集成電路課程設(shè)計方案一階溫度補償帶隙基準(zhǔn)

1、、功能描述設(shè)計一個一階補償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路，參數(shù)要求如下：1. 全溫度特性溫度漂移系數(shù)小于30ppm/C2. 輸出電壓大約為 1.2 ± 0.1V、電路設(shè)計1. 帶隙基準(zhǔn)的基本原理帶隙基準(zhǔn)的基本原理是將兩個擁有溫度系數(shù)相反的電壓以合適的權(quán)重相加，最終獲得具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。雙極性晶體管具有以下兩種特性：雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓（Vbe ）電壓與絕對溫度成正比；在不同的集電極電流下，兩個雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對溫度成正比。因此，雙極性晶體管可以構(gòu)成帶隙電壓基準(zhǔn)的核心。1）負(fù)溫度系數(shù)電壓對于一個雙極型晶體管，其集電極電流與基極-發(fā)射極電壓的關(guān)系為I c i s

2、 eXp（VBE /VT ）其中，Is是雙極型晶體管的把螯合電流；Vt二kT/q , k為玻爾茲曼償還蘇，q為電子電荷。進(jìn)一步利用飽和電流Is的計算公式，可以得到 Vbe的溫度系數(shù)為-：Vbe Vbe -（4 口）£ - Eg /q訂一T從上式可見，Vbe電壓的文帝系數(shù)與溫度本身有關(guān)，因此如果正溫度系數(shù)是一個固定值，與溫度無關(guān)，那么在帶隙電壓基準(zhǔn)的溫度補償中就會出現(xiàn)誤差。2）正溫度系數(shù)電壓如果兩個同樣的晶體管偏置的集電極電流分別為nl0與I0，并且忽略他們的基極電流，那么它們的基極-發(fā)射極電壓差值為VBE = Vbe1 Vb E2=Vr ln 也-Vr In b = vT |n nI

3、 S1I S2因此，Vbe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)。3）實現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓利用上面的正、負(fù)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：Vref 二：1Vbe：（VtInn）通過設(shè)置合適的參數(shù)可以獲得零溫度系數(shù)電壓。2. 帶隙基準(zhǔn)的電路圖1）整體電路的設(shè)計帶隙電壓基準(zhǔn)的基本電路圖有兩種，一種是利用PTAT電流產(chǎn)生電壓基準(zhǔn)，另外一種是采用運算放大器輸出端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，本次設(shè)計最終采用拉扎維cmos模擬集成電路設(shè)計書上采用的電路圖1:圖1整體電路圖2）放大器電路的設(shè)計帶隙基準(zhǔn)所需要的放大器需要高增益，但是對頻率響應(yīng)要求不高，所以選擇

4、在簡單的 差分放大電路后面加一級共源放大電路獲得所需要的高增益放大，如圖所示，管子的如圖為放大器電路圖 2：3. 電路參數(shù)的計算1)電路所需參數(shù)的獲取通過讀取TMIC0.35um提供的spice仿真庫，以老師實際建模的能夠正常工作的一級差 分放大電路為模型，測量計算得到以下參數(shù)：pmos_3p3pCox 二 30u =0.2 VTH=0.8Vnmos_3p3 nCox =110u =0.1 VTH=0.85V對于本電路最重要的一個參數(shù)是pnp管的溫度漂移系數(shù)，對于這個系數(shù)通過實際搭建簡單電路進(jìn)行測量，測量結(jié)果如下，在27C, vpnp2*2尺寸的溫漂系數(shù)為1.35mv/C2)電路參數(shù)的計算由電

5、路原理得Vout =Vbe2(VtI nmn )(1 色)R1為了得到零溫度系數(shù)輸出則:：VoutjVbe??；：VTR2T(ln mn)(12)-I由于：:VBE /汀=1.3mv a , ；：VT/汀=0.087mv/C ,所以可以計算得到(&/R 1)l nmn =15.5，取 R2 / R1 =4,即取 R2=8KR1=2K,則得到 In mn =3.1，則 mn=24.5, 取 m=3, n=9,通過放大器的反饋作用，可以將如圖x, y兩點的電壓鉗制為相同值，貝UR1電阻兩端的電壓為VBE =VT In(mn)計算可以知道nl = VBE / R| = 40uA進(jìn)一步可以得到

