毕业设计最终版 高精度CMOS带隙基准源的设计
BiCMOS带隙基准源的设计
ｔｒ ｔ ｓｏ ｅｌｗ ｐ ｗ ｒｃ ｎ ｕ ｔ ｎａ ｄ ｈｇ ｒｃｓｏ ｅｉ ｉ ｆｔ ｏ ｏ ｅ ｏ ｓ ｍｐｉ ｎ ｉｈ ｐｅ ｉｉｎ，ｔｅ ｒ ｅｙ ｓ ｉ ｂｅ ｆｒｍｉｅ ｓｃ ｈ ｏ ｈ ｙａｅｖ ｒ ｕｔ ｌ ｏ ｘ ｄ—ｓｇ ａ Ｃ ． ａ ｉ ｌＩ ｓ ｎ
Ｆ Ｎ Ｚ ｅ ｇ ｕ ， Ａ ｉ ｙ ａ ，ＨＵ Ｈｏｇ—ｔ Ａ ｈｎ —ｇｏ Ｄ Ｉ ｎ Ｑ ｇ— ｕ ｎ Ｃ ｎ ａ ｏ
（ ｅｅｒｈＩｓｔｔ ｏ ｃ ／ ａ ｏＳｉ ｃ ｎ ｅｈｏｏｙＳ ａｇ ａ Ｊ ｏｏｇ Ｕ ｉ ｒｔ，ｈｎ ｈ ｉ ０ ０ ０ 洳 ） Ｒ ｓ ｃ ｔｕｅ ｆＭｉｏ ｎｎ ｃ ｎｅａｄＴｃｎｌ ｈｎ ｈｉ ｉ ｔｎ ｎｖ ｓｙ Ｓ ａｇ ａ ０ ３ ， ａ ｎｉ ｒ ｅ ｇ ａ ｅｉ ２
６ ｄ ０ Ｂ．Ｗ ｉ ｈ ３ ７ ｉ ｇ ｅ ｓ ｐ ｌ ｏｔ ｇ ，ｔ ｅ ｐ ｗ ｒｃ ｎ ｕ ｔ ｎ ｉ ｏ ｌ ４ Ｗ 。 Ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ａ ａ — ｈ ｔ ｔ ｅ ． Ｖ ｓ ｌ ｕ ｐ ｙ ｖ ｌ ｅ ｈ ｏ ｅ ｏ ｓ ｍｐｉ ｓ ｎ ｙ １ ４ ｎ ａ ｏ ｕ ｏ ｔ ｈ ｒ ｃ ｈ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｂａ ｄ ａ ｏｔ ｇ ｅｅ ｎ ｅ； ｅ ｅ ａｕ ｅ ｃ ｅ ｉｉｎ ； ｉ ＭＯＳ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ｇ ｐ ｖ ｌ ｅ ｒ ｆｒ ｃ Ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｆ ｃｅ ｔ Ｂ Ｃ ａ ｅ
．
， 。
一
抑制 比， 低功耗的基准电压源电路。
基准 电压源是模拟集成电路极为重要的组成部
一
摘 要： 设计 了一款具 有高稳定性， 功耗 的带隙基准源， 低 采用 １５， ｉＭ ＳＪ Ｅ制造， ． Ｖ ＢＣ Ｏ － ｍ 在 ４％ ～ Ｏ￣ ０ Ｉ０Ｃ它们 的平 均温度 系数为 ２ ９×１ Ｉ ， ０６ ／ 电源 电压抑制 比为 ６ ｄ 。在 电源 电压为 ０Ｂ
多输出的CMOS带隙基准源的设计
周 滔 ， 军 冯
（ 东南大学射 频与光 电集成 电路研 究所 ， 南京 ２ ９ ） １ ０ ６ ０
摘要 ： 带隙基准电压源是模拟电路中的一个重要单元。本文是基于无线局域 网 ８ ２１ ａ ０． ｌ 标准的无线收 发机项 目， 采用 Ｓ Ｉ ． ８ｍ Ｒ Ｍ Ｓ工艺设计的一个多输 出的带隙参考 电压 源， Ｍ Ｃ ０ Ｉｕ ＦＣ Ｏ 用于 系统中需要精 确参考电压 的部分 电路 。 总电路 包括启动 电路 ， 误差放 大器， 带隙产生基本 电路 ， 多输 出电路。 芯片后仿
与 温度 无关 的基准 ，需 要一 个具 有正 温 度特性 的 电 压 。 究表 明 ， 研 两个 工 作在 不 同电流 密度 下 的双极 型
晶体管的基极 一发射极 电压的差值与温度成正 比。 产生该差值 的一个典型的带 隙基本电路如图 ２ 所 ． １ 示， 图中 Ｑ ，： Ｑ 是两个 Ｎ Ｎ管 ， Ｐ 流人它们发射极 的
／１ 厂 ＼
供精确偏置电压。总电路 由启动电路 ， 误差放大器 ，
带 隙产生 基本 电路 ， 输 出 电路 五部 分 组成 。其 中 ， 多 启 动 电路 的快 速建 立是 电路 能 在正 确工 作点 工作 的 前 提 ，误 差 放 大 器 的 设 计 好 坏 直 接 决 定 着 电路 的 Ｐ Ｒ 和其 他性 能 。 因此本 文 就多 输 出 电路部 分 、 ＳＲ 误 差放 大器 和启 动 电路 给予详 细 的分 析 。
３ 电流 模 式基 准 源总 体 电路 的实 现
依据带隙基准源的基本电路 ，下面逐步给出本 基准源的设计思路和拓扑结构 。现在采用一个高增
益 的误差 放大 器在两 个 电流源 下方 将两 路工作 点钳
一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析(最终版)
一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析摘要：本文根据基准产生的基本原理、特性，并对传统的基准源电路结构进行分析和总结的基础上，综合了温度补偿及电阻分压技术，省去了差动放大器的设计方式，设计出了一款能应用于开关电源控制芯片的高性能带隙基准源。
本电路基于6μm标准BJT工艺实现，仿真结果表明当电源电压为15V时，在T A=25°C时，V ref输出为5V；当12V≤V CC≤25V时，线性调整率为0.16mV；当1mA≤I0≤20mA时，负载调整率为1.61mV左右；温度稳定性良好，大约为0.05mV/°C。
