带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析
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带隙基准电压校准eetop -回复带隙基准电压校准（Bandgap Voltage Reference Calibration）是集成电路设计中的一个重要环节。
带隙基准电压是指在特定工作温度下产生的恒定电压，用于校准其他模拟电路元件的偏置电压，从而提高整个集成电路的工作准确性和稳定性。
本文将一步一步回答有关带隙基准电压校准的问题。
第一步：什么是带隙基准电压？带隙基准电压是指在特定工作温度下产生的恒定电压。
基于物理原理，带隙基准电压可由基于半导体材料的差分电压或其他电路元件产生。
其中，差分电压产生的带隙基准电压是最常用的。
第二步：带隙基准电压校准的目的是什么？带隙基准电压的校准旨在使得产生的恒定电压在特定工作温度下与预期值保持一致。
校准的目的是提高集成电路的工作准确性和稳定性。
这对于模拟电路的准确测量以及数字电路的正常运行非常重要。
第三步：为什么需要对带隙基准电压进行校准？在半导体材料制造过程中，微小的材料和工艺变化可能导致带隙电压的偏移。
而这种偏移会直接影响到其他模拟电路元件的偏置电压，从而引起整个集成电路的准确性和稳定性问题。
因此，对带隙基准电压进行校准是必要的。
第四步：带隙基准电压校准的方法有哪些？常见的带隙基准电压校准方法包括两点校准法和三点校准法。
两点校准法通过在待校准电路中添加大小相等、理论值已知的校准电阻，将输出电压与预期值进行比较并进行调整，从而实现电压校准。
三点校准法基于两个特定温度下的差分电压，计算带隙能。
第五步：校准过程中需要注意哪些问题？在进行带隙基准电压校准时，需要注意以下问题：1. 温度：校准过程需要进行温度控制，以确保带隙基准电压在特定工作温度下产生。
同时，还需要考虑温度对电阻、电容和电感等元件的影响。
2. 稳定性：校准过程需要考虑带隙基准电压的长期稳定性。
在实际应用中，校准电路应具有能够抵消温度波动和材料老化等因素影响的稳定性。
3. 精度：校准电路的精度直接影响到整个集成电路的准确性。
《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。
Bandgap(带隙)_Circuit
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bandgap电路设计
此结构是在一个负反馈运
算放大器的两个输入端各 接一个稳压电路。两路稳
R3
R2
压电路并联。它们并联的
I1
总电压作为我们所要的参
考电压，连接到运放的输 I2 出端输出。电源电压包含
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2
电压基准和电流基准的作用
模拟电路的设计中须广泛的应用到电压基准和电流基准， 它们是直流量，为核心电路提供偏置，建立直流工作点；
一般来说，从芯片外部引入的供电电压都存在着一定的波 动，而模拟电路对偏置电压的稳定性要求较高，因此一般 会使用一个参考电压源，它将电源电压转化为一个具有良 好电压稳定性和温度稳定性的电压，以提供良好的偏置。
I
rR1
rR2 I
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电压基准结构选择
这说明 V在R1、R2上的分
配与R1、R2的动态电阻成 正比。如果我们能让R1的动 态电阻很小，R2的动态电阻
很大，则 V大部分落在R2
上，一小部分落在R1上， 对电源电压的灵敏度会大大
降低，稳压性能就会得到很 大提高。
r= V I
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电压基准结构选择
对一个一般的分压网络进行 分析，R1、R2为阻性元件。
假定电源电压变化了V ,因 为R1和R2串联，V 会以一
定比例分配在这两个电阻上 ，并且两者的电流改变量一 致。
R2 R1
VREF
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
由于 Q12 由 10 个发射极面积为单位面积的 NPN 组成（N＝10） ，则
∆VBE = VT ln(
J 19 ) = VT ln N J 12
（1.18）
经过分压网路发大后和 VBE11 叠加后产生 VREF： R19 + R 20 + R 21 V REF = VT ln N + VBE11 R21 在室温（25o C）下， ∂V BE VBE − (3 + m)VT − E g / q = ≈ −2 mV / ° K ∂T T
（ 1.19 ）
（ 1.20 ）
∂∆VBE k = ln N ≈ +0.2mV / ° K ∂T q
（1.21）
若要在 25o C 实现温度系数为零，则要求 R19 + R20 + R 21 ≈ 10 R21 即
