CMOS模拟集成电路实训之电压基准的设计课件

CMOS模拟集成电路实训

之电压基准的设计

东南大学微电子学院IC实验室CMOS模拟集成电路实训

之电压基准的设计

内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容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：基准电压表达式：带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理：基准电压表达式V+,V-的产生原理利用了双极型晶体管的两个特性：·基极-发射极电压（VBE）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-发射极电压的差值（ΔVBE）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V+,V-的产生原理利用了双极型晶体管的两个特性：负温度系数电压·双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）关系为其中，。利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为其中，，是硅的带隙能量。当，时，。·VBE的温度系数本身就与温度有关负温度系数电压正温度系数电压·如果两个同样的晶体管（IS1=IS2=IS，IS为双极型晶体管饱和电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值为

因此，VBE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。正温度系数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，有以下关系： 因为，，因此令，只要满足上式，便可得到零温度系数的VREF。即为实现零温度系数的基准电压内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构两种常用结构先产生一个和绝对温度成正比（PTAT）的电流，再通过电阻将该电流转变为电压，并与双极型晶体管的VBE相加，最终获得和温度无关的基准电压通过运算放大器完成VBE和ΔVBE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常用带隙电压基准结构内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理利用PTAT电流产生基准电压M5，M6，M8构成电流镜又ΔVBE=VTlnnI1=I2=(VT·lnn)/R1I3=M·(VT·lnn)/R1利用PTAT电流产生基准电压M5，M6，M8构成电流镜带隙电压基准电路输出基准电压T=300K时的零温度系数条件带隙电压基准电路输出基准电压T=300K时的零温度系数条件电路实现电路实现内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理运放输出端产生基准电压输出基准电压零温度系数条件运放输出端产生基准电压输出基准电压零温度系数条件电路实现电路实现两种结构的性能比较1.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续电路中加入缓冲器才能提供电流。2.面积运放输出基准需要使用3个电阻，并且在Q1和Q2的比值n较小的时候，需要使用更大阻值的R1和R2。因此消耗更多的芯片面积。两种结构的性能比较内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理低输出电压带隙基准电路

A＋－VDDM1M2M3Q1Q21NR1R2R2R3VREFI1I1I2I2I1+

I2I1+

I2ACMOSBandgapReferencewithSub-1-VOperation低输出电压带隙基准电路A＋－VDDM1M2M3Q1Q21曲率补偿带隙基准电路

WhenR2/R4=η-1(η3.2)

