CMOS模拟集成电路第11章—带隙基准
带隙基准
Key words: Bandgap Reference; Layout; Power Supply Rejection Ratio; Temperature Coefficient
III
目
第1章 1.1
录
绪论············································································ 1 带隙基准源概述······························································1 1.1.1 1.1.2 带隙基准源的研究现状········································· 1 研究目的及意义···········································设计········································· 17 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 设计指标·························································· 17 带隙基准源架构·················································17 核心电路设计···················································· 20 运放设计·························································· 22 偏置电路设计···················································· 23
CMOS带隙基准源
2.3 带隙基准源的温度补偿方法由上一章可知，带隙基准电压源的一阶补偿技术主要是通过一个与热电压成比例的正温度系数电压VT 来抵消二极管基极-发射极电压VBE 的负温度系数。
但是VT 是温度T 的线性函数，VBE 是包含温度T 的高次项的复杂函数。
文献[6]中对VBE 的温度特性进行了深入的分析，总结出VBE 的温度表达式为其中G V 是硅的带隙电压，η是硅迁移率的温度常数，r T 是参考温度。
由于集电极电流I C 是与温度成正比的，因此一阶补偿的带隙基准电压V REF 可表示为：调整参数K 可使V REF 的温度系数达到最小。
而式中G V 的温度特性由文献[7]中的最精确模型给出：其中a,b,c为根据经验在不同温度条件下给出的不同参数。
由式（2-12）式（2-13）可知，V BE 是包含温度T 的高次项的复杂函数。
因此，即使在一阶补偿下，基准电压仍会存在温度漂移现象，这是一阶补偿的固有现象，故在一定温度范围内采用一阶补偿不能达到所要求的温度系数范围，要获得高性能的带隙基准电压源，就必须使用各种曲率校正的方法来抑制V REF 的变化。
近年来，为了在一阶补偿的基础上增加基准源的温度稳定性，产生了一些曲率校正的方法，例如文献[8]中提出了二阶温度补偿的方法、文献[9]中提出了V BE 线性化方法、文献[10]利用不同材料电阻的相异温度特性进行曲率校正、文献[11]中提出的指数温度补偿的方法等。
下面将分别介绍这几种曲率校正的方法。
2.3.1 二阶曲率补偿基准没有经过二阶曲率补偿是由于忽略了V BE的高阶项，实际上V BE跟温度的关系式如式（2-14）所示：其中，V G0是半导体材料在绝对零度时的带隙基准电压;q 是一个电子电荷;n 是工艺常数;k 是波尔兹曼常数;T 是绝对温度; I C 是集电极电流;V BE0是温度在T0 时基极-发射极电压。
由此看见V BE 的高阶项并不为零，因此一阶补偿的基准并不能真正使得基准的输出电压与温度T 无关，而是一条近似的抛物线，温度对输出的影响一般在20 ~ 30×10−6 /℃右，幅度大约为3~5mV。
CMOS_带隙基准源的设计(IC课程设计报告)
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图 1、带隙基准电压源原理示意图(选自 Analysis and Design of Analog Integrated Circuits)
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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
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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：
带隙基准电路设计
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 Voltage)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=∂∂+∂∂TV 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 。
11 第十一章 带隙基准(1)
VREF ≈ VBE + 17.2VT ≈ 1.25V
现在设计一个电路使VBE增加至17.2VT。考虑图中的 电路，其中的基极电流被忽略，晶体管Q2由几个并联 的单元组成，Q1是一个单元的晶体管。设想我们以某 种方式使V01和V02相等。于是，VBE=RI+VBE2且
¾在忽略沟道长度调制效应时图（a）和（b）电路几乎不受电源的 影响。正因如此，该电路中所有的晶体管均采用等长的沟道长度。
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启动问题
¾独立于电源偏置的一个重要问题：存在“退化”偏置点。
第十一章 带隙基准
金湘亮 博士 xiangliangjin@
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1、概述 2、与电源无关的偏置 3、与温度无关的基准 4、PTAT 电流的产生
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独立于电源的偏置（1）
如图(a)所示，如果IREF不 随VDD而变化，并且忽略 M2和M3的沟道长度调制效 应，那么ID2 和ID3就保持
与电源电压无关。问题就在 于：我们如何产生IREF?
