CMOS模擬集成電路實訓(xùn)2016-Bandgap

1、CMOS模擬集成電路實訓(xùn)模擬集成電路實訓(xùn)之電壓基準(zhǔn)的設(shè)計之電壓基準(zhǔn)的設(shè)計東南大學(xué)集成電路學(xué)院東南大學(xué)集成電路學(xué)院IC實驗室實驗室內(nèi)容內(nèi)容 帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理 常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn) 基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向 PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計 優(yōu)化溫度特性優(yōu)化溫度特性 實訓(xùn)實訓(xùn)帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理：帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理：REFVVV 基準(zhǔn)電壓表達式基準(zhǔn)電壓表達式 ：0TVTVV+,V-的產(chǎn)生原理的產(chǎn)生原理利用了雙極型晶

2、體管的兩個特性：利用了雙極型晶體管的兩個特性：基極基極-發(fā)射極電壓（發(fā)射極電壓（VBE）與絕對溫度成反比）與絕對溫度成反比在不同的集電極電流下，兩個雙極型晶體管的基極在不同的集電極電流下，兩個雙極型晶體管的基極-發(fā)發(fā)射極電壓的差值（射極電壓的差值（VBE）與絕對溫度成正比）與絕對溫度成正比雙極型晶體管構(gòu)成了帶隙電壓基準(zhǔn)的核心雙極型晶體管構(gòu)成了帶隙電壓基準(zhǔn)的核心負溫度系數(shù)電壓負溫度系數(shù)電壓雙極型晶體管，其集電極電流（雙極型晶體管，其集電極電流（IC）與基極）與基極-發(fā)射極電壓（發(fā)射極電壓（VBE）關(guān)系為）關(guān)系為 其中，其中， 。利用此公式推導(dǎo)得出。利用此公式推導(dǎo)得出VBE電壓的溫度系數(shù)為電壓的溫

3、度系數(shù)為其中，其中， ， 是硅的帶隙能量。當(dāng)是硅的帶隙能量。當(dāng) ， 時，時， 。 VBE的溫度系數(shù)本身就與溫度有關(guān)的溫度系數(shù)本身就與溫度有關(guān)exp()CSBETIIV V(4)BETgBEVm VEqVTT1.5m 1.12gEeV750BEVmV300TK1.5BEVTmVC TVkT q正溫度系數(shù)電壓正溫度系數(shù)電壓如果兩個同樣的晶體管（如果兩個同樣的晶體管（IS1= IS2= IS，IS為雙極型晶體管飽和為雙極型晶體管飽和電流）偏置的集電極電流分別為電流）偏置的集電極電流分別為nI0和和I0，并忽略它們的基極電流，并忽略它們的基極電流，那么它們基極那么它們基極-發(fā)射極電壓差值為發(fā)射極電壓差

4、值為 因此，因此，VBE的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù) 這個溫度系數(shù)與溫度本身以及集電極電流無關(guān)。這個溫度系數(shù)與溫度本身以及集電極電流無關(guān)。12BEBEBEVVV0012lnlnlnTTTssnIIVVVnIIln0BEVknTq實現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓實現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓利用上面的正，負溫度系數(shù)的電壓，可以設(shè)計一個零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，有利用上面的正，負溫度系數(shù)的電壓，可以設(shè)計一個零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，有以下關(guān)系：以下關(guān)系：因為因為 ， ，因此令，因此令 ，只，只要滿足上式要滿足上式 ，便可得到零溫度系數(shù)的，便可得到零溫度系數(shù)的VREF。 即為即為(ln )REFBET

5、VVVn1.5/BEVTmVC 0.087/TVTmVC1(ln )(0.087/)1.5/nmVCmVC(ln )17.2n內(nèi)容內(nèi)容 帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理 常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn) 基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向 PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計 優(yōu)化溫度特性優(yōu)化溫度特性 實訓(xùn)實訓(xùn)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)兩種常用結(jié)構(gòu)兩種常用結(jié)構(gòu) 先產(chǎn)生一個和絕對溫度成正比（先產(chǎn)生一個和絕對溫度成正比（PTAT）的電流，再通過電）的電流，再通過電阻將該電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，并與雙

6、極型晶體管的阻將該電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，并與雙極型晶體管的VBE相加，最相加，最終獲得和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓終獲得和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓 通過運算放大器完成通過運算放大器完成VBE和和VBE的加權(quán)相加，在運算放大器的加權(quán)相加，在運算放大器的輸出端產(chǎn)生和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓的輸出端產(chǎn)生和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓內(nèi)容內(nèi)容 帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理 常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn) 基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向 PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計 優(yōu)化溫度特性優(yōu)化溫度特性 實訓(xùn)實訓(xùn)利用利用PTAT電流產(chǎn)生基準(zhǔn)

