带隙电压基准的设计_毕业设计(编辑修改稿)

带隙电压基准的设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

一级增益：第二级增益：:管子的跨导。 前面求得gm1= ro:管子的输出电阻二级运放总增益：（2）静态功耗 Vbe结的温度系数及结电压的计算通过Hspice进行仿真可以得到pnp管Vbe结的温度系数及工作电流下的Vbe结电压，分析下图可得：从图中可以看到，在不同的工作电流下，pnp管Vbe结都呈现负温度系数。 工作电流不同温度系数略有不同。 选择工作电流200uA下的Vbe结。 选择工作电流200uA下的Vbe结的温度特性曲线，取两点，坐标分别为：（20，），（60，）因此，工作电流200uA条件下，Vbe结的温度系数是：20℃下，工作电流200uA条件下，Vbe结电压为： Vbe的温度系数计算接下来对结进行仿真，可以得到下图：取两点（20，），（60，）计算得到结的温度系数：利用前面得到的正负温度系数的电压，我们现在可以设计出一个令人满意的零温度系数的基准。 我们有，这里是两个工作在不同电流密度下的双极晶体管的基极发射极电压的差值。 为了得到零温度系数，我们由电路可知：这里有,则因为,因此有所以4 电路仿真模拟电路由于其在性能上的复杂性和电路结构上的多样性，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求。 国际上公认的模拟电路通用仿真工具是美国加利福尼亚大学伯克利(Berkeley)分校开发的通用电路模拟程序SPICE( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)，目前享有盛誉的EDA公司的模拟电路仿真工具，都是以SPICE为基础实现的。 其中以美国原 Meta Software公司的HSPICE和Micro Sim公司的PSPICE最为流行。 HSPICE是Meta软件公司推出的工业级电路分析产品，它能提供电路在稳态、瞬态及频域状态下所进行的模拟仿真，包括直流工作点和直流传输特性分析、交流小信号分析、噪声分析、瞬态分析、傅立叶分析、灵敏度分析、温度分析、最坏情况分析以及蒙特卡罗分析等等。 采用HSPICE可从直流到大于100GHZ的微波范围内对电路作精确的模拟、分析[10]。 一个理想的运放，当输入电压为0时，输出电压也应为0。 但实际上它的差分输入级很难做到完全对称。 通常在输入电压为0时，存在一定的输出电压。 由上图取点可知失调电压为输入共模范围：单位增益带宽：17MHz相位裕度：56度低频增益：80dB如图为核心电路电压随温度变化曲线在0℃100℃温度范围内，℃,具有良好的温度特性。 5 结论基准电压源广泛应用于各种集成电路中，其精度和稳定性直接影响着整个系统的性能，在生活中对基准源的功耗、电源抑制比、工作电压等方面都有较高的要求。 本文通过对CMOS带隙基准电压源进行深入的研究，设计出了一种精度较高的带隙基准源。 由电路的仿真结果验证了基准源在0℃100℃范围内，℃,。 致谢首先我要感谢我的导师李书艳老师，她个人对于学术严谨的态度给了我很大的触动，让我能够平静下浮躁的心情认认真真完成整个电路的设计流程。 在完成论文的过程中，她给我提供了非常有用的参考资料，并在每个阶段都提出值得我思考的建议，引导我使用更方便、正确的分析方法来解决问题。 其次，也要感谢电子专业的老师，他们总是很耐心地回答我提出的各种问题，尽管有些在他们看来是很简单的，这让我省去了许多无谓的摸索过程，直接学到了一些精髓所在。 感谢寝室同学在论文上给予我的帮助，正是有了他们的帮助我的论文才能顺利完成。 感谢所有曾经帮助过我的朋友们，他们给了我坚强和自信。 最后，感谢辽宁工程技术大学对我四年的培养。 感谢曾经教育和帮助过我的所有老师。 衷心感谢百忙之中抽出时间参加论文评阅和论文答辩的各位老师，感谢你们为审阅本文所付出的辛勤劳动。 作为一名电子专业的学生，我只是完成了一个简单的基本模块的设计，还有许多值得探究和思考的方面，接下来我同样会继续努力学习电路知识。 在此用我的态度与决心来表示对你们真诚的谢意。 