帶隙基準(zhǔn)學(xué)習(xí)筆記

1、帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)a. 指標(biāo)設(shè)定該帶隙基準(zhǔn)將用于給ldo提供基準(zhǔn)電壓，ldo的電源電壓變化范圍為1.4v到3.3v，所以帶隙基準(zhǔn)的電源電壓變化范圍與ldo的相同。ldo的psr要受到帶隙基準(zhǔn)psr的影響，故設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)要有高的psr。由于ldo是用于給數(shù)字電路提供電源，所以對(duì)噪聲要求不是很高。下表 該帶隙基準(zhǔn)的指標(biāo)。電源電壓1.4v3.3v輸出電壓0.4v溫度系數(shù)35ppm/psrdc，1mhz-80db，-20db積分噪聲電壓（1hz100khz）1mv功耗25ua線性調(diào)整率0.01%b.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇上圖是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)，假設(shè)尺寸相同，那么輸出電壓為是負(fù)溫度系數(shù)，對(duì)溫度求導(dǎo)數(shù)，得到公式（r

2、azavi，page313）：其中，。如果輸出電壓為零溫度系數(shù)，那么：得到：帶入：得到：在27溫度下，輸出電壓等于1.185v，小于電源電壓1.4v，可這個(gè)電路并不能工作在1.4v電源電壓下，因?yàn)閷?duì)于帶隙基準(zhǔn)里的運(yùn)放來(lái)說(shuō)，共模輸入范圍會(huì)受到電源電壓限制，電源電壓的最小值為：其中，是三極管的導(dǎo)通電壓，是運(yùn)放差分輸入管對(duì)的柵源電壓，是運(yùn)放差分輸入管對(duì)尾電流源的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。對(duì)于微安級(jí)別的電流，可以認(rèn)為：這里將差分輸入對(duì)的體和源級(jí)短接以減小失配，同時(shí)閾值電壓不會(huì)受到體效應(yīng)的影響。假設(shè)差分對(duì)尾電流源的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為100mv，那么，電源電壓的最小值為：下表列出了smic.13工藝p33晶體管閾值電壓和三極

3、管的導(dǎo)通電壓隨corner角和溫度變化的情況：-402780slow-826mv-755mv-699mvtypical-730mv-660mv-604mvfast-637mv-567mv-510mvbjt的-402780slow830mv720mv630mvtypical840mv730mv640mvfast860mv750mv660mv可以計(jì)算出在不同溫度的corner角下電源電壓的最小值：-402780slow1.756v1.575v1.429vtypical1.67v1.49v1.344vfast1.597v1.417v1.27v可以看出，對(duì)于大部分情況，1.4v電源電壓無(wú)法保證帶隙基準(zhǔn)

4、中運(yùn)放的正常工作，所以必須改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，使其可以工作在1.4v電源電壓下。上圖是一種實(shí)用的低壓帶隙基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，假設(shè)尺寸相同，同樣假設(shè)：那么，輸出電壓為：如果輸出電壓為零溫度系數(shù)，那么：得到：帶入：得到：可以通過(guò)設(shè)置與的比值，將輸出電壓設(shè)定在任意值。誤差放大器輸入端在和處，通過(guò)將設(shè)置為1，將這兩點(diǎn)電壓設(shè)定為bjt導(dǎo)通電壓的二分之一，計(jì)算出在不同溫度和corner角下電源電壓的最小值：-402780slow1.341v1.215v1.114vtypical1.25v1.125v1.024vfast1.167v1.042v0.94v可以看到，最壞情況出現(xiàn)在slow corner角低溫下，電源電壓最小

5、值仍然小于1.4v，意味著這種結(jié)構(gòu)可以滿足本次低壓設(shè)計(jì)的要求。越大，電源電壓的最小值越低，不過(guò)帶隙基準(zhǔn)環(huán)路增益也變低了。將設(shè)置為1，輸出電壓可以為1.2v，但是這時(shí)候帶隙基準(zhǔn)的低頻psr會(huì)變差，為了提高低頻psr，運(yùn)放的增益要很高，但是在這種電路中，psr不僅與運(yùn)放增益有關(guān)，還與輸出級(jí)pmos晶體管的輸出電阻有關(guān)，如下圖所示：當(dāng)pmos晶體管輸出電阻足夠小的時(shí)候，的柵源電壓微小變化引起的電流變化與流過(guò)小信號(hào)輸出阻抗的電流相比可以忽略不計(jì)，那么此時(shí)可以近似認(rèn)為的柵源電壓交流短路，那么，有：其中為pmos晶體管的小信號(hào)輸出阻抗，這個(gè)輸出阻抗與漏源電壓有關(guān)系，將pmos晶體管偏置電流設(shè)為5ua，寬長(zhǎng)