6、ml -14uA，顯然M0與M1管為放大器兩邊提供電流源，放大器的輸出通過兩個支路的電流互相反饋鉗制在一個固定值，由于電源電壓為3.3V , VBE大約為0.75V，所以取放大器的輸出鉗制在2V,然后可以得到 M0管與M1管的寬長比。利用公式i1JpCoxWL(VGs-Vth)2代入各自的電流，得到M0的寬長比為9, M1的寬長比為15.按照這個結(jié)果可以求的 Vout =1.17V4. 電路的spice前仿1)放大電路的前仿，放大器采用了差分放大電路+共源放大電路的兩級運放，最后獲得的放大增益與相頻特性如圖：圖4幅頻特性與相頻特性如圖4放大增益可以達(dá)到 80dB。2)電路的仿真優(yōu)化a) PNP

7、管個數(shù)的優(yōu)化理論設(shè)計pnp管的個數(shù)為9,即n=9，但實際可能存在誤差，所以通過仿真可以具 體確定所需pnp管的個數(shù)，通過仿真發(fā)現(xiàn)只有當(dāng) pnp管的個數(shù)達(dá)到11個時才能夠 表現(xiàn)出較好的溫度特性曲線，所以最終電路圖中采用11管pnpb) MO管參數(shù)優(yōu)化理論計算知道 M0管寬長比為10時溫度特性曲線最好，通過實際仿真優(yōu)化發(fā)現(xiàn)理 論與實際完全一致，如圖所示，當(dāng)M0管寬長比為10時，溫度特性曲線最好c) M1管參數(shù)的優(yōu)化通過理論計算得到 M1的寬長比為15,但實際仿真的結(jié)果顯示當(dāng)寬長比為23時,溫度特性曲線最好，如圖 6圖6 M1管參數(shù)優(yōu)化圖d）電阻R1的優(yōu)化選取的電阻兩個一個為 8K, 個為2K,通過

8、仿真優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)R2=7.9K時電路特性最好，如圖7圖7電阻R1參數(shù)優(yōu)化圖3）負(fù)溫度系數(shù)與正溫度系數(shù)的測量結(jié)果通過以溫度為掃描變量的直流掃描可以得到電路的負(fù)溫度系數(shù)特性與正溫度系數(shù)特性 曲線分別如圖所示，其中圖8為負(fù)溫度系數(shù)，溫度實際為1.28mv/C1曲A-.>_&00 mR7Wm一詢曲浙60.0M0temp ( C ) aj ii ajy.4y*sm)cictw- in?- -151.1/4m)R: t?丁 口Krnj 引nn口： 一圖8負(fù)溫度系數(shù)曲線120m.1Q110m->100m-90.0m-60.0m-70>.>.>.H UJ Ul-斗 d.伸

9、-10.02050.0B0.0110140temp ( C )A： (-6-55Z3 2.2a2WF ddHo： L1IUb.bUfcE 匕13它 II IS 上目Stml&z：芒 2.1J也 u 圖9正溫度特性曲線圖9為正溫度特性曲線，溫漂系數(shù)為321uV/ C4) 溫度特性曲線溫度特性曲線作為帶隙電壓基準(zhǔn)最重要的參數(shù)，其溫度漂移系數(shù)決定電路的整體性能，因此我們測量了全溫度特性曲線，如圖10即從-40到125 C的電壓變化，測量結(jié)果顯示最大偏差為3.98mv，通過溫度漂移系數(shù)的計算可以知道：TVmax Mnxi06(ppm/°C)= 3-98mv *io6=2O.2ppm/

