní plány systém, rozíené nouzové plány vdecké a cílené, a úinnost pohlav&

22、#237;, podle lidová republika íny praskla události mly metody a lidová republika íny bezpenostní metody a výroby bezpenostní havárie havarijní plány ízení pístupu (národní Ann vzení generál iní 17,), pr

23、25;vních pedpis a naízeních, vyvinutý tento systém. Druhé, rozsah tato zásada platí pro nouzové pípravy, revize a revizní práce. Zatetí, vypracování pohotovostních plán na 1, píprav pohotovostních plá

24、n by mly splovat tyto základní poadavky: 1.1 v souladu s ustanoveními písluných zákon, pedpis, pravidel a norem; 1.2 v kombinaci s skutené situace organizace bezpenost produkce; 1.3 obsahují analýzu rizik podniku; 1.4 odpovdnost havarijní personá

25、;l a organizace jasné a konkrétní opatení 1.5 má jasnou a konkrétní havarijní prevenci a nouzové postupy a odpovídající jeho schopnosti nouzové reakce; 1.6 jasné nouzových ochranných opatení a me splnit mimoádn

26、é poadavky projektu; 1.7 plán pro základní prvky je úplný, kompletní plán pílohy poskytnuté informace jsou pesné 1.8 plány a související nouzové vzájemný vztah. 2, projekt v souladu s píslunými zákony

27、 a pedpisy a výrobu a provoz výroby bezpenostní nehody havarijní píprav smrnice (dále jen pravidla), v kombinaci s nebezpeími, analýzy rizik a moností charakteristik nehod a vypracovat písluné pohotovostní plány. 3, projektového o

28、ddlení nouzový systém pro komplexní havarijní plány, speciální havarijní plány a vlastní eení. 3.1 vechny druhy rizika pro firmu, komplexní havarijní plán formulované manaery spolenosti. Komplexní popis aktivaní

29、;ho signálu patí organizace spolenosti a její odpovdnost za havarijní, pipravenost na systém a postupy pro reakci, prevenci nehod a nouzovou podporu, havarijní plány a cviení jako hlavní obsah. 3.2 u uritých druh rizik, poádané editelem Zhi

30、 rozvíjet konkrétní pohotovostních plán. Speciální pohotovostní plány, vetn analýzy rizik, moné nehody charakteristiky a nouzových organizace a odpovdnost, nouzové postupy a preventivní opatení, v pípad nouze a tak d

31、5;le. 3.3 pro nebezpenjí klíové posty klíové pozice a klíových oblastí (vetn hlavních rizik), poádanéstreamlining. Four are standard visits, except as required to participate in training, no other activity. Five is to improve news reporting, for

32、 propaganda work strictly according to the regulations. Six is strictly your presentation published strictly according to the regulations. Seven is strictly thrift, required the use of vehicles and office space and corporate hospitality. 3, change the style. Propaganda and ideological work of the ne

33、w situation and new requirements of the new tasks, had done a lot of fruitful work, has made many achievements, but further closer to the grass roots, close to reality, close to the masses and also inadequate innovation must continue to improve. Second, the "four winds" some outstanding is

34、sues 1, oppose formalism. One theory is that he didn't, with less close contact. Theoretical study of consciousness is not high enough, system performance is not strong enough; more passive learning, active learning few generalities and learn more, delving into less. Especially based on rational

35、 thinking on major issues, applying theory to guide the work done is not good enough, not really understand and grasp the spirit and essence of the scientific Outlook on development, did not truly achieve mastery, to apply, to a certain extent, affect the development and implementation of ideas and

36、initiatives. Second, work arrangements, and less supervision. Propaganda and ideological work is the objective, which needs to keep the continuity efforts deployed, but stressed in the work time, less supervision. For example, color weekends in the summer theatrical activities, city square performan

37、ces, urging townships, communities and rural areas shows the implementation is inadequate, insufficient cultural an educational role to play. Third base enough, master grass-less real. Propaganda and ideological work in the new situation of characteristics and regularity of enough, deep enough for g

