带隙电压基准源的设计与分析
《带隙基准电压源》课件
带隙基准电压源 的发展趋势与展 望
技术创新方向探讨
提高精度和稳定 性：通过改进电 路设计和材料选 择，提高基准电 压源的精度和稳 定性。
降低功耗：通过 优化电路设计和 采用低功耗器件， 降低基准电压源 的功耗。
集成化：将基准 电压源与其他电 路模块集成，提 高系统的集成度 和可靠性。
智能化：通过引 入智能控制算法， 提高基准电压源 的自适应能力和 抗干扰能力。
测试设备：包括电压源、电 流源、示波器、万用表等
测试步骤：按照测试标准进行， 包括设置参数、测量数据、分 析结果等
评估标准及流程详解
评估标准： 精度、稳 定性、温 度特性、 电源抑制 比等
评估流程： 测试准备、 测试实施、 数据分析、 结果评估 等
测试准备： 选择合适 的测试设 备、设置 测试条件 等
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汇报人：PPT
案例一：用于ADC/DAC转换器的基准电压源设计
应用背景：ADC/DAC转换器需要稳定的基准电压源 设计要求：高精度、低噪声、低功耗 带隙基准电压源的优势：温度稳定性好、精度高、功耗低 设计方法：选择合适的带隙基准电压源芯片，进行电路设计和调试 应用效果：提高了ADC/DAC转换器的性能和稳定性
案例二：用于PLL锁相环的基准电压源设计
设计过程中需要注意电压源的稳定性和精度 优化建议：采用高精度的电阻和电容，提高电压源的稳定性 注意电源噪声对电压源的影响，采用滤波器进行抑制 优化建议：采用低噪声的电源，提高电压源的精度 注意温度对电压源的影响，采用温度补偿技术进行校正 优化建议：采用高精度的温度传感器，提高温度补偿的精度
带隙基准电压源 的应用案例分析
功耗：带隙基准电压源的功耗较低， 适合在低功耗系统中使用
带隙基准电压源设计解析
0 引言基准电压是集成电路设计中的一个重要部分，特别是在高精度电压比较器、数据采集系统以及A／D和 D／A转换器等中，基准电压随温度和电源电压波动而产生的变化将直接影响到整个系统的性能。
因此，在高精度的应用场合，拥有一个具有低温度系数、高电源电压抑制的基准电压是整个系统设计的前提。
传统带隙基准由于仅对晶体管基一射极电压进行一阶的温度补偿，忽略了曲率系数的影响，产生的基准电压和温度仍然有较大的相干性，所以输出电压温度特性一般在20 ppm／℃以上，无法满足高精度的需要。
基于以上的要求，在此设计一种适合高精度应用场合的基准电压源。
在传统带隙基准的基础上利用工作在亚阈值区MOS管电流的指数特性，提出一种新型二阶曲率补偿方法。
同时，为了尽可能减少电源电压波动对基准电压的影响，在设计中除了对带隙电路的镜相电流源采用cascode结构外还增加了高增益反馈回路。
在此，对电路原理进行了详细的阐述，并针对版图设计中应该的注意问题进行了说明，最后给出了后仿真结果。
l 电路设计1．1 传统带隙基准分析通常带隙基准电压是通过PTAT电压和CTAT电压相加来获得的。
由于双极型晶体管的基一射极电压Vbe呈负温度系数，而偏置在相同电流下不同面积的双极型晶体管的基一射极电压之差呈正温度系数，在两者温度系数相同的情况下将二者相加就得到一个与温度无关的基准电压。
传统带隙电路结构如图1所示，其中Q2的发射极面积为Q1和Q3的m倍，流过Q1～Q3的电流相等，运算放大器工作在反馈状态，以A，B两点为输入，驱动Q1和Q2的电流源，使A，B两点稳定在近似相等的电压上。
假设流过Q1的电流为J，有：由于式(5)中的第一项具有负温度系数，第二项具有正温度系数，通过调整m值使两项具有大小相同而方向相反的温度系数，从而得到一个与温度无关的电压。
理想情况下，输出电压与电源无关。
然而，标准工艺下晶体管基一射极电压Vbe随温度的变化并非是纯线性的，而且由于器件的非理想性，输出电压也会受到电源电压波动的影响。
CMOS_带隙基准源的设计(IC课程设计报告)
1
图 1、带隙基准电压源原理示意图(选自 Analysis and Design of Analog Integrated Circuits)
2
3 设计过程 3.1 电路结构
图 2、带隙基准电路中运算放大器的电路结构
《IC 课程设计》报告
——模拟部分
CMOS 带隙基准源的设计
华中科技大学电子科学与技术系 2004 级学生 张青雅
QQ:408397243 Email:zhangqingya@
2007 年秋大四上学期 IC 课程设计报告
1
目录
1 设计目标........................................................................................................................................1 2 介绍 ...............................................................................................................................................1 3 设计过程........................................................................................................................................3
LambdaN=0.0622 由跨导公式可以算出：
《带隙基准电压源》课件
4. 优化电路参数
根据仿真结果和实际测试数据，对电路参数进行优化，以提高带隙基 准电压源的性能。
电路设计的优化方法
温度补偿
通过引入温度补偿元件或采用 温度补偿技术，减小温度对带 隙基准电压源输出电压的影响
。
噪声抑制
采用低噪声元件、优化布线方 式和滤波技术等手段，减小带 隙基准电压源输出电压中的噪 声成分。
温漂
02
带隙基准电压源的温漂是指其在一定温度范围内的输出电压变
化量，温漂越小，性能越好。
热稳定性
03
带隙基准电压源在高温下的稳定性，良好的热稳定性可以保证
其在高温环境下正常工作。
04
带隙基准电压源的实现方式
模拟实现方式
01
02
03
运算放大器
使用运算放大器来调整和 稳定带隙基准电压，以实 现高精度和低噪声的输出 。
电阻和电容
通过精密电阻和电容来构 建带隙基准电压源，以实 现温度补偿和稳定性。
差分放大器
使用差分放大器来提高带 隙基准电压的精度和线性 度，以减小温度和电源电 压变化的影响。
数字实现方式
查找表
使用查找表来存储不同温度下的带隙基准 电压值，通过查表方式实现温度补偿。
数字滤波器
使用数字滤波器来处理带隙基准电压的输 出，以提高其稳定性和精度。