R19 + R20 = 9R 21
3） I BIAS 2 = VREF − VBEQ3 RR 8
I BIAS = I 1 =
∆VBE VT ln 2 = Rnew1 Rnew1
（1.14） 在室温下，VT ＝0.026V
I BIAS = 0.018 A Rnew1
2) 当考虑沟道长度调制效应
I 1 = K 7 [VG 7 − (VDD − I 1R12 ) − VTH 7 ] 2 [1 + λ (VG 7 − (VDD − I 1 R12 )]
（1.15）
I 2 = K8 [VG 8 − (V DD − I 2 R13 ) − VTH 8 ] 2 [1 + λ (VBEQ25 + I 2 R14 − VDD + I 2 R13 )] （1.16）
bandgap带隙基准源电路
bandgap带隙基准源电路
带隙基准源电路是一种用于产生稳定的基准电压的电路。
它基于半导体材料的能带结构，利用了半导体材料的禁带宽度（也称为带隙）的特性。
在带隙基准源电路中，常使用两个不同的半导体材料（如硅和镓）组成的二极管。
这两个材料的带隙不同，导致二极管在正向偏置时的电压降产生差异。
仅在这个差异电压较小的区域内工作，以增强其稳定性。
带隙基准源电路通常还包含一个负反馈电路，用于调节二极管的电流，以保持其工作点稳定。
这样可以确保带隙基准源电路提供的电压输出具有很高的稳定性和精确性。
带隙基准源电路常用于精密测量仪器、模拟电路和微电子器件中，用于提供标准的参考电压。
它们的优点包括高精度、低温漂移和较好的长期稳定性。
带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析
ln nI0 IS1
VT
ln I0 IS2
VT
ln n
VBE k ln n T q
VBE的差值就表现出正温度系数。
零温度系数的基准电压
利用双极晶体管的正，负温度系数电压，可设计出 一个零温度系数的基准。 VREF VBE (VT ln n)
令 =1，VBE T =-1.5mV 。K VT T 0.087对上式 两边分别对温度T求导，得到零温度系数的基准：
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。
负温度系数电压
双极晶体管的基极-发射极或者说是pn结二极管具 有负温度系数。
VBE T
VT T
ln IC IS
(4 m) VT T
Eg kT 2
VT
VBE
VBE
ln n 17.2 VREF VBE 17.2VT 1.25V
BandGap电路原理图
与电源无关的偏置电路
BandGap偏置电路主要通过改变电阻R1 的值使得电流稳定在18uA左右，NM12采用二 极管的连接方式得到一个对电源Vdd不敏感的 偏置电流Iref，通过NM13的尺寸比例将Iref自 举到Iout，使得Iref和Iout满足一定的比例关系 并与Vdd的变化无关。
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
VO1
VO2与Vo2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电压的产生
产生的PTAT电流通过由PM23-PM26组 成的电流镜电路复制到到基准电压输出 端，可以得到：
bandgap的理解(内部带隙电压基准)
bandgap的理解(内部带隙电压基准) 下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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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。
带隙基准电压源课件
关键工艺步骤详解
氧化工艺
采用干氧氧化或湿氧氧化方法 ，在硅片表面生长一层SiO2薄 膜，作为器件隔离和钝化层。
扩散工艺
在高温条件下，将掺杂剂扩散 至硅片内部，形成PN结和电阻 等元件。
光刻工艺
利用光刻胶和光刻机，将电路 图形转移至硅片表面，实现电 路定义。
金属化工艺
采用溅射、蒸发等方法，在硅 片表面沉积金属导电层，并通 过退火工艺提高金属与硅片的
黏附力。
制造过程中的挑战与解决方案
污染控制
严格控制原材料、设备、环境等各环 节，降低污染风险。采用清洗、烘干 等措施去除污染物。
工艺稳定性
成本控制
通过改进工艺、提高设备利用率、降 低原材料消耗等方式降低成本。开发 新型材料和工艺，提高产品性能和降 低成本。
优化工艺参数和设备性能，提高工艺 稳定性和良品率。加强过程监控和数 据分析，及时发现并解决问题。
版图设计与实现
元器件布局
合理的元器件布局可以减 小电路中的寄生效应和噪 声干扰，提高电路的性能 指标。
电源线、地线设计
电源线、地线的设计要考 虑电流的大小和方向，以 避免电源噪声对电路的影 响。
保护电路设计
为保护电路免受外部电磁 干扰和静电放电等损害， 需要设计相应的保护电路 。
03