10、C(匸乂一幾討1.197*165bdndop b<jridgcip_2 schematic : SExpressions1,2000 J1,1990-1.1930it 19701J961 , 10501LI.II.IJIIJL IIL IIlIILI.II. I . _JI1-40.020,080.01 斗0temp ( C )A:1,19977) gg(99”了犯斗一云兩 15m)B:仁館57號0|?？诔?一39啟亞4口圖10溫度特性曲線5) PSR特性曲線仿真電源抑制比是衡量電路對電源線上噪聲的抑制能力的參數(shù)，對于帶隙電壓基準(zhǔn)定義為 電源電壓變化引起的輸出增益的倒數(shù)，我們在電源電壓上

11、疊加一個小的交流信號，然 后進(jìn)行交流仿真，可以得到如下仿真圖 11:圖 11 PSROQP6）上電特性對于一般的帶隙基準(zhǔn)存在0偏執(zhí)點，所以有時候需要啟動電路，考慮到時間問題，采用了不外加啟動電路的放大，同樣仿真出了上電特性，上電特性是通過將電源改成脈 沖波的形式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖：可見，改電路大約需要1us時間才能夠穩(wěn)定下來，正常工作。三、版圖設(shè)計1. 版圖設(shè)計思路本次課程設(shè)計采用 0.35um工藝，考慮到不用實際流片，所以在電路參數(shù)設(shè)計時采用較大的 溝道長度，提高器件的可靠性，為了減少設(shè)計周期，采用臺積電提供的 PDK庫來完成器件的設(shè)計, 整體只需要考慮器件的布局與連線，為了減少錯誤率，先將

12、放大器與偏置電路局部版圖，然后連 接到一起整體布局，2. 整體版圖如圖13版圖面積為79*95umTH” -1 亠圖13版圖四、版圖驗證1. DRC檢查DRW查是檢查版圖是否符合版圖設(shè)計規(guī)則，通過不斷差錯，最終無果如下DRW查錯誤，檢查結(jié)圖14 DRC檢查結(jié)果2. LVS檢查LVS檢查是檢查版圖是否與電路圖一致，最終檢查結(jié)果顯示只有一個與電阻相關(guān)的錯誤，經(jīng) 過檢查發(fā)現(xiàn)是軟件在自己提取電阻的網(wǎng)表時忽略掉了襯底電極導(dǎo)致，檢查結(jié)果如圖15Flla E>lt: Cplans 世 ndoy出IUFC«MATinH AMD HAJ岀IKK1EPor±a:IhJEzK<TCb

13、»d Lkyoirh14H«cc-h4di fourca14DnuTchsd f cux-zh0a 牛七匕.1匕丄uh :Lxa nslBLc ra62 layout ncs*16CTIGiDEi4T-0I¥V«X4 S«dUE4-d to IE” d«let iftJ by pdirllel re>dwt丄。n.dn«t4nc«? *r* pat-ijMds rbLt-rrily-« I nicial tormpondpfic*s!Poitsiddl gindl VoTat-4 AablgulTy

14、 J4-i.UCl.-6h PilZiLd:<|Ed好h 伙no oi xh« folloH-lnq 1>1*ccg> h*lo&j9 z a 毛工日u口 電t incise丄會 ob-lft-Ts. Th« 11 Kt«d abjiwc-ta v»r* dt.Eb«d j rb L-kTii rlly br tb* Axiguihy dtiEia L irhl-o-n F«ac ur« s t LU5. Aiblci-BEV sATclilha B6V t« di:取five*d. bv

15、 jfdlunlha “WF <zc ch43* obiicTa cr co &dJidc«nr n«iEHI A.awl 332 CdPT圖15 LVS檢查結(jié)果3. PEX參數(shù)提取結(jié)果通過對電學(xué)參數(shù)的提取，可以進(jìn)行相應(yīng)的版圖后仿，PEX提取部分結(jié)果如圖16：申 E# 2F QlxMwi.t-3«-A5 «d"&1-32 »-!pi-B I 3*iM p*"-2. il«-K «r44j nri"4 i-Ht t&CD/l.E3U'im= 'lf |