6、比分三組，各為10um/1um，20um/2um，40um/4um，電源電壓設(shè)為1.4v，漏端加一可變電壓v1，v1從0v掃描到1.4v，如下圖所示：測(cè)量pmos晶體管、的小信號(hào)輸出阻抗隨v1的變化關(guān)系，得到如下數(shù)據(jù)：可以看到，晶體管的輸出阻抗隨漏源電壓的增加而增加，隨溝道長(zhǎng)度的增加也變大，當(dāng)v1升高到1.2v時(shí)，三種溝道長(zhǎng)度的晶體管的輸出阻抗減小到大約660k的數(shù)值，一般來(lái)說(shuō)，的數(shù)量級(jí)在100k左右，如果在電源電壓為1.4v時(shí)，帶隙基準(zhǔn)輸出1.2v，那么，此時(shí)的psr是：為了提高低頻psr，就必須在盡可能提高運(yùn)放增益的情況下，增加pmos晶體管的小信號(hào)輸出阻抗，這一措施首先是通過(guò)減小帶隙基準(zhǔn)

7、輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，帶隙基準(zhǔn)輸出電壓要接在ldo的誤差放大器輸入端，如果誤差放大器使用nmos管作為輸入差分對(duì)，那么其共模輸入電壓至少為nmos管的柵源電壓加上尾電流源的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓：用下圖可以仿真出誤差放大器最低共模輸入電壓的數(shù)值：用5ua的電流偏置二極管連接的寬長(zhǎng)比為20um/1um的nmos管，將其源級(jí)用100mv的電壓偏置，模擬尾電流源的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，將體接到地上，測(cè)量晶體管柵極電壓，這個(gè)電壓大致等于誤差放大器的最低共模輸入電壓，結(jié)果如下表：-402780slow945mv876mv830mvtypical822mv753mv704mvfast700mv630mv580mv最壞情況發(fā)生在slo

8、w corner角低溫情況，此時(shí)誤差放大器共模輸入電壓為0.945v，這就意味著如果用nmos管作為誤差放大器輸入管，那么帶隙基準(zhǔn)輸出電壓不能低于0.945v。但是這時(shí)候輸出級(jí)pmos晶體管的小信號(hào)輸出阻抗已經(jīng)變的很小，比如當(dāng)l=2um時(shí)，由上面的圖可以看到，輸出阻抗為大約為7m歐姆，此時(shí)psr不是很高。所以誤差放大器的輸入管采用pmos比較合適，為了提高匹配，降低噪聲，pmos管的體和源級(jí)可以短接，進(jìn)一步提高了最高共模輸入電壓。共模輸入電壓最多為電源電壓減去pmos管的柵源電壓再減去尾電流源的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓：假設(shè)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為100mv，用同樣的手段（寬長(zhǎng)比20um/1um，偏置電流5ua）可以得

9、到最高共模輸入電壓值：-402780slow383mv445mv492mvtypical484mv548mv595mvfast585mv650mv699mv可以看到，最壞情況發(fā)生在slow corner角低溫下，帶隙基準(zhǔn)輸出電壓必須低于383mv才能使所有corner角都能滿足誤差放大器共模輸入范圍的要求。但是帶隙基準(zhǔn)輸出電壓越低，ldo的噪聲性能越差，故將帶隙基準(zhǔn)輸出電壓設(shè)置在400mv，實(shí)際上，可以增加pmos晶體管的寬長(zhǎng)比，使在slow corner角低溫下，最高共模輸入電壓大于400mv即可。把帶隙基準(zhǔn)輸出電壓降低到0.4v左右，使pmos晶體管漏源電壓有較大的提高，提高了輸出阻抗，如

10、當(dāng)l=2um時(shí)，由上面的圖可以看到，輸出阻抗為大約為23m歐姆，從而提高了psr：這個(gè)數(shù)值還是不夠高，必須尋找其它結(jié)構(gòu)來(lái)提高psr。實(shí)際上，低頻時(shí)，pmos晶體管柵極電壓并不是與電源電壓同步變化的，如果運(yùn)放低頻增益很高，那么，在低頻時(shí)，可以認(rèn)為晶體管、的漏端電壓不隨電源電壓變化，等效為接地，如下圖所示：假設(shè)、尺寸一樣，當(dāng)電源電壓變化時(shí)，pmos晶體管、柵極電壓變化了，對(duì)于，由基爾霍夫電流定律，可以得到：那么，如果輸出級(jí)pmos晶體管的等于和的輸出阻抗，那么流過(guò)的電流將約等于零，psr會(huì)有很大的提高，但是對(duì)于、，它們的漏極電壓為bjt導(dǎo)通電壓，大約為0.7v，對(duì)于，由于輸出電壓為0.4v，它的漏

11、極電壓與、顯然不同，所以：為了使它們相等，在晶體管、漏極加入一層cascode管，如下圖所示：這層cascode管強(qiáng)制使晶體管、的漏極電壓相等，從而保證與相等，提高了psr，由于輸出電壓為0.4v，cascode管的柵極電壓直接接地即可，省去了偏置電路，降低了額外的功耗。當(dāng)然，這個(gè)結(jié)論是在運(yùn)放增益足夠大保證運(yùn)放輸入端電壓的變化足夠小，可以近似認(rèn)為接地的條件下得出的，那么運(yùn)放的設(shè)計(jì)要保證這個(gè)條件的成立。為了使運(yùn)放輸入端對(duì)地電壓基本不變，必須提高環(huán)路增益，由于電源電壓變化范圍在1.4v到3.3v內(nèi)，當(dāng)電源電壓降至1.4v時(shí)，折疊式共源共柵放大器將不適用，可以采用兩級(jí)運(yùn)放，加miller電容補(bǔ)償，也

