7 带运放的带隙基准设计
带隙基准电路设计要点
帯隙基准电路设计（东南大学集成电路学院）一.基准电压源概述基准电压源(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，它是模拟和数字电路中的核心模块之一，在DC/DC ，ADC ，DAC 以及DRAM 等集成电路设计中有广泛的应用。
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。
模拟电路使用基准源，是为了得到与电源无关的偏置，或是为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定。
在CMOS 技术中基准产生的设计，着重于公认的“帯隙”技术，它可以实现高电源抑制比和低温度系数，因此成为目前各种基准电压源电路中性能最佳、应用最广泛的电路。
基于CMOS 的帯隙基准电路的设计可以有多种电路结构实现。
常用的包括Banba 和Leung 结构带薪基准电压源电路。
在综合考虑各方面性能需求后，本文采用的是Banba 结构进行设计，该结构具有功耗低、温度系数小、PSRR 高的特点，最后使用Candence 软件进行仿真调试。
二.帯隙基准电路原理与结构1.工作原理带隙基准电压源的设计原理是根据硅材料的带隙电压与电源电压和温度无关的特性，通过将两个具有相反温度系数的电压进行线性组合来得到零温度系数的电压。
用数学方法表示可以为：2211V V V REF αα+=，且02211=∂∂+∂∂T V T V αα。
1).负温度系数的实现根据双极性晶体管的器件特性可知，双极型晶体管的基极-发射极电压BE V 具有负温度系数。
推导如下：对于一个双极性器件，其集电极电流)/(ex p T BE S C V V I I =，其中q kT V T /=，约为0.026V ，S I 为饱和电流。
根据集电极电流公式，得到：SC T BE I I V V ln= (2.1) 为了简化分析，假设C I 保持不变，这样： TI I V I I T V T V S S T S C T BE ∂∂-∂∂=∂∂ln (2.2) 根据半导体物理知识可知：kT E bT I gm S -=+ex p 4 (2.3)其中b 为比例系数，m ≈−3/2，Eg 为硅的带隙能量，约为1.12eV 。
带隙基准源的设计
《模拟CMOS集成电路设计》---与电源无关的电流源课程设计院系：电子与信息工程学院专业：电子09-2姓名：王艳强学号：0906040221指导教师：李书艳摘要模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。
这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。
而与温度关系很小的电压基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的。
值得注意的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。
采用Hspice软件进行仿真，仿真结果证明了基准源具有低温度系数和高电源抑制比。
关键词：CMOS集成电路；带隙基准；偏置；温度系数；仿真；工艺综述我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流，如果忽略一些管子的沟道长度调制效应时电流就可以保持与电源电压无关。
电压基准源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的参考电压源。
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。
随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也意味着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。
另外，电压基准源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源。
微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS和BiCMOS四大类型。
其中，双极型工艺是集成电路中最早成熟的工艺，CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，已经逐渐发展成为当代VLSI（超大规模集成电路）工艺的主流工艺技术。
双极型集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低。
带隙基准设计实例
带隙基准电路的设计基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。
目前,基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A/ D 和D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。
它产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片,甚至整个控制系统的性能。
因此,设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。
自1971 年Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后,由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压,以及可以与标准CMOS 工艺兼容的特点,所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。