数字控制环路
使用数字控制环路来调整带隙基准电压的 输出，以实现高精度和低噪声的性能。
混合实现方式
模拟与数字相结合
将模拟和数字技术相结合，以实现高性能的带隙基准电压源。例如，可以使用 模拟电路来实现温度补偿和稳定性，同时使用数字电路来实现高精度和低噪声 的性能。
cadence-带隙基准电压的设计
c ade n c e-带隙基准电压的设计(共8页)-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-带隙基准电压的设计王旭 113163一、设计指标VDD=3V~6V Vref = PPM<20ppm/℃二、电路原理图三、原理分析1、核心思想：利用PTAT 电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性，获取一个与温度及电源电压无关的基准电压。
2、详细机理分析 带隙电压基准的基本原理：0=∂∂+∂∂⋅-+T V T V βα0V V T ++∂⎛⎫> ⎪∂⎝⎭0V V T --∂⎛⎫< ⎪∂⎝⎭αβ∑REF V V αβ+-=⋅+⋅基准电压表达式 ： 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 时这个温度系数本身就与温度有关。
正温度系数的产生机理：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-发射极电压差值为因此，VBE 的差值就表现出正温度系数这个温度系数与温度本身、集电极电流都无关。
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：因为因此令， 只要满足上式 ，便可得到零温度系数的VREF 。
故有：REF VV Vαβ+-=⋅+⋅exp()C S BE T I I V V =T V kT q=(4)BE T g BEV m V E q V TT -+-∂=∂ 1.12g E eV =1.5m ≈-750BE V mV≈300T K =1.5BE V T mV C ∂∂≈-︒12BE BE BE V V V ∆=-0012ln ln ln T T T s s nI I V V V n I I =-=ln 0BE V kn T q ∂∆=>∂(ln )REF BE T V V V n αβ=⨯+⨯1.5/BE V T mV C ∂∂≈-︒0.087/T V T mV C ∂∂≈︒1α=(ln )(0.087/) 1.5/n mV C mV C β⨯︒=︒(ln )17.2n β⨯≈nV R R V V T BE REF ln 123+=结合以上基本原理，现返回到最初选择的拓扑图，分别采用电流镜接法，M3、M4使得I1与I2电流相等，而M1与M2的电流镜接法又使得X 与Y 点的电位相等。
带隙基准电路设计与仿真
带隙基准电路设计与仿真带隙基准电路是一种用于产生稳定电压参考的电路，它的工作原理是利用带隙参考电压源的稳定性，将其转换为稳定的输出电压。
在电子设备中，带隙基准电路被广泛应用于各种需要稳定参考电压的场合，如模拟电路中的比较器、放大器、ADC、DAC等。
1.确定设计指标和要求：首先需要确定带隙基准电路的设计指标和要求，包括输出电压的精度、波动、温漂等。
这些指标将直接影响到整个电路的设计和性能。
2.选择合适的带隙参考电压源：带隙参考电压源是带隙基准电路的核心部分，选择合适的电压源对于整个电路的性能至关重要。
常见的带隙参考电压源有基准二极管电压源、基准电流源和温度补偿电压源等。
3.设计和优化调整电路：调整电路用于校准输出电压，使其达到所需的精度，也可以用于调整输出电压的温度系数。
调整电路通常由运放、电阻网络和校准电压源等组成，通过合理选择和设计这些元件，可以优化整个电路的性能。
4.进行仿真和优化：在设计结束后，需要进行电路的仿真和优化。
通过仿真可以验证电路的性能，并进行参数调整和优化，以满足设计指标和要求。
5.制作原型并测试：在设计和仿真完成后，可以制作原型并进行测试。
测试结果将反馈给设计人员，并根据需要进行进一步的调整和优化。
设计带隙基准电路需要综合考虑电路的稳定性、精度、功耗和成本等因素。
在选择和设计电路元件时，可以采用一些常用的优化方法，如小信号模型分析、傅里叶级数分析、参数扫描等。
最后，需要注意的是，在设计带隙基准电路时，还应考虑一些特殊因素，如温度变化、噪声干扰、工作电流等影响电路性能的因素，并采取相应的补偿措施。
总之，带隙基准电路的设计与仿真是一个复杂的过程，需要综合考虑各种因素，通过合理的选择和设计来满足设计指标和要求。
带隙电压基准的设计设计
摘要基准电压源是模拟电路设计中广泛采用的一个关键的基本模块。
所谓基准电压源就是能提供高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，但是它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。
本文的目的便是设计一种基于CMOS带隙基准电压源。
本文首先介绍了基准电压源的国内外发展现状及趋势。
然后详细介绍了MOS器件的基本原理、基准电压源电路原理，并对不同的带隙基准源结构进行了比较。
在带隙基准电压基准电路设计中，首先对所采用的h05mixddst02v13库中的阈值电压、沟道长度调制系数、跨导参数进行提取，对衬底pnp管的温度特性进行分析，再对电路中的各个管子的宽长比、电容、电阻值进行手动计算，最后通过Hspice软件对电路进行仿真验证。
模拟和仿真结果表明，电路实现了良好的温度特性，0℃～100℃温度范围内，基准电压温度系数大约为0.25mV/℃，输出电压为1.0V。
关键词：MOS器件；带隙基准电压源；参数提取；温度系数；输出电压；AbstractThe reference voltage source is a vital basic module is widely used in analog circuit design. The reference voltage source is able to provide high stability reference amount of power, the reference source and power supply, process parameters and the temperature is very small, but its temperature stability and anti-noise performance affects the precision and performance of the whole system. The purpose of this paper is the