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 V V 0 带隙电压基准的基本原理： T T V V 0 T V V 0 T 基准电压表达式 ： VREF V V VREF V V 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，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）关系为 IC I S exp(VBE VT ) 其中，VT kT q 。利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为 VBE VBE (4 m)VT Eg q T T 其中，m 1.5 ， Eg 1.12eV 是硅的带隙能量。当 VBE 750mV ， T 300K 时，VBE T 1.5mV C 。 · 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 VDD VBE VBE1 VBE 2 nI I VT ln 0 VT ln 0 VT ln n I s1 Is2 nI0 I0 + ΔVBE - 因此，VBE的差值就表现出正温度系数 VBE k ln n 0 T q ·这个温度系数与温度本身以及集电极电流无关。 Q1 Q2 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： VREF VBE (VT ln n) 因为 VBE T 1.5mV / C ，VT T 0.087mV / C ，因此令 要满足上式 ，便可得到零温度系数的VREF。 (ln n)(0.087mV / C ) 1.5mV / C 即为 (ln n) 17.2 1 ，只 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 VDD M5，M6，M8构成电流镜 又ΔVBE=VTlnn I1=I2=(VT·lnn)/R1 I3=M·(VT·lnn)/R1 M M6 M5 M8 I1 X A1 I2 I3 Y R1 n Q1 Q2 带隙电压基准电路 VDD 输出基准电压 VREF VBE ,Q3 M R2 VT ln n R1 T=300K时的零温度系数条件 M M6 M5 M8 I1 X A1 I2 I3 Y VREF R1 R2 17.2 M R1 ln n R2 n Q1 Q2 Q3 电路实现 VDD M5 M6 M3 M7 M8 M4 VREF M1 M0 R1 R2 M2 Q1 M9 Q2 Q3 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 I C ,Q1 I C ,Q 2 VREF VX ,Y R1,2 R1 X 输出基准电压 VREF VBE，Q 2 VDD R2 R R 3 V ln n 2 R3 零温度系数条件 R2 R3 17.2 R3 ln n T Q1 Y VREF R3 n A1 Q2 电路实现 VDD M6 M2 R2 R1 VREF M1 M0 IBIAS M5 R3 M3 Q1 n Q2 M4 M7 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。 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 VDD • I1 VT ln N / R1 I 2 VEB 2 / R2 M1 M3 M2 VREF • VREF I1 I 2 R3 I1+ I2 R3 R2 VEB 2 VT ln N R2 R1 • VDD min VEB 2 VDS I1 I1 R1 R2 I2 I1+ I2 A ＋ － R2 N 1 Q1 I2 Q2 A CMOS Bandgap Reference with Sub-1-V Operation R3 曲率补偿带隙基准电路 • I NL VEB 2 VEB 3 / R4 VT ln T / Tr / R4 •V I I I R REF 1 2 NL 3 T VT ln V ln N VEB 2 Tr T R1 R2 R4 R 3 • When R2/R4=η-1 (η 3.2) • VEB2 =VGO • • A ＋ － I1+I2+INL R2 T R3 R2 VEB 2 VT ln( N ) VT ln R2 R4 R1 Tr M3 M2 M1 M4 I1+I2 +INL I1+I2+INL R4 R4 INL I2 R2A I2 I1 R2A R1 X T T VBE Tr VGO -1 VT ln Tr Tr R2B VEB2 nonliner parameter is cancelled A theoretical zero-tempco VREF can be obtained I1 R3 Y N 1 1 Q1 Q2 R2B Q3 VREF 高PSRR带隙基准电路 无电阻带隙基准 ΔVD = VD2 - VD1 VOUT = VD2 + AG ΔVD VOUT ≈ 1.12 V 9 mV 0 …70 oC • A = 1.5 • B=4 • G=6 • AD1/AD2 = 8 Ref.: Buck, JSSC Jan. 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/2u P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： R 2 17.2 8.83 R 1 ln 7 令R1=26kΩ，则R2=230kΩ 阻值 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 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 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” 设置扫描变量 ADE窗口中，点击“Tools”→“Paremetric Analysis” 在Paremetric Analysis窗口中，选择“Set up”→“Pick Name For Vareable” →“Sweep 1...” 在Paremetric Analysis Pick Sweep 1窗口中选择“res”作为变量 设置扫描范围 设置“Sweep1”扫描范围为230~460kΩ “Total Steps”为“5” 选择窗口中的“Analysis”→“Start”，开始变量扫描 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 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 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 函数 功能 y**x stackbuffer + stack+buff er - stackbuffer * stack*buff 温漂系数计算 计算公式： PPM Vmax Vmin 106 (ppm/ ℃) Vaverage (Tmax Tmin ) Vmax Vmin 6 10（ ppm / ℃） 125Vaverage 列表显示温度系数 点击制表按钮 ，在“Display Results”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 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 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 Lab1：PTAT带隙电压基准 • 指标 – VDD=3.3V/5V Vref =1.3V • 要求 PPM<20ppm/℃ VDD M5 M6 – 原理分析 – Spectre直流特性仿真 M3 M7 M8 M4 VREF M1 M0 R1 R2 M2 • 实训一参考 Q1 M9 Q2 Q3 Lab2：三支路基准电流源 • 指标 – VDD=5V • 要求 Iref =30nA – 原理分析 – Spectre直流特性仿真 – Spectre交流特性仿真 VDD M5 M7 M1 IREF I3 IOUT M6 • 实训二参考 M2 M3 M4 RS2 IREF