16、 H|：附朋“ i/MiTa齡 aieDi'jCESrbfii ti! | MhU Itl B"1. Vi frt t-3« -15 Ad"* 3x12 |M"i .的2.1亍晉 u-jrt. 1 nri1 .15- r1-1. -C't w«3<i-d5.1«-MLS-i-1#?i nra>4 .4-IE- /nirfe i JcrOH/xii'i.iiMSTflSl jdO/xiirBBrtW io?di nHMWS v-MTA *d-!-i-12 ij-I,5a-1± pAE.M-0

17、5 匸MZ. LMY3 Afl-D. 1 nEi-4.34KID'i.'-UlA/MH： I XlAXi'Xul'i i'MET&K* NET31 II'&>i.lI. l.'Hn： (ZE MBOf 如d>Sr-3 .i>-l.5*-L2.3 «-：rSLT-C-5 i_r£-E>. J. nca"：. tT=- -LKEf'.jTrlkjmia I XtOri |-SU !I |T»T)W MT15 XJfl'XX3L>.,HBTW

18、WD' I H1W If!- 1«-44 v*L*-O *A«M- I2 «b>S»-32 pd".L. Sa-U!- ! . 1-t - Z'S ul"C>. 1 nra>4.3 a4 iLD>l.a lS/KHl'l& |METIS N3Q3 L i./Mlf 5: cMb' | miuD"«v-L«"05i2 «v>« 3 HLJ詢£ pi". « £$1. n

19、ri"473 rtC'l lit I. >-NN： >.M ! JCCD'i I'Kr J '» |HE!H4C' MZT!i5 XT<1/X1 LX/H1TM :WD» I EM怕 271- -L*-0?卄理居網(wǎng)砂皿窕以靳悶n4d 機星岡翕Ipn&/qji.jWiD |HfiTJL 口蘆”竝叭也停D mn > 曲加尹叮4na4r-U aM1M-i2 p-s-a. ii ?-5 "丄 訂 艸 u-fl-O.i u-w.W -!XCD'.iXC '. >KMC !

20、 KED'ii-XtJSSSlLl XiaC3 L'l.METW 3W' ILfh"-* *.'-：?卄謁 kJ p4*L-&v-4¥背ntl.3 !xcmvuj'/ichp応j i jcici'iiiui1. >ian3!- bitqi xiaxn>.iin- moi i *«_»! x M-"L*-a5 止燈耳-口 A£"5a-22 E-da-L . La-*!- ba->S . «-：!； iu!-. 1 hE « . 3 B

21、>1 xrh/TLlwmr '.iH i 壯們rgciJs/wr)卓 mTal xa:.ixaL«.'HeT me i mw_iir=- £-«-94 ¥-L*-at£2 ah-4. S»-ll F-d-L.3-i-4K fv-2.17«-QS nri-.： nEA-d.avi Ar"mcr譏Ga帕jumO : TZt'.-iTTP xz-&v>iets >3hdii tm-5 MJ i.“ 44 v-5詢百 rid-3.!«-L2 *a-4.2!-k-L

22、： pdm- I. LT«：fl nrt.2 nri-4.LT &-LctPL.EII ssx/rtrf 翻乩.用we-' 1 5時 LL*O峪t d"J. - L2 4” 迎LH _pd肚蟲i 總上丄” Lh-C再 sr-S-1：'. 2 nrij . L t L iCTDLi-rTfi,： :可屮訂遠(yuǎn)卽仁厲棚玄 町利mrtd町4胡TH世FT碼 催小:-密粧ip?E-l<-<4 'r-Se-Oi £： 4 b»-4 2-32 円士-典 pi-LalTv-65 ncd&4.2 tri».i?