design of a CMOS bandgap voltage reference based on.This paper first introduces the present situation and development trend of voltage reference at home and abroad. And then introduces the basic principle of MOS device, reference voltage source circuit principle, and the bandgap structure were compared with different. In the bandgap voltage reference circuit design, first on the threshold voltage, the h05mixddst02v13 Library of the channel length modulation coefficient, transconductance parameter extraction, analysis of temperature characteristics of a substrate of PNP pipe, the pipe of each circuit in the ratio of width to length, capacitance, resistance value for manual calculation, finally the circuit was simulated by Hspice software.Simulation results show that, circuit has good temperature performance, 0 ℃ ~ 100 ℃temperature range, the temperature coefficient of the reference voltage is about 0.25mV/ ℃, the output voltage is 1.0V.Keywords: MOS device; bandgap voltage reference; extraction; output voltage temperature coefficient;目录0 前言 (1)1 MOS器件原理 (3)1.1基本概念 (3)1.1.1 MOSFET的结构 (3)1.2 MOS的I/V特性 (4)1.2.1 阈值电压 (4)1.3 二级效应 (5)1.3.1 体效应 (5)1.3.2 沟道长度调制 (6)1.3.3 亚阈值导电性 (6)1.3.4 电压限制 (7)2 基准电压源电路原理 (8)2.1基准电压源的结构 (8)2.1.1直接采用电阻和管分压的基准电压源 (8)2.1.2有源器件与电阻串联组成的基准电压源 (9)2.1.3带隙基准电压源 (11)2.2带隙基准电压源的基本原理 (11)2.2.1与绝对温度成正比的电压 (12)2.2.2负温度系数电压VBE (13)2.3带隙基准源的几种结构 (14)2.3.1 widlar带隙基准源 (14)2.3.2 Brokaw带隙基准源 (15)2.3.3使用横向BJT的CMOS带隙基准源 (15)3 基准电压源电路设计 (17)3.1基准源的整体结构 (17)3.2参数提取 (18)3.2.1 MOS管阈值电压的提取 (18)3.2.2 MOS管的跨导参数 (19)3.2.3 MOS管的沟道长度调制效应系数 (21)3.3运算放大器电路结构以及尺寸计算 (22)3.3.1运算放大器结构及指标 (22)3.3.2根据运放手动计算 (23)3.4带隙电压基准电路结构以及计算 (30)3.4.1带隙电压基准核心电路 (30)3.4.2 Vbe结的温度系数及结电压的计算 (30)3.4.3 Vbe的温度系数计算 (31)3.4.4带隙电路零温度系数的计算 (32)4 电路仿真 (33)4.1仿真工具介绍 (33)4.2失调电压仿真验证 (33)4.3输入共模范围 (34)4.4幅频相频特性 (35)4.5带隙电压基准核心电路仿真 (35)5 结论 (36)致谢 (37)参考文献 (38)附录A： (39)附录B： (45)附录C： (54)辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 前言基准电压源(Reference V oltage)是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。
一种Bipolar带隙基准电压源设计
第一章 引言基准电压源或电压参考(Voltage Reference)通常是指在电路中用作电压基 准的高稳定度的电压源.随着集成电路规模的不断增大，尤其是系统集成技术 (SOC)的发展，它也成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统 中不可缺少的基本电路模块。
在许多集成电路和电路单元中，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器，都需要精密而又稳定的电压基准.在数模转换器中，DAC 根据呈现在其输入端上的数字输入信号，从DC 基准电压中选择和产生模拟输出; 在模数转换器中，DC 电压基准又与模拟输入信号一起用于产生数字化的输出信号。
在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统测量和校准的基准。
因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性能和精度.近年来对它的研究也一直很活跃，运用双极型工艺制成的基准电压源已能达到相当高的性能和精度。
在许多集成电路和电路单元中，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器，都需要精密而又稳定的电压基准.在数模转换器中，DAC 根据呈现在其输入端上的数字输入信号，从DC 基准电压中选择和产生模拟输出;在模数转换器中，DC 电压基准又与模拟输入信号一起用于产生数字化的输出信号。
在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统测量和校准的基准。
因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性能和精度.近年来对它的研究也一直很活跃，运用双极型工艺制成的基准电压源已能达到相当高的性能和精度。