带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术,本设计主要在传统电路的基础上设计一种零温度系数基准电路。
一 设计指标：1、温度系数：ref F V TC V T ∆=∆ 2、电压系数：ref F ddV VC V V ∆=∆ 二 带隙基准电路结构：三 性能指标分析如果将两个具有相反温度系数（TCs ）的量以适合的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。
在零温度系数下，会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。
V REF = a 1V BE + a 2V T ㏑(n)其中, V REF 为基准电压, V BE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, V T 为热电压。
对于a 1和a 2的选择，因为室温下/ 1.5m /BE T V V K ∂∂≈-,然而/0.087m /T V T V K ∂∂≈+,所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得2(ln )(0.087/) 1.5/n mV K mV K α=,也就是2ln 17.2n α≈，表明零温度系数的基准为：17.2 1.25REF BE T V V V V ≈+≈对于带隙基准电路的分析，主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。
1、瞬态分析电源电压Vdd=5v 时，Vref ≈1.2378V ，下图为瞬态分析图。
带隙基准电流源设计
带隙基准电流源设计随着集成电路技术的发展，带隙基准电流源在模拟电路设计中扮演着至关重要的角色。
带隙基准电流源是一种能够提供稳定、准确的电流输出的电路，通常用于模拟电路中的参考电流源或者偏置电流源。
本文将介绍带隙基准电流源的设计原理和实现方法。
带隙基准电流源的设计原理基于半导体材料的能带结构。
在半导体材料中，导带和价带之间存在一个禁带，称为带隙。
当半导体材料的温度变化时，导带和价带的能级随之改变，从而影响电子的激发和传导。
带隙基准电流源利用这种特性，通过合理设计电路，使得输出电流与温度变化无关。
带隙基准电流源的设计过程可以分为以下几个步骤：1. 选择合适的半导体材料：带隙基准电流源的核心是带隙电压参考源，因此需要选择具有稳定带隙电压温度系数的半导体材料。
常用的材料包括硅和砷化镓等。
2. 设计基准电流源电路：基准电流源电路通常由参考电流源和输出电流稳定电路组成。
参考电流源可以通过电流源镜像电路或者电流源比例电路实现。
输出电流稳定电路用于提供稳定的输出电流，并对温度变化进行补偿。
3. 进行电路参数计算：根据设计要求和选定的材料，进行电路参数的计算。
主要包括电流源的电流范围、输出电流的稳定度、带隙电压的选择等。
4. 电路仿真和优化：通过电路仿真软件对设计的电路进行仿真，检查电路的性能是否满足设计要求。
根据仿真结果进行优化，调整电路参数，提高电路性能。
5. 原型电路的制作与测试：根据设计方案制作电路原型，并通过实验进行测试。
测试结果与仿真结果进行对比，验证电路的性能和稳定性。
带隙基准电流源的设计需要兼顾多个方面的因素，包括温度稳定性、功耗、尺寸等。
在实际应用中，还需要考虑电源噪声、温度漂移、工艺变化等因素对电路性能的影响。
因此，设计带隙基准电流源需要综合考虑这些因素，并进行合理的权衡。
带隙基准电流源是模拟电路设计中的重要组成部分，能够提供稳定、准确的电流输出。
通过合理的设计和优化，可以实现高性能的带隙基准电流源。
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。
一种带隙基准电路的设计
图 1 带隙基准电路的结构图
4 结语
本文分析设计了一种带隙基准电路,并采用SMIC 0.18μm CMOS工艺对电路进行了仿真验证。 仿真结果显示,带隙基准电路 具有非常好的性能。 参考文献 [1]韩雨衡,赵少敏,刘增鑫,贺娅君,华浩翔,张国俊.一种宽输入范围 高电源抑制比的带隙基准源[J].微电子学,2015. [2]唐俊龙,肖正,周斌腾,谢海情.一种高电源抑制比的全 MOS 电压基 准源设计[J].微电子学,2015. [3]许育森,胡炜.一种新型全 CMOS 低功耗基准电源的设计[J].微电 图 2 基准电压的温度曲线图 子学,2013.
1 引言
带隙基准电路是大规模、 超大规模和几乎所有数字模拟系统中 不可或缺的模块,其广泛应用于数据转换器,锁相环,振荡器等电路
中[1-3]。 带隙基准电路的性能极大的影响其他模块的性能,因此需要 设计一种具有良好的性能的带隙基准电路。 基于此,本文对带隙基 准电路进行了分析与设计。
VDD
M6 M1 M5 I1 R1 I2 C M4 B R3 M3 Q1 A nA A R2 Vref M2
2 带隙基准电路的分析与设计
图1为本文分析设计的带隙基准电路,由MOS晶体管M1～M6, 电阻R1～R3及运算放大器A组成。 图中M1,M3,M4,M5,M6组成了启 动电路。 晶体管Q2是由n个并列的晶体管单元组成,而Q1是由一个晶 体管单元。 电阻R1和R2相同,运算放大器A是我们熟知一个两级运 算放大器,根据运算放大器的虚短虚断原理,我们有
收稿日期:2015-10-10 作者简介:周前能(1973 —),男,四川资中人,副教授,主要研究方向是 CMOS 模拟集成电路设计;闫凯(1991 —),男,河南许昌人,硕士研究生,主 要研究方向是 CMOS 模拟集成电路设计。
带隙基准源电路和版图设计
论文题目：带隙基准源电路与版图设计摘要基准电压源具有相对较高的精度和稳定度，它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个系统的精度和性能。