23、t & 一!T11竹jK i MT、皚Ml沖trq” XKX/Ntf* KJQ/KSfl,.BH!T5 :邯I I 御HJ朝I*i>2. id i"4 . J9*r32pi"L . 3T»-<I nrdT“2 u-a»D. I? nm : mSTL® MET6 OR! I Hrw.ip W rj 珅札樸廠5-37 1-k W15»-0(iTKEC-'i iXEC'1. >'UD I >Z1 ! XuCI'ii'XCO ii'METSfl '33：&

24、#39;! I SFUJFJ r-LJM.-SJ w-T» D7 fe-J .-HT：a357“ I HE i) I <»MC-Lt3Ta L!- i XX/Kia'i/HITDZD Q I “r©lu =t 4-15. LD7ff" I Xfl!i.'JtL,i.iMlfPl) D i "阿札k v-l aJHrI xnh,m4 D I Cfep*clt-ar c-lT_Tifllla | a扌艸啊耳*:r a-i-.LTSfI Hnii B- > riHcltor c«T. Si?!I XlOXXll)

25、 .'MITtW 0 | =*pkE-LE ：-T a-5-.S4l2f! HtTiL 0 -耳工”.I VI»I 0 I “hlLE "HWTI VOUT Ia«3. ：£I RFt? 0 I <«pfir c-Ji 24i<9 : SUCH P ) <aai-=iT<!r； 壬里、.竺空、丿雯料。a i aAfu-LC.r a-l.lLCiLi1al&!W二l±】；KE(i,i'i'xri'>-TCTG5 G iriiIfl fMlaic. BMMMF.pai1

26、9圖16版圖電學(xué)參數(shù)提取結(jié)果五、結(jié)果分析及性能評估:1.網(wǎng)表數(shù)據(jù)* auCdl Netlist:* Library Name:ban dgap* Top Cell Name: ban dgap* View Name:schematic* Netlisted on: Sep 20 10:54:30 2014*.EQUATION*.SCALE METER*.MEGA*.GLOBAL gnd!+vdd!*.PIN gnd!*+ vdd!* Library Name: ban dgap* Cell Name:comp_amp* View Name:schematic*.SUBCKT comp_amp

27、in ip ven vout*.PININFO in:I ip:I vcn:I vout:OMNM0 vout vc n gnd! gnd! nmo s_3p3 W=30u L=1u M=1MM4 net50 vcn gnd! gnd! nmos_3p3 W=30u L=1u M=1MM3 n et060 ip n et50 gnd! nmo s_3p3 W=40u L=1u M=1MM0 net033 in n et50 gnd! nmo s_3p3 W=40u L=1u M=1MPM0 vout n et033 vdd! vdd! pmos_3p3 W=20u L=1u M=1MM2 n

28、et060 n et060 vdd! vdd! pmos_3p3 W=20u L=1.5u M=1MM1 n et033 n et060 vdd! vdd! pmos_3p3 W=20u L=1.5u M=1 .ENDS* Library Name: ban dgap* Cell Name:Ibias* View Name:schematic*.SUBCKT Ibias vn*.PININFO vn:ORR0 n et20 gnd! 1.99887K $n plus_uMNM3 vn vn gnd! gnd! nmos_3p3 W=10u L=1u M=1MNM1 vdd! net020 vn

29、 gnd! nmos_3p3 W=8u L=500n M=1MNM0 n et020 n et020 gnd! gnd! nmo s_3p3 W=100u L=350n M=1MNM2 net038 vn n et20 gnd! nmos_3p3 W=10u L=1u M=1MPM0 net020 net020 vdd! vdd! pmos_3p3 W=100u L=350n M=1 MPM2 vn net038 vdd! vdd! pmos_3p3 W=10u L=1u M=1MPM1 n et038 n et038 vdd! vdd! pmos_3p3 W=10u L=1u M=1 .EN

30、DS* Library Name: ban dgap* Cell Name:amp_Idias* View Name:schematic*.SUBCKT amp_Idias in ip vout*.PININFO in:I ip:I vout:OXI1 in ip n et8 vout / comp_ampXI0 net8 / Ibias.ENDS* Library Name: ban dgap* Cell Name:ban dgap* View Name:schematic*.SUBCKT ban dgap Vout*.P ININFO Vout:ORR1 n et15 net6 1.99887K $n plus_uRR0 Vout n et15 7.9008K