1.1 带隙基准电压源的研究现状零温度系数的基准电压源，是人们在电子仪器和精密测量系统中长期追求的一种基本部件。
传统的基准电压源是基于晶体管或稳压管的原理制成的，其电压温漂在mV/℃级，电压温度系数高达V/℃ --V /℃，根本无法满足现代电子测量的需要.随着带隙基准电压源的问世，上述愿望才变为现实.带隙基准电压源由于其在电源电压、功耗、长期稳定性等方面的独特优势，一直为设计师所研究和关注，因而得到了更广泛的应用。
带隙电压基准源的设计与分析
带隙电压基准源的设计与分析摘要介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。
设计了一种基于Banba结构的基准源电路，重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析，得到并分析了输出电压与温度的关系。
文中对带隙电压基准源的设计与分析，可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。
可以为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。
基准源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。
在模／数转换器(ADC)、数／模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中，低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。
在集成电路工艺发展早期，基准源主要采用齐纳基准源实现，如图1(a)所示。
它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。
由于半导体表面的沾污等封装原因，齐纳二极管噪声严重且不稳定。
之后人们把齐纳结移动到表面以下，支撑掩埋型齐纳基准源，噪声和稳定性有较大改观，如图1(b)所示。
其缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6～8 V，不能应用于低电压电路；并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。
1971年，Widlar首次提出带隙基准结构。
它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。
相比齐纳基准源，Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。
接下来的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。
新的结构中将运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。
以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。
文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构，设计了一种基于Banba结构的带隙基准源，相对于Banba结构，增加了自启动电路模块及放大电路模块，使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。
1 带隙基准源工作原理由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。
高性能带隙基准电压源的研究与设计共3篇
高性能带隙基准电压源的研究与设计共3篇高性能带隙基准电压源的研究与设计1随着电子技术的不断发展，高性能带隙基准电压源的需求也越来越高，它在微电子领域和精密测量领域起到了举足轻重的作用。
因此，研究和设计高性能带隙基准电压源成为了当前热门的研究方向。
带隙基准电压的产生依靠于半导体的特性，其原理是利用半导体能带隙在两个不同的浓度的 pn 结中产生的不同的内建电压，将其采样并放大得到一个固定值的电压。
而带隙基准电压源作为一种重要的基础电路，可用于各种高精度的测量和仪器设备，例如温度计、电阻计、信号发生器等。
在高性能带隙基准电压源的研究中，首先需要考虑的是选择合适的半导体材料和器件。
当前，广泛应用的基准电压源大多采用硅和锗作为半导体材料，其次是氮化物和碳化物半导体。
而器件方面，常见的有温度补偿电阻、放大器、限流器等。
其次，在电路设计中，需要考虑到稳定性、精度和温度漂移等因素。
为了达到高可靠性和高精度的电路设计，通常采用多级放大、温度补偿和特殊的电路结构等技术手段。
例如，采用超微型技术可以有效提高器件的可靠性和精度，而微电子加工技术则可以制作出高度集成化的基准电压源，提高整个系统的稳定性和精度。
此外，高性能带隙基准电压源的应用范围广泛，除了在离线检测和测量设备中起到的作用，也广泛应用于无线通信和医疗设备中。
在医疗领域，基准电压源作为精密测量的基础，能够有效提高诊断和治疗的准确性和安全性。
综上所述，高性能带隙基准电压源的研究与设计是一项重要的课题，其应用领域广泛，发展前景广阔。
在未来的研究中，需要更加注重器件制造技术、电路设计和应用场景等方面的综合发展，为各种高精度仪器和设备的发展提供更加可靠和精确的基础支持。
高性能带隙基准电压源的研究与设计2随着微电子技术的发展，在电子系统中，高性能带隙基准电压源已经成为不可或缺的一部分。
它被广泛应用于模拟/数字转换器、电压控制振荡器、敏感分析仪器等高精度电路中。
高性能带隙基准电压源的设计涉及多个方面，例如带隙参考源、增益调节电路、降噪电路等。
高性能带隙基准电压源的研究与设计
The first voltage reference without an error amplifier based on 0.4μm BCD process is applied to an active power factor correction controller chip. Due to the high supply voltage of the chip, the reference is required to operate over a voltage range of 9.7V to 20V and achieves a perfect PSRR performance. Simulations show that, a temperature coefficient of 10.8ppm/℃ from -40℃ to 125℃, a PSRR up to -108dB within 1KHz and a line regulation of 2.52μV/V can be achieved.
