带隙基准

带隙基准实验报告

班级：0220803

姓名：青旭东

学号：08040320

班级：0220803

姓名：吴唱

学号：08040302

上交日期：2011.6.11

一、实验要求

1.设计出基本的带隙基准

2.设计出低压带隙基准

二、实验目的

1.掌握P SP IC E的仿真

2.熟悉带隙基准电压设计的原理

三、实验步骤

1.基本配置一（如图一）

图一

基本配置中，最左边的部分增加了由MP8、MN2、MN6组成的启动电路。在电路未启动之前，MN6的栅极电压为低电位，及MN6截止。而MP8为二极管连接，因此MN2的栅极电压为高电位。这样MN2导通，从而MN2的漏极电压下降，致使整个电路启动。启动后，MN6的栅极电压为升高变为高电位，从而使MN6导通，导致MN2的栅极电压下降变为低电位，使MN2截止。

把电源V C C换成矩形脉冲V P U L SE，得到图二波形：

2.基准电压随温度的变化，温度变化范围-55度—125度，如图三

图三

由于我们普通认为流过MP1和MP2的电流完全相同，即忽略了沟道长度调制效应。基准电压的温度特性曲线一般是上凸的。温度特性曲线之所以会出现下凸的现象，是因为MP1和MP2的沟道长度调制效应的系数的影响。此时的温度系数=⨯⨯=

7.73/(180 1.154)100037.2ppm

3 此基本配置是在上述的基础上，为放大器加了共栅放大器，即使输入的虚短特性更加好一点。所以MP1和MP2的源漏两端电压更接近，即流过它们的电流也更接近，使温度特性曲线上凸。

3.1基本配置二（如图四）

图四

3.2基准电压随温度的变化，温度变化范围-55度—125度，如图五

图五

此时，两个输入管的电压相差0.4mv，比图一的相比具有较好的虚短特性，此时的温度系数 2.23/(180 1.159)100010.7ppm

=⨯⨯=

3.3环路增益的仿真。环路增益的基本仿真方法把环路某处断开，然后在该处加上激励源从一端输入，另一端输出。下图的方法是利用大电感对于直流来说相当于开路的特性，在放大器的输出处加以激励源与10H的电感。

图六

环路增益的仿真结果如图七：

图七

由图七可以看出，当环路增益稍大于0DB时，相位小于360度，即电路稳定。

虽然3的基本配置的放大器增加了一共栅放大器，但由于输出电阻主要由MP5与MP7的沟道电阻决定，即按照3的方法，其放大器的增益变化并不是很大。于是下图利用了共源共栅有很大输出电阻以及共栅管可以减小沟道电阻调制效应的特性，放大器的输出端与PTAT的恒流偏置端加了共栅管，以用来提高放大器的“虚短”特性。

4基本配置三（如图八）

图八

4.1基准电压随温度的变化，温度变化范围-55度—125度，如图九

图九

此时两个输入管的电压完全相同，即有接近理想放大器的“虚短”特性，此时的温度系数 1.48/(180 1.207)1000 6.8ppm =⨯⨯= 5 低压带隙基准电压

5.1基本配置四（如图十）

图十

此时的带隙基准电压：

312771372

ln 8ln 8eb T ref T eb V V V R R R V R R V R R ⎛⎫

⋅=⋅+ ⎪

⎝

⎭⎛⎫⋅⋅=

⋅+ ⎪⎝⎭

上式的

72

ln 8

R R ⋅应约等于17.2即可得到

7

R 与

2

R 之间的倍数关系。由该电路的静态仿

真结果可以得到ref V 约等于0.176v ，即实现了低压带隙基准。我们还可以调整1R 的大小来改变ref V 的值。

5.2基准电压随温度的变化，温度变化范围-55度—125

度，如图十一

图十一

此时的温度系数 3.61/(1800.179)1000112ppm =⨯⨯=

5.3图十一的温度系数过大，需在放大器的第一级的恒流偏置加共栅管，以增加其电源抑制比。另外，需要在输出带隙基准压支路上加共栅管一减小其沟道长度调制效应。最终使其温度系数变好。

6 基本偏置五（如图十二）

图十二

由该电路的静态仿真结果可以得到ref V 约等于0.142V ，即实现了低压带隙基准. 我们还可以调整1R 的大小来改变ref V 的值。

四、 心得体会

本实验主要是带隙基准电压，其中包含低压带隙基准的设计。通过本实验我学会了

很多知识点和仿真技巧。具体如下：

1. 仿真M O S 管的基本性能，如M O S 管的电压、电流、宽长比时，应使其三端固定，以

便使要求的结果与仿真参数具有一一对应的关系。 2. 在最初仿真时，我得到了下凸的带隙基准电压的温度曲线，且在-55度到125度时，带

隙基准电压有点大。分析原因是由于产生放大器的“虚短”特性不是很好。所以我对其

进行了改进，在放大器的输出加了一共栅放大器，使其放大倍数增大，使其虚短特性变好，温度系数也变小。

3. 虽然我在放大器的输出加了一共栅放大器，但放大器的输出电阻并没有改变很多，所以

放大器的增益没有很大改善。所以我在原来放大器的基础上，加了自举偏置的共源共栅

的放大器。在产生PTAT 电流的支路上，加了共栅管，以减小其沟道长度调制效应。总之，两者的结果使放大器的“虚短”特性，更好。

4. 在最后的设计中，我设计了两个低压带隙基准，但第一个低压带隙基准的设计中，带隙基准的输出电压支路中P M O S 管的沟道长度调制效应和放大器的电源抑制比小，所以我对其进行了改进，在对应的支路上加了共栅管，仿真结果表明：改进后的电路的具有更好的温度特性。

最后，感谢吴老师孜孜不倦的教导，让我获益良多。