模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或者为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一，而集成电路版图是为了实现集成电路设计的输出。
本文的主要目的是用BiCMOS工艺设计出基准源电路的版图并对其进行验证。
本文首先介绍了基准电压源的背景发展趋势及研究意义，然后简单介绍了基准电压源电路的结构及工作原理。
接着主要介绍了版图的设计，验证工具及对设计的版图进行验证。
本设计采用40V的0.5u BiCMOS工艺库设计并绘制版图。
仿真结果表明，设计的基准电压源温度变化为-40℃~~85℃，输出电压为2.5V及1.25V。
最后对用Diva 验证工具对版图进行了DRC和LVS验证，并通过验证，表明本次设计的版图符合要求。
关键字：BiCMOS，基准电压源，温度系数，版图ISubject: Research and Layout Design Of Bandgap ReferenceSpecialty: MicroelectronicsName: Zhong Ting (Signature)＿＿＿＿Instructor: Liu Shulin (Signature)＿＿＿＿ABSTRACTThe reference voltage source with relatively high precision and stability, temperature stability and noise immunity affect the accuracy and performance of the entire system. Analog circuit using the reference source, or in order to get the bias has nothing to do with power, or in order to be independent of temperature, bias, and its performance directly affects the performance and stability of the circuit shows that the reference source is an integral part of the sub-circuit, excellent reference source is the design of all electronic systems the most basic and critical requirements of one of the IC layout in order to achieve the output of integrated circuit design. The main purpose of this paper is the territory of the reference circuit and BiCMOS process to be verified.This paper first introduces the background of the trends and significance of the reference voltage source, and then briefly introduced the structure and working principle of the voltage reference circuit. Then introduces the layout design and verification tools to verify the design of the territory.This design uses a 40V 0.5u BiCMOS process database design and draw the layout.The simulation results show that the design of voltage reference temperature of -40 ° C ~ ~ 85 ° C, the output voltage of 2.5V and 1.25V. Finally, the Diva verification tool on the territory of the DRC and LVS verification, and validated, show that the territory of the design meet the requirements.Keywords: BiCMOS，band gap , temperature coefficient, layoutII目录1 绪论 (1)1.1 背景介绍及发展趋势 (1)1.2 研究意义 (3)1.3 本文主要工作 (4)2 基准电压源电路设计 (5)2.1 基准电压源的分类及特点 (5)2.2 基准电压源的温度特性 (7)V (7)2.2.1 负温度系数项BE2.2.2 正温度系数电压 (7)2.3 基本原理 (8)2.3.1 与温度无关的电路 (8)2.3.2.与电源无关的偏置电路 (8)2.4 基准电压源电路设计 (9)2.4.1 基本原理 (9)2.4.2 运放的设计 (10)2.4.3 带隙核心电路设计 (14)2.5 仿真分析 (15)3 版图设计 (19)3．1 版图设计的基础 (19)3.1.1 集成电路版图设计与掩膜版、制造工艺的关系 (19)3.1.2 版图设计的设计规则 (20)3.1.3 版图通用设计步骤 (23)3.2工艺介绍 (24)3.2.1 常见工艺简介 (24)III3.2.2 BiCMOS工艺 (26)3.3 带隙基准电路的版图设计 (28)3.3.1 版图的分层及连接 (28)3.3.2 版图设计环境介绍 (29)3.3.3 器件及总体版图 (30)4 版图验证 (39)4.1 版图验证概述 (39)4.2 验证工具介绍 (39)4.2.1 Cadence概述 (39)4.2.2 Diva使用介绍 (40)4.3 版图的DRC验证 (44)4.4 版图的LVS验证 (44)5总结 (46)致谢 (48)参考文献 (49)IV1 绪论1.1 背景介绍及发展趋势基准源是模拟与数字系统中的核心模块之一，它被广泛应用于动态存储（DRAM）、闪存（flash memory）以及其他模拟器件中。