Keywords: Bandgap Reference Temperature Coefficient PSRR Temperature Compensation
西安电子科技大学
学位论文独创性(或创新性)声明
秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。
带隙基准电压源
带隙基准电压源1. 引言带隙基准电压源（或称为带隙电压参考源）是集成电路设计中的关键模块之一。
它提供了一个稳定、精确的参考电压，用于校准其他模块的工作电压。
带隙基准电压源常用于模拟集成电路或传感器的校准、温度补偿等场景。
本文将介绍带隙基准电压源的工作原理、设计方法和常见应用。
2. 工作原理带隙基准电压源利用半导体材料的能带结构和温度特性实现电压的稳定。
它的基本原理是通过将两个与温度敏感度相反的元件串联（通常为PN结），使得温度系数互相抵消。
这样，温度变化对电压的影响将大大减小。
在带隙基准电压源中，常用的元件组合包括基准二极管和反向温度补偿二极管。
基准二极管利用了PN结的温度特性和电压偏置效应，实现了相对稳定的电压参考源。
而反向温度补偿二极管则通过调节电流和温度敏感度，来抵消基准二极管电压的温度漂移。
3. 设计方法设计带隙基准电压源需要考虑多个因素，包括温度系数、稳定性、功耗等。
以下是常见的设计方法：3.1 电流源设计带隙基准电压源需要一个稳定的电流源来提供工作电流。
常见的电流源包括简单的电阻、电流镜等。
电流源的选择要考虑稳定性、温度系数以及功耗等因素。
3.2 温度补偿为了抵消温度变化对电压的影响，需要引入一个反向温度补偿二极管。
这个二极管的电流和温度系数需要和基准二极管匹配，以实现温度补偿效果。
常见的方法包括调节电流和温度敏感度，使得反向温度补偿二极管的温度变化与基准二极管的温度变化相互抵消。
3.3 输出缓冲带隙基准电压源的输出需要通过一个缓冲放大器来驱动其他模块。
缓冲放大器的选择要考虑输出电压范围、增益稳定性以及功耗等因素。
4. 常见应用带隙基准电压源在集成电路设计中有广泛的应用。
以下是几个常见的应用场景：4.1 ADC的参考电压源带隙基准电压源常用于ADC（模数转换器）的参考电压源。
ADC通常需要一个稳定的参考电压来将模拟输入转换为数字信号。
带隙基准电压源的稳定性和精度使得它成为理想的参考电压源。
带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析
Cascode电路结构
为保证NM20与NM21处的电压保持跟随，采用 Cascode结构使得Vo1与Vo2稳定在近似相等的电压， 那么有：
VBE1 RI VBE 2 RI VBE1 VBE 2 VT ln n VO2 VBE 2 VT ln n
产生一个和绝对温度成正比的PTAT电流。 这里的Cascode结构主要是近似为一个电路源使得 流过Q4，Q5这两条电路的电流相等使得Vo1与Vo2 VO 2稳定在近似相等的电压，所以在调试cascode电路 时要使输出电阻尽可能的大。
BandGap电路仿真结果分析
从BandGap电路的仿真结果分析得出，电路在3.3V时
候工作的比较稳定，输出的基准电压为1.235V到 1.265V之间，温漂系数低于20ppm（但是ss情况下为 26），当电源电压为3.0V或者3.6V时，在其他的不 同工艺角（tt，ff，ss，sf，fs）下，输出的基准电压 波动范围较大，且温漂系数大于20ppm（3.6V，ss情 况下为13ppm以及3v时，ff情况下为15ppm）。3V各 个工艺角下的基准电压输出范围为1.235V到1.255V 之间，3.6V各个工艺角下的基准电压输出范围为 1.265V到1.275V之间。
mV 。 K
VBE 的温度系数与温度有关。
正温度系数电压
若两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那
么基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比。 nI0 I0 VBE VBE1 VBE 2 VT ln VT ln VT ln n I S1 IS2
VBE k ln Βιβλιοθήκη T q与温度关系变化的确定。
带隙电压基准的基本原理：将两个拥有相反温度系
数的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度 系数的基准电压。
低电压带隙基准电压源设计
低电压带隙基准电压源设计基准电压是数模混合电路设计中一个不可缺少的参数，而带隙基准电压源又是产生这个电压的最广泛的解决方案。
在大量手持设备应用的今天，低功耗的设计已成为现今电路设计的一大趋势。
随着CMOS 工艺尺寸的下降，数字电路的功耗和面积会显著下降，但电源电压的下降对模拟电路的设计提出新的挑战。
传统的带隙基准电压源结构不再适应电源电压的要求，所以，新的低电压设计方案应运而生。
本文采用一种低电压带隙基准结构。
在TSMC0．13μmCMOS工艺条件下完成，包括核心电路、运算放大器、偏置及启动电路的设计，并用Cadence Spectre对电路进行了仿真验证。
1 传统带隙基准电压源的工作原理传统带隙基准电压源的工作原理是利用两个温度系数相抵消来产生一个零温度系数的直流电压。
图1所示是传统的带隙基准电压源的核心部分的结构。
其中双极型晶体管Q2的面积是Q1的n倍。
假设运算放大器的增益足够高，在忽略电路失调的情况下，其输入端的电平近似相等，则有：VBE1=VBE2+IR1 (1)其中，VBE具有负温度系数，VT具有正温度系数，这样，通过调节n和R2/R1，就可以使Vref得到一个零温度系数的值。
一般在室温下，有：但在0．13μm的CMOS工艺下，低电压MOS管的供电电压在1．2 V左右，因此，传统的带隙基准电压源结构已不再适用。
2 低电源带隙基准电压源的工作原理低电源电压下的带隙基准电压源的核心思想与传统结构的带隙基准相同，也是借助工艺参数随温度变化的特性来产生正负两种温度系数的电压，从而达到零温度系数的目的。
图2所示是低电压下带隙基准电压源的核心部分电路，包括基准电压产生部分和启动电路部分。