12、可以采用如下形式的誤差放大器結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)中，在處有一個(gè)二極管連接形式的晶體管，它為帶隙基準(zhǔn)主電路和運(yùn)放尾電流源提供偏置電壓，當(dāng)電源電壓變化時(shí)，這個(gè)二極管柵極電壓和電源電壓同時(shí)變化，這樣一來(lái)低頻psr會(huì)減小很多，該運(yùn)放為單級(jí)運(yùn)放，主級(jí)點(diǎn)在第一級(jí)輸出端，非主級(jí)點(diǎn)在處而且在高頻，只需在主級(jí)點(diǎn)處加電容即可保證穩(wěn)定性。帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（不包括啟動(dòng)電路）如下圖所示：c.零溫度系數(shù)設(shè)計(jì)假設(shè)、尺寸相同，且：那么，輸出電壓的表達(dá)式為：若要得到零溫度系數(shù)，那么根據(jù)前面推導(dǎo)過(guò)公式，有：帶入輸出電壓的表達(dá)式，得到：要得到400mv的輸出電壓，那么，得到：考慮版圖布局的對(duì)稱性，將n設(shè)為8?，F(xiàn)在仿真正溫度系數(shù)電壓特性，理論

13、值為：用smic.13um的pnp33管，發(fā)射結(jié)面積用55的，q2和q4的n=8，q1和q2的n=1，q1和q2的偏置電流設(shè)在1ua，q3和q4的偏置電流設(shè)在10ua，如下圖所示：溫度從-40掃描到80，測(cè)量vq1-vq2與vq3-vq4隨溫度變化的曲線，得到下圖：實(shí)測(cè)值為：附上兩個(gè)corner角的數(shù)據(jù)：cornerslpoefastslow可以看出，正溫度系數(shù)斜率幾乎與偏置電流無(wú)關(guān)，與corner角也無(wú)關(guān)，實(shí)測(cè)值與理論值基本吻合?，F(xiàn)在仿真的負(fù)溫度系數(shù)，理論值為：其中，假設(shè)為0.7v，在300k時(shí)，可以計(jì)算出斜率為。在所關(guān)心溫度范圍（-4080）內(nèi)求平均值，用smic.13um的pnp33管，

14、發(fā)射結(jié)面積用55的，q1和q2的n=1，偏置電流分別為1ua和10ua，如下圖所示：測(cè)量vq1和vq2隨溫度變化的曲線，結(jié)果如下：得到負(fù)溫度系數(shù)為：附上兩個(gè)corner角的數(shù)據(jù)：corner1ua10uaslowtypicalfast可以看出，bjt的負(fù)溫度系數(shù)電壓幾乎不隨corner角變化，會(huì)隨偏置電流變化，將帶隙基準(zhǔn)bjt的靜態(tài)電流設(shè)在10ua以內(nèi)，那么近似認(rèn)為負(fù)溫度系數(shù)為：由公式：得到:可以得到：至此，我們得到了產(chǎn)生輸出400mv、具有零溫度系數(shù)電壓的帶隙基準(zhǔn)的電阻比例：電阻比例確定后，下一步是確定電阻的絕對(duì)數(shù)值，這涉及到功耗，噪聲，面積的折衷，下面附上帶隙基準(zhǔn)電路圖。從上圖中看出，帶隙

15、基準(zhǔn)的偏置電流正比于流過(guò)晶體管、的電流，而流過(guò)它們的電流等于：減小，可以減小帶隙基準(zhǔn)的面積，帶來(lái)的壞處是功耗的增加，然而高的功耗可以減小帶隙基準(zhǔn)的噪聲。d.psrr的設(shè)計(jì)上圖是小信號(hào)電路圖，在分析psrr時(shí)，假設(shè)電源電壓變化了，可以計(jì)算出柵極電壓的變化量和輸出電壓變化量，那么:由于晶體管、不決定各支路電流大小，故在計(jì)算psrr時(shí)忽略這三個(gè)晶體管，同時(shí)另：當(dāng)電源電壓變化后，晶體管柵極電壓將發(fā)生變化，這個(gè)變化是由兩條信號(hào)通路同時(shí)疊加引起，一條通路是：電源電壓變化后，有小信號(hào)電流流入和節(jié)點(diǎn)，信號(hào)被運(yùn)放放大后在柵極產(chǎn)生一個(gè)電壓，這個(gè)電壓為：另一條通路是：電源電壓變化后，有小信號(hào)電流通過(guò)流入和源級(jí)，流入