带隙基准电压源制造工艺
工艺流程介绍
硅片清洗与烘干
去除硅片表面污染，保证产品 质量和稳定性。
金属化
利用溅射、蒸发等工艺在硅片 表面形成金属导电层，实现电 路连接。
原材料准备
选择高质量硅片、掺杂剂等原 材料，并进行严格检验。
氧化、扩散与光刻
通过氧化、扩散工艺形成PN 结，并通过光刻技术定义电路 图形。
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(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。
一种电压可调式带隙基准源的研究与设计
-4 - 科学技术创新2019.14-种电压可调式带隙基准源的研究与设计周瑞贺龙周赵心越(成都信息工程大学通信工程学院，四川成都610225)摘要:本文设计一种低温漂系数的电压可调式CMOS 带隙基准电压源，与传统的CMOS 带隙基准电压源相比，该电压源不 仅能生成1.24V 的标准带隙基准电压，还可以可通过调整电阻的比值产生更低或者更高的基准电压。
利用电阻分压法，基准电路 可以在低电压条件下运行。
采用TSMC 0.18umCMOS 工艺，使用spectre 仿真，在1.8V 的供电电压下，可以产生1.2V 的基准电 压，在-409~120七的温度范围内，其温度系数为12ppm/°C,电源抑制比为66dB 。
关键词:可调式带隙基准；电源抑制比；电阻分压;低温度系数中图分类号:TN402,TN432 文献标识码：A 文章编号:2096-4390 (2019)14-0004-02随着集成电路的发展，芯片内模块单元对电压的稳定性要 求越来越高。
外部供电电源由于具有明显的电源纹波，对内部 电路的影响也越来越明显叫因此，需要一种不受电源纹波、外部温度变化以及工艺影响的电压源作为基准，来保证芯片的性 能。
带隙基准电压源(Bandgap Voltage Reference )作为一种能够提供稳定电压的电路叫正被广泛地运用于各模拟、数模混合芯片电路中，尤其是高精度的比较器，模数、数模转换器等叫都需 要具有低温度系数®的带隙基准电路。
而带隙基准的电路的性能，又直接影响着这些具有高精度特征电路的整体性能。
而 CMOS 工艺成本低廉，容易集成于片内，是当下研究的热点叫因此，对CMOS 工艺实现的带隙基准电路进行研究，势在必行。
1传统的带隙基准电压电路传统的带隙电路主要由运算放大器、双极晶体管和电阻构成，如图1所示。
带隙基准的输出电压是双极晶体管B3基极发 射极电压V bq 和电阻R3电压Vm 之和。
Bandgap(带隙)_Circuit
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43
课后练习要求
指标要求： VREF直流范围：0.7V~0.9V; IREF直流范围：10uA~50uA VREF温度系数：<16ppm,-40DEG~120DEG; VREF 1mV VREF电源电压扫描： ,VDD=1.6V~2V IREF温度扫描: I REF 1A I REF 1A IREF电源电压扫描： 闭环STB仿真：phase margin>60degree gain margin>10dB
闭环电路的稳定性判据
AV s As As 1 As s 1 T s
As A(s j ) -1,thegain goes to infinityand the amplifiercan oscillate In other word s, oscillatio n can occur when A(j1 ) 1 A(j1 ) -1800
R2
R1
VREF
V VR1 VR 2
VR1 VR 2 I I rR1 rR 2 I I I
BroadGalaxy Confidential 6
电压基准结构选择
这说明 V 在R1、R2上的分 配与R1、R2的动态电阻成 正比。如果我们能让R1的动 态电阻很小，R2的动态电阻 很大，则 V 大部分落在R2 上，一小部分落在R1上， 对电源电压的灵敏度会大大 降低，稳压性能就会得到很 大提高。
s ( VREF V DD V REF V DD )
(
)
动态电阻：对于一个二端元件，当其端电压变化时，端 电压微小增量与端电流微小增量的比值。动态电阻等于 I—V曲线上参考点处曲线斜率的倒数。
bandgap电路原理
bandgap电路原理
Bandgap电路原理是一种创新的电路设计方法，它利用了开关电源的原理来提供一种有效的电源调节方式。
它可以提供低噪声、低抖动、高精度和高稳定性的电源调节。
它可以在线性电路和开关电源之间提供一种灵活的调节。
Bandgap电路的主要原理是通过利用热噪声的基本原理来调节电源输出电压。
它利用温度稳定的二极管来产生固定的参考电压，然后通过比较二极管的输出电压与电源输出电压的不同来调节电源的输出电压。
Bandgap电路的核心组件是二极管，它具有非常低的漂移特性，可以提供稳定的参考电压。
二极管的输出电压通过放大器来放大，然后与电源输出电压进行比较，以此调节电源的输出电压。