(a)使用一个理想电流源作为偏置的电流镜， (b)使用一个电阻作为偏置的电流镜
图(b)：作为电流源的近似，我们在VDD到M1的栅极之间接
¾ 除了电源、工艺和温度变化外，还有若干参数对于参 考源也很关键，包括输出阻抗、输出噪声和功耗。
模拟IC课程论文-带隙基准
模拟集成电路课程设计报告一、实验目的（1）学会使用数模混合集成电路设计EDA工具进行简单的模拟集成电路设计的流程，包括cadence的virturso原理图输入、版图设计，cadence的spectre 电路仿真，及mentor的calibre：版图规则检查（DRC）、电路图版图一致性检查（LVS）。
（2）学会使用仿真进行性能的调整，包括DC仿真、AC仿真、TF仿真、PSRR仿真、温度仿真。
二、实验任务设计一款带隙基准源（bandgap），为其他电路提供温度系数和电源抑制比较好的参考电压。
三、设计指标要求（1）采用0.35µm 2P4M CMOS工艺；（2）电源电压：3.3V；（3）工作电源电压：2.97V~3.63V；（4）工作温度：-20 o C~120 o C；（5）输出电压1.5V（6）温度系数小于或等于10ppm；（7）PSRR（电源抑制比）< -40dB@1kHz；（8）版图总面积小于500μm ⨯500μm；四、电路设计与仿真4.1带隙基准电路设计Bandgap voltage reference，也被称为Bandgap。
最经典的带隙基准是利用一个与温度成正比的电压与一个与温度成反比的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，约为1.25V。
因为其基准电压与硅的带隙电压差不多，因而称为带隙基准。
实际上利用的不是带隙电压。
现在有些Bandgap 结构输出电压与带隙电压也不一致。
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。
产生基准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或电流。
在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三种形式中的一种：（1）与绝对温度成正比；（2）常数Gm特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数；（3）与温度无关。
要实现基准电压源所需解决的主要问题是如何提高其温度抑制与电源抑制，即如何实现与温度有确定关系且与电源基本无关的结构。
宝典CMOS模拟集成电路设计ch11带隙基准
– 自举——互相复制
• 与温度无关的基准
– 负温度系数电路与正温度系数电路相加补偿 – 工艺兼容性；运放失调；反馈；稳定性；启动
• PTAT电流的产生 • 恒定Gm偏置
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• 3.2 正温度系数电压
如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射 极电压差值就与温度成正比。
例1：如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流 分别为nI0和I0，忽略基极电流，则
则
例2：如果如右图的两个晶体管偏置的集电极电 流分别为nI0和I0，忽略基极电流，则
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与温度无关的基准
3、与温度无关的基准
• 3.1 负温度系数电压
对于一个双极器件，
而
m -3/2， VT=kT/q，
硅带隙能量Eg 1.12eV
计算VBE的温度系数（假设IC不变）， 例， VBE 750mV，T=300K时， VBE/ T -1.5mV/K
则，
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与温度无关的基准
CMOS模拟集成电路设计
带隙基准
带隙基准
提纲
• 1、概述 • 2、与电源无关的偏置 • 3、与温度无关的基准 • 4、PTAT电流的产生 • 5、恒定Gm偏置
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概述
1、概述
• 基准
– 目的：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或电流。
– 与温度关系：
• 与绝对温度成正比（PTAT） • 常数Gm特性 • 与温度无关
简化的PTAP电路： 见右图，要使ID1=ID2，必须VX=VY,因此
带隙基准
电流和电源无关，和电阻有关。 当沟道长度效应很小时，电流和电源的依赖性很小。 电路有另一个稳定点： Iout = 0 必须加启动电路。 电路在上电时，启动电路驱动偏置电路摆脱“简并”偏置 点 如图：M3-M5-M2-Rs提供了一条电源 到地的通路，使M2和M3工作。 M2和M3导通后， Vgs5 < Vth M5被关断，不影响偏置电路的正常工作
∴Vout > Veff 2 +Veff1 = Veff + nVeff = (n +1)Veff
例如，取
n =1, ⇒Vout > 2Veff
显然，摆幅可以增加。
改进的电流源
注意M5的栅极偏置电压：
VG1 = VG4 = VG5 = (n +1)Veff +Vth
同时： VDS4 >Veff 4 = nVeff
QVDS4 = VG3 −Veff = (Vth +Veff ) −Veff = Vth Vth > Veff 4 = nVeff
是可以保证的