16、大小為的電阻后，在柵極產(chǎn)生一個(gè)電壓，這個(gè)電壓為：在漏端，根據(jù)基爾霍夫電流定律，有：聯(lián)立上面三個(gè)方程組，得到下面公式：得出：因?yàn)椋核陨厦婀胶?jiǎn)化為：從某種意義上說(shuō)：越接近1，psrr越大。由簡(jiǎn)化后的公式可以看到，除了增大運(yùn)放開環(huán)增益之外，還可以提高的本征增益和的本征增益。當(dāng)：和：時(shí)，表達(dá)式化簡(jiǎn)為：如果：我們得到：也就是說(shuō)即使無(wú)窮大，還是會(huì)變化，直觀上可以這樣理解：當(dāng)無(wú)窮大的時(shí)候，漏端可以認(rèn)為接地，那么流過(guò)的電流一定會(huì)流入:所以：現(xiàn)在分析輸出端，如下圖所示：假設(shè)輸出晶體管的跨導(dǎo)為，輸出阻抗為，假設(shè)，那么我們可以得到公式：可以得到psrr表達(dá)式：這個(gè)表達(dá)式告訴我們一個(gè)重要結(jié)論：當(dāng)：足夠大的時(shí)候，p

17、srr主要由（還有）和的匹配程度決定，這也就是為什么要加一層cascode管（下圖黑色圈內(nèi)部分）的原因。加入cascode管以后，晶體管、漏端電壓近似相等，那么它們的小信號(hào)輸出阻抗的差距就不是很大，跨導(dǎo)也近似相等，所以psrr會(huì)升高。綜合以上分析，可以看到，提高psrr的手段主要由三個(gè)，一是帶隙基準(zhǔn)要具有足夠大，這主要是通過(guò)提高運(yùn)放增益和的本征增益來(lái)實(shí)現(xiàn)，二是提高和的本征增益，三是提高晶體管、的匹配，可以通過(guò)加入cascode管使其漏源電壓相等和增加、的面積減小隨機(jī)失配兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。e.噪聲的考慮帶隙基準(zhǔn)的噪聲主要是指中低頻（）的噪聲，高于這個(gè)頻段的噪聲會(huì)被電容濾掉，實(shí)際上如果帶隙基準(zhǔn)外接量

18、級(jí)的片外電容，那么只需考慮1khz一下的低頻噪聲。上圖中，由于晶體管、產(chǎn)生的噪聲電流在漏端產(chǎn)生的噪聲電壓要比晶體管的噪聲電壓在漏端產(chǎn)生的噪聲電壓小倍，所以晶體管、的噪聲可以忽略不計(jì)；此外，晶體管、產(chǎn)生的噪聲電壓在中低頻范圍內(nèi)被強(qiáng)源級(jí)負(fù)反饋抑制掉，所以也可以忽略不計(jì)下面計(jì)算帶隙基準(zhǔn)的噪聲。mos管的噪聲可以用一個(gè)與其并聯(lián)的電流源來(lái)表示，如下圖：?jiǎn)挝坏钠骄β孰娏鳛椋旱谝豁?xiàng)為熱噪聲，第二項(xiàng)為噪聲，其中和是與工藝有關(guān)的常數(shù)。運(yùn)放產(chǎn)生的等效輸入噪聲電壓（實(shí)際為電壓的平方，表示在1歐姆電阻上產(chǎn)生的噪聲功率）為：現(xiàn)在求這個(gè)噪聲電壓到輸出端的增益，如下圖所示：假設(shè)等于，另：由基爾霍夫電流定律：得到：又因?yàn)椋?/p>

19、所以運(yùn)放噪聲在輸出端產(chǎn)生的電壓為：的在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓可以用下圖計(jì)算出：假設(shè)等于，由基爾霍夫電流定律：得到：又因?yàn)椋核缘脑肼曤娏髟谳敵龆水a(chǎn)生的噪聲電壓為：同理可得的噪聲電流在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓為：的噪聲電流在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓為：兩個(gè)電阻在輸出產(chǎn)生的噪聲電壓為：電阻在輸出產(chǎn)生的噪聲電壓為：現(xiàn)在計(jì)算電阻在輸出產(chǎn)生的噪聲電壓，如下圖所示：設(shè)三極管和的小信號(hào)電阻分別為和，因?yàn)榱鬟^(guò)三極管的電流相等，所以這兩個(gè)電阻相等，由基爾霍夫定律：得到：得出電阻在輸出產(chǎn)生的噪聲電壓為：可以得到總的輸出噪聲電壓為：一般來(lái)說(shuō)，有：那么，可以得到：假設(shè)：將噪聲簡(jiǎn)化，得到：其中：現(xiàn)在計(jì)算和：其中：之前設(shè)計(jì)的電阻比