关键词：基准源；开关电源控制芯片；线性调整率；温度稳定性0.引言随着集成电路技术的高速发展，对A/D （模/数转换器）、D/A （数/模转换器）、PLL (锁相环）、DRAM （动态存储器）[1]、开关电源控制器等电路模块提出了更高的精度和速度的要求，为了能高性能地实现以上功能模块，高稳定度、低压基准源的设计是十分关键的。
为了获得一款能够广泛应用于开关电源的基准源，本文设计省去了使传统电路处于深度负反馈的差动放大器，简化了设计，并结合先前的一阶温度补偿技术及相关的外围辅助电路给出了一款输出值宽范围可调的带隙基准源。
1.基本带隙基准源的原理分析假设将两个具有相反温度系数的电压量以适当的权重相加，就能设计出令人满意的零温度系数的输出电压。
带隙基准源就是利用以上基本原理而得到。
由于双极晶体管的基极-发射极电压V BE 具有负温度系数。
对于双极器件，我们有exp BE C S T V I I V =⎛⎫⎪⎝⎭，其中T kT V q =，I S 为饱和电流[2]，ln C BE T S I V V I =⎛⎫ ⎪⎝⎭。
通过对V BE 的温度特性做了详细的研究[3]，在常温下1.5/BE V mV K T∂∂≈，然而0.087/T V mV KT∂≈+∂。
1964年Hilbiber 认识到[4]，如果两个双极性晶体管工作在不相等电流密度下，他们的基极—发射极电压差值就与绝对温度成正比（21ln BE BE BE T V V V V n ∆=-=），这样，ΔV BE 就表现出正温度系数特性。
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。
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：
ADC中高精度CMOS基准电源的设计
ADC中高精度CMOS基准电源的设计4青岛展芯微电子科技有限公司摘要：本论文针对ADC中高精度CMOS基准电源的设计进行研究。
通过对现有研究进行综述，并提出针对高精度CMOS基准电源的设计思路。
论文详细介绍了电路的拓扑结构、器件选型及布局等方面的实现。
借助仿真软件进行系统仿真，并对包括电压稳定度、温度稳定度、功耗、噪声等指标的仿真结果进行分析。
关键词：ADC；CMOS基准电源；高精度；电路设计；仿真分析一、研究背景和意义1.CMOS基准电源的重要性在模拟数字转换器（ADC）电路中，基准电源是确保ADC精度和性能的关键因素之一。
基准电源提供了稳定的参考电平，用来确定模拟电压与数字码之间的对应关系。
CMOS基准电源由于其低功耗、高精度和低噪声等优点，成为ADC设计中不可或缺的组成部分。
首先，CMOS基准电源具有低功耗的特性，可以降低整个系统的能耗。
这对于需要长时间运行或电池供电的应用非常重要，可以延长设备的使用寿命，并降低维护成本。
其次，CMOS基准电源具有高精度的特点，能够提供稳定且准确的参考电平。
这对于ADC的精准采样和转换是至关重要的。
高精度的基准电源可以减小ADC的非线性和偏差，从而提高转换的准确性和重现性。
此外，CMOS基准电源还具有低噪声的特性，能够减少电源的干扰和噪声对ADC的影响。
低噪声的基准电源可以提高ADC的信噪比和动态范围，保证输入信号的清晰度和准确性。
2.高精度基准电源在ADC中应用的意义高精度基准电源能够提供稳定可靠的参考电平。
由于信号的转换是基于基准电平进行的，如果基准电源不稳定，就会导致ADC输出的数据存在偏差或误差。
而高精度基准电源通过提供稳定的参考电平，确保了ADC在采样和转换过程中的准确性。
高精度基准电源能够提高ADC的采样精度。
采样精度是指ADC对输入信号进行离散化时的精度。
通过提供高精度的基准电源，ADC能够更准确地对输入信号进行采样和量化，从而提高数据的精确度和分辨率。
CMOS带隙基准电压源的设计
比较精 确 的 电压 ，但 其 电源 电压 较 高 （ 于３Ｖ ， 大 ） 且 基准 电压范 围有 限 ．所 以有 待改进 和提 高 。
１ ． 核 心 基 准 电 路 的 设 计 ２
统集 成芯 片 中。事 实上 ，高 性能 基准 电 压源 直接
影 响着 电子 系统 的性能 和精 度 。 由于带 隙基 准 电
旷
＝
低 输 入共 模 电平 。而作 为输 入 级 的 晶体 管Ｐ 和 Ｍ３ Ｐ ４，则 要 求 有 比较 大 的 栅 面 积 以及 最 小 的栅 Ｍ 长 ，以降低 运放 的失调 电压 。此 外 ，运 放还 可 以 采用 Ｒ ｝ 偿 网络来 获得 足够 的相位 裕度 。 Ｃｂ
１ ． 电 流 源 设 计 ４
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第９ 卷
第８ 期