上述偏置使M2和M3处在饱和与线性区的边缘 若： Ibias ≥ Iin, 则，M5栅极电压足够使M3和M2处在饱和与区 若： Ibias = Iin, I ↑⇒Veff1 ↑⇒γ ≠ 0,Vth4 ↑⇒VDS3 < Veff ⇒ Rout ↓ 使
∂Vbe ∂VT = α1 +α2 lnn ∂T ∂T ∂T ∂V ∂VT k Q be = −1.5mV /o K = = 0.087 /o K mV ∂T ∂T q α1 =1 α2 = α ∂Vref ⇒α lnn =17.2时， =0 ∂T ∂Vref
Vref = α1Vbe +α2VT lnn = Vbe +17.2VT ≈1.25 V
带隙基准学习笔记
带隙基准设计A.指标设定该带隙基准将用于给LDO提供基准电压，LDO的电源电压变化范围为1.4V到3.3V，所以带隙基准的电源电压变化范围与LDO 的相同。
LDO的PSR要受到带隙基准PSR的影响，故设计的带隙基准要有高的PSR。
由于LDO是用于给数字电路提供电源，所以对噪声要求不是很高。
下表该带隙基准的指标。
电源电压 1.4V~3.3V输出电压0.4V温度系数35ppm/℃PSR@DC，@1MHz -80dB，-20dB积分噪声电压（1Hz~100kHz）<1mV功耗<25uA线性调整率<0.01%B.拓扑结构的选择上图是传统结构的带隙基准，假设31M ~M 尺寸相同，那么输出电压为312ln BE T REF V R R N V V += BE V 是负温度系数，对温度求导数，得到公式（Razavi ，Page313）：Tq E V m V T V g T BE BE /)4(33-+-=∂∂ 其中，23-≈m 。
如果输出电压为零温度系数，那么：0ln 123=+∂∂=∂∂R R N q k T V T V BE REF 得到：T q E V m V R R N q k g T BE /)4(ln 312-+--=带入：312ln BE T REF V R R N V V += 得到：T gREF V m q E V )4(++=在27°温度下，输出电压等于1.185V ，小于电源电压1.4V ，可这个电路并不能工作在1.4V 电源电压下，因为对于带隙基准里的运放来说，共模输入范围会受到电源电压限制，电源电压的最小值为：source current of drive over pair al differenti input GS BE V V V VDD _______2min ++=其中，2BE V 是三极管2Q 的导通电压，pair al differenti input GS V ___是运放差分输入管对的栅源电压，source current of drive over V ____是运放差分输入管对尾电流源的过驱动电压。
CMOS模拟集成电路设计ch11带隙基准up
讨论（续） •反馈
负反馈系数
正反馈系数
正反馈应小于负反馈
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与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准（续）
讨论（续） •何谓“带隙”？
=0
得到
•电源高频抑制性能与启动问题 •曲率校正
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PTAT电流的产生
4、PTAT电流的产生
• PTAP电流
在带隙基准电路中，双极型管的偏置电 流是与绝对温度成正比（PTAT）电流
简化的PTAP电路： 见右图，要使ID1=ID2，必须VX=VY,因 此
此电路可以改为产生带隙基准电压的电路，
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电流镜
5、恒定Gm偏置
• 与电源无关的偏置电路是确定跨导的 简单电路
因此，
采用开关电容电路代替电阻可以达到更高的精度。
3、与温度无关的基准
• 3.1 负温度系数电压
对于一个双极器件，
而
m-3/2， VT=kT/q，
硅带隙能量Eg 1.12eV
计算VBE的温度系数（假设IC不变 Nhomakorabea，例，VBE750mV，T=300K时， VBE/ T -1.5mV/K
则，
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与温度无关的基准
• 3.2 正温度系数电压
– 与温度关系：
• 与绝对温度成正比（PTAT） • 常数Gm特性 • 与温度无关
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与电源无关的偏置
2、与电源无关的偏置
• 电流镜
电阻IREF？
与电源有关
与电源无关的电流镜
互相复制——“自举” 忽略沟道长度调制效应，
集成CMOS模拟电路 第十一章 带隙基准
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11.3 与温度无关的基准
采用下图的结构解决这一问题。
(a)将Q2变为射随，同样可以在其射极获得2VBE的电压。 (b)中采用PMOS电流源对两个三极管进行偏置。
CMOS模拟集成电路设计 第11章 带隙基准 Copyright 2013, Zhengran
那么
∆VBE = VBE1 − VBE 2 = VT ln ⇒ ∂∆VBE / ∂T = k ln n q
nI 0 I − VT ln 0 = VT ln n IS IS
CMOS模拟集成电路设计
第11章 带隙基准
Copyright 2013, Zhengran
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11.3 与温度无关的基准
