带隙基准电压源的设计

哈尔滨理工大学

软件学院

课程设计报告

课程大三学年设计

题目带隙基准电压源设计

专业集成电路设计与集成系统班级集成10-2 班

学生唐贝贝

学号**********

指导老师董长春

2013年6月28日

目录

一.课程设计题目描述和要求…………………………………………

二.课程设计报告内容…………………………………………………

2.1课程设计的计算过程………………………………………….

2.2带隙电压基准的基本原理…………………………………….

2.3指标的仿真验证结果………………………………………….

2.4 网表文件………………………………………………………

三.心得体会……………………………………………………………四．参考书目………………………………………………………….

一．课程设计题目描述和要求1.1电路原理图：

(1).带隙基准电路

(2).放大器电路

1.2设计指标

放大器：开环增益：大于70dB

相位裕量：大于60度

失调电压：小于1mV

带隙基准电路：温度系数小于10ppm/C ︒

1.3要求

1>手工计算出每个晶体管的宽长比。通过仿真验证设计是否正确，是否满足指标的要求，保证每个晶体管的正常工作状态。

2>使用Hspice 工具得到电路相关参数仿真结果，包括：幅频和相频特性（低频增益，相位裕度，失调电压）等。

3>每个学生应该独立完成电路设计，设计指标比较开放，如果出现雷同按不及格处理。

4>完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件，包括所有仿真电路的网表，仿真结果。

5>相关问题参考教材第六章，仿真问题请查看HSPICE 手册。

二. 课程设计报告内容

由于原电路中增加了两个BJT 管，所以Vref 需要再加上一个Vbe ，导致最后结果为(ln )8.6M n β⨯⨯≈，最后Vref 大概为1.2V ，且电路具有较大的电流，可以驱动较大的负载。

2.1课程设计的计算过程

1> M8，M9，M10，M11，M12，M13宽长比的计算

设Im8=Im9=20uA (W/L)8=(W/L)9=20uA

为了满足调零电阻的匹配要求，必须有Vgs13=Vgs6

->因此还必须满足(W/L)13=(Im8/I6)*(W/L)6

即(W/L)13/(W/L)6=(W/L)9/(W/L)7 取(W/L)13=27

取(W/L)10=(W/L)11=(W/L)13=27

因为偏置电路存在整反馈，环路增益经计算可得为1/(gm13*Rb)，若使环路

增益小于1，知(W/L)12/(W/L)13 > 4 故取(W/L)12=4*(W/L)13=107

2>取CL=2pf

3>为了满足60DB 的相位裕度的要求：

Cc > 0.22CL=0.44pf 由于设计需求取Cc=4pf

4>为了版图中的对称性去I5=53uA ，I6=107uA

5>单位增益带宽11MHz

UGB=gm1/Cc=11MHz*2π

又gm6/CL=2.2*UGB=24MHz*2π

计算得gm1=44us gm6=48us 取gm1=69us gm6=55us

6>为了消去零点，即将零点移至无穷远处，则调零电阻满足以下公式：

gm6*R2=1 得 R2 = 1.44k

7>M1与M6宽长比的计算

由gm1=[2Kp(W/L)1*I1]^0.5 取(W/L)2=(W/L)1=20

由gm6=[2Kn(W/L)6*I6] ^0.5 取(W/L)6=107

8>M3，M4，M5，M7宽长比的计算

假设过驱动电压V ov=0.2v

I3=I4=0.5Kn （W/L ）V ov*V ov 取(W/L)3=(W/L)4=27

由偏置电流源与电流的比例关系得：(W/L)5=53 (W/L)7=107

9>由Vgs13=Vgs12+Im8*Rs Vgs=错误!未找到引用源。 得Rs=3.2k

2.2带隙电压基准的基本原理

带隙电压基准的基本原理： 0V V T T

αβ+-∂∂⋅+=∂∂

基准电压表达式 ： V+,V-的产生原理：

（1）利用了双极型晶体管的两个特性：

基极-发射极电压（VBE ）电压与绝对温度成反比

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

（2）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 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 REF V V V αβ+-

=⋅+⋅exp()

C S BE T I I V V =T V kT q =(4)BE T g BE V m V E q V T T

-+-∂=∂1.5m ≈- 1.12g

E eV =750BE V mV

≈300T K =

可得： （3）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：

(ln )8.6M n β⨯⨯≈

（4）带隙基准电路参数的设计

假设n=8，M=1。M 为M5与M1234电流大小之比。并设M1234宽长比为80/3。则21

R R =4.13,假设R1=4K,R2=18.4K 。经过调试得知不同大小的R2与R1会影响带隙基准的温度系数以及电路整体的电流大小，影响后续驱动负载能力，调试过程中会存在一定误差，例如18.4/4=4.6与计算结果有一定差距，但是仿真出的结果较好所以我们使用上述参数。

2.3指标的仿真验证结果

（1）放大器增益带和相位裕度的仿真

放大器的增益是104.54DB;单位增益带宽是5.9474M;相位裕度是62.141度

1.5BE V T mV C

∂∂≈-︒(ln )REF BE T

V V V n αβ=⨯+⨯