7、電壓電流產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓M5，M6，M8構(gòu)成電流鏡構(gòu)成電流鏡又又VBE=VTlnnI1=I2=(VTlnn)/R1I3=M(VTlnn)/R1帶隙電壓基準(zhǔn)電路帶隙電壓基準(zhǔn)電路32,1lnREFBE QTRVVMVnR輸出基準(zhǔn)電壓輸出基準(zhǔn)電壓T=300K時的零溫度系數(shù)條件時的零溫度系數(shù)條件2117.2lnRMRn電路實現(xiàn)電路實現(xiàn)內(nèi)容內(nèi)容 帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理 常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn) 基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向 PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計 優(yōu)化溫度特性優(yōu)化溫度特性 實訓(xùn)

8、實訓(xùn)運放輸出端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓運放輸出端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓2 , 1,2,1,RVVIIYXREFQCQCnVREFlnVRRRVT3322QBE，輸出基準(zhǔn)電壓輸出基準(zhǔn)電壓零溫度系數(shù)條件零溫度系數(shù)條件nRRRln2 .17332電路實現(xiàn)電路實現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的性能比較兩種結(jié)構(gòu)的性能比較1.驅(qū)動能力驅(qū)動能力 PTAT基準(zhǔn)不能直接為后續(xù)電路提供電流，需要在帶隙電壓基準(zhǔn)和后基準(zhǔn)不能直接為后續(xù)電路提供電流，需要在帶隙電壓基準(zhǔn)和后續(xù)電路中加入緩沖器才能提供電流。續(xù)電路中加入緩沖器才能提供電流。2.面積面積 運放輸出基準(zhǔn)需要使用運放輸出基準(zhǔn)需要使用3個電阻，并且在個電阻，并且在Q1和和Q2的比值的比值n較小的時候，較小的

9、時候，需要使用更大阻值的需要使用更大阻值的R1和和R2。因此消耗更多的芯片面積。因此消耗更多的芯片面積。內(nèi)容內(nèi)容 帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理 常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn) 基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向 PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計 優(yōu)化溫度特性優(yōu)化溫度特性 實訓(xùn)實訓(xùn)低輸出電壓帶隙基準(zhǔn)電路低輸出電壓帶隙基準(zhǔn)電路 11222ln/TEBIVNRIVRA VDDM1M2M3Q1Q21NR1R2R2R3VREFI1I1I2I2I1+ I2I1+ I2123REFVIIR 32221ln

10、EBTRRVVNRR2minEBDSDDVVVA CMOS Bandgap Reference with Sub-1-V Operation曲率補償帶隙基準(zhǔn)電路曲率補償帶隙基準(zhǔn)電路 When R2/R4=-1 ( 3.2) VEB2 nonliner parameter is cancelledA theoretical zero-tempco VREF can be obtained2344/ln/NLEBEBTrIVVRVT TR 123231243222214lnlnln()lnREFNLTTrEBEBTTrVIIIRTVVNTVRRRRRRRTVVNVRRRTEB2GOBErTrrTT

11、V=VVT-1 V lnTTGOVA M1M2M3M4Q1Q2Q311NR1R3R4R4I1I1I2I2INLI1+I2+INLI1+I2+INLI1+I2+INLR2AR2AR2BR2BXYVREF高高PSRR帶隙基準(zhǔn)電路帶隙基準(zhǔn)電路 無電阻帶隙基準(zhǔn)無電阻帶隙基準(zhǔn)VD = VD2 - VD1 VOUT = VD2 + AG VD VOUT 1.12 V 9 mV 0 70 oCA = 1.5B = 4G = 6AD1/AD2 = 8Ref.: Buck, JSSC Jan. 2002, 81-83可編程帶隙基準(zhǔn)可編程帶隙基準(zhǔn)內(nèi)容內(nèi)容 帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理 常用帶隙電壓

12、基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn) 基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向 PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計 優(yōu)化溫度特性優(yōu)化溫度特性 實訓(xùn)實訓(xùn)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計MOS管初始參數(shù)設(shè)置管初始參數(shù)設(shè)置N管管W/L=20u/2uP管管W/L=1.1u/550n并聯(lián)數(shù)并聯(lián)數(shù)長長寬寬雙極晶體管比例設(shè)置雙極晶體管比例設(shè)置Q1，Q2，Q3的比例設(shè)置為的比例設(shè)置為 7：1：1管子并聯(lián)數(shù)管子并聯(lián)數(shù)電阻設(shè)置電阻設(shè)置初始設(shè)置中初始設(shè)置中M5，M6和和M8設(shè)為相同的寬長比，因此設(shè)為相同的寬長比，因此M=1。零溫度系數(shù)條件為：