例：计算图中电路的 ∆VBE
CMOS模拟集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Nov.2013 郑然 zhengran@
西北工业大学航空微电子中心 嵌入式系统集成教育部工程研究中心
本章内容
第十一章 带隙基准
CMOS模拟集成电路设计
第11章 带隙基准
Copyright 2013, Zhengran
VREF = α1VBE + α 2 ∆VBE
就能得到一个0温度系数的电压VREF (带隙基准电压) 。首先假定
α1 = 1，那么α1VBE 具有的温度系数为 − 1.5mv / K，那么我们来看一下 α 2 ∆VBE的温度系数 : ∂α 2 ∆VBE 令 = α 2 (k / q ) ln mn ≈ (α 2 ln mn) * 0.087 mv / k ,
带隙基准bandgap工作原理
带隙基准bandgap工作原理带隙基准（Bandgap Reference）是一种电子器件，用于生成稳定的电压参考，以便在集成电路中进行准确的电压测量和稳定的电源供应。
它在数字电路、模拟电路和传感器等应用中发挥着重要的作用。
带隙基准通过利用半导体材料的能带结构，实现温度补偿，以保证输出电压在不同温度下的稳定性。
本文将对带隙基准的工作原理进行详细讲解。
带隙基准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。
带隙基准的工作原理是基于两个不同温度系数的电压源。
温度感应器具有一个温度系数为负的电压源，可以抵消带隙电压的温度变化。
而反向偏置的二极管则具有一个温度系数为正的电压源，用于补偿温度系数为负的电压源。
通过将这两个电压源正确地组合在一起，可以得到一个稳定的输出电压。
具体实现带隙基准的电路通常采用差动放大器和反馈环路的结构。
输入电压通过差动放大器进行放大，并在反馈环路中与参考电压相比较。
根据比较结果，系统会调整输出电压来使其与参考电压保持一致。
反馈环路中的电压源就是带隙基准。
带隙基准的输出电压在机械、光学和电学应用中具有很高的精确度和稳定性。
它可以在不同温度范围内提供相对较高的纯度和稳定性。
此外，带隙基准还具有较低的噪声和温度漂移，可以保持准确的电压参考。
然而，带隙基准仍然受到温度变化的影响。
为了进一步提高稳定性和准确性，可以采用温度传感器来实现温度补偿。
精密cmos带隙基准及过温保护电路设计
精密cmos带隙基准及过温保护电路设计
精密CMOS带隙基准及过温保护电路是一种常用的电路设计，在集成电路中应用广泛。
本文将介绍这种电路的设计原理和应用。
首先是带隙基准电路。
带隙基准电路是利用材料本身的性质产生带隙而实现精准电压参考。
在CMOS带隙基准电路中，使用PMOS和NMOS两个晶体管形成一个电流源，电流源产生的电压与绝对温度成正比，因此可以通过比较不同的电压源得到绝对精准的参考电压。
接下来是过温保护电路。
过温保护电路主要用于保护集成电路的不受损坏。
当CMOS电路因温度过高而导致性能下降时，过温保护电路会切断电路电源，在电路恢复正常工作温度时再复位开关。
在设计CMOS带隙基准及过温保护电路时，需要考虑电路的稳定性和可靠性，以确保电路能够在各种工作条件下保证精度和稳定性。
同时，优秀的CMOS带隙基准及过温保护电路还应具有低功耗、小尺寸和低成本等特点。
总之，精密CMOS带隙基准及过温保护电路是一种非常重要的电路设计，可在集成电路中广泛应用。
在今后的电路设计中，我们可以将这些原理应用到更广泛的领域，以实现更好的性能。
(拉扎维)第十一章带隙基准(模拟cmos集成电路设计)
Bandgap Ref Ch. 11 # 10
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
正温度系数电压
VBE VBE1 VBE 2 VT ln
nI0 I VT ln 0 VT ln n I S1 IS2
VBE k ln n T q
Bandgap Ref Ch. 11 # 11
华大微电子：模拟集成电路原理
实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 28
华大微电子：模拟集成电路原理
实例分析
Bandgap R11 # 4
华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 5
华大微电子：模拟集成电路原理
与电源无关的偏置
如何产生IREF？
Bandgap Ref Ch. 11 # 9
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
负温度系数电压
Eg VBE 4 mVT E g q VBE VT I C V ln 4 m T 2 VT T T IS T kT T
当VBE＝750mV，T＝300K，为－1.5mV/K
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
Bandgap Ref Ch. 11 # 18
华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 19
华大微电子：模拟集成电路原理
华大微电子：模拟集成电路原理
CMOS模拟集成电路设计习题参考答案Chap11
答案：
（1）刚开始时 M5、M6 都截止，VX、VY 逐渐增大。随着 VY 增大到 VTH6，M6 导通。VX 也增大到 VTH5 使 M5 导通。这样 VDD 经 M3、M5 到地就构成通路，使其余电路都导通。 （2）随着 VY 进一步增大，IDS6 不断增大，就有可能使 VX=VDD‐IDS6(Ra+Rb)<VTH5,这样 M5 就 截止。 （3）电路工作后，要使 M5 截止，要满足 VX=VDD‐IDS6(Ra+Rb)<VTH5。 5、 11.12