Bandgap电路具有许多优点，它可以输出低噪声、低抖动、高精度的电源调节，而且它的漂移性能很好，可以提供高稳定性。
此外，它还具有低成本、低功耗、小尺寸等特点，可以在多种电子设备中应用。
总之，Bandgap电路原理是一种非常有效的电源调节方式，它具有低噪声、低抖动、高精度、高稳定性等特点，可以大大提高电子设备的性能。
带隙基准电路基本原理
带隙基准电路的基本原理是基于半导体材料的能带结构。
在半导体中，存在一个禁带（能隙），用于区分导带和价带。
导带中的电子能够在半导体中自由移动，而价带中的电子处于固定位置。
当在半导体中施加电压时，电子能够从价带跃迁到导带中，从而形成电流。
带隙基准利用半导体材料特有的能带结构来生成稳定的电压参考。
具体原理如下：首先，在半导体材料中形成两个P-N结，其中一个为温度感应器，另一个是反向偏置的二极管。
当在这两个结之间施加偏置电压时，会形成一条叫做带隙电压（Bandgap Voltage）的电压参考。
该电压与半导体材料的能带隙相关，而与工作温度无关。
高性能带隙基准电压源的分析与设计解析
高性能带隙基准电压源的分析与设计英文题名 The Analysis and Design of a High Performance Bandgap Reference 关键词带隙基准; 温度曲率补偿; 功耗; 电源抑制比; 英文关键词 Bandgap Reference; Temperature curvature compensation; Power dissipation; Power Supply Rejection Ratio; 中文摘要在模拟和数模混合电路中,广泛地存在着与电源电压、温度和工艺变化几乎无关的带隙基准源,它已经成为各种电路中不可缺少的重要模块。
带隙基准源的精度和稳定性直接影响了整个电路系统的性能好坏。
因此,深入分析带隙基准源的各项重要性能参数,提出并优化电路结构从而设计出高性能的带隙基准源具有十分重要的意义。
本文首先介绍了带隙基准电压源的形成原理和各项重要性能参数,在此基础上详细讨论了几种常见的温度高阶补偿技术,最后提出了一款低功耗、高电源抑制比的带隙基准电压源,并且完成了整个电路设计流程,包括电路的分析与设计、前仿真、版图的设计与验证以及后仿真。
本文的带隙基准源设计采用0.13um标准CMOS工艺。
电路原理图和版图的编辑使用Cadence软件的Virtuoso工具,仿真工具使用HspiceD仿真器,版图验证则采用Mentor公司提供的Calibre版图验证工具。
正常工作电压为1.5～5.5V,典型工作情况下为3.5V。
在典型工作条件下,前仿与后仿结果基本一致,结果显示:在低频时,电源抑制比高于80dB;在40kHz时,不低于30dB。
当电源电压从1.5V到5.5V变化时,整体电路消耗的静态电流最低为5.1... 英文摘要 The Bandgap Reference is an important module of Power management circuit, A/D Converter, D/A Converter and the other analog circuits or Mixed-signal circuits. The so-called "reference" means that the voltage or the current has higher accuracy and stability relative to the power in general. The bandgap reference voltage or current have nothing to do with the supply voltage,temperature and process variations. It’s performance has a direct impact on accuracy and stability of the entire circuit. As the prom... 内容提要 4-7 第一章绪论 7-11 1.1 历史与研究现状 7-8 1.2 研究背景和意义 8-10 1.3 本论文的主要内容 10-11 第二章 CMOS 带隙基准电压源 11-23 2.1 带隙基准电压源的基本原理 11-16 2.1.1 负温度系数电压的产生 11-13 2.1.2 正温度系数电压的产生 13-14 2.1.3 带隙基准电压的形成 14-16 2.2 几种典型的带隙基准电压源 16-21 2.3 带隙基准源的主要性能指标 21-23 第三章带隙基准源的温度补偿 23-35 3.1 VBE 的温度特性分析 23-26 3.2 几种常见的温度补偿技术 26-35 3.2.1 利用MOS 管亚阈区I-V 特性的非线性补偿技术 26-28 3.2.2 利用电阻的温度特性的曲率校正方法 28-30 3.2.3 VBE 线性化补偿方法 30-32 3.2.4 指数型温度补偿方法 32-34 3.2.5 