VEB2nonlinerparameteriscancelledAtheoreticalzero-tempcoVREFcanbe

obtainedA＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311NR1R3R4R4I1I1I2I2INLI1+I2+INLI1+I2+INLI1+I2+INLR2AR2AR2BR2BXYVREF曲率补偿带隙基准电路A＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311高PSRR带隙基准电路高PSRR带隙基准电路无电阻带隙基准ΔVD=VD2-VD1VOUT=VD2+AGΔVDVOUT≈1.12V9mV0…70oCA=1.5B=4G=6AD1/AD2=8Ref.:Buck,JSSCJan.2002,81-83无电阻带隙基准ΔVD=VD2-VD1可编程带隙基准可编程带隙基准内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理PTAT带隙电压基准的设计PTAT带隙电压基准的设计MOS管初始参数设置N管W/L=20u/2uP管W/L=1.1u/550n并联数长宽MOS管初始参数设置并联数双极晶体管比例设置Q1，Q2，Q3的比例设置为7：1：1管子并联数双极晶体管比例设置Q1，Q2，Q3的比例设置为7：1：1管电阻设置初始设置中M5，M6和M8设为相同的宽长比，因此M=1。零温度系数条件为：令R1=26kΩ，则R2=230kΩ阻值电阻设置初始设置中M5，M6和M8设为相同的宽长比，因此M=设置仿真环境基本库，晶体管，电阻，电容设置仿真环境基本库，晶体管，电阻，电容设置仿真温度范围直流扫描保存直流工作点扫描温度温度范围开启设置仿真温度范围直流扫描保存直流工作点扫描温度温度范围开启仿真结果输出选择“VREF”端口为输出，开始仿真。视频：带隙电压基准DC温度扫描仿真结果输出视频：带隙电压基准DC温度扫描仿真结果分析温度特性较差，正温度系数过小，这是由于R2/R1的比值过小所致可通过调节R2/R1的比值来优化温度特性仿真结果分析内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理优化温度特性采用变量分析“Parametric”方法方案：固定R1值的大小，扫描R2方法：在电路图中设置R2的阻值为变量“res”ADE窗口中，选择“Variables”→“Edit”优化温度特性设置扫描变量ADE窗口中，点击“Tools”→“ParemetricAnalysis”在ParemetricAnalysis窗口中，选择“Setup”→“PickNameForVareable”→“Sweep1...”在ParemetricAnalysisPickSweep1窗口中选择“res”作为变量设置扫描变量设置扫描范围设置“Sweep1”扫描范围为230~460kΩ“TotalSteps”为“5”选择窗口中的“Analysis”→“Start”，开始变量扫描设置扫描范围选择窗口中的“Analysis”→“Start”变量扫描结果分析当R2电阻为402kΩ时，温度系数为负当R2电阻为460kΩ时，温度系数为正变量扫描结果分析当R2电阻为402kΩ时，温度系数为负缩小扫描范围，再次仿真res扫描范围设置为402~460kΩ,再次扫描当R2=445kΩ时，温度特性最好视频：扫描电阻，优化温度特性缩小扫描范围，再次仿真当R2=445kΩ时，温度特性最好视频利用“Calculator”分析温度特性在仿真结果图中点击“Tools”→“calculator”缓存buffer堆栈stack利用“Calculator”分析温度特性缓存buffer堆栈温漂系数计算计算公式：温漂系数计算列表显示温度系数点击制表按钮，在“DisplayResults”中选择Value，点击“OK”，显示计算结果当R2=445kΩ时，温漂系数最小，PPM=24.13ppm/℃视频：Calculator分析温漂系数列表显示温度系数点击制表按钮，在“Di绘图显示温度系数点击制图按钮，绘图显示温漂系数随R2电阻变化情况，R2=445kΩ时出现最小值绘图显示温度系数点击制图按钮，绘图内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理Lab1：PTAT带隙电压基准指标VDD=3.3V/5VVref

=1.3VPPM<20ppm/℃

要求原理分析Spectre直流特性仿真实训一参考Lab1：PTAT带隙电压基准Lab2：三支路基准电流源指标VDD=5VIref

=30nA

要求原理分析Spectre直流特性仿真Spectre交流特性仿真实训二参考Lab2：三支路基准电流源CMOS模拟集成电路实训

之电压基准的设计

东南大学微电子学院IC实验室CMOS模拟集成电路实训

之电压基准的设计

内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容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：基准电压表达式：带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理：基准电压表达式V+,V-的产生原理利用了双极型晶体管的两个特性：·基极-发射极电压（VBE）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-发射极电压的差值（ΔVBE）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V+,V-的产生原理利用了双极型晶体管的两个特性：负温度系数电压·双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）关系为其中，。利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为其中，，是硅的带隙能量。当，时，。·VBE的温度系数本身就与温度有关负温度系数电压正温度系数电压·如果两个同样的晶体管（IS1=IS2=IS，IS为双极型晶体管饱和电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值为