20、例為：所以有：所以：所以：將噪聲表達(dá)式簡(jiǎn)化，得到：之利用前得到的產(chǎn)生400mv輸出電壓的電阻表達(dá)式：將n=8帶入，繼續(xù)簡(jiǎn)化，得到：假設(shè)流過(guò)、的電流較大，將它們工作在強(qiáng)反型區(qū)，為了降低功耗，減小了流過(guò)的電流，將它們工作在亞閾區(qū)，利用跨導(dǎo)公式：得到：之前推導(dǎo)得到，在輸出帶隙基準(zhǔn)電壓為零溫度系數(shù)的條件下，與的關(guān)系為：帶入噪聲表達(dá)式，得：繼續(xù)化簡(jiǎn)，得到表達(dá)式：由上面的噪聲表達(dá)式可以看出，一但電阻、比例確定后，運(yùn)放在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓就與的大小無(wú)關(guān)了。要減小運(yùn)放的等效輸入熱噪聲電壓，只有一種選擇，就是是增加運(yùn)放的偏置電流。要減小運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓，可以增加或，也可以增加或。由晶體管、產(chǎn)生的熱噪聲電

21、壓與有關(guān)，可以看到，減小不但減小了電阻本身產(chǎn)生的熱噪聲電壓，而且減小了晶體管、產(chǎn)生的熱噪聲電壓，付出的代價(jià)是流過(guò)晶體管、的電流增加，功耗變大。由上面公式還可以看出，晶體管、產(chǎn)生的噪聲電壓也與有關(guān)，要減小噪聲電壓，可以增加，或者減小。通過(guò)上面的討論可知：要減小帶隙基準(zhǔn)的噪聲，一是要減小運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓，可以通過(guò)增加電流和晶體管的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。二是要減小電阻和、的噪聲，不僅可以通過(guò)增加尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可以通過(guò)在保持、比例不變的情況下減小來(lái)實(shí)現(xiàn)，代價(jià)是電流增加，導(dǎo)致功耗增加。所以，帶隙基準(zhǔn)的噪聲與功耗和面積是一對(duì)矛盾的東西，只能在三者之間折衷。f.電路參數(shù)設(shè)計(jì)上圖為帶隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)，在前面敘述中，

22、我們得到了產(chǎn)生輸出400mv零溫度系數(shù)電壓的電阻比例：由流過(guò)電流的公式：可以選擇電阻進(jìn)而確定其他電阻，將設(shè)為，得到的值：進(jìn)而得到：加大、的尺寸既可以提高它們的匹配從而提高低頻psrr，又可以降低噪聲，所以其溝道長(zhǎng)度應(yīng)該取得較大，這里取，溝道寬度選擇，finger數(shù)等于4，如果finger數(shù)取太大，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放反饋環(huán)路穩(wěn)定性下降。因?yàn)?、與、是電流鏡關(guān)系，所以其寬長(zhǎng)比與、相同，不過(guò)finger數(shù)可以不相同，由于運(yùn)放反饋環(huán)路中非主級(jí)點(diǎn)在柵極，所以流過(guò)的電流可以大一點(diǎn)將非主級(jí)點(diǎn)外推，finger數(shù)取4。對(duì)于，原則上加大finger數(shù)可以增加流過(guò)它的電流，減小的熱噪聲，但是由于噪聲在低頻時(shí)占更大的比重，它

23、與電流無(wú)關(guān)，故加太多電流不會(huì)減小太多的熱噪聲，而且浪費(fèi)功耗，所以將的finger數(shù)取2即可，電流為流過(guò)的一半。對(duì)于、，大的溝道長(zhǎng)度使它們的源極電壓趨于相等，有利于改善、小信號(hào)輸出阻抗的匹配，提高低頻psrr，在這里，、的尺寸和、設(shè)為相同。對(duì)于到，必須增加尺寸，以減小噪聲。的尺寸設(shè)為，finger數(shù)等于8，的尺寸設(shè)為，finger數(shù)等于2，為了減小失調(diào)，的尺寸設(shè)為，finger數(shù)等于8。為了提高負(fù)反饋環(huán)路的穩(wěn)定性，使用電容，大小為，finger數(shù)等于4。三極管選發(fā)射結(jié)面積為的管，較大的發(fā)射結(jié)面積可以減小正向?qū)▔航?，從而降低了電源電壓。在推?dǎo)帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)表達(dá)式中，默認(rèn)電阻的溫度系數(shù)為零，實(shí)際

24、上電阻也是有溫度系數(shù)的，那么，在選擇電阻材料時(shí)要盡可能選擇溫度系數(shù)低的材料。工藝有以下幾種電阻，它們的溫度系數(shù)和方塊電阻列表如下：電阻種類器件名tc1r-sheetsilicide n+ diffusionrndif0.003236.55ohmsilicide p+ diffusionrpdif0.003097.15ohmsilicide n+ polyrnpo0.00316.89ohmsilicide p+ polyrppo0.002997.53ohmnwell under stirnwsti0.002731120ohmnwell under aarnwaa0.00334453ohmnon-

25、silicide n+ diffusionrndifsab0.0013870ohmnon-silicide p+ diffusionrpdifsab0.00137147ohmnon-silicide n+ polyrnposab-0.000982267ohmnon-silicide p+ polyrpposab-0.000104317ohm從上圖可以看到，非硅化p+多晶硅電阻具有遠(yuǎn)小于其他種類電阻的溫度系數(shù)和較大的方塊電阻，所以選擇非硅化p+多晶硅電阻。尺寸如下表列出：電阻名稱尺寸finger數(shù)阻值827.3k、39132.82k2688.5kg.啟動(dòng)電路該帶隙基準(zhǔn)有三個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)，第一個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)為