参考文献[1] . Cheng, Z. W. Wu. Low power lowvoltage reference using peaking current mirror circuit. Electronics [2] :清华大学出版社，2001年1月[3] 毕查德拉扎维，2003年2月[4] 程军，[5] 孙顺根，吴晓波，[6] 史侃俊，许维胜，[7] ，1995年3月[8] 孟波，[9] 何乐年, ，2008年8月[10] 刘艳艳，、：人民邮电出版社，2008年5月附录 A：中文译文低压CMOS带隙基准电压源设计摘要：基准源是模拟集成电路中的基本单元之一, 它在高精度 ADC, DAC, SoC 等电路中起着重要作用, 基准源的精度直接控制着这些电路的精度。 阐述一个基于带隙基准结构的 Sub 1 V、低功耗、 温度系数、低高电源抑制比的CMOS基准电压源。 并基于CSMC m Double Poly M ix Process 对电路进行了仿真, 得到理想的设计结果。 关键词: CMOS基准电压源。 低功耗。 Sub 1 V。 高电源抑制比0 引言基准电压源广泛应用于电源调节器、 D 和 D/ A 、A/D转换器、数据采集系统, 以及各种测量设备中。 近年来, 随着微电子技术的迅速发展, 低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。 比如, 在一些使用电池的系统中, 要求电源 电压在 3 V 以下。 因此, 作为电源调节器、 D 和 D/ A 转换器等电路核心功能模块之一的电A/D, 压基准源, 必然要求在低电源电压下工作。 在传统的 带隙基 准源 设计中, V 左右, 这就限制了最小电源电压。 另一方面, 共集电极的寄生 BJT 和运算放大器的共模输入电压, 也限制了 PTAT 电流生成环路的低压设计。 近年来, 一些文献力图解决这方面的问题。 归纳起来, 前一问题可以通过合适的电阻分压来实现。 第二个问题可以通过 BiCMOS 工艺来实现 , 或通过低阈值电压的 MOS 器件来实现但工艺上的难度以及设计成本将上升。 基于上面的考虑, 本文首先对传统的带隙电压源原理进行分析, 然后提出了一种比较廉价且性能较高的低压带隙基准电压源, 采用电流反馈、一级温度补偿技术设计了低压 CMOS 带隙基准源电路, 使其电路能工作在较低的电压下。 本文介绍这种带隙电压基准源的设计原理给出了电路的仿真结果, 并对结果进行了分析。 并基于CSMC0 5 m Double Poly Mix Process 对电路进行了仿真得到理想结果。 1 低压COMS基准电压源设计图1为带隙基准电压源的原理示意图。 双极性晶体管的基极发射极电压Vbe,具有负的温度系数,。 而热电压Vt具有正的温度系数, 其温度系数在室温下为+。 将 Vt 乘以常数K并和Vbe相加就得到输出电压Vref: (1) 将式（1）对温度T微分并代入Vbe和Vt的温度系数可求的K，它使Vref的温度系数在理论上为零。 Vbe受电源电压变化的影响很小，因而带隙基准电压的输出电压受电源的影响也很小。 图2是典型的CMOS带隙电压基准源电路。 两个PNP管Q1,Q2的基极发射极电压差： （2）式中：j1和j2是流过Q1和Q2的电流密度。 运算放大器的作用使电路处于深度负反馈状态，使得节点1和节点2的电压相等。 即： （3） （4）图1 带隙基准源原理示意图图2 典型的CMOS带隙电压基准源由图2可得： (5)通过M1和M2的镜像作用，使得I1和I2相等，结合式（4）和式（5）可得： (6)式中：A1和A2是Q1和Q2的发射极面积。 比较式（5）和式（1），可得常数K为： （7）在实际设计中，K值即为式（7）表示。 传统带隙基准源结构能输出比较精确的电压，但其电源电压较高（大于3V），且基准输出范围有限（）以下的精确基准电压，就必须对基准源结构上进行改进和提高。 低压CMOS基准电压源的电路设计（，），采用一级温度补偿、电流反馈技术设计的低压带隙基准源电路如图3所示。 低压带隙基准源的电流不仅用于提供基准输出所需的电流，也用于产生差分放大器所需的电流源偏置电压，简化了电路和版图设计。 为了与CMOS标准工艺兼容，电路中PNP的e,b,c区分别采用P+，Nwell，Psub集电极接地。 Q2和Q1的发射极面积比为8：1，流过Q1和Q2的电流相等，这样等于Vtln8。 流过电阻R1的电流与热力学温度成正比。 