一种ptat电流补偿的带隙基准【字数：9081】
摘 要带隙基准对电路的性能都有着显著的影响，具有广泛的应用前景。为了更好地提高带隙基准电压源的各项性能，本文基于Generic 0.25μm CMOS工艺，利用双极型晶体管基极-发射极电压的负温度系数特性与一个与绝对温度成正比的电压两者按照比例叠加，取得零温度系数电压这个原理，设计了引入PTAT电流的带隙基准电路，并优化了带隙基准电路的温度特性，运用Tanner软件仿真PTAT电流补偿的带隙基准电路的温度特性，以及基准电压随电源电压的变化情况，仿真结果表明，基准有较好的稳定性。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题背景及发展趋势 1
1.2带隙基准源的历史及研究现状 1
1.3 本文的设计结构 3
2. 带隙基准源的理论分析 4
2.1 带隙基准源的原理分析 4
2.1.1负温度系数电压 4
2.1.2正温度系数电压 5
2.1.3 零温度系数基准电压 5
2.2 带隙基准源的影响因素分析 6
2.3 启动电路 7
3. 经典的带隙基准源电路 9
3.1 经典的带隙基准电压源之一 9
3.2 经典的带隙基准电压源之二 9
3.3 两种带隙基准电路的优劣 10
3.4 带隙基准电压源的误差分析 11
3.4.1运放的失调 11
3.4.2 电流镜的失配 11
3.4.3 双极型晶体管引入的误差 12
4. PTAT电流补偿的带隙基准电路的设计与仿真 13
4.1 电路系统结构 13
4.2 PTAT电流的引入 14
4.3 电路结构 16
4.4 电路性能仿真 17
总结与展望 19
文献 20
致谢 21
1. 绪论
1.1 课题背景及发展趋势
随着美国于1985年成功发明了第一块集成电路板，集成电路技术发展势头猛烈，模拟集成电路已经是电子技术行业的领军行业，也是目前全球技术领先、进步显著的热门领域。其中模拟集成电路随着半导体集成电路技术 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
的迅猛发展，在集成电路各个模块也得到了充分的应用。通用模拟集成电路主要包括各种通用运算放大器、电压与电流源基准、电源管理、高精度ADC与DAC电路等，而基准源是构成集成电路结构的主要部分，影响着模拟集成电路的整体结构，因此基准电压源的温度系数以及功耗等成为了关键性因素。
随着半导体行业的不断创新发展，模拟集成电路的生产成本大大降低，与此同时，电路功耗也在不断降低来达到更高性能的工艺技术，模拟集成电路技术的进步，电压基准源是模拟集成电路设计中不可或缺的基本组成部分，如高精度数据转换器、直流电压转换器以及低压差线性稳压器等。它的性能直接影响了电路的温度特性、功耗、开环增益等。在具有优异性能的基准源中，带隙电压基准因其温度系数较小和电源抑制比较小而得到了广泛的应用以及研究。
1.2带隙基准源的历史及研究现状
当通过使用齐纳二极管的温度特性原理的提出，设计出了一款基准电压源都相对较高的基准电路模块。但同时因为电路产生的基准电压源和电流源都相对较高，导致电路不适合低压系统，电路的稳定性较差。
当带隙基准源这一概念第一次提出的时候，为模拟集成电路行业提供了巨大的便利。对于一个双极型晶体管（BJT），利用它BE结电压（VBE）与绝对温度成反比，但是因为工作在不同集电极电流的情况下，两个三极管的基极与发射极之间的电压之差（VBE）与绝对温度成正比。通过上面得到的与绝对温度成反比的电压和与绝对温度成反比的电压，可以寻找一个合适的比例将这两个电压叠加，来得到一个接近零温度系数的带隙基准电压。Paul Brokaw利用三极管的集电极电流与基极电流之间的关系，通过改变集电极电流来降低基极电流对三极管基极发射极电压之差的影响，来减少温度补偿时出现的误差。但由于基极和集电极电阻的加入，运算放大器出现了失调电压，导致这种方法不能大量投入到模拟电路的应用中。
现阶段要求带隙基准电压源尽可能降低被外界环境温度、电路元件参数、输入电源等的变化的影响率，这样的带隙基准电路自然受到整个模拟集成电路行业的欢迎。带隙基准相较于其他工艺作为一个相对完善的模拟单元电路，目前我们对带隙基准的研究方向具体在于如何获取更高性能的参数。所以我们不但要缩小电池尺寸和降低功耗，更需要提高带隙基准电压源的性能，就必须对传统基准电路进行电流补偿。利用三极管的基极发射极电压以及不同三极管的BE结电压之差之间的加权相加来得到近似于零温度系数状态，从而最终获取与温度无关的基准电压。
随着半导体工艺技术的高速发展，以及电子电路对高性能、低成本要求的模拟集成电路模块的迫切需求，基准源是高精度数据转换器、片上DCDC变换器等集成电路设计中必不可少的一个单元模块，所以对基准电压源的性能要求也越来越高。高精度的基准源是当前研究的重要模块之一，是国内外科研人员研究的重中之重。主要的着手点是降低温漂、降低成本、减少功耗等。
（1）低温度系数
温漂系数是基准源的重要技术指标之一，如果要想提高模拟电路系统的性能，那么降低基准源的温度系数是很有必要的。而传统的基准源电路的温度系数大约在20～100ppm/℃之间，为了降低基准源电路的温漂，可以采用高阶温度补偿技术来改善电路，其原理是在原有电路的结构上增加极值的基准电压温度特性曲线，主要的高阶温度补偿技术有：利用电阻温度系数补偿法、指数曲率补偿法、分段线性补偿法等[1]。
（2）低电源电压、低功耗