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。
带隙基准电路设计
带隙基准电路设计
嘿，朋友们！今天咱来聊聊带隙基准电路设计。
这玩意儿啊，就像是电路世界里的定海神针！
你想想看，在那复杂纷繁的电路海洋中，要是没有一个可靠的基准，那不就像船在大海上没了指南针，瞎转悠嘛！带隙基准电路就是那个能给其他电路指明方向、提供稳定参照的宝贝。
它就好比是一场比赛中的裁判，公正公平地给出标准，让其他电路元件能按部就班地工作。
要是没有它，那电路里还不得乱套呀！各种信号乱跑，功能都没法正常实现了。
设计带隙基准电路可不容易哦！得像个细心的工匠，一点一点地雕琢。
从选择合适的元件开始，这就跟挑食材做饭一样，得挑新鲜的、好的食材，才能做出美味的菜肴。
元件选不好，那后面可就难办咯！
然后呢，还得精心设计电路的布局，这可不是随便摆摆就行的。
就好像搭积木，得考虑怎么搭才最稳固、最合理。
每个元件的位置都有讲究，牵一发而动全身呐！
在调试的过程中，那可得有耐心。
有时候就像解谜一样，一点点地找问题，解决问题。
要是没耐心，那肯定不行呀！难道遇到点困难就打退堂鼓啦？那可不行！
而且啊，这带隙基准电路还得适应各种环境呢！就像人一样，得能经得住各种考验。
热了不行，冷了也不行，得始终保持稳定可靠。
你说它容易吗？
咱再想想，要是没有带隙基准电路，那些电子设备还能这么好用吗？手机说不定一会儿信号好，一会儿信号差；电脑可能会时不时地出故障。
哎呀，那可太糟糕了！
所以说呀，带隙基准电路设计真的太重要啦！咱可得重视起来，好好研究，把它设计得稳稳当当的。
让我们的电子世界因为它而更加精彩，更加可靠！这就是我对带隙基准电路设计的看法，你们觉得呢？。
带隙基准 运放 正负端 变换
《带隙基准、运放和正负端变换的深度探讨》一、引言带隙基准、运放和正负端变换，这三个概念在电子工程领域中扮演着非常重要的角色。
它们分别代表着电路设计中的基准稳定性、信号放大和信号正负极性的转换，是电路设计中不可或缺的部分。
在本文中，我们将深入探讨这三个概念，逐步解读它们的核心原理和应用场景，为读者呈现一个全面的图景。
二、带隙基准的作用和原理1. 什么是带隙基准带隙基准是一种电路设计中常用的基准电压源，它能够提供一个稳定的电压，用于参考其他电路元件的工作电压。
带隙基准的特点是具有高稳定性和低温漂移，因此在精密电路设计中得到广泛应用。
2. 带隙基准的原理带隙基准的原理基于半导体材料的能带结构，在适当的电路设计下，通过带隙参考电路可以实现对稳定电压的产生。
带隙基准的稳定性很大程度上取决于半导体材料的特性，因此在设计中需要高度关注材料的选取和电路的稳定性设计。
三、运放的功用和特点1. 运放的作用运放是一种广泛用于信号放大和处理的电子元件，它能够将输入信号进行放大，并输出到其他电路中。
在电子系统中，运放通常用于放大微弱的传感器信号，使其能够被后续电路准确地处理。
2. 运放的特点运放具有高输入阻抗、低输出阻抗和大增益的特点，因此可以实现对输入信号的高精度放大。
运放还具有良好的温度稳定性和线性性，使其成为电子设计中不可或缺的部分。
四、正负端变换电路的设计和应用1. 正负端变换电路的设计原理正负端变换电路是一种将信号的正负极性进行转换的电路，通常用于需要反向输入信号的场合。
正负端变换电路的设计原理涉及到运算放大器的应用，通过适当的反相和非反相输入，可以实现信号的正负端变换。
2. 正负端变换电路的应用场景正负端变换电路在实际电路设计中有着广泛的应用场景，例如在测量电路中，当需要对输入信号的极性进行转换时，就可以使用正负端变换电路。
在自动控制系统和信号处理系统中，正负端变换电路也扮演着非常重要的角色。
五、总结与展望本文从带隙基准、运放和正负端变换三个方面对电路设计中的重要概念进行了深入探讨。
带隙基准设计
带隙基准参数设计基准源核心电路参数设计首先，考虑两个三极管发射极面积之比N的选取。
由上述公式可知：N值越大，则R2/R3的比例就越小，从而可以减小电阻的版图面积。
但是N值越大，也会导致三极管的静态电流增大。
折中选取N=8，这样版图可以采用中心对称布局，有利于减少匹配误差。
假设选取的工艺下的三极管的电流大于1uA时，V BE的输出曲线较为平滑。
从节省功耗的角度，假定流过三极管集电极的电流为1uA。
由上述公式可知，当N=8、IR3=1uA、T=300K时，计算得：考虑到R1和R2的数值数倍于R3，则电阻值太大，消耗版图面积太大。
因此，作为折中，选取R3为10K，电流值为5uA左右。
确定了以上参数后，考虑一阶补偿时R2的取值。
对上述公式在T0处求导可得：令上式为零，即进行一阶补偿，可得：化简得：代入参数，V G0=1.205V，查图可知V EB1在5uA的偏执电流下约为716mV，300K温度下V T0=26mV，r=3.2，a=1（三极管的偏置电流为PTA T），N=8，计算得：为了产生600mV的输出电压，需要调整R4的值。
由上式可以推出：在T=300K条件下代入各值，求得R4=48.5K。
考虑到各个电阻阻值偏大，故将各电阻设为高阻多晶型。
然而，高阻多晶虽然有很高的方阻，但是工艺稳定性不太好，故后期的Trimming 工序是必不可少的。
最后，确定电流镜的尺寸。
采用适当偏小的宽长比，可以提高电流镜的过驱动电压，进而可以减小电流镜阈值电压失配所带来的影响。