三路镜像电流源使得流过P2，P3，P4的电流相等（I1=I2=I3）。 图3 整体电路图输出电压Vref为：电路中温度补偿系数K为：通过调节R4的值, 可以调节输出电压Vref的大小。 在电源电压变化时, P2 , P3 , P4 的漏源电压值保持不变, 与电源电压无关, 其栅极电压由运放调节。 为了降低电路的复杂度, 应用电流反馈原理, 运放采用简单的一阶运放, 由于Vdd的变化多于GND 的变化, 故运放的输入采用NMOS 的差分对结构。 因为整个电路在低压下工作, 故整个电路设计的重点是要保证低压下运放的正常工作。 由于带隙基准源存在两个电路平衡点, 即零点和正常工作点。 当基准源工作在零点时, 节点2 的电压等于零, 基准源没有电流产生。 固需要设计一个启动电路, 避免基准源工作在平衡零点。 本设计的启动电路由NN6 和P7 构成。 当电路工作在零点时, N6 管导通, 迅速提高节点2 的电压, 产生基准电流, 节点1 的电压通过 P7 和 N5 组成的反相器, 使 N6 管完全截止, 节点2的电压回落在稳定的工作点上, 基准源开始正常工作。 电路的器件参数如表 1 所示, P2 , P3 , P4 管的尺寸较大, 是为了降低电路中的1/ f 噪声。 电流镜的负载管 P5 , P6 和差分对管 N1 , N2 的宽长比较大, 以抑制电路的热噪声。 由于电路中的电阻值较大, 故在工艺中用阱电阻实现。 电容C0 有助于电路的稳定, 同时还可以减小运放的宽度，有助于降低噪声的影响。 2 仿真与结果分析在Cadence 设计平台下的Spectre 仿真器中基于CSMC。 得到电路的温度特性曲线、直流电源抑制特性曲线、交流PSRR特性曲线、启动时间曲线如图4所示。 各项仿真结果参数如表2所示。 表1 电路的器件参数器件参数P1P2P3P4P510um/P610um/P72um/18umN118um/3umN218um/3umN310um/2umN410um/2umN518um/2umN62um/10umQ15um*5umQ240um*5umC020pFR15006kR255kR355kR4表2 仿真结果参数表电源电压/V工作温度/℃温度系数/ppm/℃交流PSRR/dB电源抑制特性/mV/V功耗/uW~410~+1308034516 (~130℃)~ (0~1kHz)（a）温度特性曲线（b）直流电源抑制特性(c) 交流PSRR3 结语在应用典型CMOS电压基准源的基础上, 综合一级温度补偿、电流补偿技术, 设计了带隙电压基准源电路。 ~4V, 工作温度为 10~ + 130 ℃ , 基准输出电压Vref为,℃，电源抑制比为70dB。 仿真结果证明了设计的正确性。 附录 B： 外文译文Low voltage CMOS bandgap reference voltage sourceAbstractReference is a simulation of one of the basic unit in integrated circuits. It is in high accuracy of ADC, DAC, SoC plays an important role in circuit. Reference source accuracy directly control the circuit accuracy, Paper based on a bandgap reference structure Sub 1 V, low power consumption, CMOS reference voltage source than the temperature coefficient, low and high power supply rejection. And based on the CSMC m Double Poly M ix Process .The simulation of the circuit design, obtained ideal results.Keywords: CMOS reference voltage source。 low power consumption。 Sub 1 V。 High power supply rejection ratio0 Intr。