因此，VBE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。正温度系数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，有以下关系： 因为，，因此令，只要满足上式，便可得到零温度系数的VREF。即为实现零温度系数的基准电压内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构两种常用结构先产生一个和绝对温度成正比（PTAT）的电流，再通过电阻将该电流转变为电压，并与双极型晶体管的VBE相加，最终获得和温度无关的基准电压通过运算放大器完成VBE和ΔVBE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常用带隙电压基准结构内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理利用PTAT电流产生基准电压M5，M6，M8构成电流镜又ΔVBE=VTlnnI1=I2=(VT·lnn)/R1I3=M·(VT·lnn)/R1利用PTAT电流产生基准电压M5，M6，M8构成电流镜带隙电压基准电路输出基准电压T=300K时的零温度系数条件带隙电压基准电路输出基准电压T=300K时的零温度系数条件电路实现电路实现内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理运放输出端产生基准电压输出基准电压零温度系数条件运放输出端产生基准电压输出基准电压零温度系数条件电路实现电路实现两种结构的性能比较1.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续电路中加入缓冲器才能提供电流。2.面积运放输出基准需要使用3个电阻，并且在Q1和Q2的比值n较小的时候，需要使用更大阻值的R1和R2。因此消耗更多的芯片面积。两种结构的性能比较内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理低输出电压带隙基准电路

A＋－VDDM1M2M3Q1Q21NR1R2R2R3VREFI1I1I2I2I1+

I2I1+

I2ACMOSBandgapReferencewithSub-1-VOperation低输出电压带隙基准电路A＋－VDDM1M2M3Q1Q21曲率补偿带隙基准电路

WhenR2/R4=η-1(η3.2)

VEB2nonlinerparameteriscancelledAtheoreticalzero-tempcoVREFcanbe

obtainedA＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311NR1R3R4R4I1I1I2I2INLI1+I2+INLI1+I2+INLI1+I2+INLR2AR2AR2BR2BXYVREF曲率补偿带隙基准电路A＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311高PSRR带隙基准电路高PSRR带隙基准电路无电阻带隙基准ΔVD=VD2-VD1VOUT=VD2+AGΔVDVOUT≈1.12V9mV0…70oCA=1.5B=4G=6AD1/AD2=8Ref.:Buck,JSSCJan.2002,81-83无电阻带隙基准ΔVD=VD2-VD1可编程带隙基准可编程带隙基准内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理PTAT带隙电压基准的设计PTAT带隙电压基准的设计MOS管初始参数设置N管W/L=20u/2uP管W/L=1.1u/550n并联数长宽MOS管初始参数设置并联数双极晶体管比例设置Q1，Q2，Q3的比例设置为7：1：1管子并联数双极晶体管比例设置Q1，Q2，Q3的比例设置为7：1：1管电阻设置初始设置中M5，M6和M8设为相同的宽长比，因此M=1。零温度系数条件为：令R1=26kΩ，则R2=230kΩ阻值电阻设置初始设置中M5，M6和M8设为相同的宽长比，因此M=设置仿真环境基本库，晶体管，电阻，电容设置仿真环境基本库，晶体管，电阻，电容设置仿真温度范围直流扫描保存直流工作点扫描温度温度范围开启设置仿真温度范围直流扫描保存直流工作点扫描温度温度范围开启仿真结果输出选择“VREF”端口为输出，开始仿真。视频：带隙电压基准DC温度扫描仿真结果输出视频：带隙电压基准DC温度扫描仿真结果分析温度特性较差，正温度系数过小，这是由于R2/R1的比值过小所致可通过调节R2/R1的比值来优化温度特性仿真结果分析内容带隙电压基准的基本原理常用带隙电压基准结构PTAT带隙电压基准运放输出电压基准基准电路的发展方向PTAT带隙电压基准的设计优化温度特性实训内容带隙电压基准的基本原理优化温度特性采用变量分析“Parametric”方法方案：固定R1值的大小，扫描R2方法：在电路图中设置R2的阻值为变量“res”ADE窗口中，选择“Variables”→“Edit”优化温度特性设置扫描变量ADE窗口中，点击“Tools”→“ParemetricAnalysis”在ParemetricAnalysis窗口中，选择“Setup”→“PickNameForVareable”→“Sweep1...”在ParemetricAnalysisPickSweep1窗口中选择“res”作为变量设置扫描变量设置扫描范围设置“Sweep1”扫描范围为230~460kΩ