电手元 器 件 主 用
Ｅ ｅ ｔ ｎ ｃＣｏ ｏ ｅ ｔ Ｄ ｖ ｃ ｐ ｉａ ｉｎ ｌ ｃｒ ｉ ｏ ｍｐ ｎ ｎ ＆ ｅ ｉ ｅＡｐ ｌ ｔ ｓ ｃ ｏ
Ｖ０ ． ｏ ８ １ Ｎ ． ９ Ａｕ ．２ ０ ｇ ０７
状 态下 的齐 纳稳 压管 。所 以其 噪声 电压 很 低 。 同
时 ，由于 舾 电源 电压变 化 的影 响很 小 ，因此 ， 受 带 隙基 准 电压源 受 电源 电压变 化 的影 响很 小 ，这
就 使它 具备 了高 稳定 度 、低 温漂 、低 噪声 的主要
优 点 。事 实上 ，虽 然传 统带 隙基 准源 结构 能 输 出
漂 去 补偿 晶体 管 基 射 结 电 压 舾的 负 温 漂 ，从 而 实 现零温 漂 。对 于恒 流源供 电 的 晶体 管 ，其 基射 结 电压 艇随温 度 的升 高 而 减小 。但 是 ，制作 在
一
一种高电源抑制比的CMOS带隙基准电压源设计
一种高电源抑制比的CMOS带隙基准电压源设计【摘要】提出了一种用于温度传感器的高电源抑制比（PSRR）、低温度系数、低功耗的CMOS带隙基准电压源。
在传统CMOS带隙基准电压电路的基础上，增加了优化的电源抑制比增强电路，在带隙基准反馈环路中引入电源噪声，使上面电流镜的栅源电压保持恒定值，从而提高电源抑制比。
采用自偏置共源共栅电流镜，来实现匹配更好的与绝对温度成正比（PTAT）电流镜像。
采用华虹宏力0.13um FS13QPR CMOS工艺实现，使用HSPICE仿真。
仿真结果表明电路输出基准电压为1.2V，电源抑制比在1K Hz时达到90dB，在-40～100℃的温度范围内温度系数是10ppm/℃，在1.8～3.6V工作电压范围内的线调整率为0.5mV/V，工作电流43uA。
【关键词】带隙基准电压;电源抑制比;自偏置共源共栅电流镜;温度传感器引言带隙基准电压源（Bandgap V oltage Reference）具有与温度、电源电压和工艺变化几乎无关的突出优点，能够提供稳定的参考电压或参考电流，被广泛应用与集成温度传感器、比较器、A/D和D/A转换器、存储器以及其他模数混合系统集成芯片中，并且高性能基准电压源直接影响着电路的性能。
研究用CMOS 工艺实现的可集成于片上系统（SOC）的高精度带隙基准源显得尤为重要[1]。
对于高精度的温度传感器，从电源注入到带隙基准输出的噪声是各种噪声中最重要的噪声，会严重影响参考电压和温度传感器的与绝对温度成正比（PTAT）电压。
因此，设计高电源抑制比（PSRR）的带隙基准源满足其要求显得十分必要[2]。
本文先介绍了带隙基准源的基本原理，再基于等效小信号模型，对带隙基准源的电源抑制比做了详细的分析，进而提出了一个具有高电源抑制比、低温度系数、低功耗可用于温度传感器的带隙基准电压源。
1.带隙基准源电源抑制比分析利用与CMOS兼容工艺的纵向PNP晶体管和采用放大器负反馈实现的传统CMOS带隙基准电压如图1所示。
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。
精密CMOS带隙基准及过温保护电路设计
关 键词 ： 带隙基准 ； 温度 补偿 ； 启动 电路 ； 温保 护 电路 软 过
中图分 类号 ：Ｎ理 图如 图 １所示 。
带 隙基 准是所 有基 准 电压 中最 受欢 迎 的一 种 ， 由 于其具有 与 电源 电压 、 艺 、 工 温度变 化几 乎无 关 的突 出
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第３ ３卷第 ９期
２０ ０ ７年 ９月
电 子 工 程 师
Ｅ Ｅ ＴＲ Ｌ Ｃ ＯＮＩ Ｃ ＥＮＧ ＮＥ Ｉ ＥＲ
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ ９ １３ ． Ｓｐ ０ ７ ｅ ．２ ０
精密 Ｃ ＭＯＳ带 隙基 准 及 过 温 保 护 电路设 计
；
压产 生器 ， 运算 放大器 ０ Ｐ和 Ｍ１ ６为反 馈 电路 ， 保证 Ａ 点和 曰点 电位 相等 。由运 算放 大器 的性质 可 以得 出
△Ｖ， ＝ Ａ Ｅ ＝ ｐ ３
Ｉ １ Ｖ ｌ Ｔｎ
一
由两个 晶体 管 之 间 的 △ 产 生 ， 过 电 阻 网络 将 通 ＝Ｖ ＋ Ｂ
＝
电流 ， Ｉ 成 比例 ， Ｉ 为 ： 与 ｏ 而 ｏ
（ ㈤ ６ ）
， （ 击・ ８ ｏ ＋＝ ＋） ｎ ） ： ・ （ ｃ Ⅳ
２ 基准实际电路 的实现 与分析
本次设 计 的带 隙基 准 的实际 电路如 图 ２所示 。运
所 以可 以得 出基 准 电压 ：
ｆ ＝ ＶＥ１ － Ｂ ｔ －ＶＲ ＝ １
的基准 电压 ｌ 。双 极 型 晶 体 管 提 供 发 射 极 偏 压 １ Ｊ 放 大 倍 ； 后 将 两个 电压 相 加 ， 最 即
，
Ｉ ｎ１
式中：
