带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析

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
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 )
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。
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电路调试总结
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；
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，最终获得具有零来自百度文库度 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
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
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
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
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
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。
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。
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。
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：
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）