另外，沟道长度调制效应也是一个重要影响因素，考虑到低压应用不能使用Cascode结构，可以增大器件的栅长来减小沟道长度调制效应的影响。
但是过大的沟道长度会导致版图的面积的增加，需要在性能和版图面积之间做出折中。
经过计算与迭代仿真，选取M1、M2和M3的宽长比为10um/1um。
注意电流镜的版图设计中需采用中心对称布局以减小误差。
综上，通过理论分析，确定带隙核心电路的器件参数为：运算放大器设计运放的性能对带隙的性能有着直接的影响。
带隙基准电路课程设计
带隙基准电路课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解带隙基准电路的基本原理，掌握其组成元件和工作机制。
2. 学生能掌握带隙基准电路的关键参数计算方法，并解释其稳定性和温度特性的影响因素。
3. 学生能描述带隙基准电路在模拟集成电路中的应用和重要性。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计简单的带隙基准电路，并进行仿真验证。
2. 学生通过分析带隙基准电路的测试数据，能够找出电路性能的不足，并提出相应的优化方案。
3. 学生能够利用Multisim、LTspice等电路仿真软件对带隙基准电路进行设计和性能分析。
情感态度价值观目标：1. 学生在课程学习中，培养对电子技术的兴趣和热情，提高解决实际问题的自信心。
2. 学生通过团队合作，培养良好的沟通能力和团队协作精神，增强集体荣誉感。
3. 学生在学习过程中，能够认识到带隙基准电路在集成电路领域的重要地位，激发为我国电子科技发展贡献力量的决心。
课程性质：本课程为电子技术专业课程，以带隙基准电路为研究对象，侧重于理论知识和实践技能的结合。
学生特点：学生具备一定的电子技术基础知识，对模拟电路有一定了解，但可能对带隙基准电路的具体应用和设计较为陌生。
教学要求：结合学生特点，采用案例教学、实践教学和团队合作等方式，引导学生掌握带隙基准电路的相关知识，提高学生的设计能力和实践能力。
通过本课程的学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观等方面均有所提升。
和二、教学内容1. 带隙基准电路基本原理及组成元件：讲解带隙基准电压的概念，分析带隙基准电路的组成元件，如运放、电阻、三极管等，以及各元件在电路中的作用。
2. 带隙基准电路关键参数计算：引导学生掌握带隙基准电路的稳定性和温度系数的计算方法，探讨如何优化这些参数以实现高精度基准电压输出。
3. 带隙基准电路的应用：介绍带隙基准电路在模拟集成电路中的应用场景，如运算放大器、ADC、DAC等，并分析其在这些电路中的作用。
4. 带隙基准电路设计及仿真：指导学生利用电路设计软件，如Multisim、LTspice，设计简单的带隙基准电路，并进行仿真测试，分析电路性能。
带隙基准电流源设计
带隙基准电流源设计引言：在集成电路设计中，带隙基准电流源是一种常见的电路结构，用于提供稳定的电流输出。
带隙基准电流源的设计对于保证整个电路系统的可靠性和精确性至关重要。
本文将介绍带隙基准电流源的原理和设计方法，并探讨其在集成电路中的应用。
一、带隙基准电流源的原理带隙基准电流源是一种基于半导体材料带隙特性的电路结构。
其原理基于带隙温度系数与电流温度系数之间的相互抵消关系。
通过合理选择材料和电路结构，可以实现温度稳定的电流输出。
带隙基准电流源的核心是基于PN结的温度补偿电流源和带隙参考电压源。
PN结的电流与温度有一定的关系，可以通过调整电流的比例关系来实现温度补偿。
而带隙参考电压源则是利用半导体材料的带隙特性，通过电压比较和反馈控制，实现稳定的参考电压输出。
二、带隙基准电流源的设计方法1. 材料选择：选择具有合适的带隙特性的半导体材料作为基准电流源的材料。
常用的材料有硅、砷化镓等。
2. 电路结构设计：根据电流要求和温度系数要求，设计合适的电路结构。
常见的结构有温度补偿电流源和带隙参考电压源的组合。
3. 温度补偿：选择合适的电流比例关系，使得温度对电流的影响可以被抵消或补偿。
可以采用电阻、二极管等元件来实现温度补偿。
4. 反馈控制：利用比较电路和反馈控制电路，保持带隙参考电压的稳定输出。
可以采用运算放大器、比较器等元件来实现反馈控制。
三、带隙基准电流源在集成电路中的应用带隙基准电流源在集成电路设计中有广泛的应用。
其中，最常见的应用是作为模拟电路中的参考电流源和校准电流源。
例如，在模拟信号处理电路中，带隙基准电流源可以作为运放的偏置电流源，提供稳定的工作点。
在高精度的ADC（模数转换器）中，带隙基准电流源可以作为参考电流源，提供准确的参考电流。
带隙基准电流源还可以用于温度传感器、电流源和电压源的校准等应用。
在这些应用中，带隙基准电流源的稳定性和准确性对于整个系统的性能至关重要。
总结：带隙基准电流源是集成电路设计中常用的电路结构，用于提供稳定的电流输出。
7 带运放的带隙基准设计
图 1.3 直流扫描曲线 1 第 3 页，共 9 页
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带运放的带隙基准设计
图 1.4 直流扫描曲线 2
3、瞬态分析 给电源电压加一正弦信号，频率为 1k，峰峰值为 20mV，观察基准输出电压，基准电 压的输出波形如图 1.5 所示： 从两个波形的峰峰值仍然可以算电压灵敏度。 图 1.5 中电压源 的瞬态波形也打印出来了。从图可以看出，当电压源的峰峰值为 20mV 时，基准电压输出 的峰峰值仅为 1.56191967uV，这个值非常小，所以此电路的电源抑制比非常好。 4、工艺角分析 这里仅给出三种组合即 ttt, sss, fff 组合的情况， 其实一共有四十五中组合， 自己可以试着做 做看。波形如图 1.6 所示：