荷量 。
＝ｋ ／ Ｔｑ为热 电压 ； 为玻尔 兹曼 常数 ； 电 ｇ为
一种高精度的电流反馈型带隙基准源的设计
一种高精度的电流反馈型带隙基准源的设计作者：李精文刘军蒋国平来源：《现代电子技术》2008年第02期摘要：采用0.5 μm，N阱CMOS工艺设计一种高精度带隙基准电压源，基准电压为1.245 V，在0~70 ℃内温度系数仅为12.5 ppm/℃，工作电压为2.8~8 V，具有非常高的电源抑制比(PSRR)，低频下高达107 dB。
此电路为电流反馈型基准源，能够产生自偏置电流，使电路建立稳定工作点。
其结构能有效减小运算放大器的失调电压对基准输出的影响。
关键词：带隙基准；PSRR；温度系数；反馈中图分类号：TN710 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2008)02-061-04(Dalian University of TechnAbstract：This paper describes the design of a high precision bandgap reference,implemented in 0.5 μm n-well CMOS technology.The circuit generates a reference voltage of 1.245 V and has a temperature coefficient of 12.5 ppm/℃ between 0 and 70 ℃.It can operate with supply voltages between 2.8 V and 8 V.It has a PSRR of 107 dB under low frequency.This circuit works in a current feedback mode,and it generates its own reference current,resulting in a stable operation.ThearcKeywords：1 引言无论在数字电路或模拟电路中，基准电压源对电路整体性能的影响都是十分重要的。
一种低电压高精度CMOS带隙基准设计
数 为 ＋ ． ８ ｍＶ ℃。令 ， ：（ ＋ ）ｎ ， （ ） 两 ｏ０ ７ ／ 、 １ ｌｎ 将 ５ 式 ，
边 对 温 度 Ｔ求 导 ． 今 其 等 干 ０ 右 ． 并 ．
基 金 项 目 ： 国 应 用 材料 创 新 基 金 资 助 （ Ｘ ５ ９ 美 Ｚ ０ ０７一ｘ Ａ—ＡＭ 一 ０ ５４） ２０ １ 作者简介 ： 李 攀 （９ 向 为模 拟 Ｉ １８ 一 ， 陕 硕 研 ｃ设 计 。
倍， 以Ｑ 所 的饱 和 电流 也 是 Ｑ 的饱 和 电流 的 几
倍 ， Ｑ 、 ：Ｒ 在 Ｑ 、，回路 中 ， 电阻 尺 上 的压 降为 ：
法 ， 文参考 文 献 ［ 本 １—３ 的低 电 压 带 隙 基 准 源 ， 计 ］ 设
了一种 经过 二 阶温度补偿 的低 电源 电压 Ｃ Ｓ带 隙基 ＭＯ
相 互抵 消 。
如前 面所分 析 的 ， 达 式 （ 也 只 是 对 温 度 系数 表 ９）
的一 阶补偿 ， 由于 在其 工作 范 围 内不 是 随温度 线性
变化 的 ， 以输 出 电压会 受 到 Ｂ 所 Ｅ结二 次 效 应 的影 响 ，
随温 度 的变化 关 系为 … ：
荷 。
上 式 中 ，Ｖ皿 在 室 温 时 的 温 度 系 数 大 约 为 Ｂ
一
１５ ／ ￣ 而 热 电压 Ｖ ￣ ／ｑ在 室 温 时 温度 系 ． ｍＶ Ｃ， Ｔ＝ｈｒ
在该 电路 中 ， 增 益 运算 放 大器 形 成 了电 流 反 馈 高 回路 ， 迫使 ｘ、 Ｙ两 输 人点 的 电压 相 等 （ 略 运 放 失 调 忽 电压 的影 响 ） 晶体管 Ｑ 发射 极 的面积 是 Ｑ 面 积 的 ｎ ， ，
高精度CMOS带隙基准电压源电路设计
（ ９ ２ ９ ４ １部 队 ９ ２分 队 辽 宁 葫芦 岛 １ ２ ５ ０ ０ １ ）
摘要 ： 设 计 了一 种 应 用 于 集 成 稳 压 器 的 高精 度 带 隙基 准 电压 源 电路 。 采 用共 源共 栅 电流 镜 结 构 以及 精 度 调 节 技 术 ， 有 效 提 高 了 电压 基 准 的 温度 稳 定性 和 输 出电 压 精 度 。 经 Ｈ ｙ ｎ ｉ ｘ ０ ． ５ ｐ Ｌ ｍ Ｃ ＭＯ Ｓ． Ｙ － 艺仿 真 验 证 表 明 ， 在２ ５℃时 ， 温度 系
数几乎 为零 ． 基 准 电 压 随 电 源 电压 变 化 小 于 ０ ． １ ｍ Ｖ； 在一 ４ ０ ～ １ ２ ５ ｏ Ｃ 温 度 变化 范 围 内 ， 基 准 电压 变 化 最 大 ４ ． ８ ｍＶ， 满 足 设计指标要求 。