38、rass-roots public opinion Dynamics survey, for grass-roots typically drive less. For example, rural culture team active, . I'm not actively take the initiative to take up, the lack of spirit of daring to, resulting in some job had a lot of power, but no tangible results. Third, innovation, lack

39、of motivation. Emancipation did not end, innovation does not exist. In practical work, not your head, previous work experience, lack of innovation initiatives, study on the characteristics of propaganda and ideological work under the new situation through, grip on grassroots ideological trends and c

40、hanges are not deep, to promote new initiatives and explore new methods of ideological and cultural work is not much, and some lack of relevance and timeliness. 4, discipline, lowering, and hard work are lacking. While working and enterprising spirit down. No real solution to treat yourself right, c

41、orrectly treat past honors, their complacency, and work to see their scores more, less checking his own shortcomings, like to listen to the praise, satisfied face, online promotion, there are typical, and lack of high standards and strict requirements, the effect is real. Second hard drive less. On

42、hard andV1 绪论1.1 背景介绍及发展趋势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。其实现方式有电压基准和电流基准。基准电压源是模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、线性稳压器和开关稳压器、温度传感器、充电电池保护芯片和通信电路等电路中不可缺少的部分，基准电流源主要作为高性能运算放大器等器件或电路的偏置，也可用于LVDS驱动器和Viterbi解码器。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。带隙基准参考源通常是模拟和混合信号处理系统中重要的组成模块，它用来提供

43、高稳定的参考电平和参考电压，对系统的性能起着至关重要的作用。传统的带隙基准电路利用双极型晶体管的基极发射极电压Vm的负温度系数和不同电流密度下两个双极型晶体管基极发射极电压的差值的正温度系数相互补偿，使输出电压达到很低的温度漂移。但实际设计电路中由于运放的失调电压对Vm的影响，Vm与温度的非线性关系，使传统的带隙基准电路在温度系数、功耗、PSRR等方面无法达到现今集成电路设计的要求。随着现代如今，带隙基准源在AD/DA、电源芯片、锁相环、高精度的电压表、电流表、欧姆表等领域有着很广泛的应用。微电子技术和通信技术的发展，集成电路已进入超深亚微米时代，它的发展继续以高速、高集成度、低功耗为目标。在

44、发展的同时，集成电路逐渐与其它学科和技术相结合,形成新的方向,新的学科或专业,不断改变着传统专业分工的格局，使得SOC系统(System on Chip) 越来越复杂。这对模拟电路基本模块的电压、功耗、精度和速度等, 提出了更高的要求。传统的带隙基准源电路结构渐渐难以适应设计需求。近几年，国内外学者都对传统带隙基准源进行了改进，主要集中降低温度系数，提高了PSRR以及使其能工作在低电源电压下，展现出低功耗、低噪声、低温漂、高精度等特性。国内外对CMOS工艺带隙基准电压源做了大量的研究，最新的技术进展主要体现在以下几个方面。(1)低温度系数低温度系数的电压基准源对于高分辨率的DAC和ADC尤其重

45、要。对于一阶补偿的带隙基准源，温度系数通常可以做到1060ppm。C。为了进一步降低带隙基准的温度系数必须做高阶补偿。目前出现的高阶补偿技术包括利用MOS管亚阈区vI特性的补偿的带隙基准电路、利用电阻的温度特性的曲率校正方法、指数曲率补偿方法、温度分段补偿方法等。(2)低电压工作的电压基准源随着深亚微米集成电路技术的不断发展，集成电路的电源电压越来越低。带隙基准电压在12V左右，所以一般的带隙基准源的工作电压至少在12V以上。采用特殊电路结构的带隙基准源可以工作在1V左右。采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，并最终受限于MOS管的阈值电压。(3)高电源纹波抑制比随着射