ห้องสมุดไป่ตู้
I CB 9 I V ln 8 , VT ln CB 8 R3 T IS 8I S R3
R1 ln 8 R3
（3）C1 可以保证输出电压更加稳定。C2:位于两级放大器级间，进行频率补偿，使反馈网 络稳定工作。 （4）M120、 M12、 R6 构成的电路和 M9、 C1 对整个电路起启动作用， 启动后通过它 （M120、 M12、R6 构成的电路）的电流很小，对电路工作状态影响小。 启动过程：开始时，VREF 为零 M7、M11 截止，VB 为高电位，M5 也截止。M120、M12、 R6 构成的电路将 M9 栅极电位拉低，M9 导通给 C1 充电，使 VREF 缓慢（C1=30p 很大）升高。 M7、M11 先后导通，拉低 VB 也使 M5 导通。经过电路的反馈自动调节，电路正常工作。 4、 11.2
。
答案： 图中的基准电路的平衡点由下式决定： | V BE1 | I OUT R1 ，而 V BE1 VT ln
I IN 。输 IS nI OUT 。 IS
出电流 I OUT 与 I IN 的关系与管子尺寸有关，设 nI OUT I IN ，则 I OUT R1 VT ln 由此可以看出输出电流 I OUT 不是电源电压 VDD 的函数，故对 VDD 不敏感。
CMOS模拟集成电路设计ch11带隙基准up_讲课教案
• 与绝对温度成正比（PTAT） • 常数Gm特性 • 与温度无关
2020/6/28
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与电源无关的偏置
2、与电源无关的偏置
• 电流镜
电阻IREF？
与电源有关
与电源无关的电流镜
互相复制——“自举” 忽略沟道长度调制效应，
问题：电流可以是任意的！
2020增/6/2加8 一个约束：RS
IC2
IC2
2020/6/28
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与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准（续）
讨论 •与CMOS工艺兼容
在常规（标准）N阱CMOS工艺中， 可以形成PNP型晶体管。
2020/6/28
11
与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准（续）
讨论（续） •运放的失调
不接地， 工艺不兼容
2020/6/28
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与温度无关的基准
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与电源无关的偏置
• “简并”偏置点
电路可以稳定在两种不同的工作状态的一种。 •Iout0 •电路允许Iout=0
增加启动电路，使电路在上电时摆脱简并偏置点。
启动电路的例子： 条件： 上电时提供通路：VTH1+VTH5+|VTH3|<VDD 启动后保证M5关断：VGS1+VTH5+|VGS3|>VDD
2020/6/28
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与温度无关的基准3、与温度无关源自基准• 3.1 负温度系数电压
对于一个双极器件，
而
m-3/2， VT=kT/q，
硅带隙能量Eg 1.12eV
计算VBE的温度系数（假设IC不变），例，
VBE750mV，T=300K时， VBE/ T -1.5mV/K
《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
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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
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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。
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CHAPTER
带隙基准电路的改进与发展趋势
温度补偿
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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。
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CHAPTER
带隙基准电路的设计与实现
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采用运算放大器，使X点和Y点近似相等。
IC2
IC2
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与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准（续）
讨论 •与CMOS工艺兼容 在常规（标准）N阱CMOS工艺中， 可以形成PNP型晶体管。