关 键 词 ：集 成 稳 压 器 ；带 隙基 准 ；高精 度 ； 基 准 调 节 中图分类号 ： Ｔ Ｎ ４ ３ ２ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ４ — ６ ２ ３ ６ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ０ ７ １ — ０ ４
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｃ ＭＯＳ ｂ ａ ｎ ｄ ｇ ａ ｐ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｆ ｏ ｒ Ｉ Ｃ ｒ ｅ ｇ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ￣ Ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ
—
４ ０ —１ ２ ５ ｏ Ｃ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ，Ｔ ｈ ｅ ｍａ ｘ ｉ ｍａ ｌ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｏ ｆ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｉ ｓ ４ ． ８ ｍＶ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｓ ａ ｔ ｉ ｓ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
高性能带隙基准源的分析与设计
高性能带隙基准源的分析与设计作者：刘宏尹勇生邓红辉来源：《现代电子技术》2008年第07期摘要：全面分析了CMOS带隙基准的主要非理想因素，给出了相应的补偿方法，并以此为基础设计了一种高精度的带隙基准源电路。
该电路在SMIC 0.35 μm CMOS工艺条件下的后仿真结果表明，基准输出电压的温度系数为3.4 ppm/℃-℃，电源抑制比为85 dB。
此带隙基准源已应用于14位D/A转换器芯片中，并参加了MPW流片，该D/A转换芯片已经通过测试。
关键词：CMOS;带隙基准;温度补偿;失调电压中图分类号：TN710文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)07-089-(Institute of VLSI Design,Hefei UniAbstract：All the major non-ideal factors in CMOS bandgap reference and the ideal compensation techniques are proposed.According to the analysis,a precise bandgap reference based on SMIC 0.35 μm CMOS techn ology had been designed and post-layout simulation shows that the temperature coefficient of the reference is 3.4 ppm/℃ over -40~125 ℃ and the supply rejection ratio is 85 dB for 3.3 V supply.The proposed bandgap circuit had been applied to a 14 bit D/A converter andKeywords：CMOS;bandgap reference;temperature compensation;offset voltage1 引言在D/A、A/D数据转换系统中，基准源的性能与转换器的量化精度紧密相关。
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。
一种CMOS带隙基准电路的设计
＝Ｖｌ Ｉ／ ， ｎ（ ｃ ）， 求 并
（ ＋ｍ） —Ｅ ｑ ４ ／
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一
时 对使用 的器 件进 行 了正 负 温 度 系 数 的抵 消 ， 所 以 这 种 方 法 产 生 的 基 准 电压 同 时 也 是 温 度 不 敏 感
从 上 式 可 以 看 出
电压对 电源 电 压 的波 动 不敏 感 ， 时在 电路 实 现 同
其 中 ：ＫＴ ｑ 饱 和 电 流 与 器 件 结 构 的 关 系 ／ ，
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一