几种温度高阶补偿方法的比较 34-35 第四章一种低功耗、高PSRR 带隙基准源的设计 35-53 4.1 核心电路的设计 35-38 4.2 运算放大器的设计 38-43 4.3 偏置电路的设计 43-46 4.4 启动电路的设计 46-47 4.5 仿真结果 47-53 第五章版图设计与后仿真 53-61 5.1 版图设计 53-59 5.1.1运算放大器的版图 53-55 5.1.2 三极管的版图 55-56 5.1.3 电阻的版图 56-58 5.1.4 整体电路的版图 58-59 5.2 仿真结果 59-61 第六章总结 61-62 参考文献62-64 致谢 64-65 摘要 65-67 ABSTRACT 67-69 第五章版图设计与后仿真53-61 5.1 版图设计 53-59 5.1.1 运算放大器的版图53-55 5.1.2 三极管的版图 55-56 5.1.3 电阻的版图 56-58 5.1.4 整体电路的版图 58-59 5.2 仿真结果 59-61 第六章总结 61-62 参考文献 62-64 致谢 64-65 摘要 65-67 ABSTRACT 67-69 第五章版图设计与后仿真 53-61 5.1 版图设计 53-59 5.1.1 运算放大器的版图 53-55 5.1.2 三极管的版图 55-56 5.1.3 电阻的版图 56-58 5.1.4 整体电路的版图 58-59 5.2 仿真结果 59-61 第六章总结 61-62 参考文献 62-64 致谢 64-65 摘要 65-67 ABSTRACT67-69。
eetop Bandgap and LDO_带隙基准与线性稳压器讲解
1 : 1V REF∂V 考虑版图，N可取8R3=R0, R4=R2, M3=M2,R3R0R4R2M3M2运放的失调必须控制好具体设计请参考基准电压与电流201R R V V V BEBE REF ⋅Δ+=Ref:sansen 0ln 21R R N q kT V V BE REF ⋅⋅+=−~m1156mVchapter 16()T C T V V g BE +=λ00For I DS T ln qR N kT I BG ⋅=Is PTAT0qVBG 通常在1.2左右VBG 的温度特性包含抛物线型非线性项，设计中令顶点位于常温附近更高精设计中令顶点位于常温附近，更高精度要求可采用二次补偿电路（例sansen ppt 1626）在高温与低温下其值变换较大IBG~T ，在高温与低温下其值变换较大，若用它直接去偏置其他电路，这一点须特别注意启动与稳定性启动：这个电路有两个稳定工作点，其中一个是两个支正反馈负反馈启动电路回路回路静态损耗:VDD/RESOpa RC VBG MOSCAPVREF ‐Vos +抑制/噪声采1/f噪声还可采用chopping技术V/I转换V/V转换R1=R2VBG的大小可通过整, 不影响温度系数IBG=VBG/R3,由IBG温漂较小，主要取决于电阻温度系数最低电源电压可正反馈环负反馈环MOSResistor正常输出下VBG>VTn, 否则应采用其他形式的启动电路MOSCAPPMOS采用folded结构采用PMOS输入差分对, 减少1/f噪声, 并适合于低输入共模的情况VGS‐VT小, 其他电流镜VGS‐VT大, 晶体管的L要大一些, 减输入差分对GS GS要大些少失调, 1/f噪声, 以及沟道调制效应自便置设计启动时，vb1若为高，则无法启动，故需增加拉低vb1低压设计将R1, R2由两个电阻串联，取中间点接运放输入，可降低输共模步降低压压入共模，进一步降低电压电压要求运放采用PMOS输入的folded‐cascode结构或symmetrical结构可进一步采用电路设计技术来降低运放对电源电压的要求‐Sub1V Bandgap ExampleRef: Ka Nang Leung, JSSC2002采用symmetrical结构和电平移位(level shifting)来降低输入共模要求ip inPhase 1in ipPhase 2基本LDO 电路g ma g mp REFL V R R R V ⋅+≈221R Off ‐chipdecoupleVREF 由bandgap 来提供Z g R g mp oa ma cap加中间级buffer的LDO静态功耗稳定性设计！BufferB ff加buffer的好处：1 减小err amp的负载电容，降低其静态功耗, 更易使p2与z1接近2 与MPT栅电容并联的是1/gm, not1/gds，更容易实现高极点X:1Buffer bias: IMB = IB+IMBA = IB+X*IMTP IB = ? X = ?