46、频集成电路和数字电路的发展以及带基准源在高频电路应用中的推广，电源抑制比成为了基准源在高频及数模混合电路中的一个重要衡量标准。在数模混合集成电路中，数字电路的噪声可能对模拟电路产生不利的影响。因此，在混合电路中电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源电压抑制比性能。(4)低功耗低功耗是衡量电路性能好坏的指标之一。作为集成电路的一个基本单元电路，低功耗也一直是基准电压研究发展的一个方向。集成电路制造工艺主要有双极工艺、CMOS工艺和BiCMOS工艺。用双极型工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精度高的器件，但双极型器件在功耗和集成度方面却无法满足系统集成的要求：而CMOS工艺可以制造出功耗高

47、、集成度高和抗干扰能力强的CMOS器件，但其速度低、驱动能力差，在既要求高集成度又要求高速的领域中也无能为力。BiCMOS工艺是把双极型器件和CMOS器件同时制作在同一芯片上，它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS器件高集成度、低功耗的优点，使其互相取长补短，发挥各自的优点，它给高速、高集成度、高性能的LSI及VLSI的发展开辟了一条新的道路。20世纪80年代初，基准电压源设计使用BiCMOS工艺，融合了CMOS工艺和双极型工艺的优点，使基准源技术获得了飞速发展并在DCDC集成稳压器、RF电路、A/D转换器等方面得到广泛应用。12 研究意义基准电压源是指模拟电路或混合信号电路中用作电

48、压基准的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。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。带隙基准源由于能工作于低电源电压下， 温度漂移、噪声和PSRR 等性能能够满足大部分系统的要求，所以带隙基准源在集成电路设计中得到了广泛的研究与应用。随着现今IC产业的发展，要求带隙基准源电路工作电压更低，尽可能处于低功耗，保持高精度，低温度系数以及高PSRR抑制比，因此改进带隙基准

49、源电、路成为现今一个很重要的课题。 集成电路版图是根据逻辑电路与电路功能和性能要求以及工艺水平要求来设计光刻用的掩膜版图，实现集成电路设计的最终输出。集成电路制造工艺主要有双极工艺、CMOS工艺和BiCMOS工艺。用双极型工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精度高的器件，但双极型器件在功耗和集成度方面却无法满足系统集成的要求：而CMOS工艺可以制造出功耗高、集成度高和抗干扰能力强的CMOS器件，但其速度低、驱动能力差，在既要求高集成度又要求高速的领域中也无能为力。 BiCMOS（Bipolar CMOS）工艺是将CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要

50、单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。因此，选择BiCMOS基准电压源作为研究对象具有重要的理论研究意义和实际应用意义。本设计主要是用BiCMOS工艺完成基准电压源的版图设计，得到在温度在-4085之间不随温度变化的1.25V和2.5V的稳定电压。1.3 本文主要工作本文主要分为五章。在第一章主要介绍基准电压源的背景发展趋势及版图的研究意义。后边内容主要介绍基准电压源电路及版图设计，在第二章介绍基准电压电路的分类，构架及基本工作原理，介绍本次设计并对设计的电路进行仿真分析

51、。第三章主要介绍版图的一些基本概念和本次设计的版图。第四章主要介绍了本次验证使用的工具Diva，并对设计好的版图进行验证。第五章对本次设计工作进行总结。2 基准电压源电路设计基准电压源是模拟集成电路的重要组成部分，主要作用是为串联型稳压电路、A/D和D/A转化器提供基准电压，也可用作传感器的稳压供电电源或激励源。另外还可以作为标准电池、仪器表头的刻度标准和精密电流源。理想电压源具有好的初始精度，并在负载电流、温度和时间变化时电压保持稳定不变。2.1 基准电压源的分类及特点根据拓扑结构，基准电压源主要有齐纳基准、隐埋齐纳基准，XFET基准和带s联式电路或者三端串联式电路。1、齐纳基准根据电压求和

