一种csmc0.5umcmos工艺的带隙基准电压源的设计(附件)【字数：9367】
摘 要在电路系统中，电压基准源在集成电路中担任着非常重要的角色，起到了为其他模块电路提供高精度电压基准的作用，或者是转化为电流基准的作用。它与温度、工艺以及电源电压的变化无关，性能比较稳定。本文通过比较和分析齐纳二极管电压基准源电路和普通的带隙基准电压源的优缺点，确定了共源共栅电流密度补偿性结构的核心电路，以及通过一个带NMOS电流镜负载的跟随放大器(M5和M6)及一个输出补偿电路构成的负反馈电路，形成了基准电压的输出电路，改善了基准的带负载能力。其中，通过电阻的温度系数来对基准温度系数的调整，实现了整个电路的设计。接着是用无锡上华0.5um CMOS工艺的模型对电路的性能参数进行了仿真，并根据其尺寸规则设计了版图，最后用cadence软件对其进行了DRC与LVS的验证，完成了电路从前端到后端的设计。仿真结果表明在室温27℃时，本文设计的电压基准源提供的输出电压为1.07V。在工作温度-20℃--100℃的工作范围内，输出电压的温度变化为60mV。在1Hz～100MHz的频率范围内，最差情况下的电源抑制比为-2.625dB。版图中MOS管尺寸最小尺寸为0.5um。整个电路设计符合项目总体设计要求。
目 录
第一章 绪论 1
1.1电压基准源（Voltage Reference）简介 1
1.2电压基准源的分类 1
第二章 电压基准源的性能指标及原理 4
2.1电压基准源的性能指标 4
2.2与电源无关的偏置 5
2.3与温度无关的基准 7
2.3.1负温度系数 7
2.3.2正温度系数 7
第三章 基准电压源的设计 9
3.1带隙基准的电路与改进 9
3.1.1形成带隙基准 9
3.1.2运放的失调 10
3.1.3PTAT电流的产生 12
3.1.4恒定Gm偏置 13
3.1.5速度与噪声问题 15
3.2与温度无关的带隙基准电压源 15
3.3启动电路 17
第四章 仿真和结果分析 19
4.1利用Cadence仿真电源抑制比 19
4.2仿真电路的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
建立时间 20
4.3仿真分析电源调整率 20
4.4仿真分析和计算基准的温度系数 21
第五章 基准源电路的版图设计 23
5.1匹配性设计 23
5.2耦合和寄生效应 23
5.2.1耦合 23
5.2.2寄生效应 24
5.3电路的版图部分 24
5.3.1 一些常见器件的版图 24
5.3.2 基准电路的总体版图 26
5.4 基准电压源的版图验证 27
5.4.1 基准电压源的版图DRC验证 27
5.4.2 版图提取与 LVS 验证 28
结束语 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 33
附录A绘制的总电路原理图 33
附录B基准电路版图 34
附录C仿真表 34
附录D仿真波形 35
第一章 绪论
1.1电压基准源（Voltage Reference）简介
电压基准源指的是一种高精度和高稳定性，并且在模拟电路中用做参考的一类参考源。在当前公司所研发的芯片中，大多数为充电芯片，基本上都有基准电路的存在，而且还都是电压基准，电流只是在少数。其次，电源还有工艺方面对这个基准电压影响比较小，温度对其的影响也是确定的，它可以用作一个比较器的偏置，当然也可以让它带载，不过要将它进行进一步的处理，毕竟它的驱动能力不强。随着现在的电路越来越集成化，当然也就越复杂，当然也就对基准电压提出了更高的要求，其中，精度往往是最重视的一方面。除了一些直交转换器、稳压器中，它在一些测量仪器中也担任了很重要的角色，比如说电流表、电压表等等。
随着目前便携设备需求的不断增加，低电压工作的电压基准已然成为广大集成电路设计者争相研究的对象。对于传统的在1.2V左右的基准，要想减小它的数值，就必须要改进电路。改过之后的电路所输出的工作电压都被电源电压所限制，主要是通过不同运放的电路结构以及MOS管衬底效应来形成较高的阈值电压来限制的。
在对于要求精度高的场合中，低的温度系数往往稳定性会更好。在数模混合集成电路中，高电源抑制比的电压基准源可能存在的高频噪声和数字电路产生的噪声会对模拟电路产生一些信号干扰。在混合电路中，在较宽的范围，电压基准源具有良好的电源抑制比。
1.2电压基准源的分类
通常的齐纳二极管电压源在反向的时候串联一个正向的二极管，这样就是为了降低温度系数或者是减少温度漂移，如图11所示。工作在雪崩状态下的齐纳二极管，要想它击穿必须要达到7V，而且它是正温度系数的，大约是2mV每摄氏度；通常的正向硅二极管是具有负温度系数的特性，大约也是2mV每摄氏度；这样两者相加就可以抵消了，但是有一个问题就是，它们的绝对值大小并不是完全一样的，不仅如此，它们还随电流的改变而发生改变，所以我们就很难得到零温度系数的基准电压。
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图11 齐纳二极管工作原理 图12 表层和隐埋齐纳二极管结构
齐纳二极管通常分为两类，一类是击穿发生在硅层表面的，我们把它叫做表层齐纳二极管，如图12a所示；另一种叫做隐埋齐纳二极管，如图12b所示。表层齐纳二极管由于表面有很多的杂质、晶格缺陷和机械应力，造成了它噪声大、稳定性差的结果；正因为如此，我们才有了第二类的隐埋齐纳二极管，它的击穿发生在硅表层下面，避免了与环境的直接接触，使它在噪声和温度偏移方面有了很大的改善；除了这些优点之外，它在工艺方面要比表面的难控制，所以得出的结果往往超过了允许误差。正因为这样，我们才要设计一种电路，能够对基准电压的数值和其温度系数进行调整。对于性能方面的要求，我们更倾向于隐埋的齐纳二极管。正常情况下，隐埋齐纳二极管基准源具有 0.010.1%的初始精度,温度系数(TC)为 110ppm/℃,低于 10μVpp(0.110Hz)的噪声。