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式 中 ｂ是 一 个 常 数 ， 近 似 为 一１ ５， １ １ ｅ ｍ ． Ｅ 为 ． ２ Ｖ， 是硅 的 带隙 能量． 用 利 对 的 导 数 ， 到 Ｊ 得 ：
的 温 度 系 数 与
本 身大 小有
关 ， 温 下 近 似 为 一２ ／ Ｃ 常 ｍＶ 。 ．
［ 收稿 日期］２ ０ ０７—０ ７—１ ６ ［ 作者简介］王 华（９ ７一） 男， １７ ， 湖南宁 乡人 ， 钦州学院物理 与电子工 某一 特定 电压 的电路 在 电子系 统 中具
有 重 要 地 位 ， 泛 应 用 于 各 种 模 拟 和 模 数 混 合 系 广 统 中 ． 些 电路 完成 的功 能主要 包 括 ： 是 作 为偏 这 一 置 电 压 为 系 统 中其 它 晶 体 管 提 供 合 适 的 偏 置 ， 使
电 路 的 设 计
王 华
（ 州 学 院 物 理 与 电 子 工 程 系 ，广 西 钦 州 ５５ ０ ） 钦 ３ ００
［ 摘
要］ 带隙基准 源广 泛 应用 于许 多模 拟集 成 电路 中， 其性 能 对这 些 系统具 有 重 要影 响． 种基 于 一
带隙电压基准的设计_毕业设计
1．低电压工作的基准电压源
SOC(Signal Operation Control)的主流工艺是CMOS工艺,目前，5V(0.6um)、3.3V (0.35um)、1.8V(0.18um)、1.5V(0.15um)、1.2V(0.13um)、0.9V(0.09um)等电源电压已经得到广泛的使用。随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的电压基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压为1.2V左右，所以，对于电源电压低于1.2V的基准设计必须采用特殊的电路结构，许多文献[2]都提出了输出基准电压低于1.2V的电路结构。采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，不同运放的电路结构和MOS管衬底效应造成的高阈值电压是限制工作电压的主要因素。
（1.1）
是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差的电压值， q是电子电荷， 是衬底的掺杂浓度， 是耗尽区的电荷， 是单位面积的栅氧化层电容。由pn结理论可知， ，其中 表示硅的介电常数。由于 6.9fF/ 。 为漏电流， 为漏源电压， 为n沟道器件的表面迁移率， 为单位面积栅氧化物电容，W为有效沟道宽度，L为有效沟道长度， 为阈值电压，有：
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。
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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高精度的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。
然后详细介绍了带隙基准电压源的基本结构及基本原理，并对不同的带隙基准源结构进行了比较。
接着对如何提高带隙基准的电源抑制比以及带隙基准电压源的温度补偿原理进行了分析，还总结了目前提高带隙基准电压源温度特性的各种方法。
在此基础上运用曲率校正、内部负反馈电路、RC滤波器、快速启动电路，设计出了具有良好的温度特性和高电源抑制比的带隙基准电压源电路。
最后应用HSPICE仿真工具对本文中设计的带隙基准电压源电路进行了完整模拟仿真并分析了结果。
模拟和仿真结果表明，电路实现了良好的温度特性和高电源抑制比，0℃～100℃温度范围内，基准电压温度系数大约为11.2ppm/℃，在1Hz到10MHz频率范围内平均电。
源抑制比(PSRR)可达到-80dB，启动时间为700s关键词: 带隙基准电压源；温度系数；电源抑制比；AbstractV oltage reference is the vital basic module which is widely adopted in analog circuits. It can supply a voltage with high stability. The power supply, technics parameter rand temperature has lesser effete to this voltage. Its temperature stability and antinoise capability