从图中可以看出， 当温度从负 40 度变化到 125 度时， 基准电压的最大值和最小值之差 仅为 1.5mV。 2、直流分析 ①扫描电源电压，vdd 从 0 变化到 5V，这样可以大致观察出 vdd 在多大范围内，电路 就可以正常工作， 波形如图 1.3 所示： 从图 1.3 可以看出当电源电压从 1.5V 变化到 3.4V 时， 基准电压几乎是一条平坦的曲线，也就是说在这个范围内，基准电路基本上都可以正常工 作。在此设计中我们用的是 simc18 库中的 1.8V 的模型。可以看出此电路的工作范围很宽， 即电源抑制比很大。在波形窗口中选择菜单栏的 Marker->Place->Trace Marker，然后再点 击你想看的波形中的某点，这样就可以标出他的横坐标和纵坐标，如图 1.3 所示。 ②使电源电压从 1.6V 变化到 2.1V，再做一次直流扫描，而这次扫描的目的是为了看 在正常的工作范围内，基准电压随电源电源的变化，并可以计算出电压灵敏度(或者叫电源 抑制比)。波形如图 1.4 所示：在波形窗口中选择菜单栏的 Trace->Delta Cursor，可以精确 观察曲线中两点的横坐标，纵坐标及其横坐标之差，纵坐标之差。
7 带运放的带隙基准设计
1.2 电路仿真
在电路仿真之前要先设置好电路元件的参数，仿真环境也要设置好，这里就不再重复 了。 1、在 tt, bjt_tt 工艺角下的基准电压随温度变化的曲线如图 1.2 所示：
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图 1.2 tt，bjt_tt 工艺角下的基准电压随温度变化的曲线
图 1.3 直流扫描曲线 1 第 3 页，共 9 页
带运放的带隙基准设计
图 1.4 直流扫描曲线 2
3、瞬态分析 给电源电压加一正弦信号，频率为 1k，峰峰值为 20mV，观察基准输出电压，基准电 压的输出波形如图 1.5 所示： 从两个波形的峰峰值仍然可以算电压灵敏度。 图 1.5 中电压源 的瞬态波形也打印出来了。从图可以看出，当电压源的峰峰值为 20mV 时，基准电压输出 的峰峰值仅为 1.56191967uV，这个值非常小，所以此电路的电源抑制比非常好。 4、工艺角分析 这里仅给出三种组合即 ttt, sss, fff 组合的情况， 其实一共有四十五中组合， 自己可以试着做 做看。波形如图 1.6 所示：
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实验 带运放的带隙基准设计
本实验主要学习带运放的带隙基准设计，并学会从仿真结果中算出温度系数、电压灵 敏度(即电源抑制比)等重要参数。
1.1 电路分析
图 1.1 带运放的带隙基准的完整电路图
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带运放的带隙基准设计
带运放的带隙基准主要由三部分组成，分别是：带隙基准的主要部分(包括运放)、偏 置电路、启动电路。带运放的带隙基准完整的电路图如图 1.1 所示： 1、偏置电路 在图 1.1 所示的电路中，最右边的部分，即 M15, M16, M17 和电阻 R1 构成了运放的 偏置电路，给运放提供 vb1 和 vb2 两个偏置。 2、启动电路 在图 1.1 的最左边，即 M18, M19, M21, M22, M23 构成了带隙基准的启动电路，因为 带隙基准在开始时可能会工作在零电流状态，为了让电路摆脱这种状态，就必须给它加启 动电路。其中 M9, M10 为运放的输入管，在开始工作时，偏置电路通过 M21 给运放的输 入加一个电压，待运放稳定工作后，M21 的电流相对于整个带隙的电流来说非常小，所以 它不会影响电路的工作状态，这一点在仿真结束可以打印电流来观察，事实确实如此。 3、带隙基准的主要部分 除了偏置电路和启动电路之外的部分就是带隙基准的主要部分。其中电阻 R2 的电阻 值为电阻 R3 的三倍，这样流过 R3 的电流就是 R2 的三倍。Q2 的面积是 Q1 的八倍，设为 八倍是为了版图上的设计方便， 可以设计成 3×3 的阵列。 除了电阻和 pnp 晶体管外的部分 就是两级运放， 其中运放的输出接 M20 构成的共源放大器。 这个电路有很高的电源抑制比。 比如，如果电源电压升高，则运放输出升高，那么 M9, M10 的栅压也升高，但是由于电阻 R4 的电压上升速度比晶体管 Q1 快，又因为 M9 是反相输入端，所以就会导致输出下降。 4、基准电压 在图 1.1 中，R2=3R3，所以，I3=3I2。 ∵ I2
带隙基准电路设计与仿真设计报告(西安邮电大学)
一、研究现状总结分析1.题目：带隙基准电压源设计2.小组成员：3.所选课题电路系统的研究现状总结和分析基准源是模拟和混合信号集成电路的重要组成部分，它广泛的用于电源管理芯片、温度传感器、数据转换器(包括模数转换器ADC和数模转换器DAC)、电压稳压器和存储器中。
作为整个电路或者系统的“基准”，其性能直接影响整个电路或者系统的性能。
基准源应该具有良好的抗干扰能力，如:在整个工作温度内，受温度变化影响很小;在一定的电源电压变化范围内的变化很小;受工艺影响较小等。
事实上，由于大多数工艺参数都是随着温度变化的，所以如果-一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。
所以，一般而言基准源最重要的两个参数指标即温度特性和电源抑制特性。
随着集成电路规模的不断扩大，电路的结构和功能也日趋复杂，片上系统(SoC)必将成为大势所趋，而将如此多的电路模块集成到一起，对基准源的抗干扰能力提出了更加苛刻的要求。
与此同时，集成电路的特征尺寸伴随着工艺的进步越来越小，相应的电源电压也越来越低，然而，阈值电压的降低却滞后于电源电压的降低，因此对基准源的设计提出了更大的挑战。
不仅如此，越来越多的高精度数据转换器的广泛使用，无疑也大大提高了基准源的设计难度。
综上所述，随着电路规模、精度的提高和尺寸的减小，对基准源的设计提出了越来越大的挑战。
因此，研究在深亚微米条件下的高性能基准源电路具有十分重要的意义。