虽然隐埋齐纳二极管的精确度和稳定度得到了提高，但是它自身需要7V的电源电压上电，工作电流也高，这样也就限制了应用场合，更不方便对于携带类电子产品的使用。
目 录
第一章 绪论 1
1.1电压基准源（Voltage Reference）简介 1
1.2电压基准源的分类 1
第二章 电压基准源的性能指标及原理 4
2.1电压基准源的性能指标 4
2.2与电源无关的偏置 5
2.3与温度无关的基准 7
2.3.1负温度系数 7
2.3.2正温度系数 7
第三章 基准电压源的设计 9
3.1带隙基准的电路与改进 9
3.1.1形成带隙基准 9
3.1.2运放的失调 10
3.1.3PTAT电流的产生 12
3.1.4恒定Gm偏置 13
3.1.5速度与噪声问题 15
3.2与温度无关的带隙基准电压源 15
3.3启动电路 17
第四章 仿真和结果分析 19
4.1利用Cadence仿真电源抑制比 19
4.2仿真电路的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
建立时间 20
4.3仿真分析电源调整率 20
4.4仿真分析和计算基准的温度系数 21
第五章 基准源电路的版图设计 23
5.1匹配性设计 23
5.2耦合和寄生效应 23
5.2.1耦合 23
5.2.2寄生效应 24
5.3电路的版图部分 24
5.3.1 一些常见器件的版图 24
5.3.2 基准电路的总体版图 26
5.4 基准电压源的版图验证 27
5.4.1 基准电压源的版图DRC验证 27
5.4.2 版图提取与 LVS 验证 28
结束语 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 33
附录A绘制的总电路原理图 33
附录B基准电路版图 34
附录C仿真表 34
附录D仿真波形 35
第一章 绪论
1.1电压基准源（Voltage Reference）简介
电压基准源指的是一种高精度和高稳定性，并且在模拟电路中用做参考的一类参考源。在当前公司所研发的芯片中，大多数为充电芯片，基本上都有基准电路的存在，而且还都是电压基准，电流只是在少数。其次，电源还有工艺方面对这个基准电压影响比较小，温度对其的影响也是确定的，它可以用作一个比较器的偏置，当然也可以让它带载，不过要将它进行进一步的处理，毕竟它的驱动能力不强。随着现在的电路越来越集成化，当然也就越复杂，当然也就对基准电压提出了更高的要求，其中，精度往往是最重视的一方面。除了一些直交转换器、稳压器中，它在一些测量仪器中也担任了很重要的角色，比如说电流表、电压表等等。
随着目前便携设备需求的不断增加，低电压工作的电压基准已然成为广大集成电路设计者争相研究的对象。对于传统的在1.2V左右的基准，要想减小它的数值，就必须要改进电路。改过之后的电路所输出的工作电压都被电源电压所限制，主要是通过不同运放的电路结构以及MOS管衬底效应来形成较高的阈值电压来限制的。
在对于要求精度高的场合中，低的温度系数往往稳定性会更好。在数模混合集成电路中，高电源抑制比的电压基准源可能存在的高频噪声和数字电路产生的噪声会对模拟电路产生一些信号干扰。在混合电路中，在较宽的范围，电压基准源具有良好的电源抑制比。
1.2电压基准源的分类
通常的齐纳二极管电压源在反向的时候串联一个正向的二极管，这样就是为了降低温度系数或者是减少温度漂移，如图11所示。工作在雪崩状态下的齐纳二极管，要想它击穿必须要达到7V，而且它是正温度系数的，大约是2mV每摄氏度；通常的正向硅二极管是具有负温度系数的特性，大约也是2mV每摄氏度；这样两者相加就可以抵消了，但是有一个问题就是，它们的绝对值大小并不是完全一样的，不仅如此，它们还随电流的改变而发生改变，所以我们就很难得到零温度系数的基准电压。
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图11 齐纳二极管工作原理 图12 表层和隐埋齐纳二极管结构
齐纳二极管通常分为两类，一类是击穿发生在硅层表面的，我们把它叫做表层齐纳二极管，如图12a所示；另一种叫做隐埋齐纳二极管，如图12b所示。表层齐纳二极管由于表面有很多的杂质、晶格缺陷和机械应力，造成了它噪声大、稳定性差的结果；正因为如此，我们才有了第二类的隐埋齐纳二极管，它的击穿发生在硅表层下面，避免了与环境的直接接触，使它在噪声和温度偏移方面有了很大的改善；除了这些优点之外，它在工艺方面要比表面的难控制，所以得出的结果往往超过了允许误差。正因为这样，我们才要设计一种电路，能够对基准电压的数值和其温度系数进行调整。对于性能方面的要求，我们更倾向于隐埋的齐纳二极管。正常情况下，隐埋齐纳二极管基准源具有 0.010.1%的初始精度,温度系数(TC)为 110ppm/℃,低于 10μVpp(0.110Hz)的噪声。
虽然隐埋齐纳二极管的精确度和稳定度得到了提高，但是它自身需要7V的电源电压上电，工作电流也高，这样也就限制了应用场合，更不方便对于携带类电子产品的使用。
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