↓ÆIMTP ↑ÆIMB ↑Æp3 ↑Æstable3t bl↑ÆIMTP ↓ÆIMB ↓Ækeep high efficiency at low loadMillercap 注意电压的范围, Cc尽量采用MOS CAP来实现，以节约面积或兼容逻辑工艺;ＭＴＰ须工作在饱和区，以保证gm，保证稳定性At稳定性不依靠片外电容P2 boosting example通过miller补偿和miller boosting效应,来推高p2, 保证LDO的稳定性Ref: Kae Wong: A 150mA Low Noise, High PSRR Low‐Dropout Linear Regulator in0.13um Technology for RF SoC ApplicationsVOUT/VIN个载保护路的例子一个过载保护电路的例子（适合MTP一直饱和区工作的情况）片内解藕电容Bonding Wire使得片内高频扰动难以被片外电容滤除Bonding wireOn‐chip decouple Off‐chip decoupleMiller补偿结构MTPgmCcCL: 4n0.6V MTP: 40uACG: 2.3pCc: 5pCL: 4n输入管:W/L=4u/1u R1: 60k R2:30kIds=2u251.98u 586.35u 1.3644m 3.1748m 7.3875m MTP: 40uA CG: 2.3p 17.19m 40m p Cc: 5p CL: 4nCz: 8p 输入管:W/L 4u/1u Z1, p3R1: 60k R2: 30k W/L=4u/1u Ids=2uPSRR时Vdd 加Vac=1时，Vout 端的幅频响应IL=40mA, @6.2MHzcase =PSRR 与负载有关Worst 11.1dB低频由环路增益决定30uAgmCc Cz 对于全集成LDO, 带宽至关重要!因为此时无片外大解藕电容缓冲,负载的变化需要环路自己迅速作出响应，避免电压出现大的波形PSRRVdd 时加Vac=1时，Vout 端的幅频响应Worst case @~27.5MHz=PSRR 与负载有关 11.4dB低频由环路增益决定CLCz R2第一级输出加零点补偿电容可用MOS管实现这个电路中的问题？？？这个电路中的问题LDO1LDO25V 3.3V LDO1LDO25V 3.3V CHIPCHIP ???5V3.3VLDO1 1.8VLDO2VDD=3V输入偏高时, 右边的放大器工作，偏低, 则左边的工作, 在中间，两个都工作Gm没有做均衡处理, 对此应用不重要最低电源: VGS + 2VdsatLDO2VIN VBG1VIN BG VBG2LDO1CHIP f1f2。
带隙基准电压源
《CMOS Analog Circuit Design》
第4章4.6节
《Design of Analog CMOS Integrated Circuits》
第11章整章
《Analysis and Design of Analog Integrated Circuits 》 第4章4.4节
Phillip E. Allen Behzad Razavi Paul R. Gray
原理
室温附近：
V B E/ T 1 .5 m V /K V B Eklnn0.087lnn(m V/K )
T q
要获得零温度系数的电压基准源，那么：
VRE（F V）
1.27 1.26
a2lnn17.2
零温度系数带隙基准电压源：
1.24 1.23 1.22
-40 -20 0 20 40 60 80 100
T (℃)
V R E F V B E 1 7 .2 V T 1 .2 5
原理
如何实现上述两个电压的相加？
VREF
VBE1
VT
ln
I IS1
VBE2VTlnIIS2VTlnnIIS1 R1
I
I
R2
V B E V B E 1 V B E 2 V T ln II S 1 V T ln II S 2 V T ln n
A0 Y
R3
I PTAT R2
VREF
n Q2
1 Q3
VREF VBE3R R23*VTlnn
实际架构
CMOS工艺：EUM6804
实际架构
CMOS工艺：EUM6804
实际架构
CDMOS工艺：EUM6861
实际架构
一种带隙基准电压源设计与修调方法研究
一种带隙基准电压源设计与修调方法研究徐万利;范超;赵豪;辛晓宁【摘要】Traditional bandgap reference commonly with the temperature coefficient of 20-100ppm / ℃, unable to meet the requirements of high accuracy. In this design, using Cadence, Hspice such integrated circuitsEDA tools, made improvements of the traditional reference circuit,and finally adopted the Brokaw feedback amplifier structure.Aftertrimming ,circuit temperature coefficient can be controlled within 4.5ppm/℃ or less. In the industrial temperature range, the error of 2.5V