26、正常狀態(tài)，輸出400mv基準(zhǔn)電壓，第二個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)為所有晶體管都關(guān)斷、三極管截止的狀態(tài)，此時(shí)電路里沒(méi)有電流流過(guò)，第三個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)是這樣的，只有三極管處于關(guān)斷狀態(tài)，和導(dǎo)通，有電流流過(guò)，此時(shí)運(yùn)放正負(fù)輸入端電壓相等，和柵極電壓穩(wěn)定在一個(gè)隨機(jī)值，輸出電壓在0mv到400mv之間（遠(yuǎn)小于400mv接近0v）。為了使電路在啟動(dòng)時(shí)不至于錯(cuò)誤的工作在兩個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)上，必須加額外的啟動(dòng)電路，使電源上電完能夠保證電路工作在正常狀態(tài)。黑圈內(nèi)是該帶隙基準(zhǔn)的啟動(dòng)電路，由晶體管、組成（柵極接地）。下面說(shuō)明工作原理：一開始電源沒(méi)上電時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)電壓都為零。當(dāng)電源電壓上升時(shí)，因?yàn)闆](méi)有電流流過(guò)二極管連接的，所以的柵極電壓將跟隨電源電壓變化

27、，當(dāng)電源電壓上升到大于管的閾值電壓時(shí)，和導(dǎo)通，有電流流入和的柵極，因?yàn)闁艠O對(duì)地可以看成是一個(gè)大電容，而且是倒比管，跨導(dǎo)即驅(qū)動(dòng)能力很小，所以這個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓上升速度非常緩慢，在電源電壓不高的時(shí)候可以認(rèn)為是近似接地，所以的柵源電壓隨著電源電壓的升高繼續(xù)增大，電流經(jīng)流入柵極，導(dǎo)致其柵極電壓增大，如圖中黃色線所示，此時(shí)柵極電壓被拉到接近地的電位。隨著電源電壓繼續(xù)上升，和導(dǎo)通，柵源電壓逐漸增大，和漏極電壓開始上升，直到導(dǎo)通三極管和，此時(shí)，柵極電壓上升到足矣關(guān)斷的程度，流過(guò)的電流最終減為零，由于此時(shí)啟動(dòng)電路已經(jīng)不參與反饋，所以電路固有的負(fù)反饋使電路最終工作在正常狀態(tài)。通過(guò)增加的寬長(zhǎng)比、減小的寬長(zhǎng)比以及增加的尺

28、寸，可以提高啟動(dòng)電路的速度。所有管子的尺寸在下表列出。器件名稱尺寸器件名稱尺寸h.仿真結(jié)果1. 溫度系數(shù)仿真由于帶隙基準(zhǔn)的電源電壓要求是1.4v到3.3v，仿真兩種電源電壓下不同corner角的溫度系數(shù)，溫度從-40變化到80。下圖為電源電壓為1.4v時(shí)不同corner角下輸出電壓隨溫度變化的曲線：由的溫度系數(shù)表達(dá)式：可以看出，三極管導(dǎo)通電壓隨corner角的變化同樣影響了的溫度系數(shù)，導(dǎo)致在不同corner角下溫度系數(shù)不同。實(shí)際上也可以這樣解釋，之前已經(jīng)說(shuō)明，bjt的負(fù)溫度系數(shù)電壓幾乎不隨corner角變化，這個(gè)結(jié)論是建立在bjt的電流不隨corner角變化的前提下的，實(shí)際上，當(dāng)corner變

29、化后，電阻阻值的變化引起了偏置電流的變化，從而造成bjt的負(fù)溫度系數(shù)電壓的變化。在typical情況下，正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)剛好抵消，所以曲線呈開口向下的拋物線形狀，在fast corner角，由于變大，導(dǎo)致負(fù)溫度系數(shù)變小，從而正溫度系數(shù)項(xiàng)占優(yōu)勢(shì)，所以輸出電壓隨溫度升高直線增加。在slow corner角，由于變小，導(dǎo)致負(fù)溫度系數(shù)變大，從而負(fù)溫度系數(shù)項(xiàng)占優(yōu)勢(shì)，所以輸出電壓隨溫度升高直線減小。下表總結(jié)了電源電壓為1.4v時(shí)輸出電壓的數(shù)據(jù)。corner輸出電壓變化量溫度系數(shù)typical407mv0.45mv9.2ppm/fast415mv1.67mv33.5ppm/slow399mv1.66m

30、v34.7ppm/下表總結(jié)了電源電壓為3.3v時(shí)輸出電壓的數(shù)據(jù)。corner輸出電壓變化量溫度系數(shù)typical407mv0.44mv9ppm/fast415mv1.75mv35ppm/slow399mv1.64mv34.3ppm/可以看到，輸出電壓幾乎不隨電源電壓變化，但是隨corner角變化比較大，原因解釋如下：測(cè)量corner角下電阻和三極管導(dǎo)通電壓變化的關(guān)系，得到：cornertypical27.25k265.7k88.55k692mvfast23.79k231.92k77.31k713mvslow31k302.5k100.85k674mv由帶隙基準(zhǔn)輸出電壓表達(dá)式：得到下表：corne