2．1 带隙基准源电路由于放大器的输入端电平近似相等，故由电流镜像原理可得到如下等式：这样，适当选择R2/R1、R2/R3以及n的值，即可得到低电源电压下的基准电平。
基于版图的设计考虑，可选择n为8，这样可以更好地实现三极管的匹配，减小误差。
bjt带隙基准源
bjt带隙基准源一、背景介绍BJT（双极性晶体管）是一种常用的电子器件，具有广泛的应用领域。
在某些应用中，需要准确、稳定的电压参考源。
而bjt带隙基准源就是一种常用的电压参考源。
二、bjt带隙基准源原理bjt带隙基准源是利用PN结的温度特性来产生稳定的电压参考源。
其原理如下：1. 在bjt带隙基准源中，使用两个PN结，即基-发射结和基-集电结。
2. 基-发射结和基-集电结的温度特性是不同的，基-发射结的电压随温度的升高而下降，而基-集电结的电压随温度的升高而上升。
3. 通过合理选取PN结的参数和电路设计，可以使得基-发射结和基-集电结的温度特性互相抵消，从而产生稳定的电压参考源。
三、bjt带隙基准源的优势bjt带隙基准源具有以下优势： 1. 稳定性高：由于利用了PN结的温度特性，bjt带隙基准源的输出电压稳定性较高。
2. 温度系数小：由于基-发射结和基-集电结的温度特性互相抵消，bjt带隙基准源的温度系数较小。
3. 成本低：bjt带隙基准源的制造成本相对较低，适用于大规模生产。
四、bjt带隙基准源的应用bjt带隙基准源在电子设备中有广泛的应用，主要包括以下几个方面： 1. 温度传感器：由于bjt带隙基准源的温度系数小，可以用作温度传感器的基准源，提高测量的准确性。
2. A/D转换器：在A/D转换器中，需要一个稳定的参考电压源，以确保转换的准确性。
bjt带隙基准源可以提供稳定的参考电压。
3. 电压源：在一些需要稳定电压的电路中，bjt带隙基准源可以作为电压源使用，提供稳定的工作电压。
4. 温度补偿：由于bjt带隙基准源的温度系数小，可以用作其他元件的温度补偿源，提高整个电路的稳定性。
五、bjt带隙基准源的改进方法为了进一步提高bjt带隙基准源的性能，可以采取以下改进方法： 1. 优化PN结参数：通过改变PN结的参数，如材料类型、掺杂浓度等，可以改变PN结的温度特性，从而提高bjt带隙基准源的性能。
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
图 1.1
Bandgap 模块线路图
二. 等效架构图
(a)
(b)
(c) 图 1.2 Bandgap 模块等效原理图
三. 电路功能描述
正常工作时，Bandgap 模块为系统提供稳定、高精度的 1.28v 的基准电压， 并为其它电路模块提供稳定的偏置电流。
四. 输出、输入信号线功能描述
I = I S (e qVB E / kT − 1)
（1.1） 当 VBE >> kT / q 时， I ≈ I S e q.VBE / k .T
VBE = VT . ln( I ) IS
（1.2） 其中 VT = kT 为热电压，k 是 Boltzmann 常数，q 是电荷量。 q
图 1.2(b) 是参考电压产生的实际等效架构电路， R19 、R20 、R21 、Q11 和 Q12、Q19 构成带隙电压产生器的主题部分，由 Qx10 、Qx8 、 Q19、 Qx7 、 Q10 以及 Q18 组成了放大器及补偿电路，保证了参考电压输出的稳定。 由运算放大器的性质，得：
Q12 和 Q19 的电流相等；R19、R20、R21 和二极管连接的 Q11 组成分压网络， 将 Q12、Q19 产生的 ? VBE 放大（R19＋R20＋R21）/R21 倍后与 VBE11 相加，产 生基准电压 VREF ；放大管 QX7 、Q18 和负载管 Q10 组成符合放大电路，将 IC19 和 IC12 的差值放大，反馈到分压网路中的 R21，从而调整 Q12、Q19 的工作点， 保证 IC19 等于 IC12 ；电容 C2 和 R23 用来进行频率补偿。 电流偏置 IBias2 产生电路（图 2(c)） ：由 P39、Q3、R8 组成。Q3 的基极连 接 VREF ，其射极电位即 R8 的一端电位 VEQ3＝VREF －VBEQ3，与电源电压无关， 从而流过电阻 R8 的电流与电源无关，即 IBias2 与电源无关。 1．使能原理： ENB 高电平时，使能关断有效。当 ENB 为高电平时，使能管 N15、N18、 N17 工作，则 N19 的漏极电压、P8 的漏极电压、VREF 被拉到低电平，电路关 断。 BIAS_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS2_EN 低电平时，使能管 P13 工作，P7、P1 的栅极即 Bias 为高电平，电流偏置为 0，同时，基准电压 VREF 为零电平。 BIAS2_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS_EN 低电平时，使能管 P34 工作，Bias2 为高电平，电流偏置 IBias2 为 0。 2．启动原理 P14、R15、N19、N16 组成启动电路。启动过程：ENB 为低电平，当未启 动时，P7、P8 两支路的电流为 0，此时 P8 的漏极电压为 0 电位，N19 不通，N19 的漏极为高电位，此时 N16 管导通，形成从电源到地的通路 R12、P7、N16，使 P7 有电流流过，从而打破 0 电流的状态；之后 P8 漏极电位上升， N19 导通， N16 截止，启动过程结束。
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
REFERENCE
Book: [1] Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis et. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits(4th Edition). John Wiley & Sons, Inc., 2001. 314-326. [2] Behzad Razavi. Design of Analog CMOS Integrated Circuit. The McGraw-Hill Companies，Inc. ，2001. P384～P390 [3] 比查德.拉扎维（著） ，陈贵灿，程军等(译). 模拟 CMOS 集成电路设计. 西 安交通大学出版社，2003，312-320