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与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准（续）
讨论（续） •运放的失调
不接地， 工艺不兼容
与温度无关的基准
• 3.2 正温度系数电压
如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基 极-发射极电压差值就与温度成正比。
例1：如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流 分别为nI0和I0，忽略基极电流，则
则
例2：如果如右图的两个晶体管偏置的集电极电 流分别为nI0和I0，忽略基极电流，则
CMOS模拟集成电路设计
带隙基准
带隙基准
提纲
• • • • • 1、概述 2、与电源无关的偏置 3、与温度无关的基准 4、PTAT电流的产生 5、恒定Gm偏置
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概述
1、概述
• 基准
– 目的：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或电流。 – 与温度关系：
• 与绝对温度成正比（PTAT） • 常数Gm特性 • 与温度无关
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与电源无关的偏置
2、与电源无关的偏置
• 电流镜
电阻IREF？
与电源有关
与电源无关的电流镜
互相复制——―自举”
忽略沟道长度调制效应，
问题：电流可以是任意的！
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增加一个约束：RS
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与电源无关的偏置
VGS1
VGS2
忽略体效应，
则
消除体效应的方法： 在N阱工艺中，在P型管（PMOS）的上方加入电阻， 而PMOS的源和衬连接在一起。 如果沟道长度调制效应可以忽略，则上述电路可以 表现出很小的电源依赖性。因此，所有晶体管应采 用长沟器件。 2013-8-4
4、PTAT电流的产生
• PTAP电流
在带隙基准电路中，双极型管的偏置电 流是与绝对温度成正比（PTAT）电流 简化的PTAP电路： 见右图，要使ID1=ID2，必须VX=VY,因 此
此电路可以改为产生带隙基准电压的电路，
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电流镜
5、恒定Gm偏置
• 与电源无关的偏置电路是确定跨导的 简单电路
因此，
=(CSfCK)-1
采用开关电容电路代替电阻可以达到更高的精度。带隙基准
小结
• 与电源无关的偏置
– 自举——互相复制
• 与温度无关的基准
– 负温度系数电路与正温度系数电路相加补偿 – 工艺兼容性；运放失调；反馈；稳定性；启动
• PTAT电流的产生 • 恒定Gm偏置
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与电源无关的偏置
• ―简并”偏置点
电路可以稳定在两种不同的工作状态的一种。 •Iout0 •电路允许Iout=0 增加启动电路，使电路在上电时摆脱简并偏置点。
启动电路的例子： 条件： 上电时提供通路：VTH1+VTH5+|VTH3|<VDD 启动后保证M5关断：VGS1+VTH5+|VGS3|>VDD
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则，温度系数为(k/q)ln(mn)
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与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准
室温下，
1？ 2lnn？ 令1＝1，则 2lnn＝17.2，则得到零温度系数基准
?
见右图，强制VO1=VO2,
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VO2=VBE2+VTlnn
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与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准（续）
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与温度无关的基准
3、与温度无关的基准
• 3.1 负温度系数电压
对于一个双极器件，
而
m-3/2， VT=kT/q， 硅带隙能量Eg 1.12eV
VBE750mV，T=300K时， VBE/ T -1.5mV/K
计算VBE的温度系数（假设IC不变），例，
则，
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与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准（续）
讨论（续） •反馈 负反馈系数
正反馈系数
正反馈应小于负反馈
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与温度无关的基准
• 3.3 带隙基准（续）
讨论（续） •何谓“带隙”？
=0
得到 •电源高频抑制性能与启动问题 •曲率校正
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PTAT电流的产生