31、rtypical175.47mv0.33327230.6mv406.1mvfast175.48mv0.33335237.7mv413.2mvslow175.67mv0.33339224.7mv400.4mv可以看出，雖然電阻的比值在不同corner角下稍有變化，但是影響輸出電壓變化的主要因素是三極管導(dǎo)通電壓，將減小可以降低輸出電壓隨corner角變化的程度，但是輸出電壓會(huì)變低。2. psrr的仿真下圖為typical corner角常溫時(shí)電源電壓為1.4v時(shí)psrr的曲線：psrr在dc時(shí)為-89db，在1mhz時(shí)為-19db。由于在所有corner角下1mhz的psrr都約等于-20db，所

32、以下面不再列出1mhz時(shí)的psrr。下表總結(jié)了電源電壓為1.4v時(shí)低頻psrr的數(shù)據(jù)。corner-402780typical-99db-89db-86dbfast-66db-86db-91dbslow-80db-86db-85db下表總結(jié)了電源電壓為3.3v時(shí)psrr的數(shù)據(jù)。corner-402780typical-91db-90db-88dbfast-91db-89db-87dbslow-92db-90db-89db可以看出，除去-40fast corner角，帶隙基準(zhǔn)的低頻psrr最高-99db，最低為-80db，在大多數(shù)corner角下為-90db左右，唯獨(dú)在電源電壓1.4v、溫度為-

33、40、fast corner角時(shí)，psrr降到了-66db，原因解釋如下：上圖為在電源電壓1.4v、溫度為-40、fast corner角時(shí)帶隙基準(zhǔn)部分電路的截圖，可以看到與漏端電壓為922.365mv，漏端電壓為915.675mv，它們之差為6.69mv?？纯丛谄渌鹀orner角下這兩端電壓之差，下表列出：電源電壓為1.4v時(shí)：corner-402780typical0.89mv0.52mv0.32mvfast6.69mv1.8mv0.81mvslow0.47mv0.32mv0.21mv電源電壓為3.3v時(shí)：corner-402780typical0.24mv0.16mv0.13mvfast

34、0.31mv0.25mv0.17mvslow0.20mv0.16mv0.11mv可以發(fā)現(xiàn)在電源電壓1.4v、溫度為-40、fast corner角時(shí)漏端電壓與漏端電壓之差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他corner角。由于晶體管的跨導(dǎo)和輸出阻抗要隨漏源電壓變化，所以在電源電壓1.4v、溫度為-40、fast corner角時(shí)，與跨導(dǎo)和輸出阻抗匹配程度最差，根據(jù)之前推導(dǎo)的psrr表達(dá)式：可以看出，在與跨導(dǎo)和輸出阻抗匹配很差的情況下，psrr會(huì)變差，下面解釋為什么在電源電壓1.4v、溫度為-40、fast corner角時(shí)與漏端電壓之差最大。對(duì)于晶體管來(lái)說(shuō)，它工作在飽和區(qū)的條件是其漏端電壓必須小于的閾值電壓，而且漏端

35、電壓等于三極管的導(dǎo)通電壓，也就是說(shuō)要滿足：現(xiàn)在測(cè)量在各個(gè)corner角下變化的情況，列表如下：電源電壓為1.4v時(shí)的值：corner-402780typical806mv-900mv=-94mv692mv-850mv=-158mv600mv-810mv=-210mvfast827mv-819mv=8mv713mv-768mv=-55mv621mv-727mv=-106mvslow791mv-978mv=-187mv672mv-926mv=-254mv580mv-890mv=-310mv電源電壓為3.3v時(shí)的值：corner-402780typical806mv-1.35v=-544mv692m

36、v-1.3v=-608mv600mv-1.27v=-670mvfast827mv-1.24v=-413mv713mv-1.19v=-477mv621mv-1.15v=-529mvslow791mv-1.46v=-669mv672mv-1.41v=-737mv580mv-1.38v=-800mv在電源電壓1.4v、溫度為-40、fast corner角時(shí)，三極管導(dǎo)通壓降最大，并且超過(guò)了晶體管的閾值電壓，導(dǎo)致晶體管進(jìn)入線性區(qū)，漏源電壓下降，輸出阻抗下降，從而使漏端電壓與漏端電壓之差變大，導(dǎo)致與不匹配，降低了psrr。由于的體是接在電源電壓上，而源級(jí)電壓不會(huì)隨隨電源電壓變化，所以當(dāng)電源電壓升高到3.