I1 I2 I 1 AE19 VR21 = ∆VBE = VBE19 − VBE12 = VT ln I − VT ln I = VT ln I A S12 S19 2 E12
（1.3） 式中， AE19、 AE12 是 Q19 、 Q12 管的发射区面积， 它们的比值为 N： 1。由于 VA=VB， I1=I2，代入（3）式得
VR 21 = VT ln ( N )
（1.4）
故 VREF 为 VREF = VBE11 + VR 21 + VR20 + VR19 = VBE11 + （ （1.5） 从上式中可得到基准电压只与 PN 结的正向压降、 电阻的比值以及 Q12 和 Q19 的发射区面积比有关，因此在实际的工艺制作中将会有很高的精度。当基准建立 之后，基准电压与输入电压无关。第一项 VEB 具有负的温度系数，在室温时大约 为-2mV/℃，第二项 VT 具有正的温度系数，在室温时大约为+0.087mV/℃，通过 设定合适的工作点，便 可以使两项之和在某一温度下达到零温度系数，从而得到 具有较好温度特性的电压基准。 图 2（a）中 IBIAS 是基准提供给其它模块的电流，它与微电流源产生的电流 Iref 成比例关系，I0 为提供给参考电压产生模块的电流源，它同微电流源同样成 一定的比例关系，而对于微电流源我们有： VBE 25 = VBE26 + Iref * Rnew1
带隙基准源解析
带隙基准源基本指标：共模抑制比（高）；开环增益（）；失调电压（低）；压摆率（）；随温度变化率/系数（低）；温漂（低）；功耗（低）；相位裕度，理想相位裕度60°；温度系数TC(temperature coefficient)：指温度变化引起的输出电压的变化，一般用ppm/℃来表示。
温度系数反映基准源在整个工作温度范围内输出电压最大值与最小值相对正常输出时的变化，对于一阶补偿的带隙基准源电路而言，温度系数一般在几十ppm/℃，经过二阶或高阶的非线性补偿的电路，温度系数可以达到几个ppm/℃以下。
目前常用的高阶温度补偿技术包括：二阶曲线补偿技术[10]，指数曲线补偿技术，线形化V BE的技术[11]，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法等。
线性调整率：用来描述直流情况下电源电压波动对基准电压的影响程度。
调整率越小，基准输出电压越稳定。
它是基准电压的直流特性参数，与瞬时状态无关。
电源抑制比：表示电源电压在小信号情况下的变化量与基准的变化量之比。
亦即等于差分放大倍数与由于Vdd变化引起的放大倍数之比，表达式为A V （Vdd=0）/A V dd（Vin=0），它是基准电压的交流特性参数。
噪声：基准输出电压中的噪声通常包括宽带热噪声和窄带l / f 噪声。
宽带噪声可以应用RC滤波器等电路有效的过滤清除。
而l / f 噪声是基准源内在固有的噪声，不能被滤除，一般在0.1到10Hz范围内发挥作用。
对高精度系统，低频的l / f 噪声的影响是一个重要的参数。
建立时间：指电源上电后，基准源输出达到正常值所需的时间。
表4-1电压基准源设计指标设计指标描述最小值典型值最大值单位工作温度-40 27 85 ℃工作电压 4.5 5 5.5 V 输出电压 1.24/2.48 1.25/2.50 1.26/2.52 V 输出电流 2 mA 温度系数30 ppm/℃电源纹波抑制比(2MHz) -20 -30 -50 dB采用自举输入还有以下优点:1)消除了Q1和Q2管的厄尔利效应不对称对K CMR的影响,同时,Q1,2的基极电压和Q5,6的基极电压将随输入共模电压变化,形成共模反馈,所以,K CMR得以大大提高;2)V CB1,2≈0,能有效地消除集-基反向漏电流I CBO对I B的有害干扰;3)由于基极电流很小,所以,该电路有很高的输入阻抗。
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带隙电压基准源的设计与分析
摘要介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。
设计了一种基于Banba结构的基准源电路，重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析，得到并分析了输出电压与温度的关系。
文中对带隙电压基准源的设计与分析，可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。
可以为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。
基准源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。
在模／数转换器(ADC)、数／模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中，低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。
在集成电路工艺发展早期，基准源主要采用齐纳基准源实现，如图1(a)所示。
它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。
由于半导体表面的沾污等封装原因，齐纳二极管噪声严重且不稳定。
之后人们把齐纳结移动到表面以下，支撑掩埋型齐纳基准源，噪声和稳定性有较大改观，如图1(b)所示。
其缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6～8 V，不能应用于低电压电路；并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。
1971年，Widlar首次提出带隙基准结构。
它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。