high precision bandgap voltage reference source is less than ± 0.1%. With the use of Shanghai HH NEC's BCD180 process , the function of circuit has been verified in Cadence. And try to study the trimming method of reference temperature characteristics to meet the quantity production requirements. Using the control variate method to analyze the reference temperature characteristics and accuracy parameters , fundamental rules of trimming has been found.%传统的带隙基准一般温度系数在20~100 ppm/℃,无法满足高精度的要求.本设计利用Ca-dence,Hspice等工具,对传统基准源电路进行改进,最终采用了放大器反馈方式的Brokaw结构,通过修调电路修调之后可以获得温度系数在4.5 ppm/℃以下,在工业级温度范围内误差小于±0.1%的2.5 V高精度带隙基准电压源.利用上海华虹NEC的BCD180工艺在Cadence下通过了仿真验证.并且研究了能够满足批量生产要求的基准源温度特性的修调方法.利用控制变量法分析影响基准源温度特性及精度的参数,找出了基本修调规律.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2017(025)002【总页数】4页(P190-193)【关键词】带隙基准源;温度特性;高精度;修调【作者】徐万利;范超;赵豪;辛晓宁【作者单位】沈阳工业大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110870;沈阳工业大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110870;沈阳工业大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110870;沈阳工业大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110870【正文语种】中文【中图分类】TN99在模拟电路中，产生基准源的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压，最理想的情况是与温度无关，也就是是电路的温漂为零[1]。
bandgap电路原理
bandgap电路原理
Bandgap电路原理是一种电子电路技术，可以有效保护电路免受电压变化的影响，同时维持电路的稳定性。
它的原理是利用半导体特性，使电路的电压曲线产生一个斜率变化，从而形成一个“断层”现象，即“bandgap”。
bandgap电路的工作原理是，将两个不同电压源连接到电路中，使电路中的每个部分都具有不同的电压。
当电压发生变化时，电路中的每个部分也会发生变化，从而使整个电路呈现出一个斜率变化，形成一个“断层”现象，即“bandgap”。
在这种现象下，电路的稳定性可以得到有效保护，从而有效地避免了电压变化对电路的影响。
bandgap电路的应用非常广泛，主要用于电压变化的保护，以及电路稳定性的维护。
它可以用于计算机系统中的电源稳定器，以及一些复杂的电路控制系统，这些电路控制系统中可能会受到电压变化的影响。
另外，bandgap电路也可以用于电子产品的设计。
例如，在设计数字电路中，bandgap电路可以用来提供可靠的电压和稳定的电路工作环境，从而使得数字电路更加稳定可靠。
此外，bandgap电路还可用于调节和控制其他电路，如模拟电路、数字电路、接口电路等。
总之，bandgap电路是一种电子电路技术，可以有效地保护电路免
受电压变化的影响，同时维持电路的稳定性。
它的应用非常广泛，可以用于电源稳定器、复杂电路控制系统、数字电路和模拟电路等。
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2014.10.21
目录
1.BandGap工作原理
2. 静态工作点的调试
3.BandGap电路仿真 4.电路仿真结果分析
1.BandGap工作原理
BandGap电路的设计目的：产生一个与电源和工艺
无关，具有确定温度特性的直流电压或者电流。
BandGap电路的主要设计任务：与电源无关的偏置；
3.3V时基准电压曲线
如图所示为3.3V时， BandGap输出电压曲线， 可以看到Vmax=1.251， Vmin=1.249. 计算得出温漂系数为 9.434
不同电压的温度扫描
