CMOS模拟集成电路实训-Bandgapppt课件.ppt

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1、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负温度系数电压·双极型晶体管，其集

2、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。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，

3、，因此令，只要满足上式，便可得到零温度系数的VREF。即为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

4、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两种结构的性能比较1.驱动能力PTAT基准不能直接为后续

5、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。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低输出电压带隙基准电路A＋－VDDM1M2M3Q1Q21NR1R2R2R3VREFI1I1I2I2I1+I2I1+I2ACMOSBandgapReferencewithSub-1-VOpera

6、tion曲率补偿带隙基准电路WhenR2/R4=η-1(η3.2)VEB2nonlinerparameteriscancelledAtheoreticalzero-tempcoVREFcanbeobtainedA＋－M1M2M3M4Q1Q2Q311NR1R3R4R4I1I1I2I2INLI1+I2+INLI1+I2+INLI1+I2+INLR2AR2AR2BR2BXYVREF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

7、/AD2=8Ref.:Buck,JSSCJan.2002,81-83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阻值设置仿真

8、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内容带隙