influence the precision and performance of the whole system. The purpose of this article is to design a high precision CMOS bandgap voltage reference.In this article, the present situation and developmental trend of voltage reference studies both at home and abroad are presented. The structure and principle of voltage reference are analyzed in detail, and then the different structures of bandgap voltage reference are compared. By analyzing the power supply rejection ratio (PSRR) and the principle of temperature compensation, the method of improving the temperature characteristic is summarized. The design of a bandgap voltage reference circuit with high power supply rejection ratio and good temperature characteristic is completed by applying curvature emendation, inside negative feedback technology, RC filter and fast start-up circuit. At last, the circuits have been simulated with HSPICE simulation tools.The simulation results show that，the circuit with good temperature characteristic and high power supply rejection ratio, and at the temperature range of 0℃to 100℃, the temperature coefficient(TC) is about 11.2ppm/℃. In the frequency range of 1Hz to 10MHz, the average power supply rejection ratio is more than -80dB and it has a turn-on time less than 700s .Key Words: bandgap voltage reference; temperature coefficient; power supply rejection ratio;目录1. 绪论 (1)1.1 国内外研究现状与发展趋势 (1)1.2 课题研究的目的意义 (2)1.3 本文的主要内容 (2)2. 基准电压源的原理与电路 (3)2.1 基准电压源的结构 (3)2.1.1直接采用电阻和管分压的基准电压源 (3)2.1.2有源器件与电阻串联组成的基准电压源 (4)2.1.3带隙基准电压源 (6)2.2 带隙基准电压源的基本原理 (6)2.2.1与绝对温度成正比的电压 (7)2.2.2负温度系数电压V BE (7)2.3 带隙基准源的几种结构 (8)2.4 V BE的温度特性 (11)2.5 带隙基准源的曲率校正方法 (13)2.5.1线性补偿 (13)2.5.2高阶补偿 (13)本章小结 (17)3. 高精度CMOS带隙基准源的电路设计与仿真 (18)3.1 高精度CMOS带隙基准电压源设计思路 (18)3.2 核心电路 (19)3.3 提高电源抑制比电路 (20)3.3.1负反馈回路 (21)3.3.2 RC滤波器 (22)3.4 快速启动电路及快速启动电路的控制电路 (23)3.4.1快速启动电路的控制电路 (23)3.4.2快速启动电路 (24)3.5 CMOS带隙基准电压源的温度补偿原理 (24)3.6 高精度CMOS带隙基准电压源的电路仿真 (27)3.6.1仿真工具的介绍 (27)3.6.2 核心电路的仿真结果 (27)3.6.3 电源抑制比电路的仿真结果 (28)3.6.4 快速启动电路的仿真结果 (28)3.6.5 整体电路的仿真结果 (29)本章小结 (30)结论 (32)致谢 (33)参考文献 (34)1.绪论基准电压源(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，或者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，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此也可以说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。