图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，tt的工艺模 型下的DC仿真。可以 看出，输出电压为 1.235V到1.265V之间， 温漂系数为
3.3V不同工艺角的扫描
图示为电源电压为 3.3Vrestypical，captypical， diotypical，biotypical，（tt， ss，ff，sf，fs）的工艺模 型下的DC仿真。可以看 出，输出电压为1.235V到 1.265V之间。温漂系数均 小于20ppm，（ss情况下 为26ppm）
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。
DC仿真
完成启动电路的仿真测试后，设置好DC仿真环境，
温度扫描在-40度到120度，电源电压为3.3V，以及 restypical，captypical，diotypical，biotypical，tt的工艺 模型下。完成DC直流仿真后，用计算器计算出 BandG电路的温漂系数。
Vmax Vmin T *106 Vmean (Tmax Tmin )
VBE
V
ln n 17.2 VREF VBE 17.2VT 1.25V
BandGap电路原理图
与电源无关的偏置电路
BandGap偏置电路主要通过改变电阻R1的值 使得电流稳定在18uA左右，NM12采用二极管的 连接方式得到一个对电源Vdd不敏感的偏置电流 Iref，通过NM13的尺寸比例将Iref自举到Iout，使 得Iref和Iout满足一定的比例关系并与Vdd的变化 无关。 PM14，PM15与PM18，PM19启动后续整个电 路。
VBE 的差值就表现出正温度系数。
零温度系数的基准电压
利用双极晶体管的正，负温度系数电压，可设计出
一个零温度系数的基准。 VREF VBE (VT ln n)
令 =1，
T 。 0.087 =-1.5 对上式两边分别 mV K T T 对温度T求导，得到零温度系数的基准：
不同电压的温度扫描
图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，ff的工艺模型下的 DC仿真。可以看出，输出 电压为1.255V到1.275V之间， 温漂系数为
不同电压的温度扫描
图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，ss的工艺模型下 的DC仿真。可以看出， 输出电压为1.225V到1.25V 之间，温漂系数为
BandGap电路仿真结果分析
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。
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。
负温度系数电压
双极晶体管的基极-发射极或者说是pn结二极管具
有负温度系数。
VBE VT I C VT E g ln (4 m) 2 VT T T IS T kT Eg VBE VBE (4 m)VT q T T V BE 。 V K 当 BE =750mv，T=300 时， =-1.5 T
因为n=8，可以求得出电阻比例。 最后调试各条支路的管子使得电路工作在合适的电流。
3.BandGap电路仿真
首先：对调试好BandGap电路进行启动电路仿真：
在输入端加上一个0.01us,3.3V 的激励信号，对BandGap电路进 行瞬态仿真，得到如图所示的曲 线，表明BandGap电路顺利启动。
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 n T q
不同电压的温度扫描
图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，sf的工艺模型下 的DC仿真。可以看出， 输出电压为1.24V到1.27V 之间，温漂系数为
不同电压的温度扫描
图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，fs的工艺模型下 的DC仿真。可以看出， 输出电压为1.23V到1.26V 之间，温漂系数为
VO1
BandGap电压的产生
产生的PTAT电流通过由PM23-PM26组成的 电流镜电路复制到到基准电压输出端， 可以得到：
VREF (VBE1 VBE 2 )
R3 VBE3 R2
VBE是正温度系数电压，VBE 根据上式： 是 3 负温度系数电压，通过调试R3与R2的比 值，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。
2.静态工作点的调试
首先，确保部分管子工作在饱和区，不受电源电压变
化的影响。 然后，寻找合适的双极晶体管比例，这里给出Q1，Q2， Q3，Q4，Q5为2:2:2:16:16。 再次，寻找合适的电阻比例：
VREF VBE (VT lnn) VREF VBE R3 VBE 3 R2 R R 17.2 lnn 17.2 3 ln n 17.2 3 R2 R2 lnn