近几十年模拟电路工艺技术的进步，晶体管的工艺也在不断地改良。为了更好地完善模拟集成电路的性能，尽可能的降低电路的工作电压，以此来降低成本损耗是优化电路工作性能的重要措施之一。根据摩尔法则，在晶体管的工艺尺寸不断缩小的情况下，电路的工作性能也会在功耗降低的同时显著提升。
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1. 绪论 1
1.1 课题背景及发展趋势 1
1.2带隙基准源的历史及研究现状 1
1.3 本文的设计结构 3
2. 带隙基准源的理论分析 4
2.1 带隙基准源的原理分析 4
2.1.1负温度系数电压 4
2.1.2正温度系数电压 5
2.1.3 零温度系数基准电压 5
2.2 带隙基准源的影响因素分析 6
2.3 启动电路 7
3. 经典的带隙基准源电路 9
3.1 经典的带隙基准电压源之一 9
3.2 经典的带隙基准电压源之二 9
3.3 两种带隙基准电路的优劣 10
3.4 带隙基准电压源的误差分析 11
3.4.1运放的失调 11
3.4.2 电流镜的失配 11
3.4.3 双极型晶体管引入的误差 12
4. PTAT电流补偿的带隙基准电路的设计与仿真 13
4.1 电路系统结构 13
4.2 PTAT电流的引入 14
4.3 电路结构 16
4.4 电路性能仿真 17
总结与展望 19
文献 20
致谢 21
1. 绪论
1.1 课题背景及发展趋势
随着美国于1985年成功发明了第一块集成电路板，集成电路技术发展势头猛烈，模拟集成电路已经是电子技术行业的领军行业，也是目前全球技术领先、进步显著的热门领域。其中模拟集成电路随着半导体集成电路技术 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
的迅猛发展，在集成电路各个模块也得到了充分的应用。通用模拟集成电路主要包括各种通用运算放大器、电压与电流源基准、电源管理、高精度ADC与DAC电路等，而基准源是构成集成电路结构的主要部分，影响着模拟集成电路的整体结构，因此基准电压源的温度系数以及功耗等成为了关键性因素。
随着半导体行业的不断创新发展，模拟集成电路的生产成本大大降低，与此同时，电路功耗也在不断降低来达到更高性能的工艺技术，模拟集成电路技术的进步，电压基准源是模拟集成电路设计中不可或缺的基本组成部分，如高精度数据转换器、直流电压转换器以及低压差线性稳压器等。它的性能直接影响了电路的温度特性、功耗、开环增益等。在具有优异性能的基准源中，带隙电压基准因其温度系数较小和电源抑制比较小而得到了广泛的应用以及研究。
1.2带隙基准源的历史及研究现状
当通过使用齐纳二极管的温度特性原理的提出，设计出了一款基准电压源都相对较高的基准电路模块。但同时因为电路产生的基准电压源和电流源都相对较高，导致电路不适合低压系统，电路的稳定性较差。
当带隙基准源这一概念第一次提出的时候，为模拟集成电路行业提供了巨大的便利。对于一个双极型晶体管（BJT），利用它BE结电压（VBE）与绝对温度成反比，但是因为工作在不同集电极电流的情况下，两个三极管的基极与发射极之间的电压之差（VBE）与绝对温度成正比。通过上面得到的与绝对温度成反比的电压和与绝对温度成反比的电压，可以寻找一个合适的比例将这两个电压叠加，来得到一个接近零温度系数的带隙基准电压。Paul Brokaw利用三极管的集电极电流与基极电流之间的关系，通过改变集电极电流来降低基极电流对三极管基极发射极电压之差的影响，来减少温度补偿时出现的误差。但由于基极和集电极电阻的加入，运算放大器出现了失调电压，导致这种方法不能大量投入到模拟电路的应用中。
现阶段要求带隙基准电压源尽可能降低被外界环境温度、电路元件参数、输入电源等的变化的影响率，这样的带隙基准电路自然受到整个模拟集成电路行业的欢迎。带隙基准相较于其他工艺作为一个相对完善的模拟单元电路，目前我们对带隙基准的研究方向具体在于如何获取更高性能的参数。所以我们不但要缩小电池尺寸和降低功耗，更需要提高带隙基准电压源的性能，就必须对传统基准电路进行电流补偿。利用三极管的基极发射极电压以及不同三极管的BE结电压之差之间的加权相加来得到近似于零温度系数状态，从而最终获取与温度无关的基准电压。
随着半导体工艺技术的高速发展，以及电子电路对高性能、低成本要求的模拟集成电路模块的迫切需求，基准源是高精度数据转换器、片上DCDC变换器等集成电路设计中必不可少的一个单元模块，所以对基准电压源的性能要求也越来越高。高精度的基准源是当前研究的重要模块之一，是国内外科研人员研究的重中之重。主要的着手点是降低温漂、降低成本、减少功耗等。
（1）低温度系数
温漂系数是基准源的重要技术指标之一，如果要想提高模拟电路系统的性能，那么降低基准源的温度系数是很有必要的。而传统的基准源电路的温度系数大约在20～100ppm/℃之间，为了降低基准源电路的温漂，可以采用高阶温度补偿技术来改善电路，其原理是在原有电路的结构上增加极值的基准电压温度特性曲线，主要的高阶温度补偿技术有：利用电阻温度系数补偿法、指数曲率补偿法、分段线性补偿法等[1]。
（2）低电源电压、低功耗
近几十年模拟电路工艺技术的进步，晶体管的工艺也在不断地改良。为了更好地完善模拟集成电路的性能，尽可能的降低电路的工作电压，以此来降低成本损耗是优化电路工作性能的重要措施之一。根据摩尔法则，在晶体管的工艺尺寸不断缩小的情况下，电路的工作性能也会在功耗降低的同时显著提升。
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