1.低温度系数的带隙基准源低温度系数的基准源在高精度系统中具有广泛应用，如:高精度的模数转换器、数模转换器和线性稳压器等。
一般只采用一阶温度补偿策略的基准源能达到20-50ppm/C""l,要进一步降低温度系数,就必须采用高阶温度补偿策略。
可通过分段线性补偿的方法，它将基准源的工作温度分为若干个子区间，对每个区间分别进行补偿，从而在整个工作温度内获得较低的温度系数。
曲率补偿的方法是通过在基准源输出电压上叠加一个温度的指数函数，从而实现高阶补偿的目的。
设计带隙基准
设计带隙基准
设计带隙基准是一项重要的任务，因为它为工程师们提供了判断和评估半导体材料和
器件性能的依据。
以下是按照一般流程制作设计带隙基准的步骤：
1. 确定目标：在开始制作设计带隙基准之前，需要明确设计所需的材料和器件的带
隙范围，并设定一个合适的目标。
2. 材料选择：根据设计要求，选择适合的材料作为基准，这应考虑材料的物理性质、工艺可行性和可获得性等方面。
3. 能带计算：通过理论方法（如密度泛函理论）或实验方法（如光吸收光谱）计算所选择材料的能带结构和带隙大小。
4. 测量和校准：使用合适的实验方法对所选择的材料进行测量，以验证计算结果。
根据测量结果进行校准，确保设计带隙基准的准确性。
5. 数据处理：对测量和计算得到的数据进行处理和分析，得出带隙基准的数值结果，并进行统计学分析以评估其可靠性和精确性。
6. 基准报告：撰写一份带隙基准的报告，包括所选材料的相关信息、能带计算和测
量结果、数据处理方法和结果以及评估准确性的统计学分析。
需要注意的是，设计带隙基准的过程中，应确保不出现真实材料的名字和引用，以保
护原始信息的机密性和专利权。
《带隙基准电路》课件
运放是带隙基准电路中的关键元件，其性能直接影响电路的性能。需要根据电路要求选择合适的运放，如带宽、噪声、失调等参数。
选择合适的运放
电源电压和功耗是带隙基准电路的重要参数，需要考虑在满足性能要求的同时，尽量减小功耗和电源电压。
考虑电源电压和功耗
1
2
3
利用CMOS工艺制作带隙基准电路，具有高集成度、低功耗等优点，是当前最常用的实现方法。
带隙基准电路
目录
带隙基准电路概述带隙基准电路的基本原理带隙基准电路的设计与实现带隙基准电路的性能测试与评估带隙基准电路的改进与发展趋势
01
CHAPTER
带隙基准电路概述
带隙基准电路是一种集成电路，用于产生一个与温度和电源电压无关的参考电压或电流。
它利用双极晶体管的基极-发射极电压差（ΔVBE）的正温度系数和硅的带隙电压（VBG）的负温度系数来产生一个零温度系数的电压或电流。
性能比较
将带隙基准电路的性能与其他同类电路进行比较，以评估其性能优劣。
数据分析
对测试数据进行统计分析，以评估带隙基准电路的性能指标是否满足设计要求。
改进建议
根据测试结果，提出改进带隙基准电路性能的建议和措施，以提高其性能。
03
02
01
05
CHAPTER
带隙基准电路的改进与发展趋势
温度补偿
01
通过分析电路的频率响应、噪声和温漂等特性，评估带隙基准源的稳定性。
稳定性分析
启动电路
线性调整率
带隙基准源在输入电压变化时，输出电压的变化率。
负载调整率
带隙基准源在不同负载条件下，输出电压的变化率。
03
CHAPTER
带隙基准电路的设计与实现
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图 1.3 直流扫描曲线 1 第 3 页，共 9 页
带运放的带隙基准设计
图 1.4 直流扫描曲线 2
3、瞬态分析 给电源电压加一正弦信号，频率为 1k，峰峰值为 20mV，观察基准输出电压，基准电 压的输出波形如图 1.5 所示： 从两个波形的峰峰值仍然可以算电压灵敏度。 图 1.5 中电压源 的瞬态波形也打印出来了。从图可以看出，当电压源的峰峰值为 20mV 时，基准电压输出 的峰峰值仅为 1.56191967uV，这个值非常小，所以此电路的电源抑制比非常好。 4、工艺角分析 这里仅给出三种组合即 ttt, sss, fff 组合的情况， 其实一共有四十五中组合， 自己可以试着做 做看。波形如图 1.6 所示：
Vdd V PSRR dd Vref Vref
（3）
在此设计中，用的电源电压为 1.8V，由图 1.4 的直流扫描曲线，可以计算出电压灵敏 度为 6634(76.4dB), 而从瞬态分析中也可算出电压灵敏度，为 78.7dB，两者相差不大。从 而可以看出此电路的电源抑制比还是比较大的。
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带运放的带隙基准设计
2006-7
西安交通大学国家集成电路人才培养基地
目 录
带运放的带隙基准设计 ................................................................................................................... 1 实验 带运放的带隙基准设计 ......................................................................................................... 1 1.1 电路分析............................................................................................................................. 1 1.2 电路仿真............................................................................................................................. 2 1.3 结果分析............................................................................................................................. 5