相比齐纳基准源，Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。
接下来的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。
新的结构中将运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。
以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。
文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构，设计了一种基于Banba结构的带隙基准源，相对于Banba结构，增加了自启动电路模块及放大电路模块，使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。
1 带隙基准源工作原理
由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。
为得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的双极晶体管的基极-发射极电压VBE与具有正温度系数的双极晶体管VBE的差值△VBE以不同权重相加，使△VBE 的温度系数刚好抵消VBE的温度系数，得到一个与温度无关的基准电压。
图2为一个基本的CMOS带隙基准源结构电路。
其中，Vref为输出的基准电压；VBE为图2中Q1的基极-发射极电压；R1，R2在电路中的位置如图2所示。
图2电路工作原理为：运算放大器、PMOS管M1和M2构成一个负反馈，使得运放正负输入端电压相等。
发射极面积之比为n的两个三极管Q1、Q2的VBE差值△VBE加在电阻R1上。
运放的输入电流为零，所以电阻R1、R2上的电压也和绝对温度成正比，可以用来补偿Q1管子VBE中随绝对温度线性减小的部分。
合理选择R1、R2及n的值，可以得到与温度无关的输入电压
以上电路可以得到的输出电压与温度的关系一般是开口向上或向下的抛物线，这样容易想到若再叠加一定的曲线，就可以进一步消除输出电压的温度效应，使电压更加稳定。
这种思想早在1983年B．S．Song和P．R．Grav就提出了，之后诞生了很多根据不同曲线结合，或应用不同工艺来制造的新基准源电路，也是很有发展潜质的一个方法。
其中，2003年Leung利用了与温度有关的电阻比，一个用高阻多晶电阻，另一个用扩散电阻，这样通过这两个电阻上的压降与VBE相加，就可以VBE消除VBE温度系数的非线性。
2 一种基于Banba结构的基准源
2．1 基本结构
文中设计的一种带隙基准源电路，是在1999年发表于JSSC上的基准源结构基础上添加了自启动电路及放大电路构成，如图3所示。
组成：第一部分为启动电路，主要由MSA，MSB，MSC三个管子的性能来决定电路的自启动；第二部分为放大器，采用二级Miller电路，并且从带隙部分获得偏置电流；第三部分与Banba结构基本一致。
本结构的优点体现在以下几个方面：
(1)在传统的带隙基准电路中，输出电压VBE约为1．25 V，这就限制了电源电压在1 V 以下的应用，而这个结构的Vref通过两个电流的和在电阻上的压降来实现：一个电流与三极管的VBE成正比，另一个与VT成正比，产生的基准电流通过MOS管M3镜像到输出电流，再通过输出负载电阻R4决定输出参考电压，方便改变所需产生的电压值。
(2)放大器中采用Miller补偿可以增加稳定性，Hironori Banba等采用的是以NMOS为差分输出管的单级运放，这样要达到较低电源电压则需要非标准的耗尽型器件，对工艺的转换性较差，所以文中采用PMOS管作为差分输入。
由于放大器在电路中起的作用是保证1、2电压的相等，达到对核心部分没有影响的效果，所以此结构是对Banba结构的一种改进。
(3)启动电路使电路节点处于简并状态时也可以自动进入正常工作状态，在Banba结构中，其自启动方法是采用一个额外的脉冲(Power On -Reset Signal)来实现，这在模拟与混合电路中较少用到，所以文中添加了启动部分的电路，虽然增加了元件数，却能使制造和启动过程简单实用。
2．2 自启动模块及放大电路模块分析
在放大器的偏置电路中，如果初始状态节点2的电压为0，则出现简并，在没有外界刺激情况下不会工作，这在实际应用中是不可接受的，所以必须去除简并点，方法如图4所示，由3个MOS管形成开启电路。
由于PMOS管MSA的栅极接地，所以MSA始终导通，这样使得S点电平升高，S也是MSB管的栅极，因此MSB管导通，它的漏极电平降低，这样如果启动点为PMOS栅极，该PMOS管导通，电路可以开始工作。
最后还必须使MSB 脱离，当电路开始正常工作时，MSC管开启，这样就再次使5节点电平下降，MSB管由此关断，脱离了启动部分。
带隙电路中的放大器主要作用是使两个输入点的电平相等，所以只要增益足够就可以，另外为了防止振荡，相位裕度也要足够，其他指标不是特别重要。
图5为放大器的核心部分，各部分作用：MA1、MA2为第一级差分放大，MA6为第二级放大，MA5、MA7从带隙部分偏置电流分配给放大部分MOS管。
Cc为密勒电容，将主次极点分离，也可增大相位裕度。
2．3 Spectre仿真结果及分析
图6为使用Cadence的仿真软件Speetre在台积电(TSMC)0．18μm工艺下如图3所示的一种基于Banba结构的Bandgap的输出参考电压与温度的关系图。
可以看出结果为：在-50～100℃内，相差最大的参考电压的对应两点变化为96．71℃，901．176μV，相应温度系数为
从实用角度看，也就是说温度在70 ℃的变化范围内，此电路均有2-11的精度。
但这是
在TT模式下、不考虑版图布局、寄生电阻及电容等的情况下仿真的结果，实际情况或许会有些偏差。
3 结束语
基准源的设计与应用在基准电压源是模拟集成电路的基础模块，它在电路系统中为其他功能模块提供高精度的电压基准，或由其转化为高精度电流基准。
一个合格的基准电压源对电源电压、工作温度、输出负载变化、制造工艺不敏感，可以为其他电路模块提供精确的参考点，是当代模拟集成电路极为重要的组成部分，它为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。