37、3v后，由于體效應(yīng)，的閾值電壓會(huì)升高到1.3v左右，使工作在飽和區(qū)，所以在電源電壓3.3v、溫度為-40、fast corner角時(shí)，psrr可以達(dá)到-91db。要解決電源電壓1.4v、溫度為-40、fast corner角時(shí)psrr很差這個(gè)問(wèn)題，可以將的源極電壓升高，將輸出電阻分成兩個(gè)大小相等阻值為一半的電阻，串聯(lián)在輸出端，將、的柵極接到這兩個(gè)電阻中間，將柵極電壓偏置到0.2v，這樣在所有corner角下都工作在飽和區(qū)了，修改的電路如下圖所示：下表總結(jié)了電源電壓為1.4v時(shí)，修改后的電路的低頻psrr數(shù)據(jù)。corner-402780typical-97db-94db-88dbfast-103

38、db-93db-87dbslow-81db-94db-90db現(xiàn)在，fast corner、-40度的psrr有-103db，比之前提高了37db。最差psrr發(fā)生在slow corner、-40度，為-81db。重新測(cè)量溫度特性，結(jié)果與修改之前的電路基本相同。3. 啟動(dòng)電路的仿真下表列出了在各個(gè)corner角下啟動(dòng)電路的啟動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)，啟動(dòng)電路上電時(shí)間設(shè)為1ms：電源電壓為1.4v時(shí)：corner-402780typical791us745us703usfast733us680us665usslow848us797us773us電源電壓為3.3v時(shí)：corner-402780typical34

39、8us318us301usfast313us296us278usslow367us344us328us電源電壓越高，啟動(dòng)電路速度越快，晶體管的閾值電壓越小，啟動(dòng)速度越快。在3.3v、fast corner、80度下，啟動(dòng)時(shí)間最快，為278us，最慢是1.4v、slow corner、-40度下，啟動(dòng)時(shí)間為848us。4. 功耗的仿真因?yàn)?、的尺寸一樣，所以流過(guò)它們的電流相等，的尺寸為的一半，所以流過(guò)的電流也為的一半，故總電流等于：因?yàn)榈脺囟认禂?shù)很小，所以只需計(jì)算corner角下功耗的數(shù)據(jù)，附上在corner角下的數(shù)值。cornertypical27.25kfast23.79kslow31k計(jì)算得

40、到：仿真結(jié)果顯示，電源電壓為1.4v時(shí)：corner-402780typical20.54ua20.73ua20.78uafast23.94ua24.23ua24.34uaslow17.81ua17.89ua17.91ua電源電壓為3.3v時(shí)：corner-402780typical20.45ua20.65ua20.71uafast23.86ua24.16ua24.27uaslow17.72ua17.81ua17.83ua帶隙基準(zhǔn)的消耗的電流最少為17.81ua，最多為24.34ua。5. 噪聲的仿真仿真在typical corner 、常溫、電源電壓在1.4v下，頻率從1hz到100khz內(nèi)

41、的噪聲電壓曲線，得到下圖：在1hz時(shí)，輸出噪聲電壓為，在100khz時(shí)，輸出噪聲電壓為，將噪聲在整個(gè)頻帶內(nèi)積分，得到總噪聲電壓為：0.87mv，帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生的輸出噪聲電壓非常大，下面為corner角的數(shù)據(jù)。電源電壓為1.4v時(shí)：corner-402780typical0.93mv0.87mv0.85mvfast0.91mv0.85mv0.82mvslow0.95mv0.9mv0.87mv電源電壓為3.3v時(shí)：corner-402780typical0.94mv0.88mv0.85mvfast0.91mv0.85mv0.83mvslow0.96mv0.9mv0.88mv最差情況下輸出噪聲電壓為0

42、.96mv，小于1mv。要減小輸出噪聲，必須將電阻阻值減小，這就意味著功耗的增加，同時(shí)要增加晶體管的尺寸，意味著面積的增加，本次設(shè)計(jì)中為了降低功耗和面積，噪聲性能自然比較低。6. 環(huán)路穩(wěn)定性的仿真在柵極與柵極處斷開反饋環(huán)路，加入1t亨的大電感和1t法的大電容，連接方式如下圖所示：在電容底端接一電壓源，交流信號(hào)設(shè)置為1，相位設(shè)置為零，在柵極測(cè)得的幅頻特性曲線即為帶隙基準(zhǔn)的環(huán)路增益，在電源電壓為1.4v、typical corner、常溫時(shí)測(cè)得的曲線如下圖所示：可知低頻環(huán)路增益為51.6db，相位裕度為61，仿真所有corner角下的低頻環(huán)路增益和相位裕度。電源電壓為1.4v時(shí)：corner-402780typical53.9db，57.551.6db，6149.5db，64fast54.2db，56.851.5db，61.549.3db，62.8slow53db，58.451.2db，61.649db，63.6電源電壓為3.3v時(shí)：corner-402780typical54.1db，5651.7db，60.649.6db，63.4fast54.3db，5751.6db，6149.3db，63slow53.2db，54.551.4db，60.549.2db，63.4在所有情況下，增益最低為在slow corner、80時(shí)，為49db。因?yàn)樵鲆媾c晶體管跨導(dǎo)成正比，跨導(dǎo)與遷移率正相