52、模式，基准参考电压源最初利用齐纳二极管(Zener Diode)设计，它是通过调节自身电流，并配合限流电阻来抵消电源电压的变化。齐纳二极管基准源的电源电压高于7V，工作电流一般为几毫安，齐纳基准在这里指的是表层齐纳基准。它成本低，封装小，工作电压范围宽。但是功耗大，初始精度低，温度系数差，输入电压调整率不好，因为齐纳(雪崩)二极管的击穿电压发生在硅表面层(图2.2(a)，由于硅芯片表层与其内部相比有更多的杂质、品格缺陷和机械应力，容易受到表面氧化层中迁移电荷及外界环境的影响，噪声较大、长期稳定性差。使用时需根据供电电压和负载电流串接一个电阻为其提供恒定电流，以便保持输出电压稳定。齐纳基准通常用

53、于要求不高的场合，或用作电压钳位器。2、隐埋齐纳基准为了克服表层齐纳二极管的缺点，改进制造工艺的隐埋齐纳二极管结构得到了广泛应用，掩埋型齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊齐纳二极管，这是因为它采用了将击穿区植入硅表面以下的结构，使其击穿发生在表面表层的下面，从而可以避免表层的影响，使其在温度漂移、时间漂移和噪声特性等方而得到明显的改善。它具有很高的初始精度，好的温度系数和长期漂移稳定性，噪声电压低，总体性能优于其它类型的基准，故常用于12位或更高分辨率的系统中。掩埋齐纳基准通常要求至少5V以上的供电电压，并要消耗几百微安的电流，功耗比较大，并且价格比较昂贵。除了有输入电压范围宽的特点

54、，精度比常规齐纳二极管的基准源提高很多，但是由于表层下面的扩散工艺比表层上而难控制，所以在制造过程中使基准电压源的绝对值和温度系数等参数的分散性比较大，常常超过允许误差。一般选用高精度运算放大器和隐埋齐纳二极管构成基准电路。3. XFET基准 XFET (eXtra implantation junction Field Effect Transistor)基准是一种新型的电压基准，其核心是利用JFET (Junction Field Effect Transistor)设计的，利用一对具有不同夹断电压JFET，将其差分输出电压放大以产生一个稳定的负温度系数的电压(约为-120 ppm/)，然

55、后用一个具有正温度系数的电压进行补偿，得到稳定的基准电压。XFET基准静态电流很低，可用于3V电压系统，并且仍能保持良好的性能。它有三项显著的特点:其一是在相同的工作电流条件下，它的峰一峰值噪声电压通常比带隙基准低数倍;其二是XFET基准静态电流很低，但可以为负载提供的输出电流不是很低，并且输出端不需要加去藕电容;其三是XFET基准具有极好的长期漂移稳定性。XFET基准的性能水平界于带隙和齐纳基准之间，其缺点是需要特殊工艺来实现，成本较高。4、带隙基准带隙基准电压源分为双极型带隙基准源和CMOS带隙基准源，工艺条件宽。带隙基准输出电压受温度和电源电压影响小，并且其精度高。基准的初始精度、温度系

56、数、长期漂移、噪声电压等性能指标从低到高覆盖面较宽，适用于多种不同精度要求的系统中，该类基准应用范围很宽。2.2 基准电压源的温度特性2.2.1 负温度系数项由于Pn结二极管的正向电压具有负温度系数，因此双极晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。对一个双极型器件有，其中，饱和电流正比于，其中为少数载流子的迁移率，为硅的本征载流子浓度。这些参数与温度的关系可以表示为，其中m-3/2，并且,其中1.12 eV，为硅的带隙能量。所以 (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) 2.2.2 正温度系数电压 在1964年人们认识到，如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比。例如，如图2.1所示，如果两个同样的晶体管()偏置的集电极电流分别为和并忽略它们的基极电流，那么图2.1 PTAT电压产生电路1 (2-6) (2-7) （2-8） 具有正温度系数 2.3 基本原理2.3.1 与温度无关的电路利用上而得到的正、负温度系数的电压，我们现在可以设计出一个令人满意的零温度系数的基准。我们有 ，这里是两个工作在不同电流密度下的双极晶体管的基极发射极电压的差值。因为在室温下， (2-9)所以我们可以令=1，选择使得（）（0.087mV/K）=1.5mV/K，也就是17.