13、零溫度系數(shù)條件為：83. 87ln2 .17RR12令令R1=26k，則，則R2=230k阻值阻值設(shè)置仿真環(huán)境設(shè)置仿真環(huán)境基本庫，基本庫，晶體管晶體管，電阻，電容，電阻，電容設(shè)置仿真溫度范圍設(shè)置仿真溫度范圍直流掃描直流掃描保存直流工作點保存直流工作點掃描溫度掃描溫度溫度范圍溫度范圍開啟開啟仿真結(jié)果輸出仿真結(jié)果輸出選擇選擇“VREF”端口為輸出，開始仿真。端口為輸出，開始仿真。視頻：視頻：帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)DC溫度掃描溫度掃描仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析溫度特性較差，正溫度系數(shù)過小，這是由于溫度特性較差，正溫度系數(shù)過小，這是由于R2/R1的比值過小所致的比值過小所致可通過調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)R2/R

14、1的比值來優(yōu)化溫度特性的比值來優(yōu)化溫度特性內(nèi)容內(nèi)容 帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理 常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn) 基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向基準(zhǔn)電路的發(fā)展方向 PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的設(shè)計 優(yōu)化溫度特性優(yōu)化溫度特性 實訓(xùn)實訓(xùn)優(yōu)化溫度特性優(yōu)化溫度特性采用變量分析采用變量分析“Parametric”方法方法方案：固定方案：固定R1值的大小，掃描值的大小，掃描R2方法：在電路圖中設(shè)置方法：在電路圖中設(shè)置R2的阻值為變量的阻值為變量“res” ADE窗口中，選擇窗口中，選擇“Variables”“Edit

15、”設(shè)置掃描變量設(shè)置掃描變量ADE窗口中，點擊窗口中，點擊“Tools”“Paremetric Analysis”在在Paremetric Analysis窗口中，選擇窗口中，選擇“Set up”“Pick Name For Vareable”“Sweep 1.”在在Paremetric Analysis Pick Sweep 1窗口中選擇窗口中選擇“res”作為變量作為變量設(shè)置掃描范圍設(shè)置掃描范圍設(shè)置設(shè)置“Sweep1”掃描范圍為掃描范圍為230460k“Total Steps”為為“5”選擇窗口中的選擇窗口中的“Analysis”“Start”，開始變量掃描，開始變量掃描變量掃描結(jié)果分變量掃

16、描結(jié)果分析析當(dāng)當(dāng)R2電阻為電阻為402k時，溫度系數(shù)為負時，溫度系數(shù)為負當(dāng)當(dāng)R2電阻為電阻為460k時，溫度系數(shù)為正時，溫度系數(shù)為正縮小掃描范圍，再次仿真縮小掃描范圍，再次仿真res掃描范圍設(shè)置為掃描范圍設(shè)置為402460k,再次掃描再次掃描當(dāng)當(dāng)R2=445k時，溫度特性最好時，溫度特性最好視頻：視頻：掃描電阻，優(yōu)化溫度特性掃描電阻，優(yōu)化溫度特性利用利用“Calculator”分析溫度特性分析溫度特性在仿真結(jié)果圖中點擊在仿真結(jié)果圖中點擊“Tools”“calculator”緩存緩存buffer堆棧堆棧stack函數(shù)函數(shù)功能功能y*xstackbuffer+stack+buffer-stack-

17、buffer*stack*buffer/stack/buffer)(ppm/10)T(TVVVPPM6minmax averageminmax溫漂系數(shù)計算溫漂系數(shù)計算計算公式：計算公式：）（/ppm10V125VV6averageminmax列表顯示溫度系數(shù)列表顯示溫度系數(shù)點擊制表按鈕點擊制表按鈕 ，在，在“Display Results”中選擇中選擇Value，點擊，點擊“OK”，顯示計算結(jié)果，顯示計算結(jié)果當(dāng)當(dāng)R2=445k時，溫漂系數(shù)最小，時，溫漂系數(shù)最小，PPM=24.13ppm/視頻視頻 ：Calculator分析溫漂系數(shù)分析溫漂系數(shù)繪圖顯示溫度系數(shù)繪圖顯示溫度系數(shù)點擊制圖按鈕點擊制圖按鈕 ，繪圖顯示溫漂系數(shù)隨，繪圖顯示溫漂系數(shù)隨R2電阻變化情況，電阻變化情況，R2=445k時出現(xiàn)最小值時出現(xiàn)最小值內(nèi)容內(nèi)容 帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理 常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)常用帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PTAT帶隙電壓基準(zhǔn)帶隙電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓基準(zhǔn)運放輸出電壓