TC
Vref max Vref min Vref
106 Tmax Tmin
（2）
经计算，在 tt，bjt_tt 工艺角下，此设计的温度系数为 7.497347ppm/℃。 2、电压灵敏度 电压灵敏度也即电源抑制比，是表征电源变化对基准输出的影响。从直流扫描结果可 以计算电压灵敏度，计算公式如(3)所示：
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实验 带运放的带隙基准设计
本实验主要学习带运放的带隙基准设计，并学会从仿真结果中算出温度系数、电压灵 敏度(即电源抑制比)等重要参数。
1.1 电路分析
图 1.1 带运放的带隙基准的完整电路图
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带运放的带隙基准设计
带运放的带隙基准主要由三部分组成，分别是：带隙基准的主要部分(包括运放)、偏 置电路、启动电路。带运放的带隙基准完整的电路图如图 1.1 所示： 1、偏置电路 在图 1.1 所示的电路中，最右边的部分，即 M15, M16, M17 和电阻 R1 构成了运放的 偏置电路，给运放提供 vb1 和 vb2 两个偏置。 2、启动电路 在图 1.1 的最左边，即 M18, M19, M21, M22, M23 构成了带隙基准的启动电路，因为 带隙基准在开始时可能会工作在零电流状态，为了让电路摆脱这种状态，就必须给它加启 动电路。其中 M9, M10 为运放的输入管，在开始工作时，偏置电路通过 M21 给运放的输 入加一个电压，待运放稳定工作后，M21 的电流相对于整个带隙的电流来说非常小，所以 它不会影响电路的工作状态，这一点在仿真结束可以打印电流来观察，事实确实如此。 3、带隙基准的主要部分 除了偏置电路和启动电路之外的部分就是带隙基准的主要部分。其中电阻 R2 的电阻 值为电阻 R3 的三倍，这样流过 R3 的电流就是 R2 的三倍。Q2 的面积是 Q1 的八倍，设为 八倍是为了版图上的设计方便， 可以设计成 3×3 的阵列。 除了电阻和 pnp 晶体管外的部分 就是两级运放， 其中运放的输出接 M20 构成的共源放大器。 这个电路有很高的电源抑制比。 比如，如果电源电压升高，则运放输出升高，那么 M9, M10 的栅压也升高，但是由于电阻 R4 的电压上升速度比晶体管 Q1 快，又因为 M9 是反相输入端，所以就会导致输出下降。 4、基准电压 在图 1.1 中，R2=3R3，所以，I3=3I2。 ∵ I2
Vbe1 Vbe 2 I I ， ∴ Vbe1 Vbe 2 Vbe VT ln 1 VT ln 2 VT ln(24) 最后得出： R4 I C1 IC2 Vref Vbe1 I 3 R3 Vbe1
o
3R3 VT ln(24) R4
（1）
o
因为在室温下 Vbe 对温度的倒数约为-1.5mV/ K，而 VT 对温度的倒数约为+0.087mV/ K， 所以要想达到零温度系数，VT 的系数大约为 17.2，这样可以求得 R3/R4≈1.81。此电路的 设计要先设计好运放，要求增益尽量高，本设计中运放的增益为 82.2dB，这样可以抵制失 调电压等因素的不利影响。
国家集成电路人才培养基地培训资料720067西安交通大学国家集成电路人才培养基地实验带运放的带隙基准设计11电路分析12电路仿真13结果分析实验带运放的带隙基准设计本实验主要学习带运放的带隙基准设计并学会从仿真结果中算出温度系数电压灵敏度即电源抑制比等重要参数
国家集成电路人才培养基地 培训资料(7)
图 1.5 电源电压加一正弦信号时的输出瞬态响应
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图 1.6 工艺角分析波形
1.3 结果分析
1、温度系数 从图 1.2 的波形可以算出在 tt, bjt_tt 工艺角下带隙基准的温度系数。计算公式如(2)所 示：单位是 ppm/℃(ppm 代表百万分之..part per million)
从图中可以看出， 当温度从负 40 度变化到 125 度时， 基准电压的最大值和最小值之差 仅为 1.5mV。 2、直流分析 ①扫描电源电压，vdd 从 0 变化到 5V，这样可以大致观察出 vdd 在多大范围内，电路 就可以正常工作， 波形如图 1.3 所示： 从图 1.3 可以看出当电源电压从 1.5V 变化到 3.4V 时， 基准电压几乎是一条平坦的曲线，也就是说在这个范围内，基准电路基本上都可以正常工 作。在此设计中我们用的是 simc18 库中的 1.8V 的模型。可以看出此电路的工作范围很宽， 即电源抑制比很大。在波形窗口中选择菜单栏的 Marker->Place->Trace Marker，然后再点 击你想看的波形中的某点，这样就可以标出他的横坐标和纵坐标，如图 1.3 所示。 ②使电源电压从 1.6V 变化到 2.1V，再做一次直流扫描，而这次扫描的目的是为了看 在正常的工作范围内，基准电压随电源电源的变化，并可以计算出电压灵敏度(或者叫电源 抑制比)。波形如图 1.4 所示：在波形窗口中选择菜单栏的 Trace->Delta Cursor，可以精确 观察曲线中两点的横坐标，纵坐标及其横坐标之差，纵坐标之差。
1.2 电路仿真
在电路仿真之前要先设置好电路元件的参数，仿真环境也要设置好，这里就不再重复 了。 1、在 tt, bjt_tt 工艺角下的基准电压随温度变化的曲线如图 1.2 所示：
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图 1.2 tt，bjt_tt 工艺角下的基准电压随温度变化的曲线