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，这样也就意味着系统对其中基准电压源模块提出了更高的要求。
另外，基准电压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；在各种要求较高精确度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源[l]1.1 国内外研究现状与发展趋势近年来，国内外对CMOS工艺实现的电压基准源作了大量的研究，发表了大量的学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。
1)低电压工作的基准电压源SOC(Signal Operation Control)的主流工艺是CMOS工艺,目前，5V(0.6um)、3.3V (0.35um)、1.8V(0.18um)、1.5V(0.15um)、1.2V(0.13um)、0.9V(0.09um)等电源电压已经得到广泛的使用。
随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的电压基准源成为当前基准源研究的热点。
由于传统带隙电压基准源的带隙电压为1.2V左右，所以，对于电源电压低于1.2V的基准设计必须采用特殊的电路结构，许多文献[2]都提出了输出基准电压低于1.2V的电路结构。
采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，不同运放的电路结构和MOS管衬底效应造成的高阈值电压是限制工作电压的主要因素。
2)低温度系数的基准电压源低温度系数的基准电压源对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说对于高精度的A/D、D/A结构，高精度的电流源、电压源等。
对于普通的一阶温度补偿的带隙结构的温度系数一般在20ppm/℃～50ppm/℃，因此，设计低温度系数的基准电压源一般必V环路曲率补偿法，β非线性曲须进行高阶温度补偿。
目前出现的高阶补偿技术包括BE率补偿法，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法等。
3)高电源抑制比的基准电压源在数模混合集成电路中，电路中可能存在高频噪声和数字电路产生的噪声对模拟电路产生信号干扰的现象。
在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源抑制比性能，有些设计中使用运放结构的带隙基准技术，在直流频率时的PSRR(Power Supply Rejection Ratio，电源抑制比)可达-110dB，在1MHz的PSRR达-70dB;而使用无运放负反馈结构的带隙基准，在1KHz的PSRR为-95dB，在1MHz的PSRR为-40dB。
4)低功耗的基准电压源低功耗设计对于依靠电池工作的便携设备具有非常重要的意义，低功耗电路可以延长电池的使用寿命。
有些设计中的电路功耗可达220uW。
1.2 课题研究的目的意义传统的基准源是基于稳压二极管的原理制成，但由于它的击穿电压一般都大于现在电路中所用的电源，已经不再常用。
20世纪70年代初，Widlar首先提出带隙基准电压源的概念和基本设计思想，由于其在电源电压、功耗、稳定性等方面的优点，得到了广泛的应用。
现在拥有带隙基准源的集成电路已广泛应用于军事装备、通讯设备、汽车电子、工业自动化控制及消费类电子产品等领域。
随着微电子技术的不断发展，现阶段常用集成电路的制作工艺主要有两种: 双极工艺和CMOS工艺。
双极性工艺是集成电路中最早成熟的工艺，其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；CMOS工艺技术是在PMOS 与NMOS工艺基础上发展起来的，由于CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大等优点，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，因此，在本文在设计高精度的带隙